Каспаза 3 (англ.Caspase 3, сокр. CASP3) — протеолитический фермент (КФ 3.4.22.56), одна из каспаз человека, взаимодействует с каспазой 8 и каспазой 9. Кодируется одноимённым геном — CASP3, который локализован на коротком плече (p-плече) 4-й хромосомы. Ортологи CASP3 были идентифицированы у многих видов млекопитающих, для которых имеются полные данные генома. Уникальные ортологи также присутствуют у птиц, ящериц, лиссамфибий и телеостов. Длина полипептидной цепи белка составляет 277 аминокислотных остатков, а молекулярная масса — 31608 Да[4].
Белок CASP3 является членом семейства цистеиновых протеаз, расщепляющих белки исключительно после аспартата[5]. Последовательная активация каспаз играет центральную роль в фазе исполнения клеточного апоптоза. Каспазы существуют в виде неактивных проферментов, которые подвергаются протеолитической обработке в консервативных аспарагиновых остатках с образованием двух субъединиц, больших и малых, которые димеризуются с образованием активного фермента. Димеризованный белок расщепляет и активирует каспазы 6 и 7; и сам белок модифицируется и активируется каспазами 8, 9 и 10. Каспаза 3 является преобладающей каспазой, участвующей в расщеплении белка-предшественника амилоид-бета 4А, который связан с нейрональной смертью, происходящей при болезни Альцгеймера[6]. Альтернативный сплайсинг этого гена приводит к двум вариантам транскрипта, которые кодируют один и тот же белок[7].
Каспаза 3 обладает многими типичными характеристиками, общими для всех известных в настоящее время каспаз. Например, его активный сайт содержит остаток цистеина (Cys-163) и остаток гистидина (His-121), которые стабилизируют расщепление пептидной связи в молекуле белка на С-терминальной стороне аспарагиновой кислоты, когда она является частью специфической 4-аминокислотной последовательностью[9][10]. Эта специфичность позволяет каспазам быть невероятно селективными, с 20000-кратным предпочтением аспарагиновой кислоты по сравнению с глутаминовой кислотой[11]. Ключевой особенностью каспаз в клетке является то, что они присутствуют в виде предшественников (зимогенов), называемых прокаспазами, которые неактивны до тех пор, пока биохимические изменения не вызывают их активацию. Каждая прокаспаза имеет N-концевую большую субъединицу с молекулярной массой около 20 кДа, за которой следует меньшая субъединица с массой около 10 кДа, называемые p20 и p10 соответственно[12].
В нормальных условиях каспазы распознают тетрапептидные последовательности на своих субстратах и гидролизуют пептидные связи, расположенные после остатков аспарагиновой кислоты. Каспаза 3 и каспаза 7 обладают сходной субстратной специфичностью, распознавая тетрапептидный мотив Asp-x-x-Asp[13]. C-конец аспартата (Asp) имеет абсолютную необходимость, в то время как в других трёх положениях могут быть допущены некоторые изменения[14]. Специфичность к каспазному субстрату широко используется в ингибиторах на основе данных ферментов и разработке лекарственных препаратов[15].
Структура
Каспаза 3 (также известная как CPP32 /Yama/apopain)[16][17][18] образуется из профермента (зимогена) с молекулярной массой 32 кДа, который расщепляется на две субъединицы, с молекулярными массами соответственно 17 кДа и 12 кДа. Когда прокаспаза расщепляется по определённому остатку, активный гетеротетрамер может быть затем образован гидрофобными взаимодействиями, в результате чего четыре антипараллельных бета-листа из p17 и два из p12 соединяются вместе, образуя гетеродимер, который, в свою очередь, взаимодействует с другим гетеродимером, формируя полную 12-элементную структуру бета-листа, окруженную альфа-спиралями, которые являются уникальными для каспаз[12][19]. Когда гетеродимеры совмещаются друг с другом по типу голова-хвост (head-to-tail), активный сайт располагается на каждом конце молекулы, образованной остатками обеих участвующих субъединиц, хотя необходимые аминокислотные остатки Cys-163 и His-121 находятся на p17 (большой) субъединице[19].
