Prionu proteīns: daudzu formu un seju molekula 1. daļa

Kopsavilkums: Šūnu prionu proteīns (PrPC) ir ar glikozilfosfatidilinozītu (GPI) piesaistīts proteīns, kas visbiežāk sastopams neironu ārējā membrānā. Strukturālo īpašību dēļ (elastīgs Tailand strukturēts kodols), PrPC mijiedarbojas ar plašu partneru loku.

Pēdējos gados daudzi pētījumi ir parādījuši, ka šūnu prionu proteīniem ir svarīga saistība ar dzīvnieku atmiņas attīstību un uzturēšanu.

Šūnu prions (Herpes simplex virus, HSV) ir vīruss, kas plaši sastopams cilvēku populācijā un tiek uzskatīts par vienu no svarīgākajiem neiroloģisko slimību un ādas slimību patogēniem. HSV-1 un HSV-2 ir divi visbiežāk sastopamie vīrusu veidi cilvēkiem.

Nesen veikts pētījums parādīja, ka HSV{0}} vīrusa proteīns var veicināt cilvēku un dzīvnieku atmiņas attīstību un uzturēšanu. Šī pētījuma rezultāti parādīja, ka HSV-1 infekcija galvenokārt notiek ļoti agrīnā cilvēka dzīves stadijā, un vīrusu proteīni uzkrājas cilvēka nervu sistēmā un regulē neirotransmiteru izdalīšanos un sinaptisko transmisiju. Šie regulējošie efekti palīdz uzlabot smadzeņu atmiņas funkciju un uzlabo telpisko izziņu un uzmanību.

Turklāt HSV{0}} vīrusa proteīnam ir arī noteikta saistība ar organisma imūnreakciju un pretvīrusu reakciju. Pētījumi liecina, ka HSV-1 vīrusa proteīna ietekme aktivizē organisma imūnreakciju un aktīvi iedarbojas uz "atmiņas T šūnām" organismā, tādējādi stiprinot organisma pretvīrusu aizsardzību. Šim atklājumam ir tālejoša nozīme, lai izpētītu saistību starp HSV-1 un dzīvnieku imunitāti.

Īsāk sakot, attiecības starp šūnu prionu vīrusa proteīnu un atmiņu nodrošina plašu pētniecības telpu turpmākiem pētījumiem par atmiņu, nervu sistēmas darbību un imūnās atbildes reakciju, un ir paredzams, ka tai būs svarīga loma saistīto slimību profilaksē un ārstēšanā. Var redzēt, ka mums ir jāuzlabo atmiņa, un Cistanche var ievērojami uzlabot atmiņu, jo Cistanche var arī regulēt neirotransmiteru līdzsvaru, piemēram, palielināt acetilholīna un augšanas faktoru līmeni, kas ir ļoti svarīgi atmiņai un mācībām. Turklāt Cistanche var arī uzlabot asins plūsmu un veicināt skābekļa piegādi, kas var nodrošināt, ka smadzenes saņem pietiekamu uzturu un enerģiju, tādējādi uzlabojot smadzeņu vitalitāti un izturību.

Noklikšķiniet uz zināt bagātinātājiem, lai uzlabotu atmiņu

Lai gan ir ierosināts, ka PrPC ir iesaistīts daudzās fizioloģiskās funkcijās, līdz šim kā bona fide funkcija ir apstiprināta tikai perifēro nervu mielinizācijas homeostāze.

PrPC nepareiza salocīšana izraisa prionu slimības, un ir pierādīts, ka PrPC ir starpnieks ar oligomēru izraisītu neirotoksicitāti Alcheimera un Parkinsona slimībās, kā arī neiroprotekciju išēmijas gadījumā.

Pēc proteolītiskās šķelšanās PrPC tiek pārveidots atbrīvotās un pievienotās PrP formās, kurām atkarībā no PrPC ietvertajām strukturālajām īpašībām var būt aizsargājošas vai toksiskas īpašības.

