プロカスパーゼ-9の活性化に向けたトランジット。分子動力学シミュレーションから得られた新たな機構論的洞察

Transit of Procaspase-9 towards its activation. New mechanistic insights from molecular dynamics simulations.

• Humberto Gasperin-Sánchez
• Claudia G Benítez-Cardoza
• Luis A Caro-Gómez
• Jorge L Rosas-Trigueros
• Absalom Zamorano-Carrillo

抄録

カスパーゼは、致死的な細胞内シグナル伝達や細胞死の制御において様々な役割を果たすシステインプロテアーゼである。カスパーゼは、細胞内シグナル伝達や細胞死制御に重要な役割を果たしている。ここでは、プロカスパーゼ-9の活性化に関連すると考えられる構造変化を初めて原子レベルで記述した。2つの温度(310Kと410K)で行われた分子動力学シミュレーションにより、プロカスパーゼ-9の構造空間と幾何学的・構造的特性の時間変化についての洞察を得ることができた。両温度において、プロカスパーゼ9の極球状ドメインは互いに接近し、無秩序領域を収縮させていた。いずれの温度においても、コンパクトな構造は40nm以上（溶媒にアクセス可能な全表面積の約20％）隠れており、その回旋半径は元の値から約40％減少している。各温度では、到達したコンパクトな構造だけでなく、収縮の経路も異なる。その結果、最終構造における安定化相互作用のネットワークが異なることがわかった。これらの最終構造は、これまでに説明した活性化モデルとの構造的適合性を評価した。本研究では、プロカスパーゼ活性化リクルートメントドメイン（Caspase Activation Recruitment Domain: CARD）を介したアポトソームリクルートによって、プロカスパーゼ-9の活性化がどのようにして促進されるのか、そしてなぜ促進されるのかを、in vitro実験によって最近提案されているように、機構論的に説明する。

Caspases are cysteine proteases that perform a wide variety of roles in lethal intracellular signaling and cell-death regulation. Caspase-9, the primary initiator caspase of the intrinsic apoptotic pathway, is produced as a scarcely active zymogen (Procaspase-9). Here, we describe, for the first time, at the atomistic level, conformational changes which might be correlated to the activation of Procaspase-9. Molecular dynamics simulations performed at two temperatures (310 and 410 K) provide insights about the conformational space and the time-course evolution of the geometrical and structural characteristics of Procaspase-9. At both temperatures studied, the extremal globular domains of the protein approach each other, contracting the disordered region. In both temperatures, the compact conformations hide more than 40 nm (about 20% of the total solvent-accessible surface area), and their radius of gyration are reduced by about 40% from the original values. At each temperature, the pathway of contraction is different, as well as the compact structures reached. In consequence, the network of stabilizing interactions at the final conformations is dissimilar. Both final conformations were evaluated in their structural compatibility with the activation models described so far. In this work, we describe mechanistically how and why the activation of Procaspase-9 is favored by apoptosome recruitment via the Caspase Activation Recruitment Domain (CARD), as it has been proposed recently by in vitro experiments.