Механизм катализа
Каталитический сайт каспазы 3 включает сульфогидрильную группу аминокислотного остатка Cys-163 и имидазольное кольцо His-121. Остаток His-121 стабилизирует карбонильную группу ключевого остатка аспартата, в то время как Cys-163 атакует, в конечном счете, разрывая пептидную связь. Остатки Cys-163 и Gly-238 также функционируют для стабилизации тетраэдрического переходного состояния комплекса субстрат-фермент посредством водородной связи[19]. In vitro было обнаружено, что каспаза 3 предпочитает пептидную последовательность DEVDG (Asp-Glu-Val-Asp-Gly) с расщеплением, происходящим на карбоксильном конце второго остатка аспарагиновой кислоты (между D и G)[11][19][20]. Каспаза 3 активна в широком диапазоне рН, который несколько выше (более основный), чем у многих других каспаз-эффекторов. Данный широкий диапазон указывает на то, что каспаза 3 может быть полностью активна в нормальных и апоптотических условиях[21].
Активация
Каспаза 3 активируется в апоптотической клетке как внешним (лигандами смерти), так и внутренним (митохондриальным) путями[12][22]. Отличительной чертой зимогена каспазы 3 является необходимая регуляция, потому что если он не регулируется, активность каспазы приводит к тотальной смерти всех клеток (как здоровых, так и патологических)[23]. Как каспаза-эффектор (экзекутор), зимоген каспазы 3 практически не обладает активностью, пока не происходит его расщепления посредством инициаторной каспазы после того, как произошла передача апоптотического сигнала[24]. Одним из таких сигнальных событий является введение гранзима B цитотоксическими Т-лимфоцитами внутрь клеток, который может активировать инициаторную каспазу[25][26]. Данная внешняя активация затем запускает характерный для апоптотического пути каспазный каскад, в котором каспаза 3 играет доминирующую роль[10] . При внутренней активации каспазы молекулы цитохрома С из митохондрий работают в комбинации с каспазой 9, апоптоз-активирующим фактором 1 (сокр. APAF1), и АТФ необходимой для прокаспазы 3[20][26][27]. Этих молекул достаточно для активации каспазы 3 in vitro, но in vivo необходимы другие регуляторные белки[27]. Было показано, что экстракт мангостана (Garcinia mangostana) ингибирует активацию каспазы 3 в нейрональных клетках человека, обработанных В-амилоидом[28].
Ингибирование
Одним из способов ингибирования каспазы является использование семейства белков IAP (ингибиторов апоптоза), которое включает c-IAP1, c-IAP2, XIAP и ML-IAP[19]. XIAP связывает и ингибирует инициатор каспазы 9, который непосредственно участвует в активации расщепителя каспазы 3[27]. Однако во время каспазного каскада каспаза 3 ингибирует активность XIAP путём расщепления каспазы 9 на конкретном сайте, предотвращая способность связывания XIAP и тем самым ингибировать активность каспазы 9[29].
Биологические функции
Было обнаружено, что каспаза 3 необходима для нормального развития мозга, а также для её типичной роли в процессоре апоптоза, где она отвечает за конденсацию хроматина и фрагментацию ДНК[20]. Повышенные уровни p17 (малых) субъединиц каспазы 3, в кровотоке являются признаком недавнего инфаркта миокарда[30]. В настоящее время показано, что каспаза 3 может играть роль в дифференцировке эмбриональных и гемопоэтических стволовых клеток[31].
Взаимодействие с другими белками
Было показано, что каспаза 3 взаимодействует со следующими белками:
↑Alnemri E. S., Livingston D. J., Nicholson D. W., Salvesen G., Thornberry N. A., Wong W. W., Yuan J. Human ICE/CED-3 protease nomenclature (англ.) // Cell. — Cell Press, 1996. — October (vol. 87, no. 2). — P. 171. — doi:10.1016/S0092-8674(00)81334-3. — PMID8861900.
↑Gervais F. G., Xu D., Robertson G. S., Vaillancourt J. P., Zhu Y., Huang J., LeBlanc A., Smith D., Rigby M., Shearman M. S., Clarke E. E., Zheng H., Van Der Ploeg L. H., Ruffolo S. C., Thornberry N. A., Xanthoudakis S., Zamboni R. J., Roy S., Nicholson D. W. Involvement of caspases in proteolytic cleavage of Alzheimer's amyloid-beta precursor protein and amyloidogenic A beta peptide formation (англ.) // Cell : journal. — Cell Press, 1999. — April (vol. 97, no. 3). — P. 395—406. — doi:10.1016/s0092-8674(00)80748-5. — PMID10319819.
