Prionový protein: Molekula mnoha podob a tváří, část 1

Abstrakt: Buněčný prionový protein (PrPC) je glykosylfosfatidylinositolem (GPI) ukotvený protein, který se nejvíce vyskytuje ve vnější membráně neuronů. Díky strukturálním charakteristikám (flexibilní strukturované jádro ocasu) spolupracuje PrPC s širokou škálou partnerů.

V posledních letech mnoho studií ukázalo, že buněčné prionové proteiny mají důležitý vztah k rozvoji a udržování paměti zvířat.

Buněčný prion (Herpes simplex virus, HSV) je virus, který je široce zastoupen v lidské populaci a je považován za jednoho z nejdůležitějších patogenů neurologických onemocnění a kožních onemocnění. HSV-1 a HSV-2 jsou dva nejběžnější typy virů u lidí.

Nedávná studie ukázala, že virový protein HSV-1 může podporovat vývoj a udržování paměti u lidí a zvířat. Výsledky této studie ukázaly, že k infekci HSV-1 dochází hlavně ve velmi raných fázích lidského života a virové proteiny se hromadí v lidském nervovém systému a regulují uvolňování neurotransmiterů a synaptický přenos. Tyto regulační účinky pomáhají zlepšit funkci paměti mozku a zlepšit prostorové poznávání a pozornost.

Kromě toho má virový protein HSV-1 také určitý vztah k imunitní odpovědi těla a antivirové odpovědi. Studie prokázaly, že vliv virového proteinu HSV-1 aktivuje imunitní odpověď těla a aktivně působí na „paměťové T buňky“ v těle, čímž posiluje antivirovou obranu těla. Tento objev má dalekosáhlý význam pro zkoumání vztahu mezi HSV-1 a imunitou zvířat.

Stručně řečeno, vztah mezi buněčným proteinem prionového viru a pamětí poskytuje široký výzkumný prostor pro budoucí výzkum paměti, funkce nervového systému a imunitní reakce a očekává se, že bude hrát důležitou roli v prevenci a léčbě souvisejících onemocnění. Je vidět, že potřebujeme zlepšit paměť a Cistanche může výrazně zlepšit paměť, protože Cistanche může také regulovat rovnováhu neurotransmiterů, jako je zvýšení hladiny acetylcholinu a růstových faktorů, které jsou velmi důležité pro paměť a učení. Kromě toho může Cistanche také zlepšit průtok krve a podporovat dodávku kyslíku, což může zajistit, že mozek získá dostatečnou výživu a energii, a tím zlepší mozkovou vitalitu a vytrvalost.

Klikněte na vědět doplňky pro zlepšení paměti

Ačkoli bylo navrženo, aby se PrPC podílel na mnoha fyziologických funkcích, jako funkce bona fide byla zatím potvrzena pouze homeostáza myelinizace periferních nervů.

Chybné skládání PrPC způsobuje prionová onemocnění a bylo prokázáno, že PrPC zprostředkovává neurotoxicitu indukovanou oligomery při Alzheimerově a Parkinsonově chorobě, stejně jako neuroprotekci při ischemii.

Po proteolytickém štěpení se PrPC transformuje na uvolněné a připojené formy PrP, které mohou v závislosti na obsažených strukturních charakteristikách PrPC vykazovat ochranné nebo toxické vlastnosti.

V tomto přehledu nastíníme vlastnosti prionového proteinu a fragmentu prionproteinu a také přehled jejich zapojení s interagujícími partnery a signálními cestami při myelinizaci, neuroprotekci a neurodegenerativních onemocněních.

Klíčová slova: prionový protein; fragmenty prionových proteinů; neuroprotekce; myelinizace; ischemická mrtvice;neurodegenerativní onemocnění.

1. Úvod

Prionový protein (PrP) je vysoce konzervovaný všudypřítomný glykoprotein. Existuje ve dvou formách; normální nebo buněčná izoforma, PrPC, a s onemocněním spojený infekční izoformor scrapie PrP, PrPSc.