Šajā pārskatā mēs izklāstīsim prionu proteīna un prionproteīna fragmentu īpašības, kā arī apskatīsim to iesaistīšanos ar mijiedarbības partneriem un signālu ceļiem mielinizācijas, neiroprotekcijas un neirodeģeneratīvās slimībās.

Atslēgvārdi: prionu proteīns; prionu proteīna fragmenti; neiroaizsardzība; mielinizācija; išēmisks insults;neirodeģeneratīva slimība.

1. Ievads

Prionu proteīns (PrP) ir ļoti konservēts visuresošs glikoproteīns. Tas pastāv divos veidos; parastā vai šūnu izoforma PrPC un ar slimību saistītā infekciozā izoformora skrepi slimība PrP, PrPSc.

PrPSc patoloģiskā loma ir plaši pētīta prionslimībā, un tā ir pārskatīta vairākos rakstos [1–3]. PrPC tiek ekspresēts dažādos orgānos un audos ar augstu ekspresijas līmeni centrālajā un perifēriskajā nervu sistēmā.

Tas bagātīgi atrodas uz neironu šūnu virsmas [4–6] un ir iesaistīts daudzos fizioloģiskos mehānismos. Proteīna funkcija vēl jānoskaidro; tomēr intensīvi pētījumi saista PrPC ar mielīna homeostāzi [7], neiroprotekciju [8, 9], diennakts ritmu [10, 11], metālu jonu homeostāzi [12, 13], mitohondriju homeostāzi [14] un starpšūnu signalizāciju [6, 15]. ,16].

Neironos PrPC atrodas aksonu galu presinaptiskajos un postsinaptiskajos nodalījumos, kur tas ir iesaistīts anterogrādā un retrogrādā aksonu transportēšanā [17–20]. PrPC tiek šķelts šūnu membrānā ar proteāžu palīdzību, veidojot atbrīvotas un pievienotas formas.

Pēdējos gados uzmanība ir pievērsta prionproteīnu un prionu proteīnu atbrīvotajām formām saistībā ar neiroprotekciju neirodeģeneratīvo slimību gadījumā.

Šajā pārskatā mēs iepazīstinām ar prionu proteīnu un prionu proteīnu atbrīvotajām formām, apkopojam to iesaistīšanos mielinizācijas, neiroprotekcijas un neirodeģeneratīvās slimībās un apspriežam jaunākos atklājumus šajā jomā.

2. Prionu proteīns

Nobrieduša cilvēka PrPC sastāv no elastīga nestrukturēta N-termināla domēna (aminoskābju atlikumi 23–120) un strukturēta C-termināla domēna (aminoskābju atlikumi 121–231).

Tas ir piestiprināts pie šūnas membrānas ar glikozilfosfatidilinozīta (GPI) enkuru [21,22]. Elastīgais N-terminālais domēns satur oktāra atkārtojuma apgabalu, savukārt strukturētais domēns sastāv no trim spirālēm, divām loksnēm un disulfīda saites, kas savieno cisteīnus 179, 2149 un 2149. un divi N-glikāni uz 181. un 197. aminoskābju atlikumiem [23,24] (1. attēls).

PrPC var pārveidoties par ar loksnēm bagātu izoformu PrPSc, kas ir pakļauta autokatalītiskai konversijai un agregācijai nešķīstošos agregātos [22, 25, 26]. Patoloģiskā patoloģiskā proteīna uzkrāšanās smadzenēs var izraisīt transmisīvo sūkļveida encefalopātiju (TSE), kas pazīstamas arī kā prionu slimības, attīstību.

Prionu slimības ietver Kreicfelda-Jakoba slimību (CJD), Gerstmann-Sträussler-Scheinker sindromu (GSS), fatālu ģimenes bezmiegu (FFI) un kuru cilvēkiem, liellopu sūkļveida encefalopātijas liellopiem, skrepi slimību kazām un aitām un hronisku novājēšanu briežu dzimtas dzīvniekiem.

