Priónový proteín: Molekula mnohých foriem a tvárí 1. časť

Abstrakt: Bunkový priónový proteín (PrPC) je glykozylfosfatidylinozitolom (GPI) ukotvený proteín, ktorý sa najčastejšie nachádza vo vonkajšej membráne neurónov. Vďaka štrukturálnym charakteristikám (flexibilné jadro so štruktúrou chvosta) spolupracuje PrPC so širokou škálou partnerov.

V posledných rokoch mnohé štúdie ukázali, že bunkové priónové proteíny majú dôležitý vzťah s vývojom a udržiavaním pamäti zvierat.

Bunkový prión (Herpes simplex vírus, HSV) je vírus, ktorý je v ľudskej populácii rozšírený a je považovaný za jedného z najdôležitejších patogénov neurologických ochorení a kožných ochorení. HSV-1 a HSV-2 sú dva najbežnejšie typy vírusov u ľudí.

Nedávna štúdia ukázala, že vírusový proteín HSV-1 môže podporovať rozvoj a udržiavanie pamäte u ľudí a zvierat. Výsledky tejto štúdie ukázali, že infekcia HSV-1 sa vyskytuje hlavne vo veľmi skorých štádiách ľudského života a vírusové proteíny sa hromadia v ľudskom nervovom systéme a regulujú uvoľňovanie neurotransmiterov a synaptický prenos. Tieto regulačné účinky pomáhajú zlepšovať funkciu pamäti mozgu a zlepšujú priestorové poznanie a pozornosť.

Okrem toho vírusový proteín HSV-1 má tiež určitý vzťah s imunitnou odpoveďou tela a antivírusovou odpoveďou. Štúdie ukázali, že vplyv vírusového proteínu HSV-1 aktivuje imunitnú odpoveď organizmu a aktívne pôsobí na „pamäťové T bunky“ v tele, čím posilňuje antivírusovú obranu tela. Tento objav má ďalekosiahly význam pre skúmanie vzťahu medzi HSV-1 a imunitou zvierat.

Stručne povedané, vzťah medzi proteínom bunkového priónového vírusu a pamäťou poskytuje široký výskumný priestor pre budúci výskum pamäte, funkcie nervového systému a imunitnej odpovede a očakáva sa, že bude hrať dôležitú úlohu pri prevencii a liečbe súvisiacich ochorení. Je vidieť, že potrebujeme zlepšiť pamäť a Cistanche dokáže výrazne zlepšiť pamäť, pretože Cistanche dokáže regulovať aj rovnováhu neurotransmiterov, ako je zvýšenie hladín acetylcholínu a rastových faktorov, ktoré sú veľmi dôležité pre pamäť a učenie. Okrem toho môže Cistanche tiež zlepšiť prietok krvi a podporiť dodávku kyslíka, čo môže zabezpečiť, aby mozog získal dostatočnú výživu a energiu, čím sa zlepší mozgová vitalita a vytrvalosť.

Kliknite na vedieť doplnky na zlepšenie pamäte

Aj keď sa predpokladá, že PrPC sa podieľa na mnohých fyziologických funkciách, ako bona fide funkcia bola doteraz potvrdená iba homeostáza myelinizácie periférnych nervov.

Nesprávne poskladanie PrPC spôsobuje priónové ochorenia a ukázalo sa, že PrPC sprostredkúva neurotoxicitu bohatú na oligoméry pri Alzheimerovej a Parkinsonovej chorobe, ako aj neuroprotekciu pri ischémii.

Po proteolytickom štiepení sa PrPC transformuje na uvoľnené a pripojené formy PrP, ktoré môžu v závislosti od obsiahnutých štruktúrnych charakteristík PrPC vykazovať ochranné alebo toxické vlastnosti.

V tomto prehľade načrtneme vlastnosti priónového proteínu a fragmentu priónového proteínu, ako aj prehľad ich zapojenia do interakčných partnerov a signálnych dráh pri myelinizácii, neuroprotekcii a neurodegeneratívnych ochoreniach.

Kľúčové slová: priónový proteín; fragmenty priónových proteínov; neuroprotekcia; myelinizácia; ischemická mŕtvica;neurodegeneratívne ochorenie.

1. Úvod

Priónový proteín (PrP) je vysoko konzervovaný všadeprítomný glykoproteín. Existuje v dvoch formách; normálna alebo bunková izoforma, PrPC, a s ochorením spojený infekčný izoformor scrapie PrP, PrPSc.

