Kas ir kaspāze?

Kaspāzes molekulā ir priekšgabals jeb prodomēns, liela apakšvienība un maza apakšvienība. Aktivācijas laikā prodomēns tiek atdalīts, un divas apakšvienības sakārtojas pa pāriem, veidojot fermentu ar diviem aktīvajiem centriem.

Aktīvajā centrā atrodas cisteīna atlikums, kas veic pašu griešanu, un kabata, kas atpazīst asparagīnskābi. Blakus esošās aminoskābes nosaka, kuru tieši olbaltumvielu ferments griezīs. Tieši tāpēc dažādas kaspāzes, kaut arī visas griež aiz vienas un tās pašas aminoskābes, praksē izvēlas atšķirīgus mērķus.

Iniciatorkaspāzēm ir garš prodomēns ar īpašiem saistīšanās moduļiem, kas ļauj tām pieķerties platformas olbaltumvielām. Efektorkaspāzēm prodomēns ir īss, jo tās netiek saistītas ar platformām, bet tiek ieslēgtas ar griezienu.

Šī uzbūves atšķirība nosaka arī aktivācijas veidu. Iniciatorkaspāzes ieslēdzas, kad tās tiek savilktas blakus viena otrai un izveido pāri; efektorkaspāzes ieslēdzas tikai pēc tam, kad tās sagriezusi iniciatorkaspāze.

Praksē kaspāzes iedala pēc uzdevuma. Šis dalījums ir noderīgāks par numerāciju, jo numuri atspoguļo tikai atklāšanas secību, nevis funkciju.

Šūnas programmētā nāve var sākties no iekšienes vai no ārpuses, un abiem ceļiem ir savs iniciators.

Iekšējais jeb mitohondriju ceļš sākas tad, kad šūna saņem bojājumu: DNS lūzumus, skābekļa trūkumu, olbaltumvielu salocīšanās traucējumus. Mitohondriju ārējā membrāna kļūst caurlaidīga, un no mitohondrija izplūst citohroms c. Kopā ar platformas olbaltumvielu tas izveido riteņveida veidojumu, uz kura savācas un ieslēdzas kaspāze 9.

Ārējais jeb receptoru ceļš sākas tad, kad citas šūnas, visbiežāk imūnsistēmas šūnas, piesaistās nāves receptoriem uz šūnas virsmas. Receptora iekšpusē savācas adapterolbaltumvielas un prokaspāze 8, kas ieslēdzas savstarpējas tuvināšanas rezultātā.

Abi ceļi saplūst pie efektorkaspāzēm. Turklāt kaspāze 8 var pastiprināt iekšējo ceļu, sagriežot īpašu olbaltumvielu, kas savukārt atver mitohondriju; tāpēc daudzās šūnās abi ceļi darbojas kopā.

1. Šūna saņem nāves signālu no iekšienes vai caur receptoru virsmā.
2. Izveidojas aktivācijas platforma, uz kuras savācas iniciatorkaspāzes priekšteces.
3. Iniciatorkaspāze izveido darbotiesspējīgu pāri un kļūst aktīva.
4. Tā sagriež un ieslēdz efektorkaspāzes, galvenokārt kaspāzi 3.
5. Efektorkaspāze sagriež šūnas skeletu, kodola apvalku un DNS aizsargolbaltumvielas.
6. Tiek atbrīvots ferments, kas sagriež DNS starp nukleosomām; šūna sarūk un sadalās pūslīšos.
7. Uz pūslīšu virsmas parādās signāls ēst mani, un makrofāgi tos aizvāc bez iekaisuma.

Aktīva efektorkaspāze nesagriež visu pēc kārtas. Tās mērķi ir izvēlēti tā, lai šūna sabruktu ātri, kārtīgi un bez satura izbiršanas.

Daļa griezienu atslēdz funkciju: tiek sagriezti kodola apvalka balsta pavedieni, šūnas skeleta olbaltumvielas un DNS labošanas fermenti. Cita daļa griezienu, tieši otrādi, ieslēdz: sagriezta tiek olbaltumviela, kas līdz tam turēja saitē DNS griezēju, un tas atbrīvojas; sagriezta tiek arī olbaltumviela, kas vada membrānas pūslīšu veidošanos.

