Apoptozun Kilit Enzimleri: Kaspazlar
Ali Aslan - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü, Biruni Üniversitesi
Kaspazlar, inflamasyon ve hücre ölümü gibi süreçleri kontrol eden endoproteaz ailesinden olan bir enzim grubudur[1]. Hücre içi ve dışı işlevleri olan enzimler belirli moleküller etkisiyle etkinleştirilirler. Kaspazlar da aktif bölgelerinde katalitik sistein rezidülerinin bulunmasının yanında substratta aspartik asit rezidüsünün bulunması ile beraber etkinleşerek peptit bağlarını hidrolize eden endoproteaz enzimleridir[1].
Şekil 1: Kaspaz çeşitlerinin protein yapıları ve etkinleşim aşamaları[14].
Kaspazlar substratlara bağlanarak onları etkinleştirseler de bazı süreçlerde substratların baskılanmasında da rol oynayabilmektedir. Bununla birlikte, kaspaz enzimleri etkin sinyal molekülleri üreterek inflamasyonda ve apoptozda da görev almaktadır[1]. Kaspazlar, inflamasyonda ve apoptozdaki işlevlerine göre çeşitli gruplara ayrılmaktadır. Kaspaz-3, 6, 7, 8 ve 9 apoptoz süreçlerinde görev alırken Kaspaz-1, 4, 5 ve 12 ise inflamasyonda görev almaktadır. Apoptotik süreçlerde görev alan kaspaz enzimleri de kendi içlerinde başlatıcı(kaspaz-8, 9) ve infazcı kaspazlar(kaspaz-3, 6, 7) olarak sınıflandırılmaktadır.
Apoptotik süreç, başlatıcı kaspazların infazcı kaspazları etkinleştirmesiyle devam eden aşamalı bir süreçtir. İnfazcı kaspazlar etkinleştiğinde proteinlerin yapısal bütünlüğünde rol oynayan proteinleri yıkar. DNA fragmentasyonu ve membran şişkinliği, apoptotik sürecin morfolojik göstergeleri olarak bilinmektedir.
Başlatıcı Kaspazlar
Başlatıcı kaspazlar olarak bilinen kaspaz 8 ve 9 normal süreçte etkin olmayan prokaspaz monomerleridir. Dimerizasyon süreçleri sonucunda etkinleşirler ve başlatıcı rolleri gereği infazcı kaspazların etkinliğinde rol oynarlar. Bu süreçler, yukarı akış sinyal olaylarının kaspaz dimerizasyonunu ve etkinliğini indüklediği bir "indüklenmiş yakınlık modeli" olarak genelleştirilmektedir[3-5].
İnfazcı Kaspazlar
Başlatıcı kaspazlar, infazcı kaspazların etkinliğinde ve etkinsizliğinde rol oynamaktadır. Kaspaz 3, 6 ve 7 gibi infazcı kaspaz türleri, uygun olmayan etkinliklerinde başlatıcı kaspazlar tarafından kesilip prokaspaz monomerleri haline getirilir. İnfazcı kaspazların birisi etkinleştiğinde diğer infazcı enzimleri de kesebilir veya etkinleştirebilir. Bu yönüyle infazcı enzimler kendi içlerinde geri besleme işlevleriyle süreci kontrol altında tutarlar.
Şekil 2: Görselde kaspaz türlerinin hem intrensek hem de ekstrensek apoptozda rol aldığı görülmektedir. Kaspaz 8(solda) ekstrensek apoptozda görev alırken, Kaspaz 9(sağda) ise intrensek apoptozda görev almaktadır. Kaspaz 3,6 ve 7 ise hem intrensek hem de ekstrensek apoptozda rol oynayarak nihai apoptozun gerçekleşmesinde anahtar rol oynamaktadır[1].
İnflamasyonda Kaspazlar
Kaspazların inflamasyondaki işlevlerine bakıldığında genel olarak immün sistemde aracı olarak görev almaktadırlar. Kaspaz 1,4,5 ve 12 inflamatuvar kaspaz olarak işlev yapmaktadır. İnflamatuvar kaspazlar da diğer kaspaz türleri gibi işlem süreçleri dışında prokaspaz olarak hücrede atıl halde bekleme durumundadırlar. Örüntü tanıma reseptörleri(ÖTR) belirli uyaranlar tarafından etkinleştiğinde inflamatuvar kaspazlar ile bir araya gelerek inflamazom kompleksini oluştururlar. Bu sayede inflamasyon başlamış olur[6].
Şekil 3: Görselde belirli kaspaz türlerinin etkinleşmesi görülmektedir. Örnek olarak Kaspaz 1’in NLRP1,NLRP3,NLRC4 ve AIM2 gibi komplekslerin oluşmasıyla etkinleştiği görülmektedir. Aynı şekilde, IL-1b ve IL-18 gibi sitokinlerin etkinleşmesi de Kaspaz 1’in etkinleşmesine bağlıdır. Bu sayede inflamasyon etkinleştirilmiş olur[1].
