Białko prionowe: cząsteczka o wielu formach i twarzach, część 1

Streszczenie: Komórkowe białko prionowe (PrPC) jest białkiem zakotwiczonym w glikozylofosfatydyloinozytolu (GPI), najczęściej występującym w zewnętrznej błonie neuronów. Ze względu na cechy strukturalne (elastyczny tył i rdzeń strukturalny) PrPC współpracuje z szeroką gamą partnerów.

W ostatnich latach wiele badań wykazało, że komórkowe białka prionowe mają istotny związek z rozwojem i utrzymaniem pamięci zwierząt.

Prion komórkowy (wirus opryszczki pospolitej, HSV) to wirus powszechnie występujący w populacji ludzkiej, uważany za jeden z najważniejszych patogenów chorób neurologicznych i skórnych. HSV-1 i HSV-2 to dwa najczęstsze typy wirusów u ludzi.

Niedawne badanie wykazało, że białko wirusa HSV-1 może promować rozwój i utrzymanie pamięci u ludzi i zwierząt. Wyniki tego badania wykazały, że zakażenie wirusem HSV-1 występuje głównie na bardzo wczesnych etapach życia człowieka, a białka wirusowe gromadzą się w układzie nerwowym człowieka i regulują uwalnianie neuroprzekaźników oraz transmisję synaptyczną. Te efekty regulacyjne pomagają poprawić funkcję pamięci mózgu oraz poprawić poznanie przestrzenne i uwagę.

Ponadto białko wirusa HSV-1 ma również pewien związek z odpowiedzią immunologiczną organizmu i odpowiedzią przeciwwirusową. Badania wykazały, że wpływ białka wirusa HSV-1 aktywuje odpowiedź immunologiczną organizmu i aktywnie działa na „komórki T pamięci” w organizmie, wzmacniając w ten sposób obronę przeciwwirusową organizmu. Odkrycie to ma dalekosiężne znaczenie dla badania związku pomiędzy HSV-1 a odpornością zwierząt.

Krótko mówiąc, związek między białkiem komórkowego wirusa prionowego a pamięcią zapewnia szeroką przestrzeń badawczą dla przyszłych badań nad pamięcią, funkcjonowaniem układu nerwowego i odpowiedzią immunologiczną i oczekuje się, że odegra ważną rolę w zapobieganiu i leczeniu powiązanych chorób. Widać, że musimy poprawić pamięć, a Cistanche może znacznie poprawić pamięć, ponieważ Cistanche może również regulować równowagę neuroprzekaźników, takich jak zwiększanie poziomu acetylocholiny i czynników wzrostu, które są bardzo ważne dla pamięci i uczenia się. Ponadto Cistanche może również poprawić przepływ krwi i promować dostarczanie tlenu, co może zapewnić mózgowi wystarczające odżywienie i energię, poprawiając w ten sposób witalność i wytrzymałość mózgu.

Kliknij Poznaj suplementy poprawiające pamięć

Chociaż zaproponowano, że PrPC uczestniczy w wielu funkcjach fizjologicznych, dotychczas potwierdzono, że jedynie homeostaza mielinizacji nerwów obwodowych jest funkcją w dobrej wierze.

Nieprawidłowe fałdowanie PrPC powoduje choroby prionowe i wykazano, że PrPC pośredniczy w neurotoksyczności indukowanej bogatymi oligomerami w chorobach Alzheimera i Parkinsona, jak również w neuroprotekcji w niedokrwieniu.

Po rozszczepieniu proteolitycznym PrPC przekształca się w uwolnione i przyłączone formy PrP, które mogą, w zależności od zawartych właściwości strukturalnych PrPC, wykazywać właściwości ochronne lub toksyczne.

W tym przeglądzie zarysujemy właściwości białek prionowych i fragmentów białek prionowych, a także dokonamy przeglądu ich związku z oddziałującymi partnerami i szlakami sygnałowymi w mielinizacji, neuroprotekcji i chorobach neurodegeneracyjnych.

Słowa kluczowe: białko prionowe; fragmenty białka prionowego; neuroprotekcja; mielinizacja; udar niedokrwienny; choroba neurodegeneracyjna.

1. Wprowadzenie

Białko prionowe (PrP) jest wysoce konserwatywną, wszechobecną glikoproteiną. Istnieje w dwóch formach; normalna lub komórkowa izoforma, PrPC, i związana z chorobą zakaźna izoforma trzęsawki PrP, PrPSc.

Patologiczna rola PrPSc była szeroko badana w chorobie prionowej i została opisana w kilku artykułach [1–3]. PrPC ulega ekspresji w wielu różnych narządach i tkankach, przy wysokim poziomie ekspresji w ośrodkowym i obwodowym układzie nerwowym.