Patologická úloha PrPSc bola rozsiahle študovaná pri priondóze a bola preskúmaná v niekoľkých prácach [1–3]. PrPC je exprimovaný v rôznych orgánoch a tkanivách s vysokými hladinami expresie v centrálnom a periférnom nervovom systéme.

Je hojne prítomný na bunkovom povrchu neurónov [4–6] a podieľa sa na mnohých fyziologických mechanizmoch. Funkcia proteínu zostáva objasnená; Intenzívne štúdie však spájajú PrPC s homeostázou myelínu [7], neuroprotekciou [8,9], cirkadiánnym rytmom [10,11], homeostázou kovových iónov [12,13], mitochondriálnou homeostázou [14] a medzibunkovou signalizáciou [6,15 ,16].

V neurónoch je PrPC prítomný v presynaptických a postsynaptických kompartmentoch zakončení axónov, kde sa podieľa na anterográdnom a retrográdnom axonálnom transporte [17–20]. PrPC sa štiepi na bunkovej membráne proteázami, pričom vznikajú uvoľnené a pripojené formy.

V posledných rokoch sa venovala pozornosť formám uvoľňujúcim priónový proteín a priónový proteín v korelácii s neuroprotekciou pri neurodegeneratívnych ochoreniach.

V tomto prehľade uvádzame formy uvoľnené priónovým proteínom a priónovým proteínom, sumarizujeme ich zapojenie do myelinizácie, neuroprotekcie a neurodegeneratívnych ochorení a diskutujeme o najnovších objavoch v tejto oblasti.

2. Priónový proteín

Zrelý ľudský PrPC sa skladá z flexibilnej neštruktúrovanej N-koncovej domény (aminokyselinové zvyšky 23–120) a štruktúrovanej C-koncovej domény (aminokyselinové zvyšky 121–231).

Je ukotvená k bunkovej membráne pomocou glykozylfosfatidylinozitolovej (GPI) kotvy [21,22]. Flexibilná N-terminálna doména obsahuje oktarepátovú oblasť, zatiaľ čo štruktúrovaná doména pozostáva z troch helixov, dvoch vrstiev, disulfidovej väzby spájajúcej cysteíny 179 a 214, a dva N-glykány na aminokyselinových zvyškoch 181 a 197 [23,24] (obrázok 1).

PrPC sa môže transformovať na izoformu PrPSc bohatú na -listy, ktorá je náchylná na autokatalytickú konverziu a agregáciu na nerozpustné agregáty [22,25,26]. Abnormálna akumulácia patologického proteínu v mozgu môže spôsobiť rozvoj prenosných spongiformných encefalopatií (TSE), známych aj ako priónové ochorenia.

Priónové ochorenia zahŕňajú Creutzfeldt-Jakobovu chorobu (CJD), Gerstmann-Sträussler-Scheinkerov syndróm (GSS), fatálnu familiárnu insomniu (FFI) a kuru u ľudí, bovinnú spongiformnú encefalopatiu u hovädzieho dobytka, škrípku u kôz a oviec a chronické chradnutie jeleňovitých.

Všetky priónové ochorenia sú zriedkavé smrteľné neurodegeneratívne poruchy. Klinické a neuropatologické znaky priónových ochorení u ľudí sú podobné príznakom Alzheimerovej choroby (AD), ako je rýchla strata pamäti a strata funkcie mozgu, ako aj demencia, spongiformná deformácia mozgu, zmeny osobnosti a ťažkosti s pohybom [15,27]. .

Hoci sa priónové choroby vyskytujú v dôsledku akumulácie toxických agregátov PrPSc v mozgu, mechanizmus, ktorý je základom premeny PrPC na PrPSc a rozvoja priónovej choroby, zostáva neznámy.

Okrem toho, že PrPC je substrátom pre rozvoj priónových ochorení, môže slúžiť ako receptor pre cytotoxické amyloidné (A) oligoméry [20,28] a toxické rozpustné agregáty tau proteínu pri AD a iných tauopatiách [29,30].

Existujú aj protichodné štúdie o väzbe PrPC oligomérov -synukleínu ( -syn) pri Parkinsonovej chorobe (PD) a iných synukleinopatiách, čo otvára diskusiu o úlohe PrPC v toxicite -synukleínu [30–33].

3. Fragmenty priónového proteínu

PrPC sa môže podrobiť štyrom posttranslačným štiepeniam za vzniku fragmentov PrP (obrázok 1). K štiepeniu a štiepeniu dochádza v neštruktúrovanej N-terminálnej doméne, zatiaľ čo k štiepeniu a uvoľňovaniu PrP dochádza v štruktúrovanej C-terminálnej doméne.

