Prionski protein: Molekul mnogih oblika i lica 1. dio

Sažetak: Ćelijski prionski protein (PrPC) je protein usidreni glikozilfosfatidilinozitolom (GPI) koji se najčešće nalazi u vanjskoj membrani neurona. Zbog strukturnih karakteristika (fleksibilno tajlandsko strukturirano jezgro), PrPC komunicira sa širokim spektrom partnera.

Posljednjih godina, mnoge studije su pokazale da ćelijski prionski proteini imaju važnu vezu s razvojem i održavanjem pamćenja životinja.

Ćelijski prion (herpes simplex virus, HSV) je virus koji je široko prisutan u ljudskoj populaciji i smatra se jednim od najvažnijih uzročnika neuroloških i kožnih bolesti. HSV-1 i HSV-2 su dva najčešća tipa virusa kod ljudi.

Nedavna studija je pokazala da virusni protein HSV-1 može promovirati razvoj i održavanje pamćenja kod ljudi i životinja. Rezultati ove studije su pokazali da se infekcija HSV-1 uglavnom javlja u vrlo ranim fazama ljudskog života, a virusni proteini se akumuliraju u ljudskom nervnom sistemu i regulišu oslobađanje neurotransmitera i sinaptički prijenos. Ovi regulatorni efekti pomažu poboljšanju funkcije pamćenja mozga i poboljšanju prostorne spoznaje i pažnje.

Osim toga, virusni protein HSV-1 također ima određenu vezu sa imunološkim odgovorom tijela i antivirusnim odgovorom. Istraživanja su pokazala da utjecaj virusnog proteina HSV-1 aktivira imunološki odgovor tijela i aktivno djeluje na "memorijske T ćelije" u tijelu, jačajući tako antivirusnu odbranu tijela. Ovo otkriće ima dalekosežni značaj za istraživanje odnosa između HSV-1 i imuniteta životinja.

Ukratko, odnos između proteina ćelijskog prionskog virusa i pamćenja pruža širok istraživački prostor za buduća istraživanja pamćenja, funkcije nervnog sistema i imunološkog odgovora, a očekuje se da će igrati važnu ulogu u prevenciji i liječenju srodnih bolesti. Vidi se da moramo poboljšati pamćenje, a Cistanche može značajno poboljšati pamćenje jer Cistanche može regulisati i ravnotežu neurotransmitera, kao što je povećanje nivoa acetilholina i faktora rasta, koji su veoma važni za pamćenje i učenje. Osim toga, Cistanche također može poboljšati protok krvi i promovirati isporuku kisika, što može osigurati da mozak dobije dovoljnu ishranu i energiju, čime se poboljšava vitalnost i izdržljivost mozga.

Kliknite znati suplemente za poboljšanje pamćenja

Iako se predlaže da je PrPC uključen u mnoge fiziološke funkcije, samo je homeostaza mijelinizacije perifernih živaca do sada potvrđena kao bona fide funkcija.

Pogrešno savijanje PrPC uzrokuje prionske bolesti, a pokazalo se da PrPC posreduje neurotoksičnost uzrokovanu oligomerima u Alchajmerovoj i Parkinsonovoj bolesti, kao i neuroprotekciju kod ishemije.

Nakon proteolitičkog cijepanja, PrPC se transformira u oslobođene i vezane oblike PrP koji mogu, ovisno o sadržanim strukturnim karakteristikama PrPC, pokazati zaštitna ili toksična svojstva.

U ovom pregledu ćemo skicirati svojstva prionskih proteina i prionproteinskih fragmenata, kao i pregledati njihovu uključenost sa partnerima u interakciji i signalnim putevima u mijelinizaciji, neuroprotekciji i neurodegenerativnim bolestima.

Ključne riječi: prionski protein; fragmenti prionskih proteina; neuroprotekcija; mijelinizacija; ishemijski moždani udar; neurodegenerativna bolest.

1. Uvod

Prionski protein (PrP) je visoko očuvan sveprisutni glikoprotein. Postoji u dva oblika; normalna ili ćelijska izoforma, PrPC, i infektivna izoforma scrapie PrP, PrPSc povezana sa bolešću.

Patološka uloga PrPSc je opširno proučavana u prionbolesti i recenzirana je u nekoliko radova [1–3]. PrPC se eksprimira u različitim organima i tkivima sa visokim nivoom ekspresije u centralnom i perifernom nervnom sistemu.

