Kaspazy to rodzina cysteinowych proteaz aspartatowych, które można podzielić na kaspazy inicjujące i kaspazy wykonawcze. Kaspazy wykonawcze obejmują kaspazę-3, -6 i -7. Występują one naturalnie w komórkach jako dimery i są rozszczepiane przez kaspazy inicjujące w celu przeprowadzenia apoptozy1. Do kaspaz inicjujących należą ludzkie kaspazy-1, -2, -4, -5, -8, -9, -10 i -12. Występują one w formie nieaktywnych zymogenów (prokaspaz), które są aktywowane poprzez indukowaną bliskością dimeryzację i stabilizowane przez autoproteolityczne rozszczepienie2,3. Kaspazy zapalne stanowią podgrupę kaspaz inicjujących2 i obejmują kaspazy-1, -4, -5 i -12 u ludzi oraz kaspazy-1, -11 i -12 u myszy4,5. Zamiast roli apoptotycznej, pełnią one centralną rolę w procesach zapalnych. Mediują one proteolityczne przetwarzanie i sekrecję prointerleukiny (IL)-1β oraz pro-IL-186,7, które są pierwszymi cytokinami uwalnianymi w odpowiedzi na patogeny8,9. Kaspaza-1 jest aktywowana po rekrutacji do swojej platformy aktywacyjnej; wielkocząsteczkowego kompleksu białkowego zwanego inflamasomem (Ryc. 1A)10. Dimeryzacja kaspazy-4, -5 i -11 zachodzi niezależnie od tych platform poprzez niekanoniczną drogę inflamasomu11,12.
Kanoniczne inflamasomy są cytozolowymi multimerycznymi kompleksami białkowymi, które składają się z białka sensora inflamasomu, białka adaptorowego ASC (białko apoptozy-związane, przypominające plamkę, zawierające domenę CARD) oraz białka efektorowego kaspazy-110. Najlepiej przebadanymi kanonicznymi inflamasomami są białka z rodziny receptorów NOD-podobnych zawierające domenę pyrynową (NLRP), mianowicie NLRP1 i NLRP3, białka z rodziny NLR zawierające domenę CARD (NLRC), czyli NLRC4, oraz białko AIM2 (absent in melanoma 2). Każde z nich zawiera domenę pyrynową, domenę CARD lub obie te domeny. Domena CARD pośredniczy w oddziaływaniu pomiędzy kaspazami zawierającymi domenę CARD a ich aktywatorami znajdującymi się powyżej w kaskadzie sygnałowej. W związku z tym cząsteczka rusztowania ASC, składająca się z N-końcowej domeny pyrynowej (PYD) i C-końcowego motywu CARD13,14, jest niezbędna do rekrutacji kaspazy-1 do inflamasomów NLRP110, NLRP315 oraz AIM216.
Każdy inflamasom jest nazwany od swojego unikalnego białka sensorowego, które rozpoznaje odrębne bodźce prozapalne (Rycina 1B). Aktywatory tej ścieżki określa się mianem bodźców kanonicznych. Inflamasomy służą jako sensory komponentów mikrobiologicznych oraz stresu tkankowego i montują się, aby wywołać silną odpowiedź zapalną poprzez aktywację kaspaz zapalnych17. Montaż inflamasomu inicjuje aktywację kaspazy-1, która pośredniczy w dojrzewaniu i sekrecji jej głównych substratów: pro-IL-1β oraz pro-IL-18. Proces ten zachodzi w ramach dwuetapowego mechanizmu. Najpierw bodziec inicjujący (priming) zwiększa ekspresję określonych białek inflamasomu oraz pro-IL-1β poprzez aktywację ścieżki NF-κB. Następnie wewnątrzkomórkowy (kanoniczny) bodziec indukuje montaż inflamasomu i rekrutację prokaspazy-16,7.