Īpaši svarīga ir membrānas pārkārtošana. Parasti fosfatidilserīns atrodas membrānas iekšējā pusē; apoptozes laikā tas tiek izvirzīts uz āru un kalpo par zīmi makrofāgiem. Tieši tāpēc apoptoze neizraisa iekaisumu: šūnas saturs nekad nenonāk ārā.

• Kodola apvalka balsta pavedieni: kodols sarūk un sadalās.
• DNS griezēja aizsargolbaltums: atbrīvotais ferments sagriež DNS raksturīgos gabalos.
• Šūnas skeleta un adhēzijas olbaltumvielas: šūna atdalās no kaimiņiem un noapaļojas.
• Membrānas pārnesējs: fosfatidilserīns parādās uz virsmas kā aizvākšanas signāls.
• DNS labošanas ferments: šūna pārstāj tērēt enerģiju bezcerīgai labošanai.

Atsevišķa kaspāžu grupa nav saistīta ar kluso šūnas aizvākšanu, bet tieši pretēji, ar trauksmes izsaukšanu. Kad šūnas iekšienē tiek pamanīta baktērijas sastāvdaļa, vīrusa nukleīnskābe vai kristāli, savācas liels olbaltumvielu komplekss, ko sauc par inflamasomu. Uz tā ieslēdzas kaspāze 1.

Aktīvā kaspāze 1 apstrādā divas svarīgas iekaisuma signālvielas, padarot tās darbotiesspējīgas, un vienlaikus sagriež olbaltumvielu, kuras atbrīvotā daļa iedursies šūnas membrānā un izveidos tajā poru. Caur šo poru ieplūst ūdens, šūna uzbriest un plīst, izlaižot signālvielas. Šo nāves veidu sauc par piroptozi.

Piroptoze ir pretstats apoptozei: tā ir skaļa un ar nolūku izraisa iekaisumu, lai pievērstu imūnsistēmas uzmanību. Tā ir noderīga cīņā ar šūnas iekšienē paslēpušos baktēriju, bet kļūst kaitīga, ja mehānisms ieslēdzas bez iemesla.

Tieši šī mehānisma pārmērīga aktivitāte ir pamatā vairākām iedzimtām periodiska drudža slimībām, kurās cilvēkam atkārtojas drudža, izsitumu, locītavu un vēdera sāpju lēkmes bez infekcijas. Šo slimību ārstēšana ar signālvielu bloķējošiem līdzekļiem ir viens no spilgtākajiem piemēriem, kā molekulāra atklāsme pārvērtusies konkrētā terapijā.

Augļa attīstībā kaspāzes ir tikpat svarīgas kā šūnu dalīšanās. Roku un kāju pirksti sākotnēji ir savienoti ar starppirkstu audiem, un tie tiek noņemti tieši ar programmēto šūnu nāvi. Nervu sistēmā rodas daudz vairāk neironu, nekā vajadzīgs, un tie, kas nesasniedz savu mērķi, iet bojā.

Imūnsistēmā tas pats mehānisms novērš pašam savus audus uzbrūkošu limfocītu izdzīvošanu. Ja šī atlase nedarbojas, attīstās stāvokļi, kuros limfmezgli un liesa palielinās un rodas autoimūnas parādības.

Mūsdienās ir skaidrs, ka kaspāzes strādā arī šūnās, kas nemirst. Nelielā, kontrolētā daudzumā efektorkaspāze piedalās nervu šūnu atzarojumu apgriešanā mācīšanās laikā, muskuļu šūnu saplūšanā, acs lēcas šūnu nobriešanā un sarkano asinsķermenīšu veidošanā. Šis ir viens no pēdējo gadu desmitu pārsteidzošākajiem atklājumiem šajā jomā.

Ar gadiem šūnu nāves un šūnu atjaunošanās līdzsvars mainās. Novecojot uzkrājas šūnas, kas ne mirst, ne dalās; to izturība pret apoptozi tiek uzskatīta par vienu no novecošanas mehānismiem.

Ja apoptoze notiek par maz, šūnas, kurām vajadzēja iet bojā, paliek dzīvas. Tā ir viena no vēža pamatiezīmēm: audzēja šūnas bieži pastiprināti ražo olbaltumvielas, kas bremzē kaspāžu ieslēgšanos, vai zaudē bojājumu uztverošos mehānismus. Vairākas mūsdienu pretvēža zāles darbojas tieši tāpēc, ka atjauno šūnas spēju sākt apoptozi.