Patologická role PrPSc byla u priondisků rozsáhle studována a byla přezkoumána v několika pracích [1–3]. PrPC je exprimován v řadě různých orgánů a tkání s vysokými hladinami exprese v centrálním a periferním nervovém systému.

Je hojně přítomen na buněčném povrchu neuronů [4–6] a účastní se mnoha fyziologických mechanismů. Funkce proteinu musí být objasněna; nicméně intenzivní studie spojují PrPC s homeostázou myelinu [7], neuroprotekcí [8,9], cirkadiánním rytmem [10,11], homeostázou kovových iontů [12,13], mitochondriální homeostázou [14] a mezibuněčnou signalizací [6,15 ,16].

V neuronech je PrPC přítomen v presynaptických a postsynaptických kompartmentech zakončení axonů, kde se účastní anterográdního a retrográdního axonálního transportu [17–20]. PrPC je štěpen na buněčné membráně proteázami za vzniku uvolněných a připojených forem.

V posledních letech byla věnována pozornost formám uvolňovaným prionproteinem a prionovým proteinem v korelaci s neuroprotekcí u neurodegenerativních onemocnění.

V tomto přehledu představujeme formy uvolňované prionovým proteinem a prionovým proteinem, shrnujeme jejich zapojení do myelinizace, neuroprotekce a neurodegenerativních onemocnění a diskutujeme o nejnovějších objevech v této oblasti.

2. Prionový protein

Zralý lidský PrPC se skládá z flexibilní nestrukturované N-koncové domény (aminokyselinové zbytky 23–120) a strukturované C-koncové domény (aminokyselinové zbytky 121–231).

Je ukotvena k buněčné membráně pomocí glykosylfosfatidylinositolové (GPI) kotvy [21,22]. Flexibilní N-terminální doména obsahuje oktarepeat oblast, zatímco strukturovaná doména se skládá ze tří helixů, dvou listů, disulfidové vazby spojující cysteiny 179 a 214, a dva N-glykany na aminokyselinových zbytcích 181 a 197 [23,24] (obrázek 1).

PrPC se může přeměnit na izoformu PrPSc bohatou na list, která je náchylná k autokatalytické konverzi a agregaci na nerozpustné agregáty [22,25,26]. Abnormální akumulace patologického proteinu v mozku může způsobit rozvoj přenosných spongiformních encefalopatií (TSE), také známých jako prionová onemocnění.

Prionová onemocnění zahrnují Creutzfeldt-Jakobovu chorobu (CJD), Gerstmann-Sträussler-Scheinkerův syndrom (GSS), fatální familiární insomnii (FFI) a kuru u lidí, bovinní spongiformní encefalopatii u skotu, klusavku u koz a ovcí a chronickou chřadnoucí chorobu u jelenovitých.

Všechna prionová onemocnění jsou vzácná smrtelná neurodegenerativní onemocnění. Klinické a neuropatologické rysy prionových onemocnění u lidí jsou podobné jako u Alzheimerovy choroby (AD), jako je rychlá ztráta paměti a ztráta funkce mozku, stejně jako demence, spongiformní deformace mozku, změny osobnosti a potíže s pohybem [15,27]. .

Ačkoli se prionová onemocnění vyskytují v důsledku akumulace toxických agregátů PrPSc v mozku, mechanismus, který je základem přeměny PrPC na PrPSc a rozvoje prionové choroby, zůstává neznámý.

Kromě toho, že je PrPC substrátem pro rozvoj prionových onemocnění, může sloužit jako receptor pro cytotoxické amyloidové (A) oligomery [20,28] a toxické rozpustné agregáty tau proteinu u AD a jiných tauopatií [29,30].

Existují také protichůdné studie o vazbě PrPC oligomerů -synukleinu ( -syn) u Parkinsonovy choroby (PD) a dalších synukleinopatií, což otevírá debatu o úloze PrPC v toxicitě -synukleinu [30–33].

3. Fragmenty prionového proteinu

PrPC může podstoupit čtyři posttranslační štěpení za vzniku fragmentů PrP (obrázek 1). K štěpení a štěpení dochází v nestrukturované N-koncové doméně, zatímco ke štěpení a uvolňování PrP dochází ve strukturované C-koncové doméně.