Kaspaza-4 i kaspaza-5 są ludzkimi ortologami mysiej kaspazy-1111. Są one aktywowane w sposób niezależny od inflamasomu przez wewnątrzkomórkowy lipopolisaryd (LPS), cząsteczkę występującą w zewnętrznej błonie bakterii Gram-ujemnych18,19,20, oraz przez zewnątrzkomórkowy hem, produkt hemolizy erytrocytów21. Przypuszcza się, że LPS wiąże się bezpośrednio z motywem CARD tych białek i indukuje ich oligomeryzację20. Aktywacja kaspazy-4 lub kaspazy-5 promuje uwalnianie IL-1β poprzez indukcję zapalnej formy śmierci komórkowej nazywanej piroptozą, co następuje poprzez rozszczepienie białka tworzącego pory, gasderminy D (GSDMD)18,19. Ponadto odpływ jonów potasu wynikający z piroptotycznej śmierci zależnej od kaspazy-4 i GSDMD indukuje aktywację inflamasomu NLRP3 i następującą po niej aktywację kaspazy-122,23. Zatem kaspazy-4, -5 i -11 są uważane za wewnątrzkomórkowe sensory LPS, które są zdolne do indukowania piroptozy i aktywacji kaspazy-1 w odpowiedzi na specyficzne bodźce11,24.

Rysunek 1: Kaspazy zapalne i test bimolekularnej komplementacji fluorescencji (BiFC) kaspazy. (A) Schemat przedstawiający system kaspazy-BiFC, w którym dwie prodomeny kaspazy-1 (C1-pro) połączone z każdym z niefluorescencyjnych fragmentów białka Venus (Venus-C lub Venus-N) są rekrutowane do platformy aktywacji NLRP3, co wymusza ponowne sfałdowanie i fluorescencję białka Venus. Kompleks ten pojawia się jako zielona plamka pod mikroskopem i służy jako odczyt bliskości indukowanej przez kaspazy zapalne, co stanowi pierwszy etap aktywacji kaspazy inicjującej. (B) Schemat przedstawiający organizację domen komponentów inflamasomu i kaspaz zapalnych. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Pomiar aktywacji specyficznych kaspaz inicjatorowych jest trudny, a dostępnych jest niewiele metod umożliwiających jego przeprowadzenie za pomocą technik obrazowania. Metoda bimolekularnej komplementacji fluorescencji (BiFC) kaspaz może być wykorzystana do bezpośredniej wizualizacji aktywacji kaspaz zapalnych w żywych komórkach (Rysunek 1A)25. Technika ta została niedawno dostosowana do zastosowania w makrofagach pochodzących z ludzkich monocytów (MDM)21. Caspase BiFC mierzy pierwszy etap aktywacji kaspaz zapalnych, polegający na indukowanym zbliżeniu w celu ułatwienia dimeryzacji. Wykorzystuje się ekspresję plazmidów kodujących prodomenę kaspazy zawierającą domenę CARD, połączoną z niefluorescencyjnymi fragmentami fotostabilnego żółtego białka fluorescencyjnego Venus (Venus-C [VC] oraz Venus-N [VN]). Gdy dwie prodomeny kaspaz zostaną przyciągnięte do swojej platformy aktywacyjnej lub ulegną indukowanemu zbliżeniu, dwie połowy białka Venus zostają sprowadzone w bliskie sąsiedztwo, co wymusza ich ponowne sfałdowanie i emisję fluorescencji (patrz Rysunek 1A,B). Pozwala to na odczyt aktywacji specyficznych kaspaz zapalnych w czasie rzeczywistym.
Ludzkie MDM obficie wykazują ekspresję genów inflamasomu oraz receptorów rozpoznawania wzorców, które identyfikują sygnały zagrożenia i produkty patogenów. Stanowi to idealny typ komórek do badania szlaków zapalnych kaspaz. Dodatkowo mogą być one pozyskiwane z krwi obwodowej, a nawet z próbek pobranych od pacjentów, aby ocenić aktywację zapalnych kaspaz w konkretnym stanie chorobowym. Niniejszy protokół opisuje sposób wprowadzania reporterów kaspaz BiFC do MDM za pomocą nukleofekcji, czyli metody transfekcji opartej na elektroporacji, sposób traktowania komórek w celu indukcji aktywacji zapalnych kaspaz oraz sposób wizualizacji aktywnych kompleksów kaspaz przy użyciu metod mikroskopowych. Ponadto metodologia ta może zostać dostosowana do określenia składu molekularnego tych kompleksów, ich lokalizacji subkomórkowej, kinetyki oraz rozmiaru tych wysoko uporządkowanych struktur25,26,27.