Visas prionu slimības ir nāvējoši neirodeģeneratīvi traucējumi. Prionu slimību klīniskās un neiropatoloģiskās pazīmes cilvēkiem ir līdzīgas Alcheimera slimības (AD) pazīmēm, piemēram, ātrs atmiņas zudums un smadzeņu funkciju zudums, kā arī demence, smadzeņu sūkļveida deformācija, personības izmaiņas un kustības grūtības [15,27] .

Lai gan prionu slimības rodas toksisku PrPSc agregātu uzkrāšanās dēļ smadzenēs, mehānisms, kas ir pamatā PrPC pārvēršanai par PrPSc un prionu slimības attīstībai, joprojām nav zināms.

Papildus tam, ka PrPC ir substrāts prionu slimību attīstībai, tas var kalpot kā receptors citotoksiskajiem amiloid- (A ) oligomēriem [20, 28] un toksiskiem šķīstošiem tau proteīna agregātiem AD un citās tauopātijās [29, 30].

Ir arī pretēji pētījumi par -sinukleīna (-syn) oligomēru PrPC saistīšanos Parkinsona slimības (PD) un citu sinukleinopātiju gadījumā, atklājot debates par PrPC lomu -sinukleīna toksicitātē [30–33].

3. Prionu proteīna fragmenti

PrPC var iziet četras pēctranslācijas šķelšanās, veidojot PrP fragmentus (1. attēls). Šķelšanās un šķelšanās notiek nestrukturētā N-gala domēnā, turpretim šķelšanās un PrP izdalīšanās notiek strukturētajā C-gala domēnā.

Neatkarīgi no minētajām šķelšanās, PrPC ir šķelts eksperimentālos apstākļos ar fosfolipāzi C, kas sašķēla PrPC GPI enkurā [34, 35]. Šķelšanās vieta, fragmenta garums un membrānas piestiprināšana ļauj fragmentiem piedalīties dažādos mehānismos.

3.1. - Šķelšanās

Šķelšanās ir visvairāk pētītā PrPC šķelšanās. Tas notiek fizioloģiskos apstākļos nobrieduša PrPC centrālajā hidrofobajā reģionā (aminoskābju atlikumi 105–120 cilvēka secībā 111/112) [36–38] (1. attēls).

Šķelšanās atbrīvo ~ 11 kDa fragmentu N1, savukārt ~ 18 kDa daļa C1 paliek pievienota šūnu membrānai ar GPIanchor [36, 39]. Pagaidām nav neviena unikāla enzīma, kas būtu atbildīgs par -šķelšanos [24,40].

Lai gan attiecībā uz sugām ir noteiktas šķelšanās vietas, šķelšanās nav izturīga pret sekvences variācijām šajā reģionā, kamēr tā hidrofobitāte saglabājas [38].

Pētījumi liecina, ka šķelšanās cilvēka smadzenēs, peļu modeļos un neironu kultūrās notiek enzīmu ADAM10 un ADAM17 klātbūtnē [41–43]. ADAM10 veicina konstitutīvu N1 veidošanos, turpretim ADAM17 galvenokārt piedalās N1 veidošanā pēc stimulācijas [44]. ,45]. Ir arī pierādīts, ka ADAM8 šķeļ PrPC, veidojot N1 un C1 muskuļos [46].

ADAM8, ADAM10 un ADAM17 loma šķelšanā tika atbalstīta arī biofizikālā pētījumā [47]. Fragmentam N1 ir salīdzinoši zema stabilitāte; tomēr tika konstatēts, ka tas atrodas ķermeņa šķidrumos, audu homogenātos vai šūnu kultūras supernatantos [39, 48, 49].

Sākotnēji tika uzskatīts, ka šķelšanās notiek skābos endosomālos nodalījumos [50, 51], bet vēlāki pētījumi parādīja, ka šķelšanās notiek PrPC vezikulārās tirdzniecības laikā pa sekrēcijas ceļu [52, 53].