Okrem uvedených štiepení bol PrPC štiepený v experimentálnych podmienkach s fosfolipázou C, ktorá štiepila PrPC v GPI kotve [34,35]. Miesto štiepenia, dĺžka fragmentu a pripojenie membrány umožňujú fragmentom zúčastniť sa rôznych mechanizmov.

3.1. - štiepenie

Štiepenie - je najviac študované štiepenie PrPC. Vyskytuje sa za fyziologických podmienok v centrálnej hydrofóbnej oblasti zrelého PrPC (aminokyselinové zvyšky 105–120 v ľudskej sekvencii 111/112) [36–38] (obrázok 1).

Štiepením sa uvoľní ~11 kDa fragment N1, zatiaľ čo ~18 kDa časť C1 zostáva pripojená k bunkovej membráne pomocou GPIanchor [36,39]. Zatiaľ neexistuje žiadny jedinečný enzým zodpovedný za štiepenie [24,40].

Hoci miesta štiepenia boli určené pre druhy, štiepenie je tolerantné voči sekvenčným variáciám v tejto oblasti, pokiaľ zostane zachovaná jeho hydrofóbnosť [38].

Štúdie ukázali, že štiepenie v ľudskom mozgu, myších modeloch a neurónových kultúrach sa vyskytuje v prítomnosti enzýmov ADAM10 a ADAM17 [41–43]. ,45]. Ukázalo sa tiež, že ADAM8 štiepi PrPC za vzniku N1 a C1 vo svaloch [46].

Úloha ADAM8, ADAM10 a ADAM17 pri štiepení bola podporená aj v biofyzikálnej štúdii [47]. Fragment N1 má relatívne nízku stabilitu; napriek tomu sa zistilo, že je prítomný v telesných tekutinách, tkanivových homogenátoch alebo supernatantoch bunkových kultúr [39,48,49].

Pôvodne sa predpokladalo, že štiepenie prebieha v kyslých endozomálnych kompartmentoch [50,51], ale neskoršie štúdie ukázali, že k štiepeniu dochádza počas vezikulárneho prenosu PrPC pozdĺž sekrečnej dráhy [52,53].

Štiepenie využíva PrPC ako substrát, čo vedie k jeho zmenšeniu bunkového povrchu. Pretože PrPC je tiež substrátom pre replikáciu priónov a kľúčovým mediátorom toxicity pri priónových ochoreniach, AD a iných neurodegeneratívnych ochoreniach, štiepenie má pozitívny biologický účinok.

Flexibilná N-koncová časť PrPC je nevyhnutná pre interakciu proteínu s väzbovými partnermi, ktorí regulujú vychytávanie PrPC pri prenose [54,55]. C1 bez N1 vytvára komplexy na bunkovej membráne [56] a je stabilnejší a perzistentnejší na povrchu bunky ako PrPC [50].

Fragment C1 sa môže odštiepiť na bunkovom povrchu a uvoľniť sa do extracelulárneho priestoru [57]. Zistilo sa, že C1 inhibuje replikáciu priónov u myší [58,59], zatiaľ čo fragment N1 je neuroprotektívny [60,61]; neprítomnosť štiepenia je toxická pre bunky aj myši [47,62].

3.2. - štiepenie

Štiepenie sa uskutočňuje na konci oktapeptidovej oblasti opakovania N-konca miesta štiepenia. Štiepenie - sa väčšinou pozoruje za patologických podmienok a je podobné štiepeniu -. Zdá sa, že pôsobí ochranne.

Prebieha okolo aminokyselinového zvyšku 90, pričom tvorí fragment N2 (-9 kDa) a fragment C2 (-20 kDa) [36,37,48,63] (obrázok 1). Štiepenie PrPC je sprostredkované reaktívnymi formami kyslíka (ROS) [37,63–66].

Odstránením ROS štiepenie chráni bunky pred oxidačným stresom [65]. Okrem ROS je štiepenie indukované kalpaínmi [67], lyzozomálnymi proteázami [68,69] alebo dokonca ADAM8 [47].

Proteináza K štiepi proteázovo rezistentné jadro PrPSc (PrP27–30) v blízkosti pozície 90, čím vzniká fragment s dĺžkou podobnou C2. Podobne ako fragment C1, fragment C2 môže tiež uniknúť z bunkového povrchu [70].

Vytvorenie takéhoto fragmentu naznačuje, že proteázy zapojené do štiepenia by sa tiež mohli podieľať na bunkových pokusoch o rozklad PrPSc [71,72].

