МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2013, том 47, № 2, с. 187-204
= ОБЗОРЫ
УДК 576.32;577.151
КАСПАЗА-2: ЧТО МЫ О НЕЙ ЗНАЕМ СЕГОДНЯ? © 2013 г. В. И. Аксенова1, О. В. Былино1, Б. Д. Животовский1, 2*, И. Н. Лаврик1, 3
Факультет фундаментальной медицины Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва, 119192 2Karolinska Institutet, Stockholm, Sweden 17177 3Otto-von-Guericke University, Magdeburg, Germany 39120 Поступила в редакцию 28.08.2012 г.
Принята к печати 17.09.2012 г.
Апоптоз (программируемая клеточная смерть) — неотъемлемое свойство многоклеточных организмов. Апо-птоз играет центральную роль в процессах дифференцировки клеток, удаления поврежденных клеток и го-меостаза иммунной системы. Обзор посвящен различным механизмам передачи сигнала через каспазу-2 — одну из наиболее загадочных протеаз, вовлеченных в апоптоз. Каспаза-2 активируется при воздействии целого ряда факторов: генотоксического стресса, активации рецепторов смерти, стресса эндоплазматического ретикулума, метаболических изменений, и при других воздействиях. Кроме того, каспаза-2 может играть роль опухолевого супрессора, участвовать в регуляции ответа на окислительный стресс и в развитии нейро-дегенерации при ишемическом повреждении мозга. Многообразие сигнальных путей, в которые вовлечена каспаза-2, несомненно, определяет ее особую роль в апоптозе и отличает от других апоптотических протеаз. В обзоре детально разобраны разнообразные функции каспазы-2, а также возможность применения накопленных знаний об этой уникальной протеазе в современной онкологии и медицине.
Ключевые слова: апоптоз, каспаза-2, активность каспаз, PIDDocoMa, опухолевый супрессор.
CASPASE-2: WHAT DO WE KNOW TODAY? by V. I. Aksenova1, O. V. Bylino1, B. D. Zhivotovsky1'2 *, I. N. Lavrik 1' 3 Department of Fundamental Medicine, Moscow State University, Moscow, Russia 119192, 2Karolinska Institutet, Stockholm, Sweden 17177, *e-mail: Boris.Zhivotovsky@ki.se; 3 Otto-von-Guericke University, Magdeburg, Germany 39120). Apoptosis (programmed cell death) is essential machinery for multicellular organisms. Apoptosis plays an important role in cell differentiation, damaged cell elimination and immune system homeostasis. This review is focused on various mechanisms of signal transduction through caspase-2 which believed to be one of the most enigmatical protease involved in apoptosis. Caspase-2 is activated upon stimulation by such agents as geno-toxic stress, death receptors ligation, ER stress, metabolic changes, etc. In addition, caspase-2 may act as a tumor suppressor and has been implicated in cell response to oxidative stress and neurodegenerative progression during ischemic brain damage. Thus, variety of signal pathways triggered by caspase-2 place this protease apart from other members of the family and suggests a prominent role in apoptosis. Here, we analyse different functions of this unique caspase and discuss possible applications of accumulated knowledge in advanced oncology and medicine.
Keywords: apoptosis, caspase-2, caspase activity, PIDDosome, tumor suppressor
DOI: 10.7868/S0026898413010023
Принятые сокращения: МЭФ — мышиные эмбриональные фибробласты; ПВММ — пермеабилизация внешней мембраны митохондрий; ПКС — программированная клеточная смерть; ЭР — эндоплазматический ретикулум; ATM (ataxia telangiectasia mutated) — протеинкиназа, ген которой мутирован при комплексном заболевании с симптомами атаксии и телеангиоэктезии; ATR (ataxia telangiectasia and Rad3 related) — серин/треонин-специфическая киназа, родственная АТМ и Rad3; CARD (caspase-recruitment domain) — домен рекрутирования каспазы, обеспечивающий гомотипическое связывание каспаз между собой и с другими белками; casp2 (caspase 2 gene) — ген каспазы-2; Cdkl (cycline-dependent kinase 1) — циклин-зависимая киназа-1; Chk1 (checkpoint kinase 1) — контрольно-пропускной пункт киназы-l; DD (death domain) — домен смерти; DISC (death-inducing signaling complex) — сигнальный комплекс, индуцирующий клеточную смерть; DR (death receptor) — рецептор смерти; FADD (Fas-associated death domain) — Fas-ас-социированный домен смерти; NHEJ (non-homologous end joining) —негомологичное соединение концов цепей ДНК; NSL (nuclear localization signal) — сигнал ядерной локализации; PIDD (p53-inducible death domain-containing protein) — p53-активируемый белок, содержащий домен смерти — LRDD (leucine-reach repeat and death domain containing protein); PKCS (proteinkinase CS) — протеинкиназа CS; РКСК2 (proteinkinase CK2) — протеинкиназa СК2; RAIDD (RlP-associated ICH-1 homologous protein with a death domain) — RIP-ассоциированный гомолог ICH-1, содержащий домен смерти; RIP-1 (receptor-interacting protein-1) — белок, взаимодействующий с рецептором 1; ROS (reactive oxygen species) — активные формы кислорода; TNF (tumor-necrosis factor) — фактор некроза опухолей; TRAIL (TNF-related apoptosis inducing ligand) — лиганд семейства TNF, инициирующий апоптоз; ROS — активные формы кислорода.
