$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Kaspazy to rodzina proteaz asparaginianu cysteiny, które można podzielić na kaspazy inicjujące i katestowe. Kaspazy egzekucyjne składają się z kaspazy-3, -6 i -7. Naturalnie występują w komórkach jako dimery i są rozszczepiane przez kaspazy inicjatora w celu wykonania apoptozy1. Kaspazy inicjujące obejmują ludzką kaspazę-1, -2, -4, -5, -8, -9, -10 i -12. Występują jako nieaktywne zymogeny (pro-kaspazy), które są aktywowane przez dimeryzację indukowaną bliskością i stabilizowane przez autoproteolityczne rozszczepienie2,3. Kaspazy zapalne są podzbiorem kaspaz inicjujących2 i obejmują kaspazę-1, -4, -5 i -12 u ludzi oraz kaspazę-1, -11 i -12 u mouse4,5. Zamiast odgrywać rolę apoptozy, odgrywają one kluczową rolę w zapaleniu. Pośredniczą one w przetwarzaniu proteolitycznym i wydzielaniu pro-interleukiny (IL)-1β i pro-IL-186,7, które są pierwszymi cytokinami uwalnianymi w odpowiedzi na chorobotwórczych najeźdźców8,9. Kaspaza-1 jest aktywowana po rekrutacji do swojej platformy aktywacyjnej; kompleks białkowy o dużej masie cząsteczkowej określany jako inflamasom ( Rysunek 1A) < klasa sup = "xref">10. Dimeryzacja kaspazy-4, -5 i -11 zachodzi niezależnie od tych platform poprzez niekanoniczny szlak inflamasomu11,12.
Canonical inflammasomy to cytozolowe kompleksy białek multimerycznych, które składają się z białka czujnika inflamasomów, białka adaptorowego ASC (białko podobne do plamki związanej z apoptozą zawierające CARD) oraz białka efektorowego caspase-110. Najlepiej zbadanymi inflamasomami kanonicznymi są rodzina receptorów podobnych do NOD zawierająca domenę piryny (NLRP), NLRP1 i NLRP3, rodzina NLR zawierająca CARD (NLRC), NLRC4 i nieobecna w czerniaku 2 (AIM2). Każda z nich zawiera domenę pyryny, domenę CARD lub obie domeny. Domena CARD pośredniczy w interakcji między kaspazami zawierającymi CARD a ich aktywatorami. Dlatego cząsteczka rusztowania ASC, która składa się z N-końcowej domeny pyryny (PYD) i C-końcowej CARD motif13,14, jest wymagana do rekrutacji kaspazy-1 do NLRP110, NLRP315 i AIM216 inflamasomów.
Każda nazwa inflamasomu pochodzi od unikalnego białka sensorycznego, które rozpoznaje różne bodźce prozapalne (Rysunek 1B). Aktywatory tego szlaku nazywane są bodźcami kanonicznymi. Inflamasomy służą jako czujniki składników mikrobiologicznych i stresu tkankowego i łączą się, aby wywołać silną reakcję zapalną poprzez aktywację kaspaz zapalnych17. Montaż inflamasomu inicjuje aktywację kaspazy-1 w celu pośredniczenia w dojrzewaniu i wydzielaniu jej głównych substratów pro-IL-1β i pro-IL-18. Proces ten odbywa się za pomocą mechanizmu dwuetapowego. Po pierwsze, bodziec priming zwiększa ekspresję niektórych białek inflamasomowych i pro-IL-1β poprzez aktywację szlaku NF-κB. Po drugie, bodziec wewnątrzkomórkowy (kanoniczny) indukuje składanie inflamasomu i rekrutację prokaspazy-16,7.