3.3. - štiepenie

Najnovšie objavené proteázové štiepenie PrPC je -štiepenie. Miesto štiepenia v PrPC je potrebné určiť, ale veľkosti uvoľneného fragmentu N3 (~20 kDa) a GPI-ukotveného fragmentu C3 (~5 kDa) naznačujú, že štiepenie proteínu sa vyskytuje v oblasti medzi aminokyselinovými zvyškami 170 a 200 [73, 74] (obrázok 1).

Štúdie ukazujú, že k štiepeniu dochádza neskoro v sekrečnej dráhe na neglykozylovanom proteíne v prítomnosti členov rodiny matrixových metaloproteáz (MMP) [73].

Predpokladá sa, že dôvod, prečo k štiepeniu dochádza iba na neglykozylovanom PrPC, je stérická zábrana proteáz glykánmi v blízkosti navrhovaného miesta štiepenia [40,75].

Zistilo sa, že štiepenie existuje v rôznych druhoch, tkanivách a modeloch bunkových kultúr. Určenie jeho úlohy si vyžaduje ďalšie štúdium, hoci indikácia zvýšeného množstva fragmentu C3 v mozgu CJD môže viesť k možnému patogénnemu významu [73].

3.4. Vylučovanie priónového proteínu

V blízkosti C-konca je tiež dôležité štiepenie PrP. Štiepenie uvoľňuje PrP do extracelulárneho priestoru, pričom na povrchu bunky zostáva malý počet aminokyselinových zvyškov.

Štiepenie bolo opísané v ranom výskume [35,39,76,77], ale v posledných rokoch mu bola venovaná väčšia pozornosť kvôli zapojeniu vylučovaného PrP do chorôb [40,63,78–83].

Podobne ako pri štiepení dochádza k uvoľňovaniu PrP v prítomnosti enzýmov z rodiny ADAM. Experimenty in vitro a in vivo naznačujú, že ADAM9 a ADAM10 sú zapojené do procesu štiepenia a vylučovania PrP [47,84–86], kde ADAM10 je primárna eliminovaná hodnota pre PrP a ADAM9 je modulátor aktivity ADAM10 [24 Búda PrP bola prvýkrát stanovená u škrečkov.

V mozgu škrečkov infikovaných priónmi shedPrP predstavoval približne 15 % molekúl PrPSc [76]. Ďalšia analýza ukázala, že ADAM10 štiepil uvoľnený PrP medzi Gly228 a Arg229 a vytvoril uvoľnený PrP, ktorý skončil na Gly228 [84].

Analýza skúmajúca profil miesta štiepenia ADAM10 odhalila, že štiepenie nie je indukované jedinečnou sekvenciou [87].

V dôsledku toho môže ADAM10proteáza produkovať varianty uvoľneného PrP v závislosti od proteínovej sekvencie a konformácie. Jansen a spolupracovníci opísali existenciu neukotvených foriem PrP končiacich Tyr225 a Tyr226 u pacientov s priónovým ochorením [88].

Autori charakterizovali dvoch pacientov s priónovou chorobou, ktorí niesli stop mutácie v pozíciách Y226X a Q227X a exprimovali príslušné formy. Použitím monoklonálnej protilátky V5B2 [89], ktorá sa špecificky viaže na fragment PrP končiaci na Tyr226, sme súčasne opísali existenciu voľnej formy PrP s názvom PrP226* [90–94].

Distribúcia PrP226* v ľudskom mozgu je spojená s distribúciou PrPSc [90,94]. Vzhľadom na existenciu viac ako jednej uvoľnenej formy sme predpokladali, že proteolytické miesto v ľudskej sekvencii nie je výlučne umiestnené medzi aminokyselinovými zvyškami 228 a 229, ale nachádza sa v blízkosti C-konca [95] (obrázok 1).

Nedávno Linsenmeier a spol. publikovali komplexnú štúdiu o mechanizme stimulujúcom proteolytické vylučovanie PrPC [81]. Pomocou zvieracích modelov a kontrol ukázali, že vylučovanie PrP negatívne koreluje s prionkonverziou a že vylučovanie PrP je hojne prítomné v amyloidných plakoch.

Tiež študovali vplyv väzby PrP-riadených protilátok na PrPC na náchylnosť k uvoľňovaniu. Väzba celých anti-PrP protilátok na C-koncovú štruktúrovanú doménu PrPC alebo jednoreťazcových protilátkových derivátov, nasmerovaná na opakujúce sa epitopy v oktarepovej oblasti N-koncovej domény, stimulovala vylučovanie, keď naviazanie celých anti-PrP protilátok na oktarpeat oblasť N-terminálnej domény uzamkla štruktúru N-terminálnej domény a vyvolala zhlukovanie povrchu PrPC, endocytózu a degradáciu v lyzozómoch [81].

