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Caspasi

Che cosa sono le caspasi?

Le caspasi o cisteina-aspartato proteasi sono un gruppo di enzimi proteolitici, sintetizzate sotto forma di proenzimi e tutte caratterizzate dall'avere un residuo di cisteina nel sito attivo.

Questi enzimi idrolizzano le proteine bersaglio in corrispondenza dell'estremità carbossi-terminale di specifici residui di aspartato. Il termine "caspasi" deriva dalla combinazione della lettera c di cisteina, del gruppo di lettere asp di aspartato e della desinenza -asi di proteasi.

L'importanza delle caspasi è stata da sempre associata al loro ruolo nell'apoptosi e in altre forme di morte cellulare, ma ne è noto l'intervento anche in altri meccanismi cellulari, come infiammazione, proliferazione cellulare, soppressione tumorale, invecchiamento, sviluppo neuronale e orientamento assonico.

Tipi di caspasi

Il ruolo delle caspasi è noto già da più di due decenni da quando si è scoperto il primo enzima di questa famiglia, l'enzima ced-3, che ha un ruolo chiave nella morte cellulare programmata durante lo sviluppo del nematode Caenorhabditis elegans. I primi enzimi omologhi di ced-3 nei mammiferi sono stati l'enzima di conversione dell'interleuchina 1-beta o ICE e Nedd2, poi rinominati, rispettivamente, caspasi 1 e caspasi 2.

Ad oggi, nei mammiferi sono state scoperte 18 caspasi, delle quali le 15, 17 e 18 non sono presenti nei mammiferi placentati e la 5 e la 10 non sono presenti nei topi.

La caspasi 11 nei topi e la 13 nei bovini sono ortologhe della caspasi 4, rinvenuta solo nell'uomo. Gli alleli che codificano per la caspasi 12 nell'uomo si presentano sia in forma intera che troncata, mentre nei topi è presente solo la versione intera. Molto interessante è il ruolo della caspasi 14, espressa nell'epidermide, dove svolge un ruolo cruciale nel processo di corneificazione e di protezione degli strati sottostanti della pelle.

Classificazione delle caspasi

Classificazione delle caspasi dei mammiferi placentati in base ai domini strutturali e alla funzionalità. Le caspasi coinvolte nell'apoptosi sono distinte in iniziatrici ed effettrici. Le prime sono dotate del dominio CARD (dominio di reclutamento delle caspasi), coinvolto nei processi di dimerizzazione delle caspasi o nella formazione di complessi molecolari. Nelle caspasi effettrici è presente il dominio DED (dominio esecutore della morte cellulare). Le lettere L e S si riferiscono, rispettivamente, a subunità grande (large) e piccola (small). L* e S* indicano, invece, le forme intera e troncata.

Le caspasi nella morte cellulare programmata o apoptosi

La realizzazione delle diverse tappe che inducono la morte programmata di una cellula richiede l'intervento di caspasi iniziatrici e caspasi effettrici.

L'attivazione delle caspasi iniziatrici può avvenire mediante due vie: intrinseca o mitocondriale, mediata dalle proteine della famiglia Bcl-2, ed estrinseca, innescata da specifici recettori di membrana.

Le caspasi iniziatrici, attivate mediante la via intrinseca o estrinseca, attivano a loro volta le caspasi effettrici 3, 6 e 7.

Le caspasi effettrici sono responsabili di una serie di eventi, come la frammentazione del DNA, la compattazione della cromatina, la contrazione della cellula con formazione di protrusioni vescicolari sulla membrana, la progressiva distruzione del nucleo e dei diversi organuli e, infine, la frammentazione della cellula in corpi cellulari, fagocitati da macrofagi nelle vicinanze.

Eventi che segnano la morte di una cellula per apoptosi

Gli eventi principali che segnano la morte di una cellula per apoptosi.

La via intrinseca dell'apoptosi

La via intrinseca è attivata da condizioni di stress cellulare, come esposizione a sostanze tossiche, danni al DNA e assenza di fattori di crescita, che attivano i fattori pro-apoptotici della famiglia Bcl-2, come BAK e BAX.

Questi ultimi causano il rilascio del citocromo c, a seguito della permeabilizzazione della membrana mitocondriale esterna (processo indicato con l'acronimo inglese MOMP).

