Las caspasas ( cisteína - proteasas aspárticas , cisteína aspartasas o proteasas dirigidas a aspartato dependientes de cisteína ) son una familia de enzimas proteasas que desempeñan funciones esenciales en la muerte celular programada . Se denominan caspasas debido a su actividad cisteína proteasa específica : una cisteína en su sitio activo ataca nucleófilamente y escinde una proteína objetivo solo después de un residuo de ácido aspártico . En 2009, hay 12 caspasas confirmadas en humanos [nota 1] y 10 en ratones, que llevan a cabo una variedad de funciones celulares.
El papel de estas enzimas en la muerte celular programada se identificó por primera vez en 1993, estando bien caracterizadas sus funciones en la apoptosis . Esta es una forma de muerte celular programada, que ocurre ampliamente durante el desarrollo y durante toda la vida para mantener la homeostasis celular . La activación de las caspasas asegura que los componentes celulares se degraden de forma controlada, llevando a cabo la muerte celular con un efecto mínimo sobre 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 un organismo de señales de estrés y ataques patógenos. Las caspasas también desempeñan un papel en la inflamación, por lo que procesan directamente citoquinas proinflamatorias como la pro- IL1β . Se trata de moléculas de señalización que permiten el reclutamiento de células inmunitarias en una célula o tejido infectado. Hay otras funciones identificadas de las caspasas, como la proliferación celular, la supresión de tumores , 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 del tumor puede ocurrir por una combinación de factores, incluida 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 con crecimiento anormal. [5] Por el contrario, la sobreactivación de algunas caspasas, como la caspasa -3, puede provocar una muerte celular programada excesiva. Esto se observa en varias enfermedades neurodegenerativas en las que 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 es posible que no se active una respuesta inmune adecuada. [5] El papel integral que desempeñan las caspasas en la muerte celular y las enfermedades ha llevado a la investigación sobre el uso de caspasas como objetivo farmacológico. Por ejemplo, se ha implicado a la caspasa-1 inflamatoria en la causa de enfermedades autoinmunes ; Se han utilizado fármacos que bloquean la activación de 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 caspasas.
La mayoría de las caspasas desempeñan un papel en la muerte celular programada. Estos se resumen en la siguiente tabla. Las enzimas se subclasifican en tres tipos: iniciadoras, ejecutoras e inflamatorias. [7]
Tenga en cuenta 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 los 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 sólo 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. Las subunidades grande y 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 mediante la 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 la muerte están ubicados en un dominio estructural de las caspasas conocido como prodominio, que es más grande en aquellas caspasas que contienen pliegues de la 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 caspasas (CARD), mientras que el prodominio de las caspasas iniciadoras extrínsecas contiene dos pliegues de muerte conocidos como dominios efectores de muerte (DED). [13] [14]
A menudo se forman complejos multiproteicos durante la activación de caspasas. [12] Algunos complejos multiproteicos activadores incluyen:
Una vez dimerizadas apropiadamente, las caspasas se escinden en las regiones enlazadoras 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 Iniciador y Ejecutor se produce mediante diferentes métodos descritos en la siguiente tabla.
Las caspasas iniciadoras se escinden autoproteolíticamente, mientras que las caspasas ejecutoras son escindidas por las caspasas iniciadoras. Esta jerarquía permite una reacción en cadena amplificadora o cascada para degradar 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 escindiendo 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 inmune. La célula se encoge y se condensa: el citoesqueleto colapsará y la envoltura nuclear descompondrá los fragmentos de ADN. Esto da como resultado que la célula forme cuerpos cerrados llamados "ampollas", para evitar la liberación de componentes celulares al medio extracelular . Además, el contenido de fosfolípidos de la membrana celular se altera, lo que hace que la célula moribunda sea más susceptible al ataque y eliminación fagocítica. [17]
Una vez que se activan las caspasas iniciadoras, producen una reacción en cadena, activando varias otras caspasas ejecutoras. Las caspasas verdugos degradan más de 600 componentes celulares [18] para inducir los cambios morfológicos de la apoptosis.
