El papel de estas enzimas en la muerte celular programada se identificó por primera vez en 1993, y sus funciones en la apoptosis están bien caracterizadas. Se trata de una forma de muerte celular programada que se produce de forma generalizada durante el desarrollo y a lo largo de la vida para mantener la homeostasis celular . La activación de las caspasas garantiza que los componentes celulares se degraden de forma controlada, lo que provoca la muerte celular con un efecto mínimo en los tejidos circundantes . [3]
Las caspasas tienen otras funciones identificadas en la muerte celular programada, como la piroptosis , la necroptosis y la PANoptosis . Estas formas de muerte celular son importantes para proteger a un organismo de las señales de estrés y el ataque patógeno. Las caspasas también tienen una función en la inflamación, mediante la cual procesan directamente las citocinas proinflamatorias como la pro- IL1β . Estas son moléculas de señalización que permiten el reclutamiento de células inmunes a una célula o tejido infectado. Hay otras funciones identificadas de las caspasas, como la proliferación celular, la supresión tumoral , la diferenciación celular, el desarrollo neuronal y la guía y el envejecimiento de los axones . [4]
La deficiencia de caspasa se ha identificado como una causa del desarrollo de tumores. El crecimiento tumoral puede ocurrir por una combinación de factores, incluyendo una mutación en un gen del ciclo celular que elimina las restricciones al crecimiento celular, combinada con mutaciones en proteínas apoptóticas como las caspasas que responderían induciendo la muerte celular en células de crecimiento anormal. [5] Por el contrario, la sobreactivación de algunas caspasas como la caspasa -3 puede conducir a una muerte celular programada excesiva. Esto se observa en varias enfermedades neurodegenerativas donde se pierden células neuronales, como la enfermedad de Alzheimer . [5] Las caspasas involucradas en el procesamiento de señales inflamatorias también están implicadas en la enfermedad. La activación insuficiente de estas caspasas puede aumentar la susceptibilidad de un organismo a la infección, ya que puede no activarse una respuesta inmune apropiada. [5] El papel integral que desempeñan las caspasas en la muerte celular y la enfermedad ha llevado a la investigación sobre el uso de caspasas como un objetivo farmacológico. Por ejemplo, la caspasa inflamatoria-1 se ha implicado en causar enfermedades autoinmunes ; Se han utilizado fármacos que bloquean la activación de la caspasa-1 para mejorar la salud de los pacientes. Además, los científicos han utilizado las caspasas como terapia contra el cáncer para matar células no deseadas en los tumores. [6]
Clasificación funcional de las caspasas
La mayoría de las caspasas desempeñan un papel en la muerte celular programada. Estas se resumen en la siguiente tabla. Las enzimas se subclasifican en tres tipos: iniciadoras, ejecutoras e inflamatorias. [7]
Cabe señalar que, además de la apoptosis, la caspasa-8 también es necesaria para la inhibición de otra forma de muerte celular programada llamada necroptosis. La caspasa-14 desempeña un papel en la diferenciación de queratinocitos de las células epiteliales y puede formar una barrera epidérmica que protege contra la deshidratación y la radiación UVB. [11]
Activación de caspasas
Las caspasas se sintetizan como zimógenos inactivos (procaspasas) que solo se activan tras un estímulo adecuado. Este nivel de control postraduccional permite una regulación rápida y estricta de la enzima.
La activación implica la dimerización y, a menudo, la oligomerización de las procaspasas, seguida de la escisión en una subunidad pequeña y una subunidad grande. La subunidad grande y la subunidad pequeña se asocian entre sí para formar una caspasa heterodímera activa. La enzima activa a menudo existe como un heterotetrámero en el entorno biológico, donde un dímero de procaspasa se escinde para formar un heterotetrámero. [12]
Dimerización
La activación de las caspasas iniciadoras y las caspasas inflamatorias se inicia por dimerización, que se facilita mediante la unión a proteínas adaptadoras a través de motivos de interacción proteína-proteína que se denominan colectivamente pliegues de muerte . Los pliegues de muerte se encuentran en un dominio estructural de las caspasas conocido como prodominio, que es más grande en aquellas caspasas que contienen pliegues de muerte que en aquellas que no los contienen. El prodominio de las caspasas iniciadoras intrínsecas y las caspasas inflamatorias contiene un único pliegue de muerte conocido como dominio de reclutamiento de caspasa (CARD), mientras que el prodominio de las caspasas iniciadoras extrínsecas contiene dos pliegues de muerte conocidos como dominios efectores de muerte (DED). [13] [14]
Los complejos multiproteicos a menudo se forman durante la activación de la caspasa. [12] Algunos complejos multiproteicos activadores incluyen:
Una vez dimerizadas adecuadamente, las caspasas se escinden en las regiones de unión entre dominios, formando una subunidad grande y una pequeña. Esta escisión permite que los bucles del sitio activo adopten una conformación favorable para la actividad enzimática. [15]
La escisión de las caspasas iniciadora y verdugo se produce mediante diferentes métodos que se describen en la siguiente tabla.