↑Harrington H. A., Ho K. L., Ghosh S., Tung K. C. Construction and analysis of a modular model of caspase activation in apoptosis (англ.) // Theoretical Biology & Medical Modelling : journal. — 2008. — Vol. 5, no. 1. — P. 26. — doi:10.1186/1742-4682-5-26. — PMID19077196. — PMC2672941.
↑ 12Perry D. K., Smyth M. J., Stennicke H. R., Salvesen G. S., Duriez P., Poirier G. G., Hannun Y. A. Zinc is a potent inhibitor of the apoptotic protease, caspase-3. A novel target for zinc in the inhibition of apoptosis (англ.) // The Journal of Biological Chemistry : journal. — 1997. — July (vol. 272, no. 30). — P. 18530—18533. — doi:10.1074/jbc.272.30.18530. — PMID9228015.
↑ 12Stennicke H. R., Renatus M., Meldal M., Salvesen G. S. Internally quenched fluorescent peptide substrates disclose the subsite preferences of human caspases 1, 3, 6, 7 and 8 (англ.) // The Biochemical Journal[англ.] : journal. — 2000. — September (vol. 350, no. 2). — P. 563—568. — doi:10.1042/0264-6021:3500563. — PMID10947972. — PMC1221285.
↑Agniswamy J., Fang B., Weber I. T. Plasticity of S2-S4 specificity pockets of executioner caspase-7 revealed by structural and kinetic analysis (англ.) // The FEBS Journal[англ.] : journal. — 2007. — September (vol. 274, no. 18). — P. 4752—4765. — doi:10.1111/j.1742-4658.2007.05994.x. — PMID17697120.
↑Fang B., Boross P. I., Tozser J., Weber I. T. Structural and kinetic analysis of caspase-3 reveals role for s5 binding site in substrate recognition (англ.) // Journal of Molecular Biology[англ.] : journal. — 2006. — July (vol. 360, no. 3). — P. 654—666. — doi:10.1016/j.jmb.2006.05.041. — PMID16781734.
↑Fernandes-Alnemri T., Litwack G., Alnemri E. S. CPP32, a novel human apoptotic protein with homology to Caenorhabditis elegans cell death protein Ced-3 and mammalian interleukin-1 beta-converting enzyme (англ.) // The Journal of Biological Chemistry : journal. — 1994. — December (vol. 269, no. 49). — P. 30761—30764. — PMID7983002.
↑Tewari M., Quan L. T., O'Rourke K., Desnoyers S., Zeng Z., Beidler D. R., Poirier G. G., Salvesen G. S., Dixit V. M. Yama/CPP32 beta, a mammalian homolog of CED-3, is a CrmA-inhibitable protease that cleaves the death substrate poly(ADP-ribose) polymerase (англ.) // Cell : journal. — Cell Press, 1995. — June (vol. 81, no. 5). — P. 801—809. — doi:10.1016/0092-8674(95)90541-3. — PMID7774019.
↑Nicholson D. W., Ali A., Thornberry N. A., Vaillancourt J. P., Ding C. K., Gallant M., Gareau Y., Griffin P. R., Labelle M., Lazebnik Y. A. Identification and inhibition of the ICE/CED-3 protease necessary for mammalian apoptosis (англ.) // Nature : journal. — 1995. — July (vol. 376, no. 6535). — P. 37—43. — doi:10.1038/376037a0. — PMID7596430.
↑Ghavami S., Hashemi M., Ande S. R., Yeganeh B., Xiao W., Eshraghi M., Bus C. J., Kadkhoda K., Wiechec E., Halayko A. J., Los M. Apoptosis and cancer: mutations within caspase genes (англ.) // Journal of Medical Genetics[англ.] : journal. — 2009. — August (vol. 46, no. 8). — P. 497—510. — doi:10.1136/jmg.2009.066944. — PMID19505876.
↑Walters J., Pop C., Scott F. L., Drag M., Swartz P., Mattos C., Salvesen G. S., Clark A. C. A constitutively active and uninhibitable caspase-3 zymogen efficiently induces apoptosis (англ.) // The Biochemical Journal[англ.] : journal. — 2009. — December (vol. 424, no. 3). — P. 335—345. — doi:10.1042/BJ20090825. — PMID19788411. — PMC2805924.
