Prionski protein: Molekula mnogih oblik in obrazov 1. del

Povzetek: Celični prionski protein (PrPC) je na glikozilfosfatidilinozitol (GPI) zasidran protein, ki ga najpogosteje najdemo v zunanji membrani nevronov. Zaradi strukturnih značilnosti (fleksibilno tajsko strukturirano jedro) PrPC sodeluje s široko paleto partnerjev.

V zadnjih letih so številne študije pokazale, da so celični prionski proteini pomembno povezani z razvojem in vzdrževanjem živalskega spomina.

Celični prion (Herpes simplex virus, HSV) je virus, ki je močno prisoten v človeški populaciji in velja za enega najpomembnejših povzročiteljev nevroloških bolezni in kožnih bolezni. HSV-1 in HSV-2 sta dve najpogostejši vrsti virusa pri ljudeh.

Nedavna študija je pokazala, da lahko virusni protein HSV-1 spodbuja razvoj in vzdrževanje spomina pri ljudeh in živalih. Rezultati te študije so pokazali, da se okužba s HSV-1 večinoma pojavi v zelo zgodnjih fazah človeškega življenja, virusni proteini pa se kopičijo v človeškem živčnem sistemu in uravnavajo sproščanje nevrotransmiterjev in sinaptični prenos. Ti regulativni učinki pomagajo izboljšati delovanje možganskega spomina ter izboljšajo prostorsko kognicijo in pozornost.

Poleg tega ima virusni protein HSV-1 določeno povezavo z imunskim in protivirusnim odzivom telesa. Študije so pokazale, da vpliv virusnega proteina HSV-1 aktivira imunski odziv telesa in aktivno deluje na »spominske celice T« v telesu ter s tem krepi protivirusno obrambo telesa. To odkritje ima daljnosežen pomen za raziskovanje razmerja med HSV-1 in imunostjo živali.

Skratka, razmerje med proteinom celičnega prionskega virusa in spominom zagotavlja širok raziskovalni prostor za prihodnje raziskave spomina, delovanja živčnega sistema in imunskega odziva ter naj bi igralo pomembno vlogo pri preprečevanju in zdravljenju povezanih bolezni. Vidi se, da moramo izboljšati spomin in Cistanche lahko bistveno izboljša spomin, saj lahko Cistanche uravnava tudi ravnovesje nevrotransmiterjev, kot je povečanje ravni acetilholina in rastnih faktorjev, ki so zelo pomembni za spomin in učenje. Poleg tega lahko Cistanche izboljša pretok krvi in ​​spodbuja dostavo kisika, kar lahko zagotovi, da možgani dobijo dovolj hranil in energije, s čimer se izboljša vitalnost in vzdržljivost možganov.

Kliknite poznajte dodatke za izboljšanje spomina

Čeprav je bilo predlagano, da je PrPC vključen v številne fiziološke funkcije, je bila doslej potrjena le homeostaza mielinizacije perifernih živcev kot dobronamerna funkcija.

Napačno zvijanje PrPC povzroča prionske bolezni in dokazano je, da PrPC posreduje nevrotoksičnost, bogato z oligomeri, pri Alzheimerjevi in ​​Parkinsonovi bolezni ter nevroprotekcijo pri ishemiji.

Po proteolitičnem cepljenju se PrPC pretvori v sproščene in pritrjene oblike PrP, ki lahko, odvisno od vsebovanih strukturnih značilnosti PrPC, kažejo zaščitne ali toksične lastnosti.

V tem pregledu bomo orisali lastnosti prionskega proteina in fragmenta prionskega proteina ter pregledali njihovo vpletenost v interakcijske partnerje in signalne poti pri mielinizaciji, nevroprotekciji in nevrodegenerativnih boleznih.

Ključne besede: prionski protein; fragmenti prionskega proteina; nevroprotekcija; mielinizacija; ishemična možganska kap; nevrodegenerativna bolezen.

1. Uvod

Prionski protein (PrP) je zelo ohranjen vseprisotni glikoprotein. Obstaja v dveh oblikah; normalna ali celična izoforma, PrPC, in z boleznijo povezana infekcijska izoforma praskavca PrP, PrPSc.

Patološka vloga PrPSc je bila obširno raziskana pri priobolezni in je bila pregledana v več člankih [1–3]. PrPC se izraža v številnih različnih organih in tkivih z visoko stopnjo izražanja v centralnem in perifernem živčnem sistemu.

