Главный прионный белок ( PrP ) в организме человека кодируется геном PRNP , также известным как CD230 ( кластер дифференцировки 230). [5] [6] [7] [8] Экспрессия белка наиболее преобладает в нервной системе , но встречается и во многих других тканях по всему организму. [9] [10] [11]
Белок может существовать в нескольких изоформах : нормальной форме PrP C и устойчивой к протеазе форме, обозначенной PrP Res , такой как вызывающий заболевания PrP Sc (скрапи), и изоформа, локализованная в митохондриях . Неправильно свернутая версия PrP Sc связана с различными когнитивными расстройствами и нейродегенеративными заболеваниями, такими как у животных: скрепи овец , губчатая энцефалопатия крупного рогатого скота (ГЭКРС, коровье бешенство), губчатая энцефалопатия кошек , трансмиссивная энцефалопатия норок (ТМЕ), экзотическая энцефалопатия копытных , хроническая истощающая болезнь (CWD), поражающая оленей ; и у людей: болезнь Крейтцфельдта-Якоба (БКЯ), фатальная семейная бессонница (ФФИ), синдром Герстмана-Штраусслера-Шейнкера (ГСС), куру и вариант болезни Крейцфельдта-Якоба (вБКЯ). Существует сходство между куру, которое, как полагают, возникает в результате употребления человеком в пищу больных людей, и vCJD, которое, как считается, возникает в результате употребления человеком продуктов крупного рогатого скота, зараженных ГЭКРС.
Ген PRNP человека расположен на коротком (p) плече хромосомы 20 между концом (концом) плеча и позицией 13, от пары оснований 4 615 068 до пары оснований 4 630 233.
PrP высоко консервативен у млекопитающих, что подтверждает выводы, полученные на подопытных животных, таких как мыши. [12] Сравнение между приматами особенно похоже: сходство аминокислотных последовательностей варьируется от 92,9 до 99,6% . Структура человеческого белка состоит из глобулярного домена с тремя α-спиралями и двухцепочечным антипараллельным β-листом , NH2 - концевого хвоста и короткого COOH -концевого хвоста. [13] Мембранный якорь гликофосфатидилинозитола (GPI) на СООН-конце привязывает PrP к клеточным мембранам , и это оказывается неотъемлемой частью передачи конформационных изменений; секретируемый PrP, лишенный якорного компонента, не подвержен влиянию инфекционной изоформы. [14]
Первичная последовательность PrP состоит из 253 аминокислот задолго до посттрансляционной модификации . Сигнальные последовательности на амино- и карбокси -концах удаляются посттрансляционно, в результате чего зрелая длина составляет 208 аминокислот. Для PrP человека и золотистого хомячка на спиралях 2 и 3 существуют два гликозилированных сайта: Asn 181 и Asn197. Мышиный PrP имеет сайты гликозилирования Asn180 и Asn196. Дисульфидная связь существует между Cys 179 второй спирали и Cys214 третьей спирали (нумерация PrP C человека ).
Информационная РНК PrP содержит структуру псевдоузла ( прионный псевдоузел ), который, как полагают, участвует в регуляции трансляции белка PrP . [15]
Предполагается, что механизмом конформационного преобразования в изоформу скрепи является неуловимый белок- лиганд , но до сих пор такое соединение не было идентифицировано. Тем не менее, было проведено большое количество исследований кандидатов и их взаимодействия с PrP C. [16]
Медь , цинк , марганец и никель являются подтвержденными лигандами PrP, которые связываются с его октарепатовой областью. [17] Связывание лиганда вызывает конформационные изменения с неизвестным эффектом. Связывание тяжелых металлов с помощью PrP связано с устойчивостью к окислительному стрессу , возникающему в результате токсичности тяжелых металлов . [17] [18]
Хотя точная функция PrP еще не известна, возможно, он участвует в транспортировке ионной меди в клетки из окружающей среды. Исследователи также предположили роль PrP в передаче сигналов клетками или в формировании синапсов . [19] PrPC прикрепляется к внешней поверхности клеточной мембраны с помощью гликозилфосфатидилинозитолового якоря на С -концевом Ser 231.
Прионный белок содержит пять октапептидных повторов с последовательностью PHGGGWGQ (хотя первый повтор имеет слегка модифицированную последовательность с дефицитом гистидина PQGGGGWGQ). Считается, что это приводит к образованию медь- связывающего домена за счет атомов азота в боковых цепях гистидинимидазола и депротонированных амидных атомов азота из 2-го и 3-го глицинов в повторе. Таким образом, способность связывать медь зависит от pH . ЯМР показывает, что связывание меди приводит к конформационным изменениям на N-конце .
