Prionski protein: Molekula mnogih oblika i lica, 1. dio

Sažetak: Stanični prionski protein (PrPC) je protein vezan za glikozilfosfatidilinozitol (GPI) koji se najviše nalazi u vanjskoj membrani neurona. Zbog strukturnih karakteristika (fleksibilna tajlandska strukturirana jezgra), PrPC komunicira sa širokim rasponom partnera.

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

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

Nedavna studija pokazala je da virusni protein HSV-1 može pospješiti razvoj i održavanje pamćenja kod ljudi i životinja. Rezultati ove studije pokazali su da se infekcija HSV-1 uglavnom javlja u vrlo ranim fazama ljudskog života, a virusni se proteini nakupljaju u ljudskom živčanom sustavu i reguliraju otpuštanje neurotransmitera i sinaptički prijenos. Ovi regulatorni učinci pomažu poboljšati funkciju pamćenja mozga i poboljšati prostornu spoznaju i pozornost.

Osim toga, virusni protein HSV-1 također ima određeni odnos s imunološkim odgovorom tijela i antivirusnim odgovorom. Studije su pokazale da utjecaj virusnog proteina HSV-1 aktivira imunološki odgovor organizma i aktivno djeluje na "memorijske T stanice" u tijelu, čime se jača antivirusna obrana organizma. Ovo otkriće ima dalekosežno značenje za istraživanje odnosa između HSV-1 i životinjskog imuniteta.

Ukratko, odnos između proteina staničnog prionskog virusa i pamćenja pruža širok istraživački prostor za buduća istraživanja pamćenja, funkcije živčanog sustava i imunološkog odgovora, a očekuje se da će igrati važnu ulogu u prevenciji i liječenju povezanih bolesti. Vidi se da moramo poboljšati pamćenje, a Cistanche može značajno poboljšati pamćenje jer Cistanche također može regulirati ravnotežu neurotransmitera, poput povećanja razine acetilkolina i faktora rasta koji su vrlo važni za pamćenje i učenje. Osim toga, Cistanche također može poboljšati protok krvi i pospješiti opskrbu kisikom, što može osigurati da mozak dobije dovoljno hranjivih tvari i energije, čime se poboljšava vitalnost i izdržljivost mozga.

Kliknite znati suplemente za poboljšanje pamćenja

Iako je predloženo da je PrPC uključen u mnoge fiziološke funkcije, samo je homeostaza mijelinizacije perifernih živaca do sada potvrđena kao vjerodostojna funkcija.

Pogrešno savijanje PrPC uzrokuje prionske bolesti i dokazano je da PrPC posreduje u neurotoksičnosti izazvanoj bogatim oligomerima kod Alzheimerove i Parkinsonove bolesti, kao i neuroprotekciji kod ishemije.

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

U ovom pregledu opisat ćemo svojstva prionskih proteina i fragmenata prionskih proteina, kao i pregled njihove uključenosti u interakcijske partnere i signalne putove 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) visoko je očuvan sveprisutni glikoprotein. Postoji u dva oblika; normalna ili stanična izoforma, PrPC, i infektivna izoforma scrapie povezana s bolešću PrP, PrPSc.

Patološka uloga PrPSc-a opsežno je proučavana u priontopatiji i prikazana je u nekoliko radova [1-3]. PrPC se eksprimira u nizu različitih organa i tkiva s visokim razinama ekspresije u središnjem i perifernom živčanom sustavu.

U izobilju je prisutan na staničnoj površini neurona [4-6] i uključen je u mnoge fiziološke mehanizme. Funkciju proteina tek treba razjasniti; unatoč tome, intenzivne studije povezuju PrPC s homeostazom mijelina [7], neuroprotekcijom [8,9], cirkadijalnim ritmom [10,11], homeostazom metalnih iona [12,13], homeostazom mitohondrija [14] i međustaničnom signalizacijom [6,15 ,16].

U neuronima, PrPC je prisutan u presinaptičkim i postsinaptičkim odjeljcima aksonskih završetaka gdje je uključen u anterogradni i retrogradni aksonski transport [17-20]. PrPC se cijepa na staničnoj membrani proteazama, tvoreći otpuštene i pričvršćene oblike.

Posljednjih godina prionprotein i oblici koji se oslobađaju prionskih proteina privukli su pozornost u korelaciji s neuroprotekcijom kod neurodegenerativnih bolesti.

U ovom pregledu predstavljamo prionske proteine ​​i oslobođene oblike prionskih proteina, sažimamo njihovu uključenost u mijelinizaciju, neuroprotekciju i neurodegenerativne bolesti te raspravljamo o najnovijim otkrićima u ovom području.