V izobilju je prisoten na celični površini nevronov [4–6] in je vključen v številne fiziološke mehanizme. Funkcijo proteina je treba še pojasniti; kljub temu pa intenzivne študije povezujejo PrPC z mielinsko homeostazo [7], nevroprotekcijo [8,9], cirkadianim ritmom [10,11], homeostazo kovinskih ionov [12,13], mitohondrijsko homeostazo [14] in medcelično signalizacijo [6,15]. ,16].

V nevronih je PrPC prisoten v presinaptičnih in postsinaptičnih predelih aksonskih terminalov, kjer je vključen v anterogradni in retrogradni aksonski transport [17–20]. PrPC na celični membrani cepijo proteaze, pri čemer nastanejo sproščene in pritrjene oblike.

V zadnjih letih so bile prionske beljakovine in oblike, ki se sproščajo prionske beljakovine, deležne pozornosti v korelaciji z nevroprotekcijo pri nevrodegenerativnih boleznih.

V tem pregledu predstavljamo prionske beljakovine in oblike, ki se sproščajo prionske beljakovine, povzemamo njihovo vpletenost v mielinizacijo, nevroprotekcijo in nevrodegenerativne bolezni ter razpravljamo o najnovejših odkritjih na tem področju.

2. Prionski protein

Zreli človeški PrPC je sestavljen iz prožne nestrukturirane N-terminalne domene (aminokislinski ostanki 23–120) in strukturirane C-terminalne domene (aminokislinski ostanki 121–231).

Na celično membrano je zasidran z glikozilfosfatidilinozitolnim (GPI) sidrom [21, 22]. Fleksibilna N-terminalna domena vsebuje regijo oktarepet, medtem ko je strukturirana domena sestavljena iz treh vijačnic, dveh listov, disulfidne vezi, ki povezuje cisteine ​​179 in 214, in dva N-glikana na aminokislinskih ostankih 181 in 197 [23,24] (slika 1).

PrPC se lahko pretvori v izoformo PrPSc, bogato s ploščami, ki je nagnjena k avtokatalitski pretvorbi in agregaciji v netopne agregate [22, 25, 26]. Nenormalno kopičenje patoloških beljakovin v možganih lahko povzroči razvoj transmisivnih spongiformnih encefalopatij (TSE), znanih tudi kot prionske bolezni.

Prionske bolezni vključujejo Creutzfeldt–Jakobovo bolezen (CJD), Gerstmann–Sträussler–Scheinkerjev sindrom (GSS), smrtno družinsko nespečnost (FFI) in kuru pri ljudeh, govejo spongiformno encefalopatijo pri govedu, praskavca pri kozah in ovcah ter kronično hlapno bolezen pri jelenih.

Vse prionske bolezni so redke usodne nevrodegenerativne motnje. Klinične in nevropatološke značilnosti prionskih bolezni pri ljudeh so podobne tistim pri Alzheimerjevi bolezni (AD), kot so hitra izguba spomina in izguba možganske funkcije ter demenca, spongiformna deformacija možganov, spremembe osebnosti in težave z gibanjem [15,27]. .

Čeprav prionske bolezni nastanejo zaradi kopičenja toksičnih agregatov PrPSc v možganih, ostaja mehanizem, ki je osnova za pretvorbo PrPC v PrPSc in razvoj prionske bolezni, neznan.

Poleg tega, da je substrat za razvoj prionskih bolezni, PrPC lahko služi kot receptor za citotoksične amiloidne (A) oligomere [20,28] in toksične topne agregate proteina tau pri AD in drugih tauopatijah [29,30].

Obstajajo tudi nasprotujoče si študije o vezavi PrPC na oligomere -sinukleina (-syn) pri Parkinsonovi bolezni (PD) in drugih sinukleinopatijah, kar odpira razpravo o vlogi PrPC pri toksičnosti -sinukleina [30–33].

3. Fragmenti prionskega proteina

PrPC je lahko podvržen štirim posttranslacijskim cepitvam, pri čemer nastanejo fragmenti PrP (slika 1). -Cepitev in -cepitev se zgodita znotraj nestrukturirane N-terminalne domene, medtem ko se -cepitev in izločanje PrP zgodita znotraj strukturirane C-terminalne domene.

