Изоформа каспазы-5 активирует не гибель клеток, а их пролиферацию

Белок каспаза-5 (CASP5) — это член семейства воспалительных каспаз, участвующих во врожденном иммунитете и гибели клеток. Она обладает наибольшей гомологией с CASP4, которая необходима для неканонической активации инфламмасомы. Долгое время считалось, что CASP5 также участвует в иммунных реакциях, однако точная функция этой каспазы оставалась неизвестной. Авторы статьи в Nature показали, что CASP5 играет совсем другую роль — она стимулирует пролиферацию клеток кишечника, чтобы поддерживать здоровье и целостность слизистой оболочки. 

Ученые сравнили профили экспрессии CASP5 и его ближайшего гомолога CASP4 в различных тканях, проанализировав Атлас белков человека. Они выяснили, что транскрипты CASP4 встречались в широком спектре тканей, тогда как CASP5 обнаруживался преимущественно в кишечнике. На уровне отдельных клеток CASP4 также экспрессировался повсеместно, а CASP5 — в эпителиальных клетках кишечника, и, в меньшей степени, в моноцитах и макрофагах.  

Затем авторы экспериментально проанализировали экспрессию CASP5 в органоидах толстой и тонкой кишки методом иммуноблоттинга. Они обнаружили три полосы, которые соответствовали трем основным сплайс-вариантам этого белка: CASP5A, CASP5B и CASP5C. Из них CASP5B представляет собой укороченную форму, лишенную аминокислотных остатков с 5 по 62, а CASP5C не содержит домена активации и привлечения каспазы (CARD), который распознает липополисахариды бактерий. 

Чтобы установить функцию CASP5 в эпителиальных клетках кишечника, авторы экспрессировали изоформу CASP5A, сшитую с биотинлигазой BioID2, в органоидах толстой кишки человека. Среди наиболее частых мишеней, помеченных биотином, они обнаружили все три белка Dishevelled (DVL1, DVL2 и DVL3) — это участники сигнального пути Wnt. Дальнейший анализ показал, что CASP5 и белки Dishevelled формируют комплексы с другими компонентами Wnt, взаимодействуя через домен DEP в белках Dishevelled и каталитический домен CASP5. 

Ученые экспрессировали изоформы CASP5 в клетках HEK293T и HCT116, у которых отсутствует эндогенный CASP5. Оказалось, что изоформа CASP5C, лишенная CARD-домена, значительно усиливает активность сигнального пути Wnt. Для двух других изоформ этого не наблюдалось. 

Исследователи также обнаружили, что CASP5C способствует разборке комплекса деградации β-катенина, содержащего DVL2, APC, β-катенин и β-TrCP. Этот комплекс активируется Wnt и направляет β-катенин на фосфорилирование и убиквитинирование для последующей деградации. Экспрессия CASP5C снижала уровни всех компонентов этого комплекса в клетках. 

Основное структурное различие между CASP5C и другими изоформами заключается в отсутствии CARD-домена, аутоингибирующего каталитический домен. Авторы предположили, что разрушение комплекса деградации β-катенина связано с каталитической активностью CASP5C. Опыты по коэкспрессии изоформ этой каспазы и ее субстратов в клетках HEK293T показали, что CASP5C обладает конститутивной ферментативной активностью, самой высокой среди всех вариантов CASP5. 

Высокая каталитическая активность, как оказалось, приводит к тому, что CASP5C расщепляет структурный белок комплекса (APC). Вызванное этим разрушение комплекса приводит к накоплению β-катенина, его транслокации в ядро и индукции Wnt-зависимых генов. 

Проанализировав транскриптом единичных клеток толстой кишки, ученые обнаружили пик экспрессии CASP5C в недифференцированных пролиферирующих клетках, смежных со стволовыми клетками основания крипты и дающих начало зрелому эпителию. CASP5C коэкспрессируется в них с маркерами пролиферации и активности Wnt. При этом в основании крипт, где уровень экспрессии Wnt высокий, CASP5 практически отсутствует, а в зрелых энтероцитах с низким уровнем Wnt преобладают изоформы CASP5A и CASP5B. 

Наконец, ученые продемонстрировали, что CASP5C активирует Wnt-сигналинг в кишечных органоидах и способствует их росту. Снижение экспрессии CASP5A и CASP5B в органоидах толстой и тонкой кишки при сохранении CASP5C привело к тому, что размер органоидов толстой кишки увеличился на 60%, количество пролиферирующих клеток — примерно втрое, причем снижение экспрессии CASP5C предотвращало этот эффект. Также в органоидах возрастала экспрессия маркеров стволовости и пролиферации (LGR5, MKI67 и ZNF277), а уровень маркера бокаловидных клеток MUC2 снизился. 

Таким образом, CASP5C активирует Wnt-сигналинг в клетках кишечника и смещает их фенотип в сторону пролиферации. Это необходимо для того, чтобы поддерживать активное обновление клеток кишечного эпителия, однако авторы подчеркивают, что у человека ген CASP5 содержит множество однонуклеотидных полиморфизмов, и мутации CASP5 встречаются при колоректальном раке. Кроме того, ученые обнаружили повышенный уровень CASP5C в эпителии кишечника людей с болезнью Крона и язвенным колитом. Они призывают к дальнейшему изучению роли изоформ CASP5 в воспалительных заболеваниях кишечника и колоректальном раке. 

Каспаза 2 обеспечивает уничтожение клеток с избытком центросом