2. Prionski protein

Zreli ljudski PrPC sastoji se od fleksibilne nestrukturirane N-terminalne domene (aminokiselinski ostaci 23-120) i strukturirane C-terminalne domene (aminokiselinski ostaci 121-231).

Usidren je za staničnu membranu s glikozilfosfatidilinozitolnim (GPI) sidrom [21,22]. Fleksibilna N-terminalna domena sadrži oktarepet regiju dok se strukturirana domena sastoji od tri spirale, dvije ploče, disulfidne veze koja povezuje cisteine ​​179 i 214, i dva N-glikana na aminokiselinskim ostacima 181 i 197 [23,24] (Slika 1).

PrPC se može transformirati u izoformu PrPSc bogatu slojevima, koja je sklona autokatalitičkoj pretvorbi i agregaciji u netopljive agregate [22,25,26]. Abnormalno nakupljanje patološkog proteina u mozgu može uzrokovati razvoj transmisivnih spongiformnih encefalopatija (TSE), također poznatih kao prionske bolesti.

Prionske bolesti uključuju Creutzfeldt-Jakobovu bolest (CJD), Gerstmann-Sträussler-Scheinkerov sindrom (GSS), fatalnu obiteljsku nesanicu (FFI) i kuru kod ljudi, goveđu spongiformnu encefalopatiju kod goveda, scrapie kod koza i ovaca i bolest kroničnog gubitka kod jelena.

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

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

Osim što je supstrat za razvoj prionskih bolesti, PrPC može poslužiti kao receptor za citotoksične amiloidne (A) oligomere [20,28] i toksične topive agregate tau proteina kod AD i drugih tauopatija [29,30].

Postoje i suprotne studije o vezanju PrPC-sinukleina (-syn) oligomera u Parkinsonovoj bolesti (PD) i drugim sinukleinopatijama, otvarajući raspravu o ulozi PrPC-a u toksičnosti -sinukleina [30-33].

3. Fragmenti prionskih proteina

PrPC može proći kroz četiri posttranslacijska cijepanja, tvoreći PrP fragmente (Slika 1). -Cijepanje i -cijepanje događaju se unutar nestrukturirane N-terminalne domene, dok se -cijepanje i odvajanje PrP-a događaju unutar strukturirane C-terminalne domene.

Osim spomenutih cijepanja, PrPC je cijepan u eksperimentalnim uvjetima s fosfolipazom C, koja je cijepala PrPC unutar GPI sidra [34,35]. Mjesto cijepanja, duljina fragmenta i pričvršćivanje na membranu omogućuju fragmentima da sudjeluju u različitim mehanizmima.

3.1. -Dekolte

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

Cijepanjem se oslobađa ~11 kDa fragment N1, dok ~18 kDa dio C1 ostaje vezan za staničnu membranu pomoću GPIankera [36,39]. Za sada ne postoji jedinstveni enzim odgovoran za cijepanje [24,40].

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

Studije su pokazale da se cijepanje u ljudskom mozgu, mišjim modelima i neuronskim kulturama događa u prisutnosti enzima ADAM10 i ADAM17 [41-43]. ADAM10 doprinosi konstitutivnoj proizvodnji N1, dok ADAM17 uglavnom sudjeluje u stvaranju N1 nakon stimulacije [44]. ,45]. Također je pokazano da ADAM8 cijepa PrPC u obliku N1 i C1 u mišićima [46].

Uloga ADAM8, ADAM10 i ADAM17 u cijepanju također je podržana u biofizičkoj studiji [47]. Fragment N1 ima relativno nisku stabilnost; unatoč tome, utvrđeno je da je prisutan u tjelesnim tekućinama, tkivnim homogenatima ili supernatantima staničnih kultura [39,48,49].

U početku se mislilo da se cijepanje odvija u kiselim endosomskim odjeljcima [50,51], ali su kasnije studije pokazale da se cijepanje događa tijekom vezikularnog prometa PrPC duž sekretornog puta [52,53].

Cijepanje koristi PrPC kao supstrat, što dovodi do smanjenja površine stanice. Kako je PrPC također supstrat za replikaciju priona i ključni posrednik toksičnosti u prionskim bolestima, AD i drugim neurodegenerativnim bolestima, cijepanje ima pozitivan biološki učinak.

Fleksibilni N-terminalni dio PrPC-a bitan je za interakciju proteina s veznim partnerima koji reguliraju unos PrPC-a u trgovini [54,55]. Bez N1, C1 stvara komplekse na staničnoj membrani [56] i stabilniji je i postojaniji na površini stanice od PrPC [50].