On je u izobilju prisutan na površini ćelije neurona [4-6] i uključen je u mnoge fiziološke mehanizme. Funkcija proteina ostaje da se razjasni; ipak, intenzivne studije povezuju PrPC sa homeostazom mijelina [7], neuroprotekcijom [8,9], cirkadijalnim ritmom [10,11], homeostazom metalnih jona [12,13], mitohondrijalnom homeostazom [14] i međustaničnom signalizacijom [6,15] ,16].

U neuronima, PrPC je prisutan u presinaptičkim i postsinaptičkim odjeljcima terminala aksona gdje je uključen u anterogradni i retrogradni aksonski transport [17–20]. PrPC se cijepa na ćelijskoj membrani pomoću proteaza, formirajući oslobođene i vezane oblike.

Posljednjih godina, prionprotein i prionski protein oslobođeni oblici dobili su pažnju u korelaciji s neuroprotekcijom kod neurodegenerativnih bolesti.

U ovom pregledu predstavljamo oblike oslobođenih prionskih proteina i prionskih proteina, sumiramo njihovu uključenost u mijelinizaciju, neuroprotekciju i neurodegenerativne bolesti, te raspravljamo o najnovijim otkrićima u ovoj oblasti.

2. Prionski protein

Zreli ljudski PrPC se sastoji od fleksibilnog nestrukturiranog N-terminalnog domena (aminokiselinski ostaci 23-120) i strukturiranog C-terminalnog domena (aminokiselinski ostaci 121-231).

Učvršćen je za ćelijsku membranu pomoću sidra glikozilfosfatidilinozitola (GPI) [21,22]. Fleksibilni N-terminalni domen sadrži oktarepetnu regiju, dok se strukturirani domen sastoji od tri -heliksa, dva lista, disulfidne veze koja povezuje cisteine217 14 . i dva N-glikana na aminokiselinskim ostacima 181 i 197 [23,24] (Slika 1).

PrPC se može transformisati u izoformu PrPSc bogatu listovima, koja je sklona autokatalitičkoj konverziji i agregaciji u nerastvorljive agregate [22,25,26]. Abnormalna akumulacija patološkog proteina u mozgu može uzrokovati razvoj transmisibilnih spongiformnih encefalopatija (TSE), također poznatih kao prionske bolesti.

Prionske bolesti uključuju Creutzfeldt–Jakobovu bolest (CJD), Gerstmann–Sträussler–Scheinkerov sindrom (GSS), fatalnu porodičnu nesanicu (FFI) i kuru kod ljudi, goveđu spongiformnu encefalopatiju kod goveda, scrapie u koza i ovaca i hroničnu bolest iscrpljenosti kod cerviksa.

Sve prionske bolesti su rijetki fatalni neurodegenerativni poremećaji. Kliničke i neuropatološke karakteristike prionskih bolesti kod ljudi slične su onima kod Alchajmerove bolesti (AD), kao što su brzi gubitak pamćenja i gubitak funkcije mozga, kao i demencija, spongiformna deformacija mozga, promjene ličnosti i poteškoće s kretanjem [15,27] .

Iako prionske bolesti nastaju zbog nakupljanja toksičnih PrPSc agregata u mozgu, mehanizam koji leži u osnovi konverzije PrPC u PrPSc i razvoja prionske bolesti ostaje nepoznat.

Osim što je supstrat za razvoj prionskih bolesti, PrPC može poslužiti i kao receptor za citotoksične amiloid- (A ) oligomere [20,28] i toksične rastvorljive agregate tau proteina u AD i drugim tauopatijama [29,30].

Postoje i suprotne studije o vezivanju PrPC oligomera -sinukleina (-syn) kod Parkinsonove bolesti (PD) i drugih sinukleinopatija, otvarajući debatu o ulozi PrPC u toksičnosti -sinukleina [30–33].

3. Fragmenti prionskog proteina

PrPC se može podvrgnuti četiri posttranslaciona cijepanja, formirajući PrP fragmente (slika 1). -cijepanje i -cijepanje se dešavaju unutar nestrukturiranog N-terminalnog domena, dok se -cijepanje i odvajanje PrP dešavaju unutar strukturiranog C-terminalnog domena.