Występuje obficie na powierzchni komórek neuronów [4–6] i bierze udział w wielu mechanizmach fizjologicznych. Funkcja białka pozostaje do wyjaśnienia; niemniej jednak intensywne badania łączą PrPC z homeostazą mieliny [7], neuroprotekcją [8,9], rytmem dobowym [10,11], homeostazą jonów metali [12,13], homeostazą mitochondrialną [14] i sygnalizacją międzykomórkową [6,15 ,16].

W neuronach PrPC występuje w przedziałach presynaptycznych i postsynaptycznych zakończeń aksonów, gdzie bierze udział w transporcie aksonów w kierunku postępowym i wstecznym [17–20]. PrPC jest rozszczepiany na błonie komórkowej przez proteazy, tworząc uwolnione i przyłączone formy.

W ostatnich latach zwrócono uwagę na białka prionowe i ich formy uwalniane w korelacji z neuroprotekcją w chorobach neurodegeneracyjnych.

W tym przeglądzie przedstawiamy formy białek prionowych i uwalnianych, podsumowujemy ich udział w mielinizacji, neuroprotekcji i chorobach neurodegeneracyjnych oraz omawiamy najnowsze odkrycia w tej dziedzinie.

2. Białko prionowe

Dojrzały ludzki PrPC składa się z elastycznej, nieustrukturyzowanej domeny N-końcowej (reszty aminokwasowe 23–120) i zorganizowanej domeny C-końcowej (reszty aminokwasowe 121–231).

Jest zakotwiczona w błonie komórkowej za pomocą kotwicy glikozylofosfatydyloinozytolu (GPI) [21,22]. Elastyczna domena N-końcowa zawiera region oktarpeatowy, podczas gdy domena strukturalna składa się z trzech -helis, dwóch -arkuszów, wiązania dwusiarczkowego łączącego cysteiny 179 i 214, oraz dwa N-glikany na resztach aminokwasowych 181 i 197 [23,24] (Rysunek 1).

PrPC może przekształcić się w bogatą w arkusze izoformę PrPSc, która jest podatna na autokatalityczną konwersję i agregację w nierozpuszczalne agregaty [22,25,26]. Nieprawidłowa akumulacja patologicznego białka w mózgu może powodować rozwój pasażowalnych encefalopatii gąbczastych (TSE), znanych również jako choroby prionowe.

Choroby prionowe obejmują chorobę Creutzfeldta-Jakoba (CJD), zespół Gerstmanna-Sträusslera-Scheinkera (GSS), śmiertelną bezsenność rodzinną (FFI) i kuru u ludzi, gąbczastą encefalopatię bydła u bydła, trzęsawkę u kóz i owiec oraz przewlekłą chorobę wyniszczającą u jeleniowatych.

Wszystkie choroby prionowe są rzadkimi, śmiertelnymi chorobami neurodegeneracyjnymi. Objawy kliniczne i neuropatologiczne chorób prionowych u ludzi są podobne do objawów choroby Alzheimera (AD), takie jak szybka utrata pamięci i utrata funkcji mózgu, a także otępienie, gąbczaste deformacje mózgu, zmiany osobowości i trudności w poruszaniu się [15,27]. .

Chociaż choroby prionowe powstają w wyniku gromadzenia się toksycznych agregatów PrPSc w mózgu, mechanizm leżący u podstaw konwersji PrPC do PrPSc i rozwoju choroby prionowej pozostaje nieznany.

Oprócz tego, że jest substratem rozwoju chorób prionowych, PrPC może służyć jako receptor dla cytotoksycznych oligomerów amyloidu (A) [20,28] i toksycznych rozpuszczalnych agregatów białka tau w AD i innych tauopatiach [29,30].

Istnieją także przeciwstawne badania dotyczące wiązania PrPC oligomerów -synukleiny ( -syn) w chorobie Parkinsona (PD) i innych synukleinopatiach, otwierając debatę na temat roli PrPC w toksyczności -synukleiny [30–33].

3. Fragmenty białka prionowego

PrPC może podlegać czterem rozszczepieniom potranslacyjnym, tworząc fragmenty PrP (fig. 1). Cięcie - i -rozszczepienie zachodzi w obrębie nieustrukturyzowanej domeny N-końcowej, podczas gdy -rozszczepienie i wydalanie PrP zachodzą w strukturowanej domenie C-końcowej.

