Caspasas, ¿la muerte nos da la vida?

escrito por Jorge Vazquez-1D | 14 febrero, 2023

Por Mar Ramos Pinel y Jorge Vázquez Rodríguez. Grado en Biología Sanitaria, UAH.

INTRODUCCIÓN

La apoptosis es una vía biológica de destrucción o también denominada muerte celular programada que no provoca daño a otras células del tejido ni deja restos celulares, evitando así la inflamación u otros efectos adversos. A su vez, está desencadenada por señales celulares controladas genéticamente. Es necesaria para el mantenimiento de la homeostasis, integridad y desarrollo de los tejidos.

Este proceso tan necesario para nuestro desarrollo que paradójicamente implica muerte celular está regulado en parte por las caspasas, proteínas del tipo enzimático pertenecientes al grupo de las proteasas cisteína-dependientes y aspartato-específicas, de donde proviene su nombre: cisteinil-aspartato proteasas.

Su función no solo se limita a la apoptosis sino que también están implicadas en otras funciones celulares.

ESTRUCTURA

Las caspasas se sintetizan en un primer momento como proenzimas inactivas (pro-caspasas) o zimógenos, por lo que necesitan un cambio bioquímico en su estructura para activarse. Están formadas principalmente por 3 partes: un prodominio en el extremo N terminal, una subunidad grande p20 con cisteína en el centro activo y una subunidad pequeña C-terminal p10.

Las caspasas que tienen un requerimiento absoluto de cortar después de un residuo de ácido aspártico se activan gracias a la participación de caspasas iniciadoras. El prodominio y la subunidad grande están separados por un lugar de corte con ácido aspártico, y la subunidad grande está separada de la pequeña por uno o dos motivos de este tipo. Tras separarse el prodominio de la subunidad grande, p20 y p10 se organizan en un heterodímero que pueden interaccionar. Es la asociación de dos heterodímeros, que interaccionan mayoritariamente mediante sus regiones p10, la que forma el tetrámero proteolítico donde las unidades grandes (p20) encierran las pequeñas (p10).

Estructura de la pro-caspasa 7 con las láminas beta en el interior resaltadas, rodeadas de hélices alfa y heterodímeros separados en colores.    Construido a partir de PDB(1k88).

El prodominio de las caspasas iniciadoras que es mayor que el de las efectoras, a su vez, está divido en dos sub-dominios: el dominio efector de muerte (DED) y el dominio de reclutamiento y activación de caspasas (CARD). Este último está formado por 6-7 α-hélices anfipáticas antiparalelas que interactúan con otras proteínas mediante interacciones electrostáticas o hidrofóbicas.

Cada caspasa tiene dos sitios activos que funcionan generalmente de forma independiente, integrados por dominios de ambas subunidades p10 y p20. El centro activo consiste en 4 lazos superficiales (L1, L2, L3 y L4) del mismo monómero. L1 y L4 se encuentran a ambos lados del surco de unión al sustrato y L3 forma la base. L2 se encuentra sobre el surco y contiene el residuo catalítico de cisteína. El centro activo se divide en 4 subsitios, S1, S2, S3 y S4 y reconoce una secuencia corta del sustrato y la unión del sustrato a la caspasa está estabilizada por puentes de hidrógeno. El sitio de unión S4 determina la especificidad de unión con el sustrato, por lo que la geometría y química de este subsitio varía entre las distintas familias de las caspasas.

Características estructurales de las caspasas. Comparación de los lazos del centro activo que conservan su estructura entre los distintos tipos de caspasas y asociación de los dos heterodímeros, interaccionando mayoritariamente por sus regiones p10. Imagen obtenida en https://doi.org/10.1016/s1097-2765(02)00482-3.

Estructura de la caspasa 7 con sus dos heterodímeros representados en distintos colores  y ubicación de los dos centros activos gracias a dos  proteínas coloreadas en amarillo y verde. Construida a partir de PDB(1f1j).