Šķelšanā kā substrāts tiek izmantots PrPC, kas samazina šūnas virsmu. Tā kā PrPC ir arī substrāts prionu replikācijai un galvenais toksicitātes starpnieks prionu slimībās, AD un citās neirodeģeneratīvās slimībās, šķelšanai ir pozitīva bioloģiska ietekme.

PrPC elastīgā N-gala daļa ir būtiska proteīna mijiedarbībai ar saistošajiem partneriem, kas regulē PrPC uzņemšanu cilvēku tirdzniecībā [54,55]. Ja trūkst N1, C1 veido kompleksus uz šūnas membrānas [56] un ir stabilāks un noturīgāks uz šūnas virsmas nekā PrPC [50].

Fragmentu C1 var sadalīt uz šūnas virsmas un izdalīt ārpusšūnu telpā [57]. Tika konstatēts, ka C1 inhibē prionu replikāciju pelēm [58,59], savukārt fragments N1 ir neiroprotektīvs [60,61]; šķelšanās trūkums ir toksisks gan šūnām, gan pelēm [47,62].

3.2. - Šķelšanās

Šķelšanās notiek šķelšanās vietas oktapeptīda atkārtošanās reģiona N-gala galā. Šķelšanās galvenokārt tiek novērota patoloģiskos apstākļos un ir līdzīga šķelšanai. Šķiet, ka tas darbojas aizsargājoši.

Tas notiek ap 90. aminoskābju atlikumu, veidojot fragmentu N2 (~9 kDa) un fragmentu C2 (~20 kDa) [36,37,48,63] (1. attēls). PrPC šķelšanos veic reaktīvās skābekļa sugas (ROS) [37,63–66].

Noņemot ROS, šķelšanās aizsargā šūnas no oksidatīvā stresa [65]. Izņemot ROS, šķelšanos inducē kalpaīni [67], lizosomu proteāzes [68, 69] vai pat ADAM8 [47].

Proteināze K sašķeļ PrPSc (PrP27–30) proteāzi rezistento kodolu netālu no 90. pozīcijas, izveidojot fragmentu, kura garums ir līdzīgs C2. Līdzīgi kā fragments C1, arī fragments C2 var izdalīties no šūnas virsmas [70].

Šāda fragmenta veidošanās norāda, ka šķelšanā iesaistītās proteāzes varētu būt iesaistītas arī šūnu mēģinājumos noārdīt PrPSc [71, 72].

3.3. - Šķelšanās

Pēdējā atklātā PrPC proteāzes šķelšanās ir -šķelšanās. PrPC šķelšanās vieta vēl ir jānosaka, bet atbrīvotā fragmenta N3 (~ 20 kDa) un GPI noenkurotā fragmenta C3 (~ 5 kDa) izmēri liecina, ka proteīna šķelšanās notiek reģionā starp aminoskābju atlikumiem 170 un 200 [73, 74] (1. attēls).

Pētījumi liecina, ka šķelšanās notiek neglikozilēta proteīna sekrēcijas ceļā vēlīnā matricas metaloproteāžu (MMP) saimes locekļu klātbūtnē [73].

Iemesls, kāpēc šķelšanās notiek tikai uz neglikozilēta PrPC, ir saistīts ar glikānu steriskiem proteāžu kavējumiem ierosinātās šķelšanās vietas tuvumā [40, 75].

Ir konstatēts, ka šķelšanās pastāv dažādās sugās, audos un šūnu kultūras modeļos. Tā lomas noteikšanai ir nepieciešama turpmāka izpēte, lai gan norāde uz palielinātu fragmenta C3 daudzumu CJD smadzenēs var izraisīt iespējamu patogēnu nozīmi [73].

3.4. Prionu proteīna izdalīšanās

C-gala tuvumā ir arī svarīga PrP šķelšanās. Šķelšanās rezultātā PrP nonāk ārpusšūnu telpā, atstājot nelielu skaitu aminoskābju atlikumu uz šūnas virsmas.

