Caspase-1

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Einleitung

Caspasen sind eine einzigartige Familie von Cysteinproteasen, die an Entzündungsprozessen und Apoptose beteiligt sind. Sie sind hochkonserviert und lassen sich anhand ihrer apoptotischen bzw. inflammatorischen Funktion in zwei Gruppen einteilen. Zur Subfamilie der „inflammatorischen“ Caspasen zählen beim Menschen die Caspasen 1, 4, 5 und 12 sowie bei der Maus die Caspasen 1, 11 und 12. Die Clusterung inflammatorischer Caspase-Gene an demselben chromosomalen Lokus (Mensch 11q22.1, Maus 9A1) stützt die Hypothese, dass Genduplikationen zur Variabilität der Caspasen beitragen. Durch ihre Beteiligung an der Aktivierung der proinflammatorischen Zytokine proIL‑1β und proIL‑18 spielen inflammatorische Caspasen eine Schlüsselrolle in der angeborenen Immunantwort. Die prototypische Cysteinprotease Caspase‑1 wurde zunächst als IL‑1β‑konvertierendes Enzym beschrieben und später als Cysteinprotease identifiziert. Procaspase‑1 besitzt eine N‑terminale Caspase Activation and Recruitment Domain (CARD), eine große Domäne (p20) mit der katalytischen Untereinheit (aktives Zentrum) sowie eine kurze C‑terminale Domäne (p10); die drei Domänen sind durch eine Linkersequenz voneinander getrennt. Procaspase‑1 muss eine autoproteolytische Prozessierung durchlaufen und anschließend ein Caspase‑1‑Heterotetramer bilden, um eine ausreichende katalytische Aktivität zu erreichen. Kristallstrukturanalysen zeigen, dass aktive Caspase‑1 als Tetramer aus zwei symmetrisch angeordneten p20/p10‑Dimeren vorliegt. Ein p20/p10‑Dimer kommuniziert mit dem anderen über ein Netzwerk aus Wasserstoffbrückenbindungen und hydrophoben Interaktionen. Allgemein wurde angenommen, dass die Aktivierung des Inflammasom/Caspase‑1‑Signalwegs ausschließlich proinflammatorische Funktionen aufweist. Mittlerweile gibt es jedoch zunehmend Evidenz dafür, dass Caspase‑1 auch antiinflammatorische Aufgaben erfüllen kann. Darüber hinaus kann enzymatisch defiziente Caspase‑1 als proinflammatorisches Gerüstprotein (Scaffold) fungieren, und seltene humane CASP1-Varianten mit reduzierter oder fehlender Enzymaktivität sind mit rezidivierenden Fieberepisoden assoziiert.

Proinflammatorische Funktionen von Caspase‑1

Caspase‑1 ist bekannt für die proteolytische Spaltung von proIL‑1β und proIL‑18 in ihre reifen Formen (Abbildung 1). Diese Zytokine besitzen kein Signalpeptid; ihre Sekretion erfolgt über einen besonderen Weg der „unkonventionellen Proteinsekretion“, der unabhängig vom ER/Golgi‑Transport ist und in der Regel die Expression sowie enzymatische Aktivierung von Caspase‑1 erfordert. Heute ist der Caspase‑1‑abhängige Zelltod als Pyroptose bekannt, eine programmierte proinflammatorische Form des Zelltods, die unabhängig von apoptotischen Caspasen abläuft. Pyroptose ist gekennzeichnet durch eine Zunahme der Zellgröße, gefolgt von der Ruptur der zytoplasmatischen Membran und dem Austritt endogener DAMPs (damage‑associated molecular patterns) wie ATP, HMGB1 oder IL‑1α. Darüber hinaus fördert Caspase‑1 proinflammatorische Signaltransduktion über die Aktivierung von NF‑κB: Erstens führt die Caspase‑1‑vermittelte IL‑1β‑Sekretion zur Aktivierung des IL‑1‑Rezeptors und in der Folge zur NF‑κB‑Aktivierung. Zweitens induziert die Caspase‑1‑abhängige Spaltung des MyD88‑Adapter‑ähnlichen Proteins eine TLR2‑ und TLR4‑vermittelte NF‑κB‑Aktivierung. Caspase‑1 aktiviert Caspase‑7 proteolytisch, und die nachfolgende Freisetzung von PARP1 aus dem Chromatin verstärkt die Expression NF‑κB‑abhängiger Gene. Zudem führt die CARD‑CARD‑Domäneninteraktion zwischen Procaspase‑1 und der receptor‑interacting protein kinase 2 (RIP2) zur NF‑κB‑Aktivierung. Obwohl Procaspase‑1 unterschiedliche Interaktionen mit RIP2 oder ASC eingehen kann, lenkt ASC Procaspase‑1 von RIP2 weg, wodurch die NF‑κB‑Aktivierung gehemmt und gleichzeitig die inflammasomvermittelte IL‑1β‑Produktion induziert wird.

Abbildung 1. Pro- und antiinflammatorische Funktionen von Caspase‑1 (Winkler, S.; Rösen‑Wolff, A. 2015)

Defekte Caspase‑1 begünstigt Autoinflammation

Natürlich vorkommende Caspase‑1‑Varianten wurden in einer Population von Patientinnen und Patienten mit autoinflammatorischen syndromähnlichen Symptomen nachgewiesen, bei denen genetische Veränderungen der Gene MEFV, NLRP3, MVK oder PSTPIP1 sowie Autoantikörper oder klassische rheumatische Erkrankungen ausgeschlossen worden waren. Insgesamt wurden sieben genetische Varianten von Caspase‑1 identifiziert, von denen einige heterozygot, compound‑heterozygot oder homozygot vorlagen, von denen einige auftraten

heterozygot, compound‑heterozygot oder homozygot. Nahezu alle Angehörigen der Patientinnen und Patienten – mit oder ohne Procaspase‑1‑Varianten – waren immunologisch gesund, wodurch eine monogenetische Erkrankung mit hoher Penetranz ausgeschlossen werden konnte. Die Inzidenz der Varianten bei den Patientinnen und Patienten ist jedoch höher als bei gesunden Spenderinnen und Spendern; dieses Phänomen stützt die Hypothese, dass Procaspase‑1‑Varianten krankheitsfördernde Faktoren darstellen. Die Studie von Lamkanfi et al. zeigte, dass Procaspase‑1 NF‑κB unabhängig von seiner Enzymaktivität aktivieren kann. Der zugrunde liegende Mechanismus könnte der NF‑κB‑Aktivierung ähneln, die als Reaktion auf die Bindung von RIP2 an das nucleotide binding oligomerization domain‑containing protein (NOD2) vermittelt wird. Interessanterweise ist die Interaktion zwischen der enzymatisch inaktiven Procaspase‑1‑Variante und RIP2 im Vergleich zur Wildtyp‑Procaspase‑1 signifikant verstärkt. Darüber hinaus induziert die Expression von Wildtyp‑Procaspase‑1 die Spaltung von RIP2 und vermittelt die Freisetzung von RIP2 in den Zellkulturüberstand, wodurch der intrazelluläre RIP2‑Spiegel reduziert wird. Der Verlust dieses Regulationsmechanismus oder eine verstärkte Procaspase‑1/RIP2‑Interaktion bei Procaspase‑1‑Varianten kann bei prädisponierten Patientinnen und Patienten die Entzündung verstärken und zu autoinflammatorischen Reaktionen sowie klinischen Entzündungssymptomen führen.

Abbildung 2. Defekte Caspase‑1 provoziert Entzündung (Winkler, S.; Rösen‑Wolff, A. 2015)