Fragment C1 može se odcijepiti na površini stanice i otpustiti u izvanstanični prostor [57]. Utvrđeno je da C1 inhibira replikaciju priona kod miševa [58,59], dok je fragment N1 neuroprotektivan [60,61]; odsutnost cijepanja je toksična i za stanice i za miševe [47,62].

3.2. -Dekolte

Cijepanje se odvija na kraju N-terminala regije ponavljanja oktapeptida na mjestu cijepanja. -Cijepanje se uglavnom opaža u patološkim uvjetima i slično je -cijepanju. Čini se da djeluje zaštitnički.

Odvija se oko aminokiselinskog ostatka 90, tvoreći fragment N2 (~9 kDa) i fragment C2 (~20 kDa) [36,37,48,63] (Slika 1). Cijepanje PrPC-a posredovano je reaktivnim kisikovim vrstama (ROS) [37,63-66].

Uklanjanjem ROS-a, cijepanje štiti stanice od oksidativnog stresa [65]. Osim ROS-a, cijepanje je inducirano kalpainima [67], lizosomalnim proteazama [68,69] ili čak ADAM8 [47].

Proteinaza K cijepa jezgru PrPSc (PrP27–30) otpornu na proteazu blizu položaja 90, stvarajući fragment duljine slične C2. Slično fragmentu C1, fragment C2 također može iscuriti s površine stanice [70].

Stvaranje takvog fragmenta ukazuje da bi proteaze uključene u cijepanje također mogle biti uključene u stanične pokušaje razgradnje PrPSc [71,72].

3.3. -Dekolte

Najnovije otkriveno proteazno cijepanje PrPC je -cijepanje. Mjesto cijepanja u PrPC tek treba utvrditi, 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 neglikoziliranom proteinu u prisutnosti članova obitelji matričnih metaloproteaza (MMP) [73].

Pretpostavlja se da je razlog zašto do cijepanja dolazi samo na neglikoziliranom PrPC sterička smetnja proteaza od strane glikana u blizini predloženog mjesta cijepanja [40,75].

Utvrđeno je da cijepanje postoji u različitim vrstama, tkivima i modelima staničnih kultura. Određivanje njegove uloge zahtijeva daljnje proučavanje, iako indikacija povećanih količina fragmenta C3 u CJD mozgu može dovesti do mogućeg patogenog značaja [73].

3.4. Izbacivanje prionskog proteina

Također postoji važno cijepanje PrP u blizini C-kraja. Cijepanje odbacuje PrP u izvanstanični prostor, ostavljajući mali broj aminokiselinskih ostataka na površini stanice.

Cijepanje je opisano u ranim istraživanjima [35,39,76,77], ali mu se posljednjih godina posvetilo više pozornosti zbog uključenosti izlučenog PrP-a u bolesti [40,63,78–83].

Slično cijepanju, izdvajanje PrP događa se u prisutnosti enzima iz obitelji ADAM. In vitro i in vivo pokusi sugeriraju da su ADAM9 i ADAM10 uključeni u proces cijepanja i odvajanja PrP [47,84–86] gdje je ADAM10 primarna sheddaza za PrP, a ADAM9 je modulator aktivnosti ADAM10 [24 ].Shed PrP prvi je put određen u hrčaka.

U prionima zaraženom mozgu hrčaka, shedPrP je predstavljao približno 15% molekula PrPSc [76]. Daljnja analiza je pokazala da je ADAM10 cijepao izdvojeni PrP između Gly228 i Arg229 i formirao izdvojeni PrP koji je završio na Gly228 [84].

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

Posljedično, ADAM10 proteaza može proizvesti varijante izdvojenog PrP ovisno o sekvenci i konformaciji proteina. Jansen i suradnici opisali su postojanje neusidrenih PrP oblika koji završavaju s Tyr225 i Tyr226 u pacijenata s prionskom bolešću [88].

Autori su opisali dva pacijenta s prionskom bolešću koji su nosili stop mutacije na pozicijama Y226X i Q227X i eksprimirali dotične oblike. Koristeći monoklonsko protutijelo V5B2 [89] koje se specifično veže na fragment PrP-a koji završava s Tyr226, istodobno smo opisali postojanje slobodnog oblika PrP-a nazvanog PrP226* [90-94].

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

Nedavno su Linsenmeier i sur. objavio opsežnu studiju o mehanizmu stimuliranja proteolitičkog odvajanja PrPC [81]. Koristeći životinjske modele i kontrole, pokazali su da izbacivanje PrP-a negativno korelira s prionskom konverzijom i da je izlučeni PrP obilno prisutan u amiloidnim plakovima.