Oprócz wspomnianych rozszczepień, PrPC rozszczepiono w warunkach eksperymentalnych za pomocą fosfolipazy C, która rozszczepiła PrPC w obrębie kotwicy GPI [34,35]. Miejsce rozszczepienia, długość fragmentu i przyłączenie do błony umożliwiają fragmentom udział w różnych mechanizmach.

3.1. -Łupliwość

Rozszczepienie - jest najlepiej zbadanym rozszczepieniem PrPC. Zachodzi w warunkach fizjologicznych w centralnym obszarze hydrofobowym dojrzałego PrPC (reszty aminokwasowe 105–120 w sekwencji ludzkiej 111/112) [36–38] (ryc. 1).

Rozszczepienie uwalnia fragment N1 o ~11 kDa, podczas gdy część C1 o ~18 kDa pozostaje przyłączona do błony komórkowej za pomocą GPIanchor [36,39]. Na razie nie ma unikalnego enzymu odpowiedzialnego za rozszczepienie - [24,40].

Chociaż miejsca rozszczepienia zostały określone w odniesieniu do gatunków, rozszczepienie jest tolerancyjne na zmiany sekwencji w tym regionie, o ile zachowana jest jego hydrofobowość [38].

Badania wykazały, że -rozszczepienie w ludzkim mózgu, modelach mysich i hodowlach neuronalnych zachodzi w obecności enzymów ADAM10 i ADAM17 [41–43]. ADAM10 przyczynia się do konstytutywnej produkcji N1, podczas gdy ADAM17 uczestniczy głównie w tworzeniu N1 po stymulacji [44 ,45]. Wykazano również, że ADAM8 rozszczepia PrPC, tworząc N1 i C1 w mięśniach [46].

Rola ADAM8, ADAM10 i ADAM17 w rozszczepieniu została również potwierdzona w badaniu biofizycznym [47]. Fragment N1 ma stosunkowo niską stabilność; niemniej jednak stwierdzono jego obecność w płynach ustrojowych, homogenatach tkanek lub supernatantach hodowli komórkowych [39,48,49].

Początkowo sądzono, że rozszczepienie zachodzi w kwaśnych przedziałach endosomalnych [50,51], ale późniejsze badania wykazały, że rozszczepienie następuje podczas pęcherzykowego transportu PrPC wzdłuż szlaku wydzielniczego [52,53].

Rozszczepienie wykorzystuje PrPC jako substrat, co prowadzi do zmniejszenia powierzchni komórki. Ponieważ PrPC jest także substratem do replikacji prionów i kluczowym mediatorem toksyczności w chorobach prionowych, chorobie Alzheimera i innych chorobach neurodegeneracyjnych, rozszczepienie ma pozytywny efekt biologiczny.

Elastyczna część N-końcowa PrPC jest niezbędna do interakcji białka z partnerami wiążącymi, które regulują wychwyt PrPC w transporcie [54,55]. W przypadku braku N1, C1 tworzy kompleksy na błonie komórkowej [56] i jest bardziej stabilny i trwały na powierzchni komórki niż PrPC [50].

Fragment C1 można rozszczepić na powierzchni komórki i uwolnić do przestrzeni zewnątrzkomórkowej [57]. Stwierdzono, że C1 hamuje replikację prionów u myszy [58,59], podczas gdy fragment N1 ma działanie neuroprotekcyjne [60,61]; brak rozszczepienia jest toksyczny zarówno dla komórek, jak i myszy [47,62].

3.2. -Łupliwość

-Rozszczepienie ma miejsce na końcu regionu powtórzeń oktapeptydu, N-końcowego miejsca rozszczepienia. Rozszczepienie obserwuje się głównie w stanach patologicznych i jest podobne do rozszczepienia. Wydaje się, że działa ochronnie.

Zachodzi wokół reszty aminokwasowej 90, tworząc fragment N2 (~9 kDa) i fragment C2 (~20 kDa) [36,37,48,63](Rysunek 1). W rozszczepianiu PrPC pośredniczą reaktywne formy tlenu (ROS) [37,63–66].

Usuwając ROS, rozszczepienie chroni komórki przed stresem oksydacyjnym [65]. Oprócz ROS rozszczepienie -indukują kalpainy [67], proteazy lizosomalne [68,69], a nawet ADAM8 [47].

Proteinaza K rozszczepia odporny na proteazy rdzeń PrPSc (PrP27–30) w pobliżu pozycji 90, tworząc fragment o długości podobnej do C2. Podobnie jak fragment C1, fragment C2 może również zostać usunięty z powierzchni komórki [70].

Utworzenie takiego fragmentu wskazuje, że proteazy biorące udział w rozszczepieniu - mogą być również zaangażowane w komórkowe próby rozkładu PrPSc [71,72].