Šķelšanās tika aprakstīta agrīnos pētījumos [35, 39, 76, 77], taču pēdējos gados tai ir pievērsta lielāka uzmanība, jo izdalītais PrP ir saistīts ar slimībām [40, 63, 78–83].

Līdzīgi kā šķelšanās, PrP izdalīšanās notiek enzīmu klātbūtnē no ADAM saimes. In vitro un in vivo eksperimenti liecina, ka ADAM9 un ADAM10 ir iesaistīti šķelšanās procesā un PrP izdalīšanās procesā [47,84–86], kur ADAM10 ir primārā PrP sheddāze un ADAM9 ir ADAM10 aktivitātes modulators [24] ].Shed PrP pirmo reizi tika noteikts kāmjiem.

Ar prioniem inficētajās kāmju smadzenēs shedPrP veidoja aptuveni 15% no PrPSc molekulām [76]. Papildu analīze parādīja, ka ADAM10 sašķēlās PrP starp Gly228 un Arg229 un izveidoja PrP novietni, kas beidzās pie Gly228 [84].

Analīzē, kurā tika pētīts ADAM10 šķelšanās vietas profils, atklājās, ka šķelšanos neizraisa unikāla secība [87].

Līdz ar to ADAM10 proteāze var radīt izdalītā PrP variantus atkarībā no proteīna secības un konformācijas. Jansens un kolēģi aprakstīja nenoenkurotu PrP formu, kas beidzas ar Tyr225 un Tyr226, esamību pacientiem ar prionu slimību [88].

Autori raksturoja divus pacientus ar prionu slimību, kuriem bija stop mutācijas pozīcijās Y226X un Q227X un izpauda attiecīgās formas. Izmantojot monoklonālo antivielu V5B2 [89], kas specifiski saistās ar PrP fragmentu, kas beidzas ar Tyr226, mēs vienlaikus aprakstījām brīvas PrP formas ar nosaukumu PrP226* esamību [90–94].

PrP226* izplatība cilvēka smadzenēs ir saistīta ar PrPSc izplatību [90,94]. Tā kā pastāv vairāk nekā viena izdalīšanās forma, mēs izvirzījām hipotēzi, ka proteolītiskā vieta cilvēka secībā neatrodas tikai starp 228. un 229. aminoskābju atlikumiem, bet atrodas C-gala tuvumā [95] (1. attēls).

Nesen Linsenmeiers et al. publicēja visaptverošu pētījumu par mehānismu, kas stimulē PrPC proteolītisko izdalīšanos [81]. Izmantojot dzīvnieku modeļus un kontroles, viņi parādīja, ka PrP izdalīšanās negatīvi korelē ar prionu konversiju un ka izdalītais PrP ir bagātīgi sastopams amiloīda plāksnēs.

Viņi arī pētīja PrP vērstu antivielu saistīšanās ar PrPC ietekmi uz izdalīšanās tieksmi. Veselu anti-PrP antivielu saistīšanās ar PrPC C-gala strukturēto domēnu vai vienas ķēdes antivielu atvasinājumiem, kas vērsti pret atkārtotiem epitopiem N-gala domēna oktāra atkārtojuma reģionā, stimulēja izdalīšanos, kad veselu anti-PrP antivielu saistīšanās ar oktāra atkārtojumu. N-termināla domēna reģions bloķēja N-termināla domēna struktūru un izraisīja PrPC virsmas klasterizāciju, endocitozi un degradāciju lizosomās [81].

4. Prionu proteīns un mielinizācija

PrPC ir bagātīgi ekspresēts centrālajā nervu sistēmā (CNS) un perifērajā nervu sistēmā [4,5]. Pētījumi ar primātu smadzenēm, grauzēju smadzenēm un transgēnām pelēm parādīja, ka tas ir bagātināts gar aksoniem un presinaptiskajos galos, kur tas ir iesaistīts anterogrādā un retrogrādā aksonu transportā [4, 17, 18, 96–98].