4. Priónový proteín a myelinizácia

PrPC je hojne exprimovaný v centrálnom nervovom systéme (CNS) a periférnom nervovom systéme [4,5]. Štúdie na mozgoch primátov, mozgoch hlodavcov a transgénnych myšiach ukázali, že je obohatený pozdĺž axónov a v presynaptických zakončeniach, kde sa podieľa na anterográdnom a retrográdnom axonálnom transporte [4,17,18,96–98].

Delécie v oblasti štiepenia PrPC ukázali závažnú demyelinizáciu v mieche aj v cerebelárnej bielej hmote in vivo [99,100] Neskôr sa potvrdilo, že axonálny PrPC a jeho štiepenie sú nevyhnutné na promyelinizáciu v periférnom nervovom systéme [101].

Použitím ko-izogénneho modelu PrP-knockout myší Kuffer a kol. zistili, že axonálny PrPC podporuje udržiavanie myelínu in trans prostredníctvom väzby na adhézny receptor spojený s G-proteínom Adgrg6 na Schwannových bunkách s N-terminálnym flexibilným chvostom [7].

Potvrdili tiež, že u myší bez PrPC sa vyvinula chronická demyelinizačná neuropatia, čo naznačuje, že homeostáza myelinizácie v periférnom nervovom systéme je bona fide fyziologická funkcia PrPC [7].

Zistilo sa, že udržiavanie myelínu je regulované prostredníctvom väzby fragmentu PrPC uvoľneného z N-konca (pravdepodobne N1 alebo uvoľneného PrP) na Adgrg6 na Schwannových bunkách.

Interakcia aktivovala Adgrg6, zvýšila bunkové hladiny cAMP a spustila signalizačnú kaskádu, ktorá podporovala myelinizáciu [7]. Regulácia udržiavania periférneho myelínu pomocou PrPC bola potvrdená v piatich rôznych modelových kmeňoch PrP-knockout, u ktorých sa vyvinula periférna neuropatia s neskorým nástupom [101–103].

Nedávno sa uskutočnil pokus vyvinúť liečbu periférnych demyelinizačných ochorení založenú na väzbe medzi N-terminálnou doménou PrPC a Adgrg6 [104]. V tejto štúdii skonštruovali imunoadhezínovú molekulu pozostávajúcu z dvoch flexibilných N-terminálnych domén PrPC spojených s kryštalizovateľným fragmentom (Fc) imunoglobulínu G1 (FT2Fc) [104].

Molekula vykazovala priaznivé farmakokinetické vlastnosti a vykazovala potenciál in vitro, ale nemala terapeutický účinok na skoré molekulárne príznaky demyelinizácie u myší s vyradeným PrP [104].

PrPC bol tiež študovaný v súvislosti s vývojom a regeneráciou periférneho myelínu po poraneniach nervov [105]. Keďže sa zistilo, že PrP je v tomto mechanizme nepostrádateľný, dalo by sa predpokladať, že PrP nemá žiadnu významnú úlohu v procese opravy periférnych nervov alebo jeho absencia môže byť kompenzovaná inými ligandami [105].

Myelinizácia a ďalšie fyziologické úlohy PrPC boli intenzívne študované na zvieracích modeloch s vyradenou alebo zníženou expresiou génu PrP.

Štúdie ukázali obmedzené negatívne účinky u myší [102,106–109], hovädzieho dobytka [110] a kôz [68,111,112], zatiaľ čo štúdie na myšiach alebo kozách s vyradením PrP ukázali defekty v nervovom systéme a citlivosť na oxidačný stres [6,101,111,113]. Bolo vytvorených niekoľko modelov PrP-knockout myší so zmiešaným pozadím [106, 109, 114 – 116].

Keďže štúdie nie sú reprodukovateľné medzi modelmi, môže to vyvolať otázku, či nejaké pozorované fenotypy boli skutočne spôsobené polymorfizmami v génoch lemujúcich Prnp alebo výsledkom absencie PrPC. Aby sa predišlo tomuto problému, bolo by vhodné zopakovať kľúčové experimenty s použitím ko-izogénnych myší PrPknockout.

Hoci je potrebné objasniť úlohu PrPC v CNS, PrPC a PrPC-uvoľnené fragmenty sú nevyhnutné pri homeostáze myelínu periférnych nervov, ale môžu byť nevyhnutné pri obnove nervov.

For more information:1950477648nn@gamil.com