Poleg omenjenih cepitev je bil PrPC cepljen v eksperimentalnih pogojih s fosfolipazo C, ki je cepila PrPC znotraj GPI sidra [34,35]. Mesto cepitve, dolžina fragmenta in pritrditev na membrano omogočajo, da fragmenti sodelujejo v različnih mehanizmih.

3.1. -Razcep

-Cepitev je najbolj raziskana cepitev PrPC. Pojavi se v fizioloških pogojih v osrednji hidrofobni regiji zrelega PrPC (aminokislinski ostanki 105–120 v človeškem zaporedju 111/112) [36–38] (slika 1).

Pri cepitvi se sprosti ~11 kDa fragment N1, medtem ko ~18 kDa del C1 ostane pritrjen na celično membrano z GPIanchor [36,39]. Zaenkrat ni edinstvenega encima, odgovornega za cepitev [24,40].

Čeprav so bila mesta cepitve določena glede na vrsto, je cepitev ravno tolerantna na variacije zaporedja v tej regiji, dokler ostane njegova hidrofobnost ohranjena [38].

Študije so pokazale, da se cepitev v človeških možganih, mišjih modelih in nevronskih kulturah pojavi v prisotnosti encimov ADAM10 in ADAM17 [41–43]. ADAM10 prispeva k konstitutivni proizvodnji N1, medtem ko ADAM17 večinoma sodeluje pri tvorbi N1 po stimulaciji [44]. ,45]. Pokazalo se je tudi, da ADAM8 cepi PrPC, da tvori N1 in C1 v mišicah [46].

Vloga ADAM8, ADAM10 in ADAM17 pri -cepitvi je bila podprta tudi v biofizikalni študiji [47]. Fragment N1 ima relativno nizko stabilnost; kljub temu je bilo ugotovljeno, da je prisoten v telesnih tekočinah, tkivnih homogenatih ali supernatantih celične kulture [39,48,49].

Sprva se je mislilo, da cepitev poteka v kislih endosomskih predelih [50,51], vendar so kasnejše študije pokazale, da do cepitve pride med vezikularnim prometom PrPC vzdolž sekretorne poti [52,53].

Cepitev uporablja PrPC kot substrat, kar vodi do zmanjšanja celične površine. Ker je PrPC tudi substrat za replikacijo priona in ključni mediator toksičnosti pri prionskih boleznih, AD in drugih nevrodegenerativnih boleznih, ima cepitev pozitiven biološki učinek.

Fleksibilni N-terminalni del PrPC je bistvenega pomena za interakcijo proteina z vezavnimi partnerji, ki uravnavajo privzem PrPC pri trgovini [54, 55]. Brez N1 tvori C1 komplekse na celični membrani [56] in je bolj stabilen in obstojen na celični površini kot PrPC [50].

Fragment C1 se lahko razcepi na celični površini in sprosti v zunajcelični prostor [57]. Ugotovljeno je bilo, da C1 zavira replikacijo priona pri miših [58,59], medtem ko je fragment N1 nevroprotektiven [60,61]; odsotnost -cepitve je toksična tako za celice kot za miši [47,62].

3.2. -Razcep

-Cepitev poteka na koncu oktapeptidne ponovitvene regije N-terminala mesta cepitve. -Cepitev večinoma opazimo v patoloških pogojih in je podobna -cepitvi. Zdi se, da deluje zaščitniško.

Poteka okoli aminokislinskega ostanka 90 in tvori fragment N2 (~9 kDa) in fragment C2 (~20 kDa) [36,37,48,63] (slika 1). Cepitev PrPC poteka z reaktivnimi kisikovimi spojinami (ROS) [37,63–66].

Z odstranitvijo ROS cepitev ščiti celice pred oksidativnim stresom [65]. Poleg ROS cepitev inducirajo kalpaini [67], lizosomske proteaze [68,69] ali celo ADAM8 [47].

Proteinaza K cepi na proteazo odporno jedro PrPSc (PrP27–30) blizu položaja 90 in ustvari fragment z dolžino, podobno C2. Podobno kot fragment C1 lahko tudi fragment C2 izloči s celične površine [70].

Tvorba takega fragmenta kaže, da bi lahko proteaze, vključene v cepitev, sodelovale tudi pri celičnih poskusih razgradnje PrPSc [71,72].

