Cysteinové proteázy (CP) jsou proteolytické enzymy obsahující v aktivním centru aminokyseliny cystein a histidin. Jejich pH optimum je většinou slabě kyselé, někdy však i slabě alkalické (kalpainy). Jsou hojně zastoupeny v různých typech živých organismů včetně člověka, antropotropních virů, bakterií a parazitů. Lidské CP jsou uvnitř buněk v lyzosomech (katepsiny a legumain) i v cytoplasmě (kalpainy, kaspázy). Lyzosomální CP hrají důležitou roli v recyklaci nitrobuněčných proteinů, degradaci proteinů po endocytóze, maturačním štěpení proteinových prekurzorů a processingu antigenů příslušných k MHC II systému. Kalpainy se pokládají za důležité činitele při metabolismu cytoskeletálních proteinů, buněčné diferenciaci a regulaci signálních peptidových molekul. Centrálním článkem apoptózy, programované buněčné smrti, je proteolytický systém zahrnující kaspázy. Kaspázy jsou exprimovány jako latentní zymogeny v živých buňkách a jsou efektivně regulovány protikladným účinkem aktivátorů a inhibitorů. Přirozené inhibitory cysteinových proteáz zahrnují členy cystatinové nadrodiny, squamous cell carcinoma antigen 1, thyropiny, kalpastatiny a inhibitory apoptózy, v plasmě je nacházen alfa-2-makroglobulin, low-molecular mass kininogen a cystatin C. Mutace genů CP a jejich inhibitorů vedou k závažným chorobám (poruchy cysteinových proteáz a jejich inhibitorů). U nádorů byly pozorovány odchylky v expresi, processingu a lokalizaci CP.

Rodina

Reprezentativní proteázy

Papain

katepsiny B, H, L, S, C, K, O, F, V, X, W

peptidázy druhu Porphyromonas, Plasmodium a Trypanosoma

Kalpain

lidské kalpainy

kalpainy druhu Schistosoma

Picornain

peptidáza Poliovirus

Adenovirová endopeptidáza

peptidáza Adenovirus

Streptopain

peptidáza Streptococcus and Porphyromonas

Deubiquitinační endopeptidáza

lidská ubiquitin C-terminal hydroláza

lidská ubiquitin isopeptidáza T

Hemoglobináza

peptidáza Schistosoma

legumainy

Kaspáza

kaspázy 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 13, 14

Centrální událostí buněčné apoptózy (programované buněčné smrti) jsou proteolytické pochody, na kterých se podílejí cysteinové proteázy zvané kaspázy (caspase = cysteine-dependent aspartate specific protease). Kaspázy patří k proteázám s nejvyšší substrátovou specifitou. Štěpí výlučně za zbytky kyseliny asparagové. Jedinou odlišnou proteázou se stejnou specifitou je serinová proteáza granzym B, která je ovšem fyziologickým aktivátorem kaspázových zymogenů. Apoptotické štěpení je zaměřeno na úzkou skupinu proteinů, kde dochází ke ztrátě nebo změně jejich funkce. Kaspázy např. štěpí klíčové komponenty cytoskeletu (aktin, gelsolin, fodrin), jádra (laminy, proteiny spojené s funkcí DNA a RNA), signální proteiny a peptidy (kinasy, prozánětlivé cytokiny, regulátory bun. cyklu a proliferace). Mezi substráty zaujímají důležité místo proformy kaspáz samotných. Kaspázy jsou přísně regulovány protikladnými účinky aktivátorů a inhibitorů. Pro přenos apoptotického výkonného signálu jsou aktivovány kaspázové zymogeny sekvenčně nebo souběžně, a to prostřednictvím vnitřní (intrinsic) nebo zevní (extrinsic) aktivační dráhy. Co do postavení v apoptotické proteolytické kaskádě se kaspázy dělí na

iniciační (kaspázy 8, 10 a 9) a
exekutivní (kaspázy 3, 7 a 6).

Poruchy cysteinových proteáz a jejich inhibitorů zahrnují zejména následky genetických defektů příslušných genů (viz tabulka). Mimo to se jejich dysregulace podílí na degenerativních procesech a tumorigenezi. Lyzosomální katepsiny, zvláště katepsin B a L, mohou být u nádorových buněk translokovány do extracelulárního prostoru (pravděpodobně narušením receptory regulovaných cest), kde se účastní degradace extracelulární matrix. Mohou rovněž aktivovat serinové proteázy plasminového systému a degradovat inhibitory angiogeneze, inhibitory matrixových metaloproteináz, TIMP. Růst a propagace karcinomů jsou omezovány aktivací kaspázových zymogenů. Ukázalo se však, že nádorové buňky vyvíjejí mutace, které potlačují expresi, aktivitu kaspáz a narušují signální dráhy apoptózy, což je činí méně citlivými na vyvolávající signály. U islandské formy hereditárního mozkového krvácení se nacházejí masivní ložiska variantního cystatinu C v mozkových cévách. U Alzheimerovy choroby je cystatin C kolokalizován do depozit amyloidového beta-peptidu. Spinální svalová atrofie (SMA), charakterizovaná degenerací motorických neuronů, je spojována s aberací apoptotického inhibičního proteinu (NAIP). Poruchy apoptózy se předpokládají také u amyotrofické laterální sklerosy (ALS), frontotemporální demence a Alzheimerovy choroby. Signifikantní pokles cystatinu C v mozkomíšním moku byl pozorován u pacientů se syndromem Guillain-Barre, chronickou zánětlivou demyelinační polyneuropatií a sklerosou multiplex. U Duchennovy muskulární dystrofie vyúsťuje dystrofinová porucha ve změnu propustnosti membrán, což vyvolá influx kalciových iontů s následnou aktivací kalpainu, který degraduje svalové strukturální proteiny.

Mutovaný gen	Porucha
katepsin C	Papillon-Lefevrův syndrom prepubertální periodontitis Heim-Munkův syndrom
katepsin K	pyknodysostosis
kalpain 3	svalová dystrofie končetinových pletenců (limb-girdle) typ 2A
kaspáza 3	absence zeiosy a oligonukleosomální fragmentace DNA
kaspáza 8	buněčná rezistence vůči death-ligandem vyvolané apoptóze
kaspáza 10	autoimunní lymfoproliferativní syndrom typ II
cystatin B	progresivní myoklonální epilepsie Unverricht-Lundborg
cystatin C	hereditární cystatin C amyloidová angiopatie

Literatura

Kotyza J, Křepela E: Proteases and antiproteases in health and disease – a review. III. Cysteine proteases and their natural inhibitors. Biomarkers and Environment 5(1): 2-17, 2002.

Další informace

Proteiny systému proteáz a antiproteáz

Jaromír Kotyza

Proteázy cysteinové