Fare modelleriyle yapılan çalışmalarda Kaspaz-12’nin Kaspaz-1’i inhibe ettiği görülmüştür[7]. Ayrıca, Kaspaz-12 knock out(KO) edilmiş fare modellerinde bakteriyel temizlenmede artış ve sepsise karşı direnç geliştiği görülmüştür.[8] Bununla birlikte çalışmalarda, Kaspaz-12’nin etkinleşmesi için Kaspaz-1’in inhibe edilmesine gerek olmadığı görülmüştür[8]. Kaspaz-12’nin işlevine bakıldığında proteaz enziminden ziyade proteaz düzenleyici olarak görev yaptığı görülmektedir.
Kaspaz türleri içerisinde daha az kategorize edilen bir kısım enzimler de mevcuttur. Kaspaz-2, evrimsel olarak korunmuş bir enzim türü olmakla birlikte, apoptotik uyaranlara karşı etkinleşen ve oligomer hale gelen bir kaspaz enzim çeşididir[9,10]. Kaspaz-2’nin görevi, bu uyaranlar karşısında etkinleşip kompleks oluşumunu kolaylaştırmasıdır.
Diğer az kategorize edilen bir kaspaz çeşidi ise Kaspaz-10’dur. Kaspaz-10, Kaspaz-8’in homoloğudur ve CD-95 aracılı apoptozda Kaspaz-8 yokluğunda görev alan bir kaspaz çeşididir[11,12]. Bununla birlikte, Kaspaz-10’un CD-95 indüklü hücre ölüm yolağında işlevi olduğu yönünde bulgular da mevcuttur[13]. Kaspaz-14, deri proteinlerinin apoptozunda görev alan başka bir kaspaz çeşididir[14].
Referanslar
McIlwain, D. R., Berger, T., & Mak, T. W. (2013). Caspase Functions in Cell Death and Disease. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 5(4), a008656–a008656. doi:10.1101/cshperspect.a008656
Boatright KM, Renatus M, Scott FL, Sperandio S, Shin H, Pedersen IM, Ricci JE, Edris WA, Sutherlin DP, Green DR, et al. 2003. A unified model for apical caspase activation. Mol Cell 11: 529–541.
Muzio M, Stockwell BR, Stennicke HR, Salvesen GS, Dixit VM. 1998. An induced proximity model for caspase-8 activation. J Biol Chem 273: 2926–2930.
Chang DW, Xing Z, Capacio VL, Peter ME, Yang X. 2003. Interdimer processing mechanism of procaspase-8 activation. EMBO J 22: 4132–4142.
Martinon F, Burns K, Tschopp J. 2002. The inflammasome: A molecular platform triggering activation of inflammatory caspases and processing of proIL-b. Mol Cell 10: 417–426.
Scott AM, Saleh M. 2007. The inflammatory caspases: Guardians against infections and sepsis. Cell Death Differ 14: 23–31.
Saleh M, Mathison JC, Wolinski MK, Bensinger SJ, Fitzgerald P, Droin N, Ulevitch RJ, Green DR, NicholsonDW. 2006. Enhanced bacterial clearance and sepsis resistance in caspase-12-deficient mice. Nature 440: 1064–1068.
Kumar S, Kinoshita M, Noda M, Copeland NG, Jenkins NA. 1994. Induction of apoptosis by the mouse Nedd2 gene, which encodes a protein similar to the product of the Caenorhabditis elegans cell death gene ced-3 and the mammalian IL-1 b-converting enzyme. Genes Dev 8:1613–1626.
Harvey NL, Butt AJ, Kumar S. 1997. Functional activation of Nedd2/ICH-1 (caspase-2) is an early process in apoptosis. J Biol Chem 272: 13134–13139.
Sprick MR, Rieser E, Stahl H, Grosse-Wilde A, Weigand MA, Walczak H. 2002. Caspase-10 is recruited to and activated at the native TRAIL and CD95 death-inducing signalling complexes in a FADD-dependent manner but can not functionally substitute caspase-8. EMBO J 21: 4520–4530.
Kischkel FC, Lawrence DA, Tinel A, LeBlanc H, Virmani A, Schow P, Gazdar A, Blenis J, Arnott D, Ashkenazi A. 2001. Death receptor recruitment of endogenous caspase-10 and apoptosis initiation in the absence of caspase-8. J Biol Chem 276: 46639–46646.
Lafont E, Milhas D, Teissie J, Therville N, Andrieu- Abadie N, Levade T, Benoist H, Segui B. 2010. Caspase- 10-dependent cell death in Fas/CD95 signalling is not abrogated by caspase inhibitor zVAD-fmk. PLoS ONE 5:e13638.
Denecker G, Ovaere P, Vandenabeele P, Declercq W. 2008. Caspase-14 reveals its secrets. J Cell Biol 180: 451–458.
Pop, C., & Salvesen, G. S. (2009). Human Caspases: Activation, Specificity, and Regulation. Journal of Biological Chemistry, 284(33), 21777- 21781. doi:10.1074/jbc.r800084200