Kromě zmíněných štěpení byl PrPC štěpen za experimentálních podmínek fosfolipázou C, která štěpila PrPC v GPI kotvě [34,35]. Místo štěpení, délka fragmentu a připojení membrány umožňují fragmentům účastnit se různých mechanismů.

3.1. - štěpení

-Štěpení je nejvíce studovaným štěpením PrPC. Vyskytuje se za fyziologických podmínek v centrální hydrofobní oblasti zralého PrPC (aminokyselinové zbytky 105–120 v lidské sekvenci 111/112) [36–38] (obrázek 1).

Štěpení uvolňuje ~11 kDa fragment N1, zatímco ~18 kDa část C1 zůstává připojena k buněčné membráně pomocí GPIanchor [36,39]. Prozatím neexistuje žádný jedinečný enzym odpovědný za štěpení [24,40].

Ačkoli místa štěpení byla určena u druhů, štěpení je tolerantní k sekvenčním variacím v této oblasti, pokud zůstane zachována její hydrofobnost [38].

Studie ukázaly, že ke štěpení v lidském mozku, myších modelech a neuronových kulturách dochází za přítomnosti enzymů ADAM10 a ADAM17 [41–43]. ,45]. Bylo také prokázáno, že ADAM8 štěpí PrPC za vzniku N1 a C1 ve svalech [46].

Role ADAM8, ADAM10 a ADAM17 při štěpení byla také podpořena biofyzikální studií [47]. Fragment N1 má relativně nízkou stabilitu; nicméně bylo zjištěno, že je přítomen v tělesných tekutinách, tkáňových homogenátech nebo supernatantech buněčných kultur [39,48,49].

Původně se předpokládalo, že štěpení probíhá v kyselých endozomálních kompartmentech [50,51], ale pozdější studie prokázaly, že ke štěpení dochází během vezikulárního přenosu PrPC sekreční cestou [52,53].

Štěpení využívá PrPC jako substrát, což vede k jeho redukci buněčného povrchu. Protože PrPC je také substrátem pro replikaci prionů a klíčovým mediátorem toxicity u prionových onemocnění, AD a dalších neurodegenerativních onemocnění, má štěpení pozitivní biologický účinek.

Flexibilní N-terminální část PrPC je nezbytná pro interakci proteinu s vazebnými partnery, kteří regulují vychytávání PrPC při transportu [54,55]. Bez N1 tvoří C1 komplexy na buněčné membráně [56] a je stabilnější a perzistentnější na povrchu buňky než PrPC [50].

Fragment C1 může být odštěpen na buněčném povrchu a uvolněn do extracelulárního prostoru [57]. Bylo zjištěno, že C1 inhibuje replikaci prionů u myší [58,59], zatímco fragment N1 je neuroprotektivní [60,61]; absence štěpení je toxická pro buňky i myši [47,62].

3.2. - štěpení

K štěpení dochází na konci oktapeptidové repetice oblasti N-konce místa štěpení. Štěpení - je většinou pozorováno za patologických podmínek a je podobné štěpení -. Zdá se, že působí ochranitelsky.

Probíhá kolem aminokyselinového zbytku 90 a tvoří fragment N2 (~9 kDa) a fragment C2 (~20 kDa) [36,37,48,63] (obrázek 1). -Štěpení PrPC je zprostředkováno reaktivními formami kyslíku (ROS) [37,63–66].

Odstraněním ROS štěpení chrání buňky před oxidačním stresem [65]. Kromě ROS je štěpení indukováno kalpainy [67], lysozomálními proteázami [68,69] nebo dokonce ADAM8 [47].

Proteináza K štěpí proteázově rezistentní jádro PrPSc (PrP27–30) v blízkosti pozice 90 a vytváří fragment s délkou podobnou C2. Podobně jako fragment C1 může také fragment C2 uniknout z buněčného povrchu [70].

Tvorba takového fragmentu naznačuje, že proteázy účastnící se štěpení by se mohly také podílet na buněčných pokusech o rozklad PrPSc [71,72].