↑Gallaher B. W., Hille R., Raile K., Kiess W. Apoptosis: live or die--hard work either way! (неопр.) // Hormone and Metabolic Research. — 2001. — September (т. 33, № 9). — С. 511—519. — doi:10.1055/s-2001-17213. — PMID11561209.
↑ 12Katunuma N., Matsui A., Le Q. T., Utsumi K., Salvesen G., Ohashi A. Novel procaspase-3 activating cascade mediated by lysoapoptases and its biological significances in apoptosis (англ.) // Advances in Enzyme Regulation : journal. — 2001. — Vol. 41, no. 1. — P. 237—250. — doi:10.1016/S0065-2571(00)00018-2. — PMID11384748.
↑Moongkarndi P., Srisawat C., Saetun P., Jantaravinid J., Peerapittayamongkol C., Soi-ampornkul R., Junnu S., Sinchaikul S., Chen S. T., Charoensilp P., Thongboonkerd V., Neungton N. Protective effect of mangosteen extract against beta-amyloid-induced cytotoxicity, oxidative stress and altered proteome in SK-N-SH cells (англ.) // Journal of Proteome Research[англ.] : journal. — 2010. — May (vol. 9, no. 5). — P. 2076—2086. — doi:10.1021/pr100049v. — PMID20232907.
↑Denault J. B., Eckelman B. P., Shin H., Pop C., Salvesen G. S. Caspase 3 attenuates XIAP (X-linked inhibitor of apoptosis protein)-mediated inhibition of caspase 9 (англ.) // The Biochemical Journal[англ.] : journal. — 2007. — July (vol. 405, no. 1). — P. 11—9. — doi:10.1042/BJ20070288. — PMID17437405. — PMC1925235.
↑Guo Y., Srinivasula S. M., Druilhe A., Fernandes-Alnemri T., Alnemri E. S. Caspase-2 induces apoptosis by releasing proapoptotic proteins from mitochondria (англ.) // The Journal of Biological Chemistry : journal. — 2002. — April (vol. 277, no. 16). — P. 13430—13437. — doi:10.1074/jbc.M108029200. — PMID11832478.
↑Selvakumar, P.; Sharma, RK. Role of calpain and caspase system in the regulation of N-myristoyltransferase in human colon cancer (Review). (англ.) // Int J Mol Med[англ.] : journal. — 2007. — May (vol. 19, no. 5). — P. 823—827. — doi:10.3892/ijmm.19.5.823. — PMID17390089.
↑Shu H. B., Halpin D. R., Goeddel D. V. Casper is a FADD- and caspase-related inducer of apoptosis (англ.) // Immunity : journal. — Cell Press, 1997. — June (vol. 6, no. 6). — P. 751—763. — doi:10.1016/S1074-7613(00)80450-1. — PMID9208847.
↑Samali A., Cai J., Zhivotovsky B., Jones D. P., Orrenius S. Presence of a pre-apoptotic complex of pro-caspase-3, Hsp60 and Hsp10 in the mitochondrial fraction of jurkat cells (англ.) // The EMBO Journal : journal. — 1999. — April (vol. 18, no. 8). — P. 2040—2048. — doi:10.1093/emboj/18.8.2040. — PMID10205158. — PMC1171288.
↑Xanthoudakis S., Roy S., Rasper D., Hennessey T., Aubin Y., Cassady R., Tawa P., Ruel R., Rosen A., Nicholson D. W. Hsp60 accelerates the maturation of pro-caspase-3 by upstream activator proteases during apoptosis (англ.) // The EMBO Journal : journal. — 1999. — April (vol. 18, no. 8). — P. 2049—2056. — doi:10.1093/emboj/18.8.2049. — PMID10205159. — PMC1171289.
↑Ruzzene M., Penzo D., Pinna L. A. Protein kinase CK2 inhibitor 4,5,6,7-tetrabromobenzotriazole (TBB) induces apoptosis and caspase-dependent degradation of haematopoietic lineage cell-specific protein 1 (HS1) in Jurkat cells (англ.) // The Biochemical Journal[англ.] : journal. — 2002. — May (vol. 364, no. Pt 1). — P. 41—7. — doi:10.1042/bj3640041. — PMID11988074. — PMC1222543.