Il fattore 1 di attivazione delle proteasi apoptotiche, Apaf-1, forma un complesso con il citocromo c, chiamato apoptosoma, che attiva la caspasi 9.

La via estrinseca dell'apoptosi

La via estrinseca è innescata dal legame di specifici ligandi ai recettori della superfamiglia dei recettori dei fattori di necrosi tumorale, detti anche recettori di morte, come TNFR e Fas, inducendo il reclutamento e l'attivazione delle caspasi 8 e 10, mediante la formazione di complessi in cui sono coinvolti numerosi altri fattori proteici.

La caspasi 8 ha anche la funzione di tagliare il fattore BID alla forma troncata tBID che stimola la via mitocondriale per una risposta più amplificata.

Vie intrinseca ed estrinseca di attivazione delle caspasi iniziatrici nell'apoptosi

Immagine esemplificativa delle vie intrinseca ed estrinseca di attivazione delle caspasi iniziatrici nell'apoptosi. L'attivazione della caspasi 8 nella via estrinseca richiede la formazione di complessi multiproteici, come il complesso di segnalazione della morte cellulare DISC. In esso sono coinvolti i domini di morte dei recettori di membrana e proteine di legame ad esso come FADD.

Caspasi coinvolte nei processi di morte cellulare diversi dall'apoptosi

L'apoptosi è stata da sempre definita come la morte programmata di una cellula, contrapposta alla necrosi, che è invece una morte accidentale non mediata dalle caspasi. Esistono, tuttavia, diverse altre forme di morte cellulare, come la necroptosi, la piroptosi e la catastrofe mitotica.

La necroptosi si può definire come una necrosi programmata, caratterizzata dall'aumento di volume della cellula, dal rigonfiamento degli organuli e dalla rottura della membrana plasmatica. Essa è innescata dalla stimolazione del recettore Toll-like 3 (TLR3), da stress genotossico o dalla presenza di PAMPs (pattern molecolari associati a patogeni) e richiede l'attivazione della caspasi 8.

La piroptosi rappresenta una forma di morte cellulare programmata alternativa all'apoptosi, per la prima volta osservata in macrofagi dopo l'infezione da parte di batteri come Shigella flexneri o Salmonella typhimurium. Si ritiene che sia una risposta immunitaria per eliminare macrofagi carichi di microrganismi e patogeni intracellulari.

Gli eventi cellulari della piroptosi sono dipendenti dall'attivazione delle caspasi 1 e 11 e prevedono la frammentazione del DNA e la condensazione della cromatina, la formazione di pori sulla membrana con conseguenti ingresso di acqua, rigonfiamento cellulare, lisi osmotica e rilascio nell'ambiente extracellulare di fattori pro-infiammatori.

La catastrofe mitotica è la morte di cellule in mitosi di cui viene riconosciuto un accumulo eccessivo di danni al DNA. Oltre alle diverse proteine, tra cui varie chinasi, che svolgono un ruolo cruciale nei sistemi di controllo del ciclo cellulare e della mitosi, nella catastrofe mitotica sono coinvolte anche alcune caspasi, tra cui la caspasi 2.

Infine, è importante ricordare come l'autofagia, che è un meccanismo di sopravvivenza cellulare, piuttosto che di morte, richieda l'inibizione di alcune caspasi come la caspasi 2.

Caspasi nei processi infiammatori e immunitari

Nei mammiferi sono state identificate diverse caspasi mediatrici dell'infiammazione, le caspasi 1,4, 5 e 12 nell'uomo e le caspasi 1, 11 e 12 nei topi.

L'attivazione delle caspasi infiammatorie prevede che esse vengano reclutate su complessi multiproteici chiamati inflammasomi. Gli stimoli alla formazione di questi complessi possono essere interni o esterni, come infezioni batteriche o virali, esposizione a tossine e agenti irritanti, metaboliti vari. Tali stimoli attivano diversi tipi di recettori di riconoscimento di spettro, PRR, a seconda dei quali verranno reclutati specifici inflammasomi.

Le caspasi attivate mediante questi meccanismi tagliano e attivano, a loro volta, delle pro-citochine, favorendo, ad esempio, la secrezione delle interleuchine IL-1β e IL-18.