Kaspaza-4 i kaspaza-5 to ludzkie ortologi mysiej kaspazy-1111. Są one aktywowane w sposób niezależny od inflamasomu przez wewnątrzkomórkowy lipopolisacharyd (LPS), cząsteczkę znajdującą się w zewnętrznej błonie bakterii Gram-ujemnych18,19,20, oraz przez hem zewnątrzkomórkowy, produkt hemolizy czerwonych krwinek21. Zaproponowano, że LPS wiąże się bezpośrednio z motywem CARD tych białek i indukuje ich oligomeryzację20. Aktywacja kaspazy-4 lub kaspazy-5 sprzyja uwalnianiu IL-1β poprzez indukowanie zapalnej formy śmierci komórki zwanej piroptozą poprzez rozszczepienie białka tworzącego pory gasderminy D (GSDMD)18,19. Ponadto wypływ jonów potasu wynikający z kaspazy-4 i śmierci piroptotycznej za pośrednictwem GSDMD indukuje aktywację inflamasomu NLRP3, a następnie aktywację kaspazy-122,23. Dlatego kaspaza-4, -5 i -11 są uważane za wewnątrzkomórkowe czujniki LPS, które są w stanie indukować pyroptozę i aktywację kaspazy-1 w odpowiedzi na określone bodźce11,24.

Rysunek 1: Test kaspaz zapalnych i komplementacji fluorescencji kaspazowo-dwucząsteczkowej (BiFC). (A) Diagram przedstawiający system kaspazy-BiFC, w którym dwie prodomeny kaspazy-1 (C1-pro) połączone z każdym niefluorescencyjnym fragmentem Wenus (Wenus-C lub Wenus-N) są rekrutowane do platformy aktywacji NLRP3, zmuszając Wenus do ponownego złożenia i fluorescencji. Kompleks ten pojawia się jako zielona plamka pod mikroskopem i służy jako odczyt bliskości wywołanej zapalną kaspazą, co jest pierwszym krokiem w inicjującej aktywacji kaspazy. (B) Schemat przedstawiający organizację domen składników inflamasomów i kaspaz zapalnych. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Pomiar aktywacji konkretnych kaspaz inicjatora jest trudny i nie ma wielu dostępnych metod, aby to zrobić za pomocą metod obrazowania. Dwucząsteczkowa komplementacja fluorescencji kaspazy (BiFC) może być wykorzystana do wizualizacji aktywacji zapalnej kaspazy bezpośrednio w żywych komórkach ( Rysunek 1A) < klasa sup = "xref">25. Technika ta została niedawno zaadaptowana do stosowania w ludzkich makrofagach pochodzących z monocytów (MDM)21. Kaspaza BiFC mierzy pierwszy krok w zapalnej aktywacji kaspazy, indukowanej bliskości w celu ułatwienia dimeryzacji. Wykorzystuje się ekspresję plazmidów kodujących prodomenę kaspazy zawierającą CARD, połączoną z niefluorescencyjnymi fragmentami fotostabilnego żółtego białka fluorescencyjnego Venus (Venus-C [VC]) i Venus-N [VN]). Kiedy dwie prodomeny kaspazy są rekrutowane do swojej platformy aktywacyjnej lub ulegają indukowanej bliskości, dwie połówki Wenus zbliżają się do siebie i są zmuszane do ponownego złożenia i fluorescencji (patrz Rysunek 1A,B). Zapewnia to odczyt w czasie rzeczywistym aktywacji specyficznej kaspazy zapalnej.
Ludzkie MDM obficie wyrażają geny inflamasomu i receptory rozpoznające wzorce, które identyfikują sygnały zagrożenia i produkty chorobotwórcze. Zapewnia to idealny typ komórek do badania szlaków zapalnych kaspazy. Ponadto można je uzyskać z krwi obwodowej, a nawet z próbek pobranych od pacjentów, aby ocenić aktywację kaspazy zapalnej w określonym stanie chorobowym. Protokół ten opisuje, jak wprowadzić reportery kaspazy BiFC do MDM za pomocą nukleofekcji, metody transfekcji opartej na elektroporacji, jak leczyć komórki w celu wywołania aktywacji kaspazy zapalnej oraz jak wizualizować aktywne kompleksy kaspazy za pomocą podejść mikroskopowych. Ponadto metodologia ta może być dostosowana do określenia składu molekularnego tych kompleksów, lokalizacji subkomórkowej, kinetyki i rozmiaru tych wysoce uporządkowanych struktur25,26,27.