3.3. -Łupliwość

Ostatnio odkrytym rozszczepieniem PrPC przez proteazę jest rozszczepienie -. Miejsce cięcia w PrPC pozostaje do ustalenia, ale rozmiary uwolnionego fragmentu N3 (~20 kDa) i zakotwiczonego w GPI fragmentu C3 (~5 kDa) sugerują, że cięcie białka zachodzi w regionie pomiędzy resztami aminokwasowymi 170 i 200 [73, 74] (ryc. 1).

Badania wskazują, że rozszczepienie następuje późno w szlaku wydzielniczym nieglikozylowanego białka w obecności członków rodziny metaloproteaz macierzy (MMP) [73].

Sugeruje się, że powodem, dla którego rozszczepienie β występuje tylko na nieglikozylowanym PrPC jest zawada przestrzenna proteaz przez glikany w pobliżu proponowanego miejsca rozszczepienia [40,75].

Stwierdzono, że rozszczepienie - występuje w różnych gatunkach, tkankach i modelach hodowli komórkowych. Określenie jego roli wymaga dalszych badań, chociaż wskazanie zwiększonej ilości fragmentu C3 w mózgu CJD może prowadzić do potencjalnego znaczenia patogennego [73].

3.4. Wydalanie białka prionowego

Istnieje również istotne rozszczepienie PrP w pobliżu C-końca. Rozszczepienie uwalnia PrP do przestrzeni zewnątrzkomórkowej, pozostawiając niewielką liczbę reszt aminokwasowych na powierzchni komórki.

Rozszczepienie opisano we wczesnych badaniach [35,39,76,77], ale w ostatnich latach poświęcono mu więcej uwagi ze względu na udział wydalanego PrP w chorobach [40,63,78–83].

Podobnie jak w przypadku rozszczepienia, wydalanie PrP zachodzi w obecności enzymów z rodziny ADAM. Doświadczenia in vitro i in vivo sugerują, że ADAM9 i ADAM10 biorą udział w procesie rozszczepiania i wydalania PrP [47,84–86], gdzie ADAM10 jest główną wydalaną dla PrP, a ADAM9 jest modulatorem aktywności ADAM10 [24 ].Shed PrP po raz pierwszy oznaczono u chomików.

W mózgu chomika zakażonego prionami shedPrP stanowi około 15% cząsteczek PrPSc [76]. Dalsza analiza wykazała, że ​​ADAM10 rozszczepił PrP pomiędzy Gly228 i Arg229 i utworzył PrP, który zakończył się na Gly228 [84].

Analiza badająca profil miejsca rozszczepienia ADAM10 ujawniła, że ​​cięcie nie jest indukowane przez unikalną sekwencję [87].

W konsekwencji proteaza ADAM10 może wytwarzać warianty zrzuconego PrP w zależności od sekwencji i konformacji białka. Jansen i wsp. opisali istnienie niezakotwiczonych form PrP kończących się na Tyr225 i Tyr226 u pacjentów z chorobą prionową [88].

Autorzy scharakteryzowali dwóch pacjentów z chorobą prionową, którzy nosili mutacje stop w pozycjach Y226X i Q227X i wyrażali odpowiednie formy. Stosując przeciwciało monoklonalne V5B2 [89], które specyficznie wiąże się z fragmentem PrP kończącym się na Tyr226, jednocześnie opisaliśmy istnienie wolnej formy PrP nazwanej PrP226* [90–94].

Dystrybucję PrP226* w ludzkim mózgu powiązano z dystrybucją PrPSc [90,94]. Ze względu na istnienie więcej niż jednej formy zrzuconej, postawiliśmy hipotezę, że miejsce proteolityczne w ludzkiej sekwencji nie jest zlokalizowane wyłącznie pomiędzy resztami aminokwasowymi 228 i 229, ale jest zlokalizowane w pobliżu C-końca [95] (ryc. 1).

Ostatnio Linsenmeier i in. opublikowali kompleksowe badanie dotyczące mechanizmu stymulującego wydalanie proteolityczne PrPC [81]. Korzystając z modeli zwierzęcych i kontroli, wykazano, że wydalanie PrP ujemnie koreluje z konwersją prionów i że wydalanie PrP jest obficie obecne w płytkach amyloidowych.

Zbadali także wpływ wiązania przeciwciał skierowanych przeciwko PrP do PrPC na skłonność do siewstwa. Wiązanie całych przeciwciał anty-PrP z C-końcową strukturalną domeną PrPC lub pochodnymi przeciwciał jednołańcuchowych, skierowanymi w stronę powtarzalnych epitopów w regionie oktarpeatu domeny N-końcowej, stymulowało wydalanie, gdy wiązanie całych przeciwciał anty-PrP z oktarpeatem region domeny N-końcowej blokował strukturę domeny N-końcowej i wywoływał skupienie powierzchniowe PrPC, endocytozę i degradację w lizosomach [81].