3.3. -Razcep

Najnovejša odkrita proteazna cepitev PrPC je -cepitev. Mesto cepitve v PrPC je treba še določiti, vendar velikosti sproščenega fragmenta N3 (~20 kDa) in GPI-zasidranega fragmenta C3 (~5 kDa) kažejo, da pride do cepitve proteina v območju med aminokislinskima ostankoma 170 in 200 [73, 74] (slika 1).

Študije kažejo, da pride do cepitve pozno v sekretorni poti na neglikoziliranem proteinu v prisotnosti članov družine matričnih metaloproteaz (MMP) [73].

Razlog, da pride do cepitve samo na neglikoziliranem PrPC, naj bi bil sterična ovira proteaz s strani glikanov v bližini predlaganega mesta cepitve [40,75].

Ugotovljeno je bilo, da cepitev obstaja pri različnih vrstah, tkivih in modelih celične kulture. Določitev njegove vloge zahteva nadaljnje študije, čeprav lahko navedba povečanih količin fragmenta C3 v možganih CJD vodi do možnega patogenega pomena [73].

3.4. Izločanje prionskega proteina

Obstaja tudi pomembna cepitev PrP v bližini C-konca. Pri cepitvi se PrP izloči v zunajcelični prostor, na celični površini pa ostane majhno število aminokislinskih ostankov.

Razcepitev je bila opisana v zgodnjih raziskavah [35,39,76,77], vendar je bila v zadnjih letih deležna več pozornosti zaradi vpletenosti izločenega PrP v bolezni [40,63,78–83].

Podobno kot pri -cepitvi pride do izločanja PrP v prisotnosti encimov iz družine ADAM. Poskusi in vitro in in vivo kažejo, da sta ADAM9 in ADAM10 vključena v proces cepitve in izločanja PrP [47,84–86], kjer je ADAM10 primarna sheddaza za PrP, ADAM9 pa je modulator aktivnosti ADAM10 [24]. ].Shed PrP smo najprej določili pri hrčkih.

V s prioni okuženih možganih hrčkov je shedPrP predstavljal približno 15 % molekul PrPSc [76]. Nadaljnja analiza je pokazala, da je ADAM10 cepil shed PrP med Gly228 in Arg229 in oblikoval shed PrP, ki se je končal pri Gly228 [84].

Analiza, ki je preučevala profil mesta cepitve ADAM10, je pokazala, da cepitve ne povzroči edinstveno zaporedje [87].

Posledično lahko proteaza ADAM10 proizvede različice izločenega PrP, odvisno od zaporedja in konformacije proteina. Jansen in sodelavci so opisali obstoj nezasidranih oblik PrP, ki se končajo s Tyr225 in Tyr226 pri bolnikih s prionsko boleznijo [88].

Avtorji so označili dva bolnika s prionsko boleznijo, ki sta nosila stop mutacije na položajih Y226X in Q227X in sta izražali ustrezni obliki. Z uporabo monoklonskega protitelesa V5B2 [89], ki se specifično veže na fragment PrP, ki se konča s Tyr226, smo hkrati opisali obstoj proste oblike PrP, imenovane PrP226* [90–94].

Porazdelitev PrP226* v človeških možganih je bila povezana s porazdelitvijo PrPSc [90,94]. Zaradi obstoja več kot ene izločene oblike smo domnevali, da se proteolitično mesto v človeškem zaporedju ne nahaja izključno med aminokislinskima ostankoma 228 in 229, ampak se nahaja v bližini C-konca [95] (slika 1).

Pred kratkim so Linsenmeier et al. objavil obsežno študijo o mehanizmu, ki spodbuja proteolitično izločanje PrPC [81]. Z uporabo živalskih modelov in kontrol so pokazali, da izločanje PrP negativno korelira s prionsko konverzijo in da je izločeni PrP obilno prisoten v amiloidnih plakih.

Preučevali so tudi vpliv vezave protiteles, usmerjenih proti PrP, na PrPC na nagnjenost k izločanju. Vezava celih protiteles proti PrP na C-terminalno strukturirano domeno PrPC ali enoverižnih protitelesnih derivatov, usmerjenih proti ponavljajočim se epitopom znotraj regije oktarepet N-terminalne domene, je spodbudila izločanje, ko je vezava celih protiteles proti PrP na oktarepet regija N-terminalne domene je zaklenila strukturo N-terminalne domene in izzvala površinsko grozdenje PrPC, endocitozo in razgradnjo v lizosomih [81].