Osim pomenutih cijepanja, PrPC je u eksperimentalnim uvjetima cijepan sa fosfolipazom C, koja je cijepala PrPC unutar GPI sidra [34,35]. Mjesto cijepanja, dužina fragmenta i vezivanje membrane omogućavaju fragmentima da učestvuju u različitim mehanizmima.

3.1. -Dekolte

-Cijepanje je najviše proučavano cijepanje PrPC. Javlja se u fiziološkim uslovima u centralnom hidrofobnom regionu zrelog PrPC (aminokiselinski ostaci 105–120 u ljudskoj sekvenci 111/112) [36–38] (Slika 1).

Cepanjem se oslobađa ~11 kDa fragment N1, dok ~18 kDa deo C1 ostaje vezan za ćelijsku membranu pomoću GPIanchora [36,39]. Za sada ne postoji jedinstven enzim odgovoran za -cijepanje [24,40].

Iako su mjesta cijepanja određena za vrste, -cijepanje je otporno na varijacije sekvence u ovoj regiji sve dok je njegova hidrofobnost očuvana [38].

Studije su pokazale da se -cijepanje u ljudskom mozgu, modelima miša i neuronskim kulturama događa u prisustvu enzima ADAM10 i ADAM17 [41–43]. ADAM10 doprinosi konstitutivnoj proizvodnji N1, dok ADAM17 uglavnom učestvuje u formiranju N1 nakon stimulacije [44 ,45]. Takođe je pokazano da ADAM8 cijepa PrPC da bi formirao N1 i C1 u mišićima [46].

Uloga ADAM8, ADAM10 i ADAM17 u -cijepanju je također podržana u biofizičkoj studiji [47]. Fragment N1 ima relativno nisku stabilnost; ipak, otkriveno je da je prisutan u tjelesnim tekućinama, tkivnim homogenatima ili supernatantima ćelijske kulture [39,48,49].

U početku se smatralo da se cijepanje odvija u kiselim endosomalnim odjeljenjima [50,51], ali su kasnije studije pokazale da se -cijepanje događa tokom vezikularnog prometa PrPC duž sekretornog puta [52,53].

-Cijepanje koristi PrPC kao supstrat, što dovodi do smanjenja njegove površine ćelije. Kako je PrPC također supstrat za replikaciju priona i ključni posrednik toksičnosti kod prionskih bolesti, AD i drugih neurodegenerativnih bolesti, cijepanje ima pozitivan biološki učinak.

Fleksibilni N-terminalni dio PrPC je neophodan za interakciju proteina sa vezujućim partnerima koji regulišu unos PrPC u trgovini ljudima [54,55]. U nedostatku N1, C1 formira komplekse na ćelijskoj membrani [56] i stabilniji je i postojaniji na površini ćelije od PrPC [50].

Fragment C1 se može odcijepiti na površini ćelije i osloboditi u ekstracelularni prostor [57]. Utvrđeno je da C1 inhibira replikaciju priona kod miševa [58,59] dok je fragment N1 neuroprotektivan [60,61]; odsustvo -cijepanja je toksično i za ćelije i za miševe [47,62].

3.2. -Dekolte

-Cijepanje se odvija na kraju N-terminala područja cijepanja oktapeptidnog ponavljajućeg regiona. -Cijepanje se uglavnom opaža u patološkim stanjima i slično je -cijepanju. Čini se da djeluje zaštitnički.

Odvija se oko aminokiselinskog ostatka 90, formirajući fragment N2 (~9 kDa) i fragment C2 (~20 kDa) [36,37,48,63](Slika 1). Cepanje PrPC je posredovano reaktivnim vrstama kiseonika (ROS) [37,63–66].

Uklanjanjem ROS-a, cijepanje štiti stanice od oksidativnog stresa [65]. Osim ROS-a, -cijepanje induciraju kalpaini [67], lizozomalne proteaze [68,69] ili čak ADAM8 [47].

Proteinaza K cijepa jezgro PrPSc (PrP27–30) otporno na proteazu blizu pozicije 90, stvarajući fragment dužine slične C2. Slično fragmentu C1, fragment C2 se također može izbaciti sa površine ćelije [70].

Formiranje takvog fragmenta ukazuje na to da bi proteaze uključene u -cijepanje također mogle biti uključene u ćelijske pokušaje razgradnje PrPSc [71,72].

