캐스페이스 3

1. 개요

캐스페이스 3(Caspase 3)은 세포 자멸사 과정에서 핵심적인 역할을 하는 단백질로, 아스파르트산 잔기 이후 펩타이드 결합을 가수분해하는 기질 특이성을 갖는다. 이 단백질은 32 kDa의 전구체 형태로 생성되어 활성화 과정에서 17 kDa(p17) 및 12 kDa(p12) 소단위체로 절단되며, 이 소단위체들이 결합하여 활성형 사량체를 형성한다. 캐스페이스 3는 외인성 및 내인성 경로를 통해 활성화되며, 세포 사멸, 뇌 발달, 심근 경색 진단 등에 관여한다. 세포사멸 억제 단백질(IAP)에 의해 억제될 수 있으며, 다양한 단백질들과 상호작용한다.

2. 기질 특이성

캐스페이스는 정상적인 상황에서 기질의 테트라 펩타이드 서열을 인식하고 아스파르트산 잔기 후에 펩타이드 결합을 가수분해한다. 캐스페이스 3과 캐스페이스 7은 Asp-x-x-Asp 테트라 펩타이드 모티프를 인식하여 유사한 기질 특이성을 공유한다. C 말단 Asp는 절대적으로 필요하지만 다른 세 위치의 변형은 허용될 수 있다. 이러한 캐스페이스 기질 특이성은 캐스페이스 기반 억제제 및 약물 설계에 널리 사용되었다.

3. 구조

캐스페이스 3(CPP32/Yama/apopain이라고도 함)은 32 kDa 크기의 전구체(pro-caspase 3) 형태로 생성되며, 활성화 과정에서 17 kDa (p17) 및 12 kDa (p12) 소단위체로 절단된다. p17과 p12 소단위체는 각각 4개와 2개의 역평행 베타 시트 구조를 가지며, 이들이 결합하여 이형이량체(heterodimer)를 형성한다. 두 개의 이형이량체가 다시 결합하여 활성형 사량체(heterotetramer)를 형성하며, 이는 알파 나선으로 둘러싸인 12가닥 베타 시트 구조를 이룬다. 활성 부위는 각 이형이량체의 경계면에 위치하며, Cys-163과 His-121 잔기가 촉매 반응에 중요한 역할을 한다.

4. 메커니즘

캐스페이스 3의 촉매 부위는 Cys-163의 티올기(-SH)와 His-121의 이미다졸 고리를 포함한다. His-121은 핵심 아스파르트산 잔기의 카보닐기를 안정화시키는 반면, Cys-163은 펩타이드 결합을 절단하기 위해 공격한다. Cys-163과 Gly-238은 수소 결합을 통해 기질-효소 복합체의 사면체 전이 상태를 안정화시키는 기능도 한다. 시험관 내 실험(In vitro)에서 캐스페이스 3은 DEVDG(Asp-Glu-Val-Asp-Gly) 펩타이드 서열에서 두 번째 아스파르트산 잔기(D와 G 사이)의 카르복시 말단에서 절단이 일어나는 것을 선호하는 것으로 밝혀졌다. 캐스페이스 3는 다른 많은 실행자(executioner) 캐스페이스보다 약간 더 염기성인 넓은 pH 범위에서 활성을 띤다. 이러한 넓은 활성 pH 범위는 캐스페이스 3가 정상 세포 및 세포 사멸 조건에서 모두 완전히 활성화됨을 나타낸다.

5. 활성화

캐스페이스 3는 외인성 경로와 내인성 경로를 통해 세포자살에서 활성화된다. 캐스페이스 3의 지모겐 기능은 조절되지 않으면 캐스페이스 활성이 무차별적으로 세포를 죽일 것이기 때문에 반드시 필요하다. 실행자 캐스페이스로서 캐스페이스 3 지모겐은 세포사멸 신호 이벤트가 발생한 후 개시자 캐스페이스에 의해 절단될 때까지 사실상 활동이 없다.

* 외인성 경로: 세포 독성 T 세포에 의한 세포사멸을 목표로 하는 세포로 그랜자임 B를 도입하여 개시자 캐스페이스를 활성화한다. 이 경로는 캐스페이스 3가 지배적인 역할을 하는 세포사멸 경로의 특징인 캐스페이스 신호 전달(caspase cascade)을 유발한다.
* 내인성 경로: 미토콘드리아의 사이토크롬 c는 캐스페이스 9, 세포사멸 활성화 인자 1 (Apaf-1) 및 ATP와 함께 작용하여 프로캐스페이스 3를 처리한다. 시험관 내에서는 이들 분자들이 캐스페이스 3를 활성화하기에 충분하지만, 생체 내에서는 다른 조절 단백질이 필요하다.

6. 억제

캐스페이스 3의 활성은 세포사멸 억제 단백질 (Inhibitor of Apoptosis Proteins, IAPs) 계열에 의해 조절된다. XIAP는 개시 캐스페이스 9에 결합하여 억제하는데, 캐스페이스 9는 실행자 캐스페이스 3의 활성화에 직접 관여한다. 그러나 캐스페이스 신호 전달 과정에서 캐스페이스 3는 특정 부위에서 캐스페이스 9를 절단하여 XIAP 활성을 억제함으로써 XIAP가 캐스페이스 9 활성을 억제하지 못하도록 한다.

망고스틴(Garcinia mangostana) 추출물은 아밀로이드 베타로 처리된 인간 신경 세포에서 카스파제-3의 활성화를 억제하는 것으로 나타났다.

7. 생물학적 기능

캐스페이스 3는 염색질 응축 및 DNA 단편화를 담당하는 세포사멸에서의 전형적인 역할뿐만 아니라 정상적인 뇌 발달에도 필요한 것으로 밝혀졌다. 혈류에서 캐스페이스 3, 특히 p17 조각의 수치 상승은 심근 경색의 징후로 밝혀졌다. 또한 캐스페이스 3가 배아 및 조혈 줄기세포 분화에 역할을 할 수 있다는 것도 밝혀지고 있다.

망고스틴(`Garcinia mangostana`) 추출물은 B-아밀로이드로 처리된 인간 신경 세포에서 캐스페이스 3의 활성화를 억제하는 것으로 나타났다.

8. 상호작용

Caspase-3(CPP32/Yama/apopain이라고도 함)는 32 kDa 자이모겐으로부터 형성되며, 17 kDa와 12 kDa의 서브유닛으로 절단된다. 프로카스파제가 특정 잔기에서 절단되면, 활성 헤테로테트라머는 소수성 상호 작용에 의해 형성될 수 있다. p17에서 4개의 역평행 베타 시트와 p12에서 2개가 함께 모여 카스파제에 고유한 알파 나선으로 둘러싸인 전체 12 가닥 구조를 형성한다. 헤테로다이머가 서로 머리에서 꼬리로 정렬되면, 필요한 Cys-163 및 His-121 잔기는 p17 (더 큰) 서브유닛에서 발견되지만, 활성 부위는 두 참여 서브유닛의 잔기로 형성된 분자의 각 끝에 위치한다.

8.1. 상호작용 단백질 목록

캐스페이스 3은 다음과 같은 단백질과 상호작용하는 것으로 나타났다.