PrP Sc представляет собой конформационную изоформу PrPC , но эта ориентация имеет тенденцию накапливаться в компактных, устойчивых к протеазам агрегатах внутри нервной ткани. [20] Аномальная изоформа PrP Sc имеет вторичную и третичную структуру, отличную от PrPC , но идентичную первичную последовательность. Круговой дихроизм показывает, что нормальный PrPC содержит 42% альфа-спирали и 3% бета-листа , тогда как PrP Sc состоит только из 30% альфа-спирали и 43% бета-листа. [21] Однако наличие альфа-спиралей в инфекционных PrP Sc оказалось под вопросом, поскольку современные модели предполагают полное отсутствие альфа-спиралей, замененное вместо этого полным составом бета-листов. [22] Эта рефолдинг делает изоформу PrP Sc чрезвычайно устойчивой к протеолизу .
Распространение PrP Sc представляет большой интерес, поскольку его накопление является патологической причиной нейродегенерации . Основываясь на прогрессирующем характере губчатых энцефалопатий, преобладающая гипотеза утверждает, что изменение нормального PrP C вызвано присутствием и взаимодействием с PrP Sc . [23] Сильное подтверждение этому получено в исследованиях, в которых мыши с нокаутом PRNP устойчивы к введению PrP Sc . [24] Несмотря на широкое признание гипотезы конформационной конверсии, некоторые исследования опровергают утверждения о прямой связи между PrP Sc и цитотоксичностью . [25]
Полиморфизмы в сайтах 136, 154 и 171 связаны с различной восприимчивостью к скрепи овец . (Эти сайты овцы соответствуют человеческим сайтам 133, 151 и 168.) Полиморфизмы формы PrP-VRQ и формы PrP-ARQ связаны с повышенной восприимчивостью, тогда как PrP-ARR связан с устойчивостью. Национальный план Великобритании по скрепи направлен на выведение этих полиморфизмов скрепи за счет увеличения частоты устойчивых аллелей. [26] Однако полиморфизмы PrP-ARR восприимчивы к атипичному скрепи, поэтому это может оказаться бесплодным.
Тесная связь с нейродегенеративными заболеваниями поднимает множество вопросов о функции PrP в мозге. Распространенный подход заключается в использовании PrP-нокаутных и трансгенных мышей для исследования недостатков и различий. [27] Первоначальные попытки позволили получить две линии мышей с нулевым уровнем PrP, которые не показали никаких физиологических различий или различий в развитии при проведении ряда тестов. Однако более поздние штаммы показали значительные когнитивные нарушения. [16]
По мере старения нулевых мышей заметная потеря клеток Пуркинье в мозжечке приводит к снижению координации движений. Однако этот эффект не является прямым результатом отсутствия PrP, а скорее возникает из-за повышенной экспрессии гена Doppel . [28] Другие наблюдаемые различия включают снижение реакции на стресс и более активное исследование новой среды. [29] [30]
Циркадный ритм изменен у нулевых мышей. [11] Фатальная семейная бессонница, как полагают, является результатом точечной мутации PRNP в кодоне 178, что подтверждает участие PrP в циклах сна-бодрствования. [31] Кроме того, циркадная регуляция была продемонстрирована в мРНК PrP, которая регулярно циклически сменяет день и ночь. [32]
Хотя нулевые мыши демонстрируют нормальную способность к обучению и кратковременную память , был продемонстрирован дефицит консолидации долговременной памяти . Как и в случае с атаксией , это связано с экспрессией гена Доппель. Однако пространственное обучение , преимущественно функция гиппокампа, снижается у нулевых мышей и может быть восстановлено с восстановлением PrP в нейронах; это указывает на то, что причиной является потеря функции PrP. [33] [34] Взаимодействие PrP гиппокампа с ламинином (LN) имеет решающее значение в обработке памяти и, вероятно, модулируется киназами PKA и ERK1/2. [35] [36]
Дальнейшее подтверждение роли PrP в формировании памяти получено в нескольких популяционных исследованиях. Тест на здоровых молодых людях показал увеличение способности долговременной памяти, связанной с генотипом MM или MV, по сравнению с VV. [37] Пациенты с синдромом Дауна с единственной заменой валина были связаны с более ранним снижением когнитивных функций. [38] Некоторые полиморфизмы PRNP связаны с когнитивными нарушениями у пожилых людей, а также с более ранним снижением когнитивных функций . [39] [40] [41] Во всех этих исследованиях изучались различия в кодоне 129, что указывает на его важность в общей функциональности PrP, в частности в отношении памяти.