Također su proučavali utjecaj vezanja protutijela usmjerenih na PrP na PrPC na sklonost ispadanju. Vezanje cijelih anti-PrP protutijela na C-terminalnu strukturiranu domenu PrPC-a ili jednolančanih derivata protutijela, usmjereno prema ponavljajućim epitopima unutar regije oktarepeta N-terminalne domene stimulira odvajanje, kada je vezanje cijelih anti-PrP protutijela na oktarepet regija N-terminalne domene zaključala je strukturu N-terminalne domene i izazvala površinsko grupiranje PrPC, endocitozu i razgradnju u lizosomima [81].

4. Prionski protein i mijelinizacija

PrPC je obilno izražen u središnjem živčanom sustavu (CNS) i perifernom živčanom sustavu [4,5]. Studije na mozgovima primata, mozgovima glodavaca i transgenim miševima pokazale su da je obogaćen duž aksona i u presinaptičkim terminalima gdje je uključen u anterogradni i retrogradni aksonski transport [4,17,18,96–98].

Delecije u regiji cijepanja PrPC-a pokazale su ozbiljnu demijelinizaciju u leđnoj moždini i bijeloj tvari malog mozga in vivo [99,100]. Kasnije je potvrđeno da su aksonski PrPC i njegovo cijepanje potrebni za promijelinizaciju u perifernom živčanom sustavu [101].

Koristeći model koizogenog PrP-nokaut miša, Kuffer et al. otkrili su da aksonski PrPC potiče održavanje mijelina u transu putem vezanja na adhezijski G-protein spregnuti receptor Adgrg6 na Schwannovim stanicama s N-terminalnim fleksibilnim repom [7].

Također su potvrdili da su miševi bez PrPC-a razvili kroničnu demijelinizirajuću neuropatiju, što sugerira da je homeostaza mijelinizacije u perifernom živčanom sustavu vjerodostojna fiziološka funkcija PrPC-a [7].

Utvrđeno je da je održavanje mijelina regulirano vezanjem N-terminalno otpuštenog fragmenta PrPC (vjerojatno N1 ili odvojeni PrP) na Adgrg6 na Schwannovim stanicama.

Interakcija je aktivirala Adgrg6, povećala stanične razine cAMP-a i pokrenula signalnu kaskadu koja je pospješila mijelinizaciju [7]. Regulacija održavanja perifernog mijelina pomoću PrPC-a potvrđena je u pet različitih PrP-nokautiranih mišjih sojeva koji su razvili perifernu neuropatiju s kasnim početkom [101-103].

Nedavno je bilo pokušaja da se razvije tretman za periferne demijelinizirajuće bolesti koji se temelji na vezanju između N-terminalne domene PrPC i Adgrg6 [104]. U ovoj su studiji konstruirali molekulu imunoadhezina koja se sastoji od dvije fleksibilne N-terminalne domene PrPC-a povezane s akristalizirajućim fragmentom (Fc) imunoglobulina G1 (FT2Fc) [104].

Molekula je pokazala povoljna farmakokinetička svojstva i pokazala potencijal in vitro, ali nije imala terapijski učinak na rane molekularne znakove demijelinizacije u PrP-nokautiranih miševa [104].

PrPC je također proučavan u vezi s razvojem perifernog mijelina i regeneracijom nakon ozljeda živaca [105]. Kako je utvrđeno da je PrP nezamjenjiv u ovom mehanizmu, moglo bi se pretpostaviti da PrP nema glavnu ulogu u procesu popravka perifernih živaca ili bi se njegova odsutnost mogla nadoknaditi drugim ligandima [105].

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

Studije su pokazale ograničene negativne učinke kod miševa [102,106-109], goveda [110] i koza [68,111,112], dok su studije na PrP-nokautiranim miševima ili kozama pokazale nedostatke u živčanom sustavu i osjetljivost na oksidativni stres [6,101,111,113]. Nekoliko PrP-nokautiranih miševa stvoreno je s mješovitom pozadinom [106,109,114-116].

Budući da studije nisu reproducibilne među modelima, ovo bi moglo pokrenuti pitanje jesu li neki promatrani fenotipovi zapravo bili posljedica polimorfizama u genima koji prate Prnp ili rezultat odsutnosti PrPC-a. Kako bi se izbjegao ovaj problem, bilo bi preporučljivo ponoviti ključne pokuse koristeći koizogene PrPknockout miševe.

Iako ulogu PrPC u središnjem živčanom sustavu treba razjasniti, PrPC i fragmenti oslobođeni PrPC neophodni su u homeostazi mijelina perifernih živaca, ali mogu biti nezamjenjivi u oporavku živaca.

For more information:1950477648nn@gamil.com