4. Białko prionowe i mielinizacja

PrPC ulega znacznej ekspresji w ośrodkowym układzie nerwowym (OUN) i obwodowym układzie nerwowym [4,5]. Badania na mózgach naczelnych, mózgach gryzoni i myszach transgenicznych wykazały, że jest on wzbogacony wzdłuż aksonów i w zakończeniach presynaptycznych, gdzie bierze udział w transporcie aksonalnym wstecznym i postępowym [4,17,18,96–98].

Delecje w regionie rozszczepienia PrPC wykazały silną demielinizację zarówno w rdzeniu kręgowym, jak i istocie białej móżdżku in vivo [99,100]. Później potwierdzono, że aksonalny PrPC i jego rozszczepienie są niezbędne do promielinizacji w obwodowym układzie nerwowym [101].

Korzystając z modelu myszy z nokautem koizogenicznego PrP, Kuffer i in. odkryli, że aksonalny PrPC promuje utrzymanie mieliny w trans poprzez wiązanie się z receptorem Adgrg6 sprzężonym z białkiem G na komórkach Schwanna z N-końcowym elastycznym ogonem [7].

Potwierdzili również, że u myszy pozbawionych PrPC rozwinęła się przewlekła neuropatia demielinizacyjna, co sugeruje, że homeostaza mielinizacji w obwodowym układzie nerwowym jest w dobrej wierze fizjologiczną funkcją PrPC [7].

Stwierdzono, że utrzymanie mieliny jest regulowane poprzez wiązanie uwolnionego na N-końcu fragmentu PrPC (prawdopodobnie N1 lub wydalony PrP) z Adgrg6 na komórkach Schwanna.

Interakcja aktywowała Adgrg6, zwiększyła komórkowe poziomy cAMP i uruchomiła kaskadę sygnalizacji, która promowała mielinizację [7]. Regulację utrzymania mieliny obwodowej przez PrPC potwierdzono w pięciu różnych modelowych szczepach myszy z nokautem PrP, u których rozwinęła się neuropatia obwodowa o późnym początku [101–103].

Ostatnio podjęto próbę opracowania leczenia obwodowych chorób demielinizacyjnych w oparciu o wiązanie pomiędzy N-końcową domeną PrPC i Adgrg6 [104]. W tym badaniu skonstruowali cząsteczkę immunoadhezyny składającą się z dwóch elastycznych N-końcowych domen PrPC połączonych z fragmentem ulegającym krystalizacji (Fc) immunoglobuliny G1 (FT2Fc) [104].

Cząsteczka wykazywała korzystne właściwości farmakokinetyczne i wykazywała potencjał in vitro, ale nie miała działania terapeutycznego na wczesne molekularne objawy demielinizacji u myszy z nokautem PrP [104].

PrPC badano także pod kątem rozwoju i regeneracji mieliny obwodowej po urazach nerwów [105]. Ponieważ stwierdzono, że PrP jest zbędny w tym mechanizmie, można założyć, że PrP nie odgrywa większej roli w procesie naprawy nerwów obwodowych lub jego brak może być kompensowany przez inne ligandy [105].

Mielinizację i inne fizjologiczne role PrPC intensywnie badano na modelach zwierzęcych z ekspresją genu PrP z nokautem lub nokautem.

Badania wykazały ograniczone negatywne skutki u myszy [102,106–109], bydła [110] i kóz [68,111,112], podczas gdy badania na myszach i kozach z nokautem PrP wykazały defekty układu nerwowego i wrażliwość na stres oksydacyjny [6,101,111,113]. Wygenerowano kilka modeli myszy z nokautem PrP na mieszanym tle [106,109,114–116].

Ponieważ badania nie są powtarzalne między modelami, może to rodzić pytanie, czy jakiekolwiek zaobserwowane fenotypy były w rzeczywistości spowodowane polimorfizmami w genach flankujących Prnp, czy też wynikiem braku PrPC. Aby uniknąć tego problemu, wskazane byłoby powtórzenie kluczowych eksperymentów z użyciem koizogenicznych myszy PrPknockout.

Chociaż należy wyjaśnić rolę PrPC w OUN, PrPC i fragmenty uwalniane przez PrPC są niezbędne w homeostazie mieliny nerwów obwodowych, ale mogą być niezbędne w regeneracji nerwów.

For more information:1950477648nn@gamil.com