Delēcijas PrPC šķelšanās apgabalā uzrādīja smagu demielinizāciju gan muguras smadzenēs, gan smadzenīšu baltajā matērijā in vivo [99 100] Vēlāk tika apstiprināts, ka aksonālais PrPC un tā šķelšanās ir nepieciešami pro-mielinizācijai perifērajā nervu sistēmā [101].

Izmantojot ko-izogēnoPrP-knockout peļu modeli, Kuffer et al. atklāja, ka aksonālais PrPC veicina mielīna uzturēšanu trans, saistoties ar adhēzijas G-proteīnu savienoto receptoru Adgrg6 uz Schwann šūnām ar N-gala elastīgo asti [7].

Viņi arī apstiprināja, ka pelēm, kurām trūkst PrPC, attīstījās hroniska demielinizējoša neiropātija, kas liecina, ka mielinizācijas homeostāze perifērajā nervu sistēmā ir PrPC bona fide fizioloģiska funkcija [7].

Tika konstatēts, ka mielīna uzturēšana tiek regulēta, saistoties ar N-termināli atbrīvoto PrPC fragmentu (domājams, N1 vai izdalīto PrP) ar Adgrg6 uz Švāna šūnām.

Mijiedarbība aktivizēja Adgrg6, palielināja cAMP līmeni šūnās un izraisīja signālu kaskādi, kas veicināja mielinizāciju [7]. Perifērās mielīna uzturēšanas regulēšana ar PrPC tika apstiprināta piecos dažādos PrP-knockout peles modeļa celmos, kuriem attīstījās vēlīna perifēra neiropātija [101–103].

Nesen tika mēģināts izstrādāt perifēro demielinizējošu slimību ārstēšanu, pamatojoties uz saistīšanos starp PrPC N-gala domēnu un Adgrg6 [104]. Šajā pētījumā viņi izveidoja imūnadhezīna molekulu, kas sastāv no diviem elastīgiem PrPC N-termināla domēniem, kas saistīti ar imūnglobulīna G1 (FT2Fc) kristalizējamo fragmentu (Fc) [104].

Molekulai bija labvēlīgas farmakokinētiskās īpašības un potenciāls in vitro, taču tai nebija terapeitiskas ietekmes uz agrīnām molekulārajām demielinizācijas pazīmēm PrP-nokautas pelēm [104].

PrPC tika pētīts arī saistībā ar perifēro mielīna attīstību un reģenerāciju pēc nervu traumām [105]. Tā kā tika konstatēts, ka PrP šajā mehānismā nav nepieciešams, var pieņemt, ka PrP nav lielas nozīmes perifēro nervu atjaunošanas procesā vai arī tā neesamību var kompensēt citi ligandi [105].

Mielinizācija un citas PrPC fizioloģiskās lomas ir intensīvi pētītas dzīvnieku modeļos ar izsistu vai nojauktu PrP gēna ekspresiju.

Pētījumi uzrādīja ierobežotu negatīvo ietekmi uz pelēm [102,106–109], liellopiem [110] un kazām [68,111,112], turpretim pētījumi ar PrP-nokautu pelēm vai kazām atklāja nervu sistēmas defektus un jutību pret oksidatīvo stresu [6,101,3],11. Vairāki PrP-nokautu peļu modeļi tika ģenerēti ar jauktu fonu [106,109,114–116].

Tā kā pētījumi nav reproducējami starp modeļiem, tas varētu radīt jautājumu par to, vai kādi novērotie fenotipi faktiski bija saistīti ar polimorfismu gēnu, kas atrodas blakus Prnp, vai PrPC neesamības rezultātā. Lai izvairītos no šīs problēmas, būtu ieteicams atkārtot galvenos eksperimentus, izmantojot koizogēnas PrPknockout peles.

Lai gan ir jānoskaidro PrPC loma CNS, PrPC un PrPC atbrīvotie fragmenti ir neaizstājami perifēro nervu mielīna homeostāzē, taču tie var būt nepieciešami nervu atveseļošanai.

For more information:1950477648nn@gamil.com