3.3. -Dekolte

Najskorije otkriveno cijepanje PrPC proteazom je -cijepanje. Cepanje u PrPC ostaje da se utvrdi, ali veličine oslobođenog fragmenta N3 (~20 kDa) i GPI-usidrenog fragmenta C3 (~5 kDa) sugeriraju da se cijepanje proteina događa u području između aminokiselinskih ostataka 170 i 200 [73, 74] (Slika 1).

Studije pokazuju da se -cijepanje događa kasno u sekretornom putu na neglikozilovanom proteinu u prisustvu članova porodice matriksnih metaloproteaza (MMP) [73].

Pretpostavlja se da je razlog zašto se -cijepanje događa samo na neglikozilovanom PrPC-u zbog sterične smetnje proteaza glikanima u blizini predloženog mjesta cijepanja [40,75].

Utvrđeno je da cijepanje postoji u različitim vrstama, tkivima i modelima ćelijske kulture. Određivanje njegove uloge zahtijeva dalje proučavanje iako indikacija povećane količine fragmenta C3 u mozgu CJD može dovesti do mogućeg patogenog značaja [73].

3.4. Izbacivanje prionskog proteina

Takođe postoji značajan rascjep PrP u blizini C-terminusa. Cepanjem se oslobađa PrP u ekstracelularni prostor, ostavljajući mali broj aminokiselinskih ostataka na površini ćelije.

Rascjep je opisan u ranim istraživanjima [35,39,76,77], ali je posljednjih godina dobio više pažnje zbog uključenosti izlučenog PrP u bolesti [40,63,78–83].

Slično kao kod -cijepanja, oslobađanje PrP se dešava u prisustvu enzima iz porodice ADAM. In vitro i in vivo eksperimenti sugeriraju da su ADAM9 i ADAM10 uključeni u proces cijepanja i izlučivanja PrP [47,84–86] gdje je ADAM10 primarna sheddase za PrP, a ADAM9 je modulator aktivnosti ADAM10 [24 ].Shed PrP je prvo određen kod hrčaka.

U mozgu hrčaka inficiranom prionom, izlučeni PrP predstavljao je približno 15% PrPSc molekula [76]. Daljnja analiza je pokazala da je ADAM10 razdvojio PrP između Gly228 i Arg229 i formirao ispušteni PrP koji je završio na Gly228 [84].

Analiza koja istražuje profil mjesta cijepanja ADAM10 otkrila je da cijepanje nije izazvano jedinstvenom sekvencom [87].

Shodno tome, ADAM10proteaza može proizvesti varijante ispuštenog PrP u zavisnosti od proteinske sekvence i konformacije. Jansen i saradnici su opisali postojanje neusidrenih PrP oblika koji završavaju sa Tyr225 i Tyr226 kod pacijenata sa prionskom bolešću [88].

Autori su okarakterisali dva pacijenta sa prionskom bolešću koji su nosili stop mutacije na pozicijama Y226X i Q227X i izražavali odgovarajuće oblike. Koristeći monoklonsko antitelo V5B2 [89] koje se specifično vezuje za fragment PrP koji završava sa Tyr226, istovremeno smo opisali postojanje slobodnog oblika PrP pod nazivom PrP226* [90–94].

Distribucija PrP226* u ljudskom mozgu povezana je sa distribucijom PrPSc [90,94]. Zbog postojanja više od jednog oblika, pretpostavili smo da proteolitičko mjesto u ljudskoj sekvenci nije isključivo locirano između aminokiselinskih ostataka 228 i 229, već se nalazi u blizini C-terminusa [95] (Slika 1).

Nedavno su Linsenmeier et al. objavio sveobuhvatnu studiju o mehanizmu koji stimulira proteolitičko izlučivanje PrPC [81]. Koristeći životinjske modele i kontrole, pokazali su da izlučivanje PrP negativno korelira s prionskom konverzijom i da je izlučeni PrP obilno prisutan u amiloidnim plakovima.

Oni su također proučavali utjecaj vezivanja PrP-usmjerenih antitijela za PrPC na sklonost ka raspadanju. Vezivanje cijelih anti-PrP antitijela za C-terminalnu strukturiranu domenu PrPC ili derivate jednolančanih antitijela, usmjereno ka ponavljajućim epitopima unutar oktarepetnog područja N-terminalnog domena stimuliralo je izlučivanje, kada se vezivanje cijelih anti-PrP antitijela na oktapeat region N-terminalnog domena zaključao je strukturu N-terminalnog domena i izazvao površinsko grupisanje PrPC, endocitozu i degradaciju u lizozomima [81].