TIPOS

Las caspasas se engloban en una misma familia genética pudiendo encontrar unos 14 tipos en mamíferos. Esta se divide en subfamilias que se categorizan atendiendo a aspectos relacionados con la posición de sus pro-dominios y funciones biológicas. Las tres subfamilias conocidas son:

  • Caspasas inflamatorias o del grupo 1: donde encontramos las caspasas 1, 4, 5, 11, 12, 13 y 14 que se caracterizan por  tener grandes pro-dominios  y un papel fundamental en la maduración de citoquinas y en la piroptosis, una forma de muerte celular lítica programada altamente inflamatoria que ocurre ante la infección por parte de un patógeno intracelular.
  • Caspasas iniciadoras de la apoptosis o del grupo II: tienen en común con el grupo anterior un pro-dominio largo (más de 90 aminoácidos); sin embargo, en él se halla un dominio DED (dominio efector de muerte) en las caspasas  8 y 10, que tras su incorporación a la vía inducen autocatálisis en la propia enzima, pasando así de una procaspasa a una caspasa efectora que activa a la caspasa 9 para provocar así la apoptosis. Por otra parte, en las caspasas 2 y 9 encontramos un dominio CARD (dominio de reclutamiento y activación de caspasas) permitiéndole interactuar con otras moléculas reguladoras de su activación que responden a estímulos, cuya consecuencia es el agrupamiento de las caspasas iniciadoras, permitiendo autoactivarse. En todas las caspasas iniciadoras la enzima madura es un heterotetrámero que contiene dos heterodímeros p20/p10 y dos centros activos.
  • Caspasas efectoras o del grupo III: que a diferencia de las otras caspasas tienen pro-dominios cortos (de 20-30 aminoácidos). En este grupo encontramos las caspasas 3, 6 y 7 cuya función es la proteólisis masiva al procesar sustratos proteicos que actúan en distintas vías de apoptosis.

Estructura de dominios y clasificación funcional de las caspasas de mamíferos placentarios. Imagen obtenida en https://doi.org/10.1038/cdd.2014.216.

Si en vez de en aspectos funcionales o estructurales nos centramos en su filogenética las caspasas se dividen en un grupo inflamatorio o apoptótico, siendo la característica que une a ambos la similitud en cuanto a la especificidad de sustrato.

PAPEL BIOLÓGICO Y FUNCIÓN

Como ya se ha mencionado, la labor de las caspasas no se reduce a intervenir en las vías apoptóticas cuyos blancos intracelulares específicos son, entre otros, proteínas del citoesqueleto y de los filamentos intermedios de la lámina nuclear, sino que cumplen otras funciones que pueden ser proteolíticas o no.

Dentro de las funciones que implican proteolisis, las caspasas tienen un papel fundamental en el procesamiento proteolítico de enzimas gracias a procesamientos postraduccionales de las pro-caspasas o de sus blancos proteolíticos, y a la regulación de proteínas efectoras, actuando sobre factores de transcripción, citoquinas y quinasas.

Asimismo, las caspasas se encargan de que las células proliferen, pues sí, no solo conducen a las células a que entren en estados apoptóticos ya que se implican en la función de la proliferación celular desde distintos puntos: la caspasa-8 está especialmente relacionada con la proliferación de linfocitos y otras células del sistema inmune, y la caspasa-3 desempeña una labor relevante en la regulación del ciclo celular ya que es capaz de procesar a p27, un inhibidor de las CDK (quinasa dependiente de ciclinas), inactivándolo y, por tanto, contribuyendo a la progresión de la inducción del ciclo celular.

Por otra parte, encontramos una función inmune al colaborar en la maduración de las interleuquinas, proteínas mediadoras que participan en el procesamiento de factores relacionados con la respuesta inflamatoria como en el caso de la pro-Interleucina-1β procesada por la caspasa-1 para formar la interleucina-1β madura.

Y por último, se encuentra su participación en el progreso de la diferenciación celular, especialmente en células que se hallan en estados post-mitóticos que han podido llegar hasta ahí a través de apoptosis incompletas. Cabe mencionar la labor de la caspasa-3, pues es crítica en la diferenciación de miocitos; y de otras caspasas claves en la diferenciación de eritrocitos.