Ejemplos de cascada de caspasas durante la apoptosis:
Vía apoptópica intrínseca: durante momentos de estrés celular, el citocromo c mitocondrial se libera en el citosol. Esta molécula se une a una proteína adaptadora ( APAF -1), que recluta al iniciador Caspasa-9 (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 se 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 se activa mediante ligandos extracelulares, a través de los receptores de muerte de la superficie celular. Esto se hace mediante la formación de un complejo de señalización inductor de muerte (DISC) multiproteico 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 citoplásmica del receptor. La proteína adaptadora FADD reclutará (mediante una interacción dominio de muerte-dominio de muerte) pro-Caspasa 8 a través del dominio DED. Este FasR, FADD y pro-Caspasa 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 la activación directa de las caspasas ejecutoras (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 inherentemente induce una respuesta inmune. Es morfológicamente distinta de otros tipos de muerte celular: las células se hinchan, se rompen y liberan contenidos celulares proinflamatorios. Esto se hace en respuesta a una variedad de estímulos que incluyen 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 funciones importantes en la inducción de la muerte celular por piroptosis. Esto limita el tiempo de vida y proliferación de patógenos intracelulares y extracelulares. [ cita necesaria ]
Piroptosis por caspasa-1
La activación de 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 Caspasa-1 son: repeticiones ricas en leucina (NLR) similares a NOD, receptores similares a AIM2 (ALR), pirina e IFI16 . [21]
Estas proteínas permiten la activación de la caspasa-1 formando un complejo activador multiproteico llamado Inflamasomas. Por ejemplo, una repetición NLRP3 rica en leucina similar a NOD detectará una salida de iones de potasio de 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 escisión autoproteolítica. [21]
Algunas señales patógenas que conducen a la piroptosis por Caspasa-1 se enumeran a continuación:
El ADN en el citosol del huésped se une a los receptores similares a AIM2 induciendo piroptosis
El aparato del sistema de secreción tipo III de las bacterias se une a los receptores NOD similares a los receptores ricos en leucina 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) (que se encuentran 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 inflamasómico ni activación de Caspasa-1. [21]
Un sustrato crucial para las caspasas piroptóticas es Gasdermin D (GSDMD) [22]
Papel en la inflamación
La inflamación es un intento protector por parte de un organismo de restaurar un estado homeostático, luego de la interrupción de un estímulo dañino, como daño tisular o infección bacteriana. [18]
Caspasa-1, Caspasa-4, Caspasa-5 y Caspasa-11 se consideran "caspasas inflamatorias". [7]
La caspasa-1 es clave en la activación de citoquinas proinflamatorias ; estos actúan como señales para las células inmunitarias y hacen que el entorno sea favorable para el reclutamiento de células inmunitarias en el lugar del daño. Por tanto, la caspasa-1 desempeña un papel fundamental en el sistema inmunológico innato . La enzima es responsable de procesar citocinas como pro-ILβ y pro-IL18, además de secretarlas. [21]
Las caspasas-4 y -5 en humanos y la caspasa-11 en ratones tienen un papel único como receptor, mediante el cual se une al LPS, una molécula abundante en las bacterias gramnegativas. Esto puede conducir al procesamiento y secreción de citocinas IL-1β e IL-18 mediante la activación de Caspasa-1; este efecto aguas abajo es el mismo que el descrito anteriormente. También conduce a la secreción de otra citoquina inflamatoria que no se procesa. Esto se llama pro-IL1α. [21] También hay evidencia de una caspasa inflamatoria, la caspasa-11, que ayuda a la secreción de citoquinas; 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. Existe evidencia de que promueve la transcripción del factor nuclear κB ( NF-κB ), un factor de transcripción que ayuda a transcribir citocinas inflamatorias como IFN , TNF , IL-6 e 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 NF-κB. [18]
Descubrimiento de caspasas
H. Robert Horvitz estableció inicialmente la importancia de las caspasas en la apoptosis y descubrió que el gen ced-3 es necesario para la muerte celular que tiene lugar durante el desarrollo del nematodo C. elegans . Horvitz y su colega Junying Yuan descubrieron en 1993 que la proteína codificada por el gen ced-3 es 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 caspasas en organismos como la mosca de la fruta Drosophila melanogaster .
Los investigadores decidieron la nomenclatura de la caspasa en 1996. En muchos casos, más de un laboratorio había identificado simultáneamente una caspasa particular; Luego, cada uno le daría 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 fueron identificadas. [24] Por lo tanto, ICE pasó a llamarse caspasa 1. ICE fue la primera caspasa de mamíferos caracterizada debido a su similitud con el gen de muerte del nematodo ced-3, pero parece que la función principal de esta enzima es mediar la inflamación en lugar de que la muerte celular.
Evolución
En los animales, la apoptosis es inducida por caspasas y en hongos y plantas, la apoptosis es inducida por proteasas similares a caspasas específicas de arginina y lisina llamadas metacaspasas. Las búsquedas de homología revelaron una estrecha homología 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 caspasa y metacaspasa ocurrió antes de la divergencia de los eucariotas. [25]
^ ab 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 CASP4 y CASP5 se consideran los ortólogos humanos de CASP11, que se encontró en ratones y ratas, pero no en humanos. [9]
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El vídeo de apoptosis demuestra un modelo de cascada de caspasas tal como ocurre in vivo.
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