PrP присутствует как в пре-, так и в постсинаптическом отделе, с наибольшей концентрацией в пресинаптической части. [42] Учитывая это, а также набор поведенческих влияний PrP, функции и взаимодействия нервных клеток представляют особый интерес. Одна предложенная функция, основанная на медном лиганде, представляет PrP как медный буфер для синаптической щели . В этой роли белок может служить либо механизмом гомеостаза меди , модулятором кальция, либо сенсором меди или окислительного стресса. [43] Потеря функции PrP связана с долговременной потенциацией (LTP). Этот эффект может быть положительным или отрицательным и обусловлен изменением возбудимости нейронов и синаптической передачи в гиппокампе . [44] [45]
Некоторые исследования указывают на участие PrP в развитии, дифференцировке и росте нейритов нейронов . Путь передачи сигнала, активируемый PrP, связан с разрастанием аксонов и дендритов с помощью ряда киназ. [25] [46]
Хотя основное внимание уделяется присутствию PrP в нервной системе, его также много в тканях иммунной системы. Иммунные клетки PrP включают гемопоэтические стволовые клетки, зрелые лимфоидные и миелоидные компартменты и некоторые лимфоциты ; кроме того, он был обнаружен в естественных клетках-киллерах , тромбоцитах и моноцитах . Активация Т-клеток сопровождается сильным усилением PrP, хотя это и не является обязательным. Отсутствие иммунного ответа на трансмиссивные губчатые энцефалопатии (TSE), нейродегенеративные заболевания, вызываемые прионами, может быть связано с толерантностью к PrP Sc . [47]
Мыши с нулевым уровнем PrP дают ключ к пониманию роли в мышечной физиологии, когда их подвергают тесту на принудительное плавание, который показал снижение двигательной активности. У стареющих мышей со сверхэкспрессией PRNP наблюдалась значительная деградация мышечной ткани.
Несмотря на его присутствие, в печени существуют очень низкие уровни PrP, которые могут быть связаны с фиброзом печени. Было показано, что присутствие PrP в гипофизе влияет на нейроэндокринную функцию у амфибий, но о гипофизе млекопитающих мало что известно. [16]
Изменение экспрессии PrP в клеточном цикле привело к предположениям об его участии в развитии. Был проведен широкий спектр исследований по изучению роли в пролиферации, дифференцировке, гибели и выживании клеток. [16] Участие PrP связано с активацией передачи сигнала .
Модуляция путей передачи сигнала была продемонстрирована при перекрестном связывании с антителами и связывании лиганда (hop/STI1 или медь). [16] Учитывая разнообразие взаимодействий, эффектов и распределения, PrP был предложен как динамический поверхностный белок, функционирующий в сигнальных путях. Определенные участки белка связывают другие белки, биомолекулы и металлы. Эти интерфейсы позволяют определенным наборам клеток взаимодействовать в зависимости от уровня экспрессии и окружающей микросреды. Закрепление на рафте GPI в липидном бислое подтверждает утверждения о функции внеклеточного каркаса . [16]
У людей с наследственными прионными заболеваниями выявлено более 20 мутаций гена PRNP , среди которых: [48] [49]
Преобразование конформации PrP C в PrP Sc является механизмом передачи фатальных нейродегенеративных трансмиссивных губчатых энцефалопатий (TSE). Это может возникнуть из-за генетических факторов, инфекции из внешнего источника или спонтанно по неизвестным причинам. Накопление PrP Sc соответствует прогрессированию нейродегенерации и является предполагаемой причиной. Некоторые мутации PRNP приводят к изменению отдельных аминокислот (строительных блоков белков) в прионном белке. Другие вставляют в белок дополнительные аминокислоты или вызывают образование аномально короткого белка. Эти мутации заставляют клетку вырабатывать прионные белки с аномальной структурой. Аномальный белок PrP Sc накапливается в мозге и разрушает нервные клетки, что приводит к психическим и поведенческим особенностям прионных заболеваний.