* Эл. почта: Boris.Zhivotovsky@ki.se
ВВЕДЕНИЕ
Апоптоз — высоко консервативный и генетически программированный процесс гибели клеток — играет важную роль в поддержании нормального эмбриогенеза и дальнейшего гомеоста-за тканей взрослого организма [1]. Основными ферментами, которые участвуют в инициации и дальнейшем течении апоптоза, считаются каспазы [2]. Каспазы (caspases, от англ. cysteinyl aspartate specific proteases) — семейство цистеиновых аспар-тат-специфичных протеаз, которые экспрессиру-ются в клетке как неактивные предшественники, содержащие три основных участка: N-концевой домен (продомен) варьирующей длины, большую субъединицу (р20) и малую субъединицу (р10). Каспазы активируются в результате протеолити-ческого расщепления сайтов, находящихся между продоменом и малой и большой субъединицами. Образующаяся активная каспаза представляет собой гетеротетрамер, состоящий из двух больших (~20 ^a) и двух малых субъединиц (~10 ^Aa), р102-р202. Субстраты каспаз — это, как правило, белки, вовлеченные в апоптоз и воспалительные процессы. Каспазы делятся на инициаторные, содержащие длинный продомен и способные к аутопротеолитической активации, и эффектор-ные, содержащие короткий продомен и активирующиеся под действием инициаторных каспаз.
Каспаза-2 была открыта первой в семействе каспаз и оказалась самой консервативной в нем и эволюционно наиболее близкой белку CED-3, который обеспечивает процесс программированной клеточной смерти (ПКС) у Caenorhabditis ele-gans [3, 4]. Уникальность каспазы-2 по сравнению с другими членами семейства состоит в том, что ей присущи черты как инициаторных, так и эф-фекторных каспаз. С одной стороны, по особенностям первичной структуры каспаза-2 относится к инициаторным каспазам [5]. В то же время ее субстратная специфичность ближе к эффектор-ным каспазам-3 и -7 [6]. Изучение функции кас-пазы-2 осложнено тем, что мыши с нокаутом по гену casp2 не обладают летальным или патологическим фенотипом в отличие от многих других каспаз [7, 8], а это значит, что функция каспазы-2 может компенсироваться другими белками. Несмотря на значительные успехи в изучении этого белка, точный механизм активации каспазы-2 неизвестен. Возможно, его активация происходит внутри макромолекулярных комплексов, которые собираются в клетках под действием специфических факторов индукции апоптоза.
Каспаза-2 активируется при воздействии целого ряда факторов: генотоксического стресса, активации рецепторов смерти, стресса эндоплаз-матического ретикулума (ЭР), метаболических изменений и ряда других воздействий. По количеству разнообразных сигнальных путей, в кото-
рых каспаза-2 играет важнейшую роль, этот белок значительно превосходит других представителей семейства. Более того, каспаза-2 может принимать участие в физиологических и патологических процессах, не связанных с апоптозом. Так, показано участие каспазы-2 в супрессии опухолевого роста [9—11]. Данный обзор посвящен описанию как разнообразных молекулярных механизмов активации каспазы-2 в составе различных комплексов, так и ее роли в жизни и смерти клетки, а также в канцерогенезе.
СТРУКТУРА И ВНУТРИКЛЕТОЧНАЯ ЛОКАЛИЗАЦИЯ
В структуре прокаспазы-2, как у всех представителей семейства, выделяют три основных участка: продомен, большую, р19, и малую, р12, каталитические субъединицы, разделенные небольшими спейсерными участками (рис. 1). Продомен каспазы-2 содержит домен CARD (caspase-recruitment domain), характерный для инициатор-ных каспаз (рис. 1) и играющий важнейшую роль при активации фермента, поскольку именно за счет гомотипических взаимодействий между доменами CARD формируются инициаторные комплексы, в которых и происходит активация ини-циаторных каспаз. Прокаспаза-2 активируется в результате автопротеолиза, который сопровождается расщеплением профермента на продомен и субъединицы р19 и р12, последние тут же формируют активный гетеротетрамер р192-р122, т.е. зрелую каспазу [12] (рис. 1). Для структурной организации каспазы-2 характерна высокая степень гомологии с двумя другими инициаторными кас-пазами — каспазой-1 и каспазой-9.
В отличие от большинства инициаторных кас-паз, которые, в основном, расщепляют белки, содержащие тетрапептид XXXD, сайт расщепления каспазы-2 представляет собой пентапептид VDVAD (в низкомолекулярных субстратах) и XDVXD (в белках). Таким образом, каспаза-2 проявляет уникальные черты среди каспаз, обладая свойствами как инициаторных (наличие CARD и способность к автопротеолизу), так и эффекторных (субстратная специфичность) каспаз [5].
В процессе альтернативного сплайсинга образуются два вида мРНК, кодирующие две изоформы белка: каспаза-2Ь (435 аминокислотных остатков) и каспаза-28 (312 аминокислотных остатков). Повышенная экспрессия каспазы-2Ь может вызывать индукцию ПКС, в то время как повышенная экспрессия каспазы-28 может подавлять этот процесс [13]. Экспрессия каспазы-28 сильно варьирует в разных типах клеток и тканей, а также на разных этапах эмбрионального развития. Наиболее высок уровень экспрессии каспазы-28 в эмбриональной ткани мозга, а каспаза-2Ь преобладае
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.