고전적 신호 경로 요약 - Caspase 단백질 계열

Caspase는 세포질에 존재하는 프로테아제 그룹이고 정식 명칭은 시스테인 아스파르테이트 특이 프로테아제입니다. Caspase의 중요한 공통 특징 중 하나는 그들의 활성 부위가 모두 시스테인을 포함하고 있어 표적 단백질의 아스파트산 잔기에서 펩타이드 결합을 특이적으로 절단할 수 있다는 것입니다. 이는 Caspase가 특정 단백질을 매우 선택적으로 절단할 수 있도록 합니다. 그들은 프로그램된 세포사멸(세포사멸, pyroptosis, necroptosis 등 포함)과 염증에서 중요한 역할을 합니다. 현재까지 인간에서 11가지 다른 Caspase가 동정되었습니다. 포유류 Caspase 계열 단백질은 구조와 기능 의존적으로 세 가지 주요 범주로 분류될 수 있습니다.

첫 번째 범주: 세포사멸을 촉진하는 Caspase

이 범주는 주로 Caspase-2, 8, 9, 10, 3, 6, 7을 포함합니다. 이들은 카스캐이드 증폭 방식으로 세포 내 단백질을 효율적으로 절단해서 최종적으로 세포사멸을 유도합니다. 이들은 두 그룹으로 나뉩니다. 그중 Caspase 2, 8, 9, 10은 세포사멸의 시작(시작자)에 관여하고 세포사멸을 촉진하는 신호가 존재할 때 자가 활성화할 수 있고 하류 Caspase를 활성화할 수 있습니다. Caspase 3, 6, 7은 세포사멸의 실행에 관여하고 상류 시작자가 활성화할 수 있고 활성화 후에는 특정 기질에 작용해서 세포의 생화학적 및 형태학적 변화를 일으키고 세포사멸을 유도합니다.

유형 II: 염증을 유발하는 Caspase

이것은 주로 Caspase 1, 4, 5, 11, 12, 13을 포함합니다. 선천적인 반응이 활성화되는 동안 염증을 유발하는 Caspase는 특정 사이토카인(예: Pro-IL-1β와 Pro-IL-18)의 성숙을 매개해서 활성 IL-1β와 IL-18을 형성합니다. 게다가 화생방증이라고 불리는 세포사멸의 한 형태에도 관여할 수 있습니다.

세 번째 범주: 각질세포 분화

주요 인물은 Caspase-14입니다. Caspase-14는 세포사멸과 관련이 없는 시스테인 프로테아제입니다. 주요 기능은 기저표피층에서 발현되고 각질세포의 각질화 과정에서 활성화되고 각질세포의 분화와 각질화에 참여하는 것입니다.

포유류에서 Caspase의 기능적 분류

Shi Y. Mechanisms of Caspase Activation and Inhibition during Apoptosis. Molecular Cell, Vol. 9, 459–470, March, 2002.

1.Caspase는 세포사멸과 염증의 매개체로 신경퇴행성 질환, 염증, 대사 질환, 암을 포함한 다양한 질환의 치료 매력적인 표적이 되었습니다:

①    Caspase-1

세포사멸과 염증 과정에서 중요한 역할을 하는 단백질 분해효소입니다. 주요 기능은 염증을 유발하는 사이토카인의 활성화, 세포사멸, 피로프토시스에 참여하는 것입니다. Caspase-1은 신경계 질환, 심혈관 질환, 대사 질환, 안과 질환, 만성 간부전 등 질환의 발생과 직접적 또는 간접적으로 관련되어 있습니다. 현재 Caspase-1을 표적으로 하는 소분자 약물 CTS-2090, CTS-2096, ML-132, TMC-Ag5는 전임상 연구 단계에 있고 Q-004는 약물 발견 단계에 있습니다.