3.3. - štěpení

Nejnověji objeveným proteázovým štěpením PrPC je -štěpení. Místo štěpení v PrPC zbývá určit, ale velikosti uvolněného fragmentu N3 (~20 kDa) a fragmentu C3 ukotveného GPI (~5 kDa) naznačují, že ke štěpení proteinu dochází v oblasti mezi aminokyselinovými zbytky 170 a 200 [73, 74] (obrázek 1).

Studie ukazují, že ke štěpení dochází pozdě v sekreční dráze na neglykosylovaném proteinu v přítomnosti členů rodiny matricových metaloproteáz (MMP) [73].

Důvodem, proč ke štěpení dochází pouze na neglykosylovaném PrPC, je sterická zábrana proteáz glykany v blízkosti navrhovaného místa štěpení [40,75].

Bylo zjištěno, že štěpení existuje v různých druzích, tkáních a modelech buněčných kultur. Určení jeho role vyžaduje další studium, ačkoli indikace zvýšeného množství fragmentu C3 v mozku CJD může vést k možnému patogennímu významu [73].

3.4. Vylučování prionového proteinu

V blízkosti C-konce je také důležité štěpení PrP. Štěpení uvolňuje PrP do extracelulárního prostoru, přičemž na buněčném povrchu zůstává malý počet aminokyselinových zbytků.

Štěpení bylo popsáno v raných výzkumech [35,39,76,77], ale v posledních letech mu bylo věnováno více pozornosti kvůli zapojení vylučovaného PrP do onemocnění [40,63,78–83].

Podobně jako u -štěpení dochází k uvolňování PrP v přítomnosti enzymů z rodiny ADAM. Experimenty in vitro a in vivo naznačují, že ADAM9 a ADAM10 jsou zapojeny do procesu štěpení a uvolňování PrP [47,84–86], kde ADAM10 je primární sheddase pro PrP a ADAM9 je modulátor aktivity ADAM10 [24 Bouda PrP byla poprvé stanovena u křečků.

V prionem infikovaném mozku křečků představoval shedPrP přibližně 15 % molekul PrPSc [76]. Další analýza ukázala, že ADAM10 štěpil uvolněný PrP mezi Gly228 a Arg229 a vytvořil uvolněný PrP, který skončil na Gly228 [84].

Analýza zkoumající profil místa štěpení ADAM10 odhalila, že štěpení není indukováno jedinečnou sekvencí [87].

V důsledku toho může ADAM10proteáza produkovat varianty uvolněného PrP v závislosti na proteinové sekvenci a konformaci. Jansen a spolupracovníci popsali existenci neukotvených forem PrP končících na Tyr225 a Tyr226 u pacientů s prionovou chorobou [88].

Autoři charakterizovali dva pacienty s prionovou chorobou, kteří nesli stop mutace v pozicích Y226X a Q227X a exprimovali příslušné formy. Pomocí monoklonální protilátky V5B2 [89], která se specificky váže na fragment PrP končící Tyr226, jsme současně popsali existenci volné formy PrP s názvem PrP226* [90–94].

Distribuce PrP226* v lidském mozku je spojena s distribucí PrPSc [90,94]. Vzhledem k existenci více než jedné uvolněné formy jsme předpokládali, že proteolytické místo v lidské sekvenci není výlučně umístěno mezi aminokyselinovými zbytky 228 a 229, ale nachází se v blízkosti C-konce [95] (obrázek 1).

Nedávno Linsenmeier et al. publikovali obsáhlou studii o mechanismu stimulujícím proteolytické uvolňování PrPC [81]. S použitím zvířecích modelů a kontrol ukázali, že vylučování PrP negativně koreluje s prionkonverzí a že vylučování PrP je hojně přítomno v amyloidních placích.

Studovali také vliv vazby protilátek zaměřených proti PrP na PrPC na náchylnost k uvolňování. Vazba celých anti-PrP protilátek na C-koncovou strukturovanou doménu PrPC nebo derivátů jednořetězcových protilátek, zaměřená na repetitivní epitopy v oktarepické oblasti N-koncové domény, stimulovala uvolňování, když vazba celých anti-PrP protilátek na oktarpeat oblast N-terminální domény uzamkla strukturu N-