Mutazioni nei geni per le caspasi o nei fattori proteici coinvolti nella loro attivazione sono state legate a diverse patologie autoimmuni e a disfunzioni nei processi infiammatori e di risposta innata alle infezioni.

Caspasi nel differenziamento cellulare

Dopo alcuni studi rivelatori sul coinvolgimento di alcune caspasi nel corretto sviluppo in Drosophila, anche nei mammiferi è stata scoperta l'influenza di alcune caspasi sulle fasi terminali di differenziamento di alcuni tipi cellulari, come megacariociti, cheratinociti, eritrociti, cellule del cristallino, fibre muscolari, osteoblasti. Determinante in questi processi è il ruolo della caspasi 3 e, in misura minore, della caspasi 9.

Nei mammiferi terrestri, la caspasi 14 è implicata nel differenziamento dei cheratinociti e nei processi di corneificazione dell'epidermide.

Caspasi nella proliferazione e nella rigenerazione cellulare

Le caspasi 3 e 7 sono state associate, nei mammiferi, alla capacità rigenerativa di alcuni tessuti some pelle ed epidermide, e ai processi di osteogenesi. La caspasi 8 è importante nell'omeostati dei linfociti T e nelle risposte immunitarie da essi mediate, mentre la proliferazione dei linfociti B e la loro omeostasi richiederebbero l'intervento della caspasi 6.

Caspasi nella tumorigenesi

L'insorgenza dei tumori è multifattoriale e spesso determinata dalla mancata induzione della morte programmata di alcune cellule. Anche mutazioni nei geni che codificano per le caspasi che controllano l'apoptosi sono implicate in disfunzioni di questo importantissimo processo e nella conseguente insorgenza di tumori.

Tuttavia, sono stati studiati, sia nei topi che nell'uomo, meccanismi di insorgenza tumorale dipendente da caspasi e indipendentemente dall'attivazione o meno dell'apoptosi.

Alcune caspasi, come la 1 e la 2, hanno una funzione di soppressione di diversi tumori, alcune varianti delle caspasi 3, 7 e 10 predispongono maggiormente alla tumorigenesi di alcuni tipi cellulari, bassi livelli di espressione della caspasi 6 sono stati associati a tumori gastrici e bassi livelli di espressione della caspasi 14 sono stati rinvenuti in tumori al colon, alla cervice uterina e ovarici.
Molto più esteso e complesso e ampiamente documentato nei processi di tumorigenesi è il ruolo della caspasi 8.

Caspasi nell'invecchiamento

L'invecchiamento rappresenta la progressiva perdita di funzionalità di vari organi e dell'intero organismo. Il modo in cui le caspasi possono incidere o meno sulla degenerazione che accompagna l'invecchiamento è assai variegato.

Un primo aspetto che si riscontra durante l'invecchiamento è un tasso di morte cellulare programmata maggiore, come avviene a carico di neuroni e cellule cardiache.

Secondariamente, l'invecchiamento è associato a un maggiore stress ossidativo con aumentati livelli di specie reattive dell'ossigeno (ROS), favorito dalla caspasi 1, ma attenuato dalla 2.

Tipiche patologie correlate all'invecchiamento, come l'Alzheimer e la sarcopenia (che comporta perdita di massa muscolare), risentono dell'influenza delle caspasi 2, 6, 7 e 9.

Lo schema che segue riassume il ruolo delle caspasi nell'invecchiamento.

Attivazione e l'inibizione delle caspasi sono coinvolti nell'invecchiamento

Lo schema riassume come l'attivazione e l'inibizione delle caspasi sono coinvolti nell'invecchiamento.

Caspasi nello sviluppo neuronale

Le caspasi dirigono lo sviluppo neuronale sia nell'embrione che nell'adulto in modo dipendente o meno dall'apoptosi. Le caspasi 3 e 9 e il fattore Apaf-1 sono stati ampiamente studiati in entrambi i meccanismi.

Tra i processi neuronali non dipendenti dall'apoptosi si ricordano il corretto orientamento degli assoni, la segnalazione e le connessioni sinaptiche, la densità e la morfologia dei dendriti e delle spine dendritiche.

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