4. Prionski protein in mielinizacija

PrPC je obilno izražen v centralnem živčnem sistemu (CNS) in perifernem živčnem sistemu [4, 5]. Študije na možganih primatov, možganih glodavcev in transgenih miših so pokazale, da je obogaten vzdolž aksonov in v presinaptičnih terminalih, kjer je vključen v anterogradni in retrogradni aksonski transport [4,17,18,96–98].

Delecije v regiji cepitve PrPC so pokazale hudo demielinizacijo tako v hrbtenjači kot v beli snovi malih možganov in vivo [99,100]. Kasneje je bilo potrjeno, da sta aksonski PrPC in njegova cepitev potrebna za promielinizacijo v perifernem živčnem sistemu [101].

Z uporabo koizogenega PrP-nockout miši modela, Kuffer et al. odkrili, da aksonski PrPC spodbuja vzdrževanje mielina v trans preko vezave na adhezijski G-protein-sklopljen receptor Adgrg6 na Schwannovih celicah z N-terminalnim upogljivim repom [7].

Potrdili so tudi, da so miši brez PrPC razvile kronično demielinizirajočo nevropatijo, kar nakazuje, da je homeostaza mielinizacije v perifernem živčnem sistemu verodostojna fiziološka funkcija PrPC [7].

Ugotovljeno je bilo, da je vzdrževanje mielina regulirano z vezavo N-terminalno sproščenega fragmenta PrPC (domnevno N1 ali shed PrP) na Adgrg6 na Schwannovih celicah.

Interakcija je aktivirala Adgrg6, povečala celične ravni cAMP in sprožila signalno kaskado, ki je spodbujala mielinacijo [7]. Regulacija vzdrževanja perifernega mielina s PrPC je bila potrjena pri petih različnih PrP-knockout modelnih sevih miši, ki so razvili periferno nevropatijo s poznim nastopom [101–103].

Pred kratkim so poskušali razviti zdravljenje perifernih demielinizirajočih bolezni, ki temelji na vezavi med N-terminalno domeno PrPC in Adgrg6 [104]. V tej študiji so izdelali molekulo imunoadhezina, sestavljeno iz dveh fleksibilnih N-terminalnih domen PrPC, povezanih z akristalizirajočim fragmentom (Fc) imunoglobulina G1 (FT2Fc) [104].

Molekula je pokazala ugodne farmakokinetične lastnosti in pokazala potencial in vitro, vendar ni imela terapevtskega učinka na zgodnje molekularne znake demielinizacije pri PrP-knockout miših [104].

PrPC so proučevali tudi v povezavi z razvojem in regeneracijo perifernega mielina po poškodbah živcev [105]. Ker je bilo ugotovljeno, da je PrP nepogrešljiv v tem mehanizmu, se lahko domneva, da PrP nima večje vloge v procesu popravljanja perifernih živcev ali pa bi njegovo odsotnost lahko nadomestili drugi ligandi [105].

Mielinizacijo in druge fiziološke vloge PrPC so intenzivno proučevali na živalskih modelih z izločenim ali izločenim izražanjem gena PrP.

Študije so pokazale omejene negativne učinke pri miših [102,106–109], govedu [110] in kozah [68,111,112], medtem ko so študije na PrP-izločenih miših ali kozah pokazale okvare v živčnem sistemu in občutljivost na oksidativni stres [6,101,111,113]. Ustvarjenih je bilo več modelov miši z izločitvijo PrP z mešanim ozadjem [106,109,114–116].

Ker študije niso ponovljive med modeli, bi to lahko sprožilo vprašanje, ali so bili opazovani fenotipi dejansko posledica polimorfizmov v genih, ki spremljajo Prnp, ali posledica odsotnosti PrPC. Da bi se izognili tej težavi, bi bilo priporočljivo ponoviti ključne poskuse z uporabo koizogenih PrPknockout miši.

Čeprav je treba pojasniti vlogo PrPC v CNS, so PrPC in PrPC-sproščeni fragmenti nepogrešljivi pri homeostazi mielina perifernih živcev, vendar so lahko nepogrešljivi pri okrevanju živcev.

For more information:1950477648nn@gamil.com