②    Caspase-3

포유류 세포의 세포사멸에서 핵심적인 단백질 분해효소로 주요 단백질을 특이적으로 절단해서 DNA 분해를 일으키고 세포사멸을 촉진합니다. 이 효소는 신경퇴행성 질환, 유방암과 난소암 등 다양한 암, 심혈관 질환, 대사 질환을 포함한 다양한 질환의 발생과 진행과 밀접한 관련이 있습니다. 이는 가장 인기 있고 광범위하게 연구된 표적 중 하나입니다. SM-1, Suftalan Zink, NWL-283은 모두 Caspase-3 억제제이고 이중 SM-1은 임상연구의 세 번째 단계에 있습니다.

③    Caspase-8

세포사멸과 면역 조절에서 중요한 역할을 하고 외인성 세포사멸 경로의 개시제입니다. 세포사멸을 유도하고 다양한 세포사멸 유형 간의 전환을 조절하는데 참여합니다. Caspase-8의 이상이 유방암, 폐암, 간암 등 다양한 암, 신경퇴행성질환, 면역계질환과 밀접한 관련이 있다는 것이 연구를 통해 밝혀졌습니다. 현재 신약 저장소의 정보에 따르면 Caspase-8을 표적으로 하는 소분자 약물은 개발 중이지 않습니다.

④    Caspase-9

세포사멸의 핵심 조절 인자로 세포 내부의 균형을 유지하고 비정상적인 증식을 막는데 중요한 역할을 합니다. 세포가 내부 스트레스나 손상을 받으면 Caspase-9가 활성화되고 세포사멸 프로그램을 시작하고 손상된 세포를 제거합니다. Caspase-9는 신경퇴행성질환, 암, 면역계질환 등 다양한 질환의 발생과 진행과 밀접한 관련이 있다는 연구 결과가 있습니다. 현재 소분자 약물 OT-717은 전임상 연구 단계에 있습니다.

2. Caspase 기질

일반적으로 두 부분으로 구성됩니다: Caspase 인식 서열와 신호 생성(색소 기질과 형광 그룹). Caspase 인식 서열는 서로 다릅니다. Caspase 효소의 인식 서열는 일반적으로 세 개나 네 개의 아미노산으로 구성되고 효소 인식 서열의 N-단은 막 투과성을 높이기 위해 아세틸(Ac)이나 카르복시메톡시(Z) 기를 수정합니다. 해당 Caspase는 특정 펩타이드 서열를 그의 효소 절단 부위로 인식하고 신호를 생성하거나 억제하는 모티브를 방출합니다. Caspase의 염색체와 형광 기질은 유사한 방식으로 작동하고 기질의 신호나 색상 강도는 단백질 분해 활성과 정비례합니다.

Caspase 염색체 기질: Caspase 인식 시퀀스와 색소로 구성됩니다. 일반적인 색소로는 pNA 파라니트로아닐린이나 4-nitroaniline이 있고 405 nm에서 흡광도를 측정해서 효소연결면역흡착측정(ELISA)이나 분광광도계로 검출할 수 있습니다.

Caspase의 형광 기질: 그들의 구조는 Caspase에 의해 인식되는 형광기를 포함하고 있고 예를 들어 7-amino-4-methylcoumarin (AMC), 7-amino-4-trifluoromethylcoumarin (AFC) 등이 있습니다. AMC와 AFC로 표시된 Caspase 기질은 동력학 분석에 일반적으로 사용됩니다.

Caspase 억제제: Caspase 인식 서열와 프로테아제 억제 모티프로 구성됩니다. Caspase 억제제는 Caspase의 활성 부위에 결합해서 가역적이거나 비가역적인 연결을 형성할 수 있습니다. Caspase 인식 서열의 C-단은 일반적으로 알데하이드(-CHO)나 플루오로메틸케톤(-FMK)과 같은 기능 기를 포함합니다. 알데하이드 기능 기를 가진 시스테이틴 억제제는 가역적이고 FMK를 가진 억제제는 비가역적입니다. Caspase의 기질과 억제제 모두 최소한의 세포독성을 가지고 있고 Caspase 활성을 연구하는데 유용한 도구입니다.