Ja apoptoze notiek par daudz, iet bojā šūnas, kuras organismam vajadzīgas. Tas notiek insulta un infarkta apmalēs, nervu deģeneratīvās slimībās, aknu bojājumos un smagā infekcijā, kad masveidā iet bojā imūnās šūnas.

Pārmērīga iekaisuma kaspāžu aktivitāte izpaužas kā autoiekaisuma slimības ar atkārtotām drudža lēkmēm, kā arī veicina hroniskus vielmaiņas iekaisumus.

Atkarībā no izpausmes ar šiem stāvokļiem nodarbojas onkologs, hematologs, neirologs, reimatologs vai imunologs. Pats par sevi kaspāžu līmenis nav analīze, ko nozīmē ģimenes ārsts; tā ir mehānisma, nevis izmeklējuma līmeņa jēdziens.

Ja cilvēkam ir atkārtotas neizskaidrojamas drudža lēkmes ar izsitumiem un locītavu sāpēm bez infekcijas pazīmēm, tas ir iemesls vērsties pie ārsta, lai izslēgtu autoiekaisuma slimību.

Laboratorijā kaspāžu darbību parāda vairākas metodes. Audu preparātos izmanto antivielas, kas atpazīst tieši sagriezto, aktīvo kaspāzes 3 formu; tās klātbūtne pierāda, ka šūnā notiek apoptoze. DNS sagriešanu parāda īpaša iekrāsošanas metode, bet membrānas pārmaiņas nosaka ar plūsmas citometriju, izmantojot vielu, kas piesaistās uz virsmas parādījušamies fosfatidilserīnam.

Pārpratumu šajā tēmā ir vairāki. Pirmais ir kaspāžu jaukšana ar gremošanas fermentiem; nosaukumu līdzība ir maldinoša, jo kaspāzes nesadala uzturu un nedarbojas ārpus šūnas.

Otrs pārpratums ir domāt, ka jebkura šūnas nāve ir apoptoze. Nekroze ir nekontrolēta sabrukšana, kurā saturs izplūst un rodas iekaisums. Piroptoze un nekroptoze ir programmētas, bet iekaisumu izraisošas nāves formas. Tieši kaspāze 8 ikdienā bremzē nekroptozi, un tās iztrūkums šo ceļu atbrīvo.

Trešais pārpratums saistās ar uztura bagātinātājiem, kas sola ietekmēt apoptozi. Šūnu nāves programmas ietekmēšana ir smalks līdzsvars, un tās pastiprināšana veselos audos nav vēlama; šādi apgalvojumi nav uzskatāmi par pierādītiem.

Visinteresantākais kaspāžu aspekts ir tas, ka tās ir nāves fermenti, kuriem organisms uzticējis arī dzīvības uzturēšanas uzdevumus. Zema, precīzi ierobežota efektorkaspāzes aktivitāte nervu šūnā nevis nogalina to, bet noņem liekos savienojumus un tādējādi piedalās mācīšanās procesā. Robeža starp apgriešanu un nogalināšanu šeit ir devas un laika jautājums, nevis principa jautājums.

Otra doma attiecas uz ārstniecību. Ilgi tika cerēts, ka kaspāžu bloķēšana kļūs par universālu līdzekli infarkta, insulta un nervu deģenerācijas ārstēšanā. Praksē izrādījās, ka bloķēta apoptoze bieži nenozīmē izglābtu šūnu: šūna pāriet uz citu nāves ceļu vai paliek dzīva, bet nefunkcionāla. Šī pieredze ir laba atgādinājums, ka vienas molekulas apturēšana sarežģītā sistēmā reti dod gaidīto rezultātu.

Trešā doma ir par to, kāpēc apoptoze ir klusa. Ja katra dienā bojā gājusī šūna izraisītu iekaisumu, cilvēka ķermenis atrastos pastāvīgā iekaisuma stāvoklī. Tieši kaspāžu vadītā rūpīgā iepakošana ir tas, kas ļauj ik dienu aizvākt milzīgu šūnu skaitu, neradot ne sāpes, ne pietūkumu, ne drudzi.