4. Prionski protein i mijelinizacija

PrPC je obilno eksprimiran u centralnom nervnom sistemu (CNS) i perifernom nervnom sistemu [4,5]. Studije na mozgu primata, mozgu glodavaca i transgenih miševa pokazale su da je obogaćen duž aksona i presinaptičkih terminala gdje je uključen u anterogradni i retrogradni aksonalni transport [4,17,18,96–98].

Delecije u regiji cijepanja PrPC pokazale su ozbiljnu demijelinizaciju i kičmene moždine i malog mozga in vivo [99,100] Kasnije je potvrđeno da su aksonalni PrPC i njegovo cijepanje neophodni za promijelinaciju u perifernom nervnom sistemu [101].

Koristeći ko-izogeniPrP-nokaut model miševa, Kuffer et al. otkrili da aksonalni PrPC promoviše održavanje mijelina u trans vezivanjem za adhezijski G-protein-spregnuti receptor Adgrg6 na Schwann ćelijama sa N-terminalnim fleksibilnim repom [7].

Oni su također potvrdili da su miševi kojima nedostaje PrPC razvili kroničnu demijelinizirajuću neuropatiju, što sugerira da je homeostaza mijelinizacije u perifernom nervnom sistemu verodostojna fiziološka funkcija PrPC [7].

Utvrđeno je da je održavanje mijelina regulirano vezivanjem fragmenta PrPC oslobođenog N-terminala (vjerovatno N1 ili ispuštenog PrP) za Adgrg6 na Schwann stanicama.

Interakcija je aktivirala Adgrg6, povećala ćelijske nivoe cAMP-a i pokrenula kaskadu signalizacije koja je promovirala mijelinizaciju [7]. Regulacija održavanja periferne mijeline pomoću PrPC potvrđena je u pet različitih PrP-nokautnih sojeva miša koji su razvili perifernu neuropatiju s kasnim početkom [101–103].

Nedavno je postojao pokušaj da se razvije tretman za periferne demijelinizirajuće bolesti zasnovan na vezivanju između N-terminalnog domena PrPC i Adgrg6 [104]. U ovoj studiji, konstruisali su molekul imunoadhezina koji se sastoji od dva fleksibilna N-terminalna domena PrPC vezanih za akristalizabilni fragment (Fc) imunoglobulina G1 (FT2Fc) [104].

Molekul je pokazao povoljna farmakokinetička svojstva i pokazao potencijal in vitro, ali nije imao terapeutski učinak na rane molekularne znakove demijelinizacije kod PrP-nokaut miševa [104].

PrPC je također proučavan u vezi s razvojem perifernog mijelina i regeneracijom nakon ozljeda živaca [105]. Kako je utvrđeno da je PrP neophodan u ovom mehanizmu, moglo bi se pretpostaviti da PrP nema glavnu ulogu u procesu popravke perifernih nerava ili bi njegovo odsustvo moglo biti nadoknađeno drugim ligandima [105].

Mijelinizacija i druge fiziološke uloge PrPC intenzivno su proučavane na životinjskim modelima sa nokautiranom ili srušenom ekspresijom gena PrP.

Studije su pokazale ograničene negativne efekte kod miševa [102,106–109], goveda [110] i koza [68,111,112] dok su studije na PrP-nokaut miševima ili kozama pokazale defekte u nervnom sistemu i osetljivosti na oksidativni stres [6,101,311]. Generirano je nekoliko modela PrP-nockout miševa s mješovitom pozadinom [106,109,114–116].

Kako studije nisu reproducibilne među modelima, ovo bi moglo postaviti pitanje da li su neki uočeni fenotipovi zapravo bili posljedica polimorfizma u genima koji prate Prnp ili rezultat odsustva PrPC. Da bi se izbjegao ovaj problem, bilo bi preporučljivo ponoviti ključne eksperimente koristeći ko-izogene PrPknockout miševe.

Iako treba razjasniti ulogu PrPC u CNS-u, fragmenti koji se oslobađaju PrPC i PrPC su neophodni u homeostazi mijelina perifernih živaca, ali mogu biti neophodni u oporavku živaca.

For more information:1950477648nn@gamil.com