Las caspasas iniciadoras se autoproteolíticamente escinden, mientras que las caspasas verdugo son escindidas por las caspasas iniciadoras. Esta jerarquía permite una reacción en cadena o cascada de amplificación para degradar los componentes celulares durante la muerte celular controlada.
Algunas funciones de las caspasas
Apoptosis
Las caspasas iniciadoras se activan por vías apoptóticas intrínsecas y extrínsecas. Esto conduce a la activación de otras caspasas, incluidas las caspasas ejecutoras, que llevan a cabo la apoptosis mediante la escisión de componentes celulares.
La apoptosis es una forma de muerte celular programada en la que la célula sufre cambios morfológicos para minimizar su efecto sobre las células circundantes y evitar inducir una respuesta inmunitaria. La célula se encoge y se condensa (el citoesqueleto colapsa y la envoltura nuclear desmonta los fragmentos de ADN). Esto hace que la célula forme cuerpos autoencerrados llamados " blebs " para evitar la liberación de componentes celulares al medio extracelular . Además, se altera el contenido de fosfolípidos de la membrana celular , lo que hace que la célula moribunda sea más susceptible al ataque y eliminación fagocítica. [17]
Una vez que se activan las caspasas iniciadoras, se produce una reacción en cadena que activa otras caspasas ejecutoras. Las caspasas ejecutoras degradan más de 600 componentes celulares [18] para inducir los cambios morfológicos necesarios para la apoptosis.
Ejemplos de cascada de caspasas durante la apoptosis:
Vía apoptópica intrínseca: Durante períodos de estrés celular, el citocromo c mitocondrial se libera en el citosol. Esta molécula se une a una proteína adaptadora ( APAF -1), que recluta a la caspasa-9 iniciadora (a través de interacciones CARD-CARD). Esto conduce a la formación de un complejo multiproteico activador de caspasa llamado apoptosoma . Una vez activadas, las caspasas iniciadoras como la caspasa 9 escindirán y activarán otras caspasas ejecutoras. Esto conduce a la degradación de los componentes celulares para la apoptosis.
Vía apoptópica extrínseca: la cascada de caspasas también es activada por ligandos extracelulares, a través de los receptores de muerte de la superficie celular. Esto se realiza mediante la formación de un complejo multiproteico de señalización inductora de muerte (DISC) que recluta y activa una procaspasa. Por ejemplo, el ligando Fas se une al receptor FasR en la superficie extracelular del receptor; esto activa los dominios de muerte en la cola citoplasmática del receptor. La proteína adaptadora FADD reclutará (mediante una interacción de dominio de muerte con dominio de muerte) procaspasa 8 a través del dominio DED. Este FasR, FADD y procaspasa 8 forman el complejo de señalización inductora de muerte (DISC) donde se activa la caspasa 8. Esto podría conducir a una activación posterior de la vía intrínseca mediante la inducción de estrés mitocondrial, o a una activación directa de las caspasas verdugos (caspasa 3, caspasa 6 y caspasa 7) para degradar los componentes celulares, como se muestra en el diagrama adyacente. [19]
Piroptosis
La piroptosis es una forma de muerte celular programada que induce inherentemente una respuesta inmunitaria. Es morfológicamente distinta de otros tipos de muerte celular: las células se hinchan, se rompen y liberan contenido celular proinflamatorio. Esto se realiza en respuesta a una variedad de estímulos, incluidas infecciones microbianas y ataques cardíacos (infartos de miocardio). [20] La caspasa-1, la caspasa-4 y la caspasa-5 en humanos, y la caspasa-1 y la caspasa-11 en ratones desempeñan papeles importantes en la inducción de la muerte celular por piroptosis. Esto limita la vida y el tiempo de proliferación de los patógenos intracelulares y extracelulares. [ cita requerida ]
Piroptosis por caspasa-1
La activación de la caspasa-1 está mediada por un repertorio de proteínas, lo que permite la detección de una variedad de ligandos patógenos. Algunos mediadores de la activación de la caspasa-1 son: repeticiones ricas en leucina tipo NOD (NLR), receptores tipo AIM2 (ALR), pirina e IFI16 . [21]
Estas proteínas permiten la activación de la caspasa-1 mediante la formación de un complejo activador multiproteico llamado inflamasoma. Por ejemplo, una proteína NOD Like Leucine Rich Repeat NLRP3 detectará un eflujo de iones de potasio desde la célula. Este desequilibrio iónico celular conduce a la oligomerización de las moléculas NLRP3 para formar un complejo multiproteico llamado inflamasoma NLRP3 . La pro-caspasa-1 se acerca a otra molécula de pro-caspasa para dimerizarse y sufrir una escisión autoproteolítica. [21]
A continuación se enumeran algunas señales patógenas que conducen a la piroptosis por caspasa-1:
El ADN en el citosol del huésped se une a los receptores similares a AIM2 induciendo la piroptosis