Некоторые другие изменения в гене PRNP (называемые полиморфизмами) не вызывают прионных заболеваний, но могут повлиять на риск развития этих заболеваний у человека или изменить течение заболеваний. Аллель , кодирующая вариант PRNP, G127V, обеспечивает устойчивость к куру . [52]
Кроме того, некоторые прионные заболевания могут передаваться от внешних источников PrP Sc . [53]
Белок PrP C является одним из нескольких клеточных рецепторов растворимых олигомеров бета-амилоида (Aβ), которые канонически участвуют в возникновении болезни Альцгеймера . [54] Эти олигомеры состоят из более мелких бляшек Aβ и наиболее повреждают целостность нейрона . [54] Точный механизм того, что растворимые олигомеры Aβ непосредственно вызывают нейротоксичность, неизвестен, а экспериментальное удаление PRNP у животных дало несколько противоречивых результатов. Когда олигомеры Aβ вводили в желудочки головного мозга мышиной модели болезни Альцгеймера, делеция PRNP не обеспечивала защиты, только антитела против PrP C предотвращали дефицит долговременной памяти и пространственного обучения . [55] [56] Это предполагает либо неравную связь между PRNP и нейродегенерацией, опосредованной олигомером Aβ, либо сайт-специфическую реляционную значимость. В случае прямого введения олигомеров Aβ в гиппокамп мыши , нокаутные по PRNP , оказались неотличимы от контроля как по уровню гибели нейронов, так и по измерениям синаптической пластичности . [54] [56] Далее было обнаружено, что Aβ-олигомеры связываются с PrPC на постсинаптической плотности , косвенно сверхактивируя рецептор NMDA через фермент Fyn , что приводит к эксайтотоксичности . [55] Растворимые олигомеры Aβ также связываются с PrPC на дендритных шипах , образуя комплекс с Fyn и чрезмерно активируя тау , еще один белок, участвующий в развитии болезни Альцгеймера. [55] Поскольку ген FYN кодирует фермент Fyn, у мышей с нокаутом по FYN не наблюдаются ни эксайтотоксические явления, ни сморщивание дендритных шипов при инъекции олигомеров Aβ. [55] У млекопитающих полное функциональное значение PRNP остается неясным, поскольку удаление PRNP профилактически применяется в животноводстве без видимого вреда. [54] У мышей эта же делеция фенотипически варьируется между линиями мышей с болезнью Альцгеймера, поскольку мыши hAPPJ20 и мыши TgCRND8 демонстрируют небольшое увеличение эпилептической активности, что способствует противоречивым результатам при изучении выживаемости при болезни Альцгеймера. [54]Следует отметить, что удаление PRNP как в APPswe, так и в SEN1dE9, двух других трансгенных моделях болезни Альцгеймера, ослабило фенотип смерти, вызванный эпилепсией, наблюдаемый у части этих животных. [54] В совокупности недавние данные свидетельствуют о том, что PRNP может иметь важное значение для обеспечения нейротоксических эффектов растворимых Aβ-олигомеров и развития развивающейся болезни Альцгеймера. [54] [55] [56]
У людей полиморфизм метионин / валин в кодоне 129 PRNP (rs1799990) наиболее тесно связан с болезнью Альцгеймера. [57] Носители аллеля варианта V (VV и MV) демонстрируют снижение риска развития болезни Альцгеймера на 13% по сравнению с гомозиготой по метионину (MM). Однако защитные эффекты носителей варианта V были обнаружены исключительно у европеоидов . Снижение риска у носителей аллеля V ограничивается только болезнью Альцгеймера с поздним началом (≥ 65 лет). [57] PRNP может также функционально взаимодействовать с полиморфизмами двух других генов, вовлеченных в болезнь Альцгеймера, PSEN1 и APOE , увеличивая риск развития как болезни Альцгеймера, так и спорадической болезни Крейцфельдта-Якоба . [54] Точечная мутация кодона 102 PRNP , по крайней мере частично, способствовала развитию атипичной лобно-височной деменции у трех отдельных пациентов в одной семье, что указывает на новый фенотип синдрома Герстмана-Штраусслера-Шейнкера . [54] [58] В том же исследовании было предложено секвенировать PRNP в случаях неоднозначно диагностированной деменции, поскольку различные формы деменции могут оказаться сложными для дифференциальной диагностики . [58]
В 2006 году сообщалось о производстве крупного рогатого скота, лишенного формы PrP C основного белка приона (PrP), который был устойчив к размножению прионов и не имел явных отклонений в развитии. Помимо изучения продуктов крупного рогатого скота, не содержащих прионных белков, можно было бы использовать и другие фармацевтические препараты для человека, используя их кровь без опасности заражения этих продуктов инфекционным агентом, вызывающим коровье бешенство. [59] [60]
Между PrP и кошапероном Hop ( организующим белком Hsp70 / Hsp90 ; также называемым STI1 (стресс-индуцированный белок 1)) существует сильное взаимодействие . [61] [62]