REGULACIÓN Y MECANISMO

Debido a que la activación de las caspasas ha de ser rápida, su regulación se produce a nivel postraduccional ya que primeramente son sintetizadas como zimógenos. Su activación comienza con la dimerización, seguida por una escisión intracatenaria mediada por las caspasas iniciadoras. Finalmente obtenemos la caspasa madura (heterotetrámero) con dos centros activos. Cabe mencionar que las caspasas efectoras son activadas proteolíticamente por otras caspasas, mientras que las iniciadoras lo hacen gracias a interacciones proteína-proteína de las que se conocen tres mecanismos de activación:

  • Activación por otra caspasa: se basa en lo explicado con anterioridad y el punto de corte con ácido aspártico. La activación de la pro-caspasa se realiza por acción de otra previamente activada provocando una cascada de caspasas  útil para amplificar las señales pro-apoptóticas.
  • Activación inducida por proximidad: La cascada de caspasas puede ser activada por la granzima B liberada por los linfocitos T citotóxicos que hace que se agreguen ligandos a receptores de muerte celular como Fas o TNF creando complejos. Gracias a proteínas adaptadoras de estos complejos varias moléculas de procaspasa-8 y 10 se agregan haciendo que se corten mutuamente y se activen unas a otras ya que las procaspasas poseen una baja e intrínseca aunque suficiente actividad proteasa. Estas caspasas iniciadoras activan a las caspasas efectoras 3 y 7 en células infectadas por virus.
  • Asociación con una subunidad reguladora: Al contrario que en otras caspasas, el procesamiento proteolítico de la procaspasa-9 tiene un efecto mínimo en su activación, es por ello que necesita asociarse con un cofactor de proteínas, Apaf-1. Para ello, se necesita el citocromo c liberado por la mitocondria. El citocromo c y Apaf-1 se asocian en un proceso dependiente de ATP. Esta asociación recluta procaspasas-9 formando el apoptosoma que deriva en la caspasa 9 activa que inicia la cascada que activa las caspasas efectoras 3 y 7 que activan una enzima desoxirribonucleasa fragmentando el DNA.

Una vez que se activa la cascada, la célula inevitablemente sufrirá apoptosis debido a los procesos de retroalimentación positiva que la siguen.

Cambio en la forma de la procaspasa 7 debido a su activación, lo que forma la conformación adecuada del centro activo gracias al ensamblaje de la cisteína (amarillo), dos argininas y un glutamato (azul), que reconocen el aspartato de la proteína que escinden. Imagen obtenida a partir de PDB101 https://pdb101.rcsb.org/motm/56.

Representación esquemática de las vías apoptóticas conocidas, en las que intervienen las caspasas apicales. Imagen obtenida en https://doi.org/10.1016/s0301-4622(02)00151-5

IMPLICACIONES BIOMÉDICAS

Una vez vista la importancia de las caspasas en la regulación en la muerte celular es lógico pensar que ante alteraciones o mutaciones en esta, se pueden desencadenar algunos procesos patológicos:

  • Alzheimer: en estudios de cerebros de pacientes con alzheimer se ha observado un incremento de ARNm  de múltiples caspasas, en concreto, de la caspasa 2 que podría ser un punto clave en los tratamientos para el alzheimer. También tienen implicaciones en tratamientos contra enfermedades neurodegenerativas ya que durante la isquemia, las caspasas activadas desmantelan la célula por lo que se están estudiando estrategias que inhiben la actividad de la caspasa para bloquear la muerte celular en modelos experimentales de isquemia leve y preservar la función neurológica. Es por ello que ahora se reconocen como nuevos objetivos terapéuticos para enfermedades del sistema nervioso central en las que la muerte celular es prominente.

  • Obesidad: en la obesidad el aumento de tamaño lleva a la apoptosis de determinadas células, en la que están implicadas las caspasas, provocando así algunos factores inflamatorios dañando el hígado y llevando a la muerte de las células hepáticas.

  • Cáncer: esta enfermedad puede deberse a varias causas, como mutaciones de genes que codifican las caspasas, por ejemplo. Por tanto si dichos genes no son capaces de producir caspasas, la apoptosis no tendrá lugar, produciéndose así un acúmulo de células que derivará en un tumor. A su vez, las caspasas son de gran importancia en tratamientos contra el cáncer ya que muchas terapias inducen la apoptosis para eliminar la célula cancerosa gracias a las caspasas y hay otras terapias que activan específicamente caspasas individuales utilizando enfoques de terapia génica y moléculas pequeñas que reprimen los inhibidores naturales de caspasas ya presentes en la célula.

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