El sistema de secreción tipo III de las bacterias se une a los receptores de repeticiones ricas en leucina similares a NOD llamados NAIP (1 en humanos y 4 en ratones)
Piroptosis por caspasa-4 y caspasa-5 en humanos y caspasa-11 en ratones
Estas caspasas tienen la capacidad de inducir piroptosis directa cuando las moléculas de lipopolisacárido (LPS) (presentes en la pared celular de las bacterias gramnegativas) se encuentran en el citoplasma de la célula huésped. Por ejemplo, la caspasa 4 actúa como receptor y se activa proteolíticamente, sin necesidad de un complejo inflamasoma o de la activación de la caspasa-1. [21]
Un sustrato crucial para las caspasas piroptóticas es la Gasdermina D (GSDMD) [22]
Papel en la inflamación
La inflamación es un intento de protección de un organismo para restablecer un estado homeostático, después de una interrupción causada por un estímulo dañino, como un daño tisular o una infección bacteriana. [18]
La caspasa-1, la caspasa-4, la caspasa-5 y la caspasa-11 se consideran «caspasas inflamatorias». [7]
La caspasa-1 es clave en la activación de las citocinas proinflamatorias , que actúan como señales para las células inmunes y hacen que el entorno sea favorable para el reclutamiento de células inmunes al sitio del daño. Por lo tanto, la caspasa-1 juega un papel fundamental en el sistema inmune innato . La enzima es responsable de procesar citocinas como pro-ILβ y pro-IL18, así como de secretarlas. [21]
La caspasa-4 y -5 en humanos, y la caspasa-11 en ratones tienen una función única como receptor, por lo que se unen al LPS, una molécula abundante en las bacterias gramnegativas. Esto puede conducir al procesamiento y secreción de las citocinas IL-1β e IL-18 mediante la activación de la caspasa-1; este efecto posterior es el mismo que el descrito anteriormente. También conduce a la secreción de otra citocina inflamatoria que no se procesa. Esta se llama pro-IL1α. [21] También hay evidencia de una caspasa inflamatoria, la caspasa-11, que ayuda a la secreción de citocinas; esto se hace inactivando un canal de membrana que bloquea la secreción de IL-1β [21]
Las caspasas también pueden inducir una respuesta inflamatoria a nivel transcripcional. Hay evidencia de que promueven la transcripción del factor nuclear-κB ( NF-κB ), un factor de transcripción que ayuda a transcribir citocinas inflamatorias como los IFN , el TNF , la IL-6 y la IL-8 . Por ejemplo, la caspasa-1 activa la caspasa-7, que a su vez escinde la poli (ADP) ribosa , lo que activa la transcripción de genes controlados por el NF-κB. [18]
Descubrimiento de las caspasas
H. Robert Horvitz estableció inicialmente la importancia de las caspasas en la apoptosis y encontró que el gen ced-3 es necesario para la muerte celular que tuvo lugar durante el desarrollo del nematodo C. elegans . Horvitz y su colega Junying Yuan encontraron en 1993 que la proteína codificada por el gen ced-3 es la cisteína proteasa con propiedades similares a la enzima convertidora de interleucina-1-beta (ICE) de mamíferos (ahora conocida como caspasa 1). En ese momento, ICE era la única caspasa conocida. [23] Posteriormente se identificaron otras caspasas de mamíferos, además de las caspasas en organismos como la mosca de la fruta Drosophila melanogaster .
Los investigadores decidieron la nomenclatura de la caspasa en 1996. En muchos casos, una caspasa en particular había sido identificada simultáneamente por más de un laboratorio; cada uno de ellos le daba a la proteína un nombre diferente. Por ejemplo, la caspasa 3 se conocía como CPP32, apopaína y Yama. Por lo tanto, las caspasas se numeraron en el orden en que se identificaron. [24] Por lo tanto, la ICE fue rebautizada como caspasa 1. La ICE fue la primera caspasa de mamíferos en ser caracterizada debido a su similitud con el gen de muerte de nematodos ced-3, pero parece que el papel principal de esta enzima es mediar la inflamación en lugar de la muerte celular.
Evolución
En los animales, la apoptosis es inducida por caspasas y en los hongos y plantas, por proteasas similares a caspasas específicas de arginina y lisina llamadas metacaspasas. Las búsquedas de homología revelaron una homología cercana entre las caspasas y las proteínas similares a caspasas de Reticulomyxa (un organismo unicelular). El estudio filogenético indica que la divergencia de las secuencias de caspasas y metacaspasas ocurrió antes de la divergencia de los eucariotas. [25]
^ La CASP12 funcional solo se expresa en algunos individuos de ascendencia africana, mientras que los individuos de ascendencia asiática o caucásica expresan solo una forma truncada no funcional. [2]
^ abc Se considera que CASP4 y CASP5 son los ortólogos humanos de CASP11, que se encontró en ratones y ratas, pero no en humanos. [9]
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El video de apoptosis demuestra un modelo de una cascada de caspasas tal como ocurre in vivo.
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