↑Tamm I., Wang Y., Sausville E., Scudiero D. A., Vigna N., Oltersdorf T., Reed J. C. IAP-family protein survivin inhibits caspase activity and apoptosis induced by Fas (CD95), Bax, caspases, and anticancer drugs (англ.) // Cancer Research[англ.] : journal. — American Association for Cancer Research[англ.], 1998. — December (vol. 58, no. 23). — P. 5315—5320. — PMID9850056.
↑Shin S., Sung B. J., Cho Y. S., Kim H. J., Ha N. C., Hwang J. I., Chung C. W., Jung Y. K., Oh B. H. An anti-apoptotic protein human survivin is a direct inhibitor of caspase-3 and -7 (англ.) // Biochemistry : journal. — 2001. — January (vol. 40, no. 4). — P. 1117—1123. — doi:10.1021/bi001603q. — PMID11170436.
↑Lee Z. H., Lee S. E., Kwack K., Yeo W., Lee T. H., Bae S. S., Suh P. G., Kim H. H. Caspase-mediated cleavage of TRAF3 in FasL-stimulated Jurkat-T cells (англ.) // Journal of Leukocyte Biology[англ.] : journal. — 2001. — March (vol. 69, no. 3). — P. 490—496. — PMID11261798.
↑Leo E., Deveraux Q. L., Buchholtz C., Welsh K., Matsuzawa S., Stennicke H. R., Salvesen G. S., Reed J. C. TRAF1 is a substrate of caspases activated during tumor necrosis factor receptor-alpha-induced apoptosis (англ.) // The Journal of Biological Chemistry : journal. — 2001. — March (vol. 276, no. 11). — P. 8087—8093. — doi:10.1074/jbc.M009450200. — PMID11098060.
↑Silke J., Hawkins C. J., Ekert P. G., Chew J., Day C. L., Pakusch M., Verhagen A. M., Vaux D. L. The anti-apoptotic activity of XIAP is retained upon mutation of both the caspase 3- and caspase 9-interacting sites (англ.) // The Journal of Cell Biology[англ.] : journal. — 2002. — April (vol. 157, no. 1). — P. 115—124. — doi:10.1083/jcb.200108085. — PMID11927604. — PMC2173256.
↑Riedl S. J., Renatus M., Schwarzenbacher R., Zhou Q., Sun C., Fesik S. W., Liddington R. C., Salvesen G. S. Structural basis for the inhibition of caspase-3 by XIAP (англ.) // Cell : journal. — Cell Press, 2001. — March (vol. 104, no. 5). — P. 791—800. — doi:10.1016/S0092-8674(01)00274-4. — PMID11257232.
↑Roy N., Deveraux Q. L., Takahashi R., Salvesen G. S., Reed J. C. The c-IAP-1 and c-IAP-2 proteins are direct inhibitors of specific caspases (англ.) // The EMBO Journal : journal. — 1997. — December (vol. 16, no. 23). — P. 6914—6925. — doi:10.1093/emboj/16.23.6914. — PMID9384571. — PMC1170295.
↑Deveraux Q. L., Takahashi R., Salvesen G. S., Reed J. C. X-linked IAP is a direct inhibitor of cell-death proteases (англ.) // Nature : journal. — 1997. — July (vol. 388, no. 6639). — P. 300—304. — doi:10.1038/40901. — PMID9230442.
↑Suzuki Y., Nakabayashi Y., Nakata K., Reed J. C., Takahashi R. X-linked inhibitor of apoptosis protein (XIAP) inhibits caspase-3 and -7 in distinct modes (англ.) // The Journal of Biological Chemistry : journal. — 2001. — July (vol. 276, no. 29). — P. 27058—27063. — doi:10.1074/jbc.M102415200. — PMID11359776.
↑Ohtsubo T., Kamada S., Mikami T., Murakami H., Tsujimoto Y. Identification of NRF2, a member of the NF-E2 family of transcription factors, as a substrate for caspase-3(-like) proteases (англ.) // Cell Death and Differentiation : journal. — 1999. — September (vol. 6, no. 9). — P. 865—872. — doi:10.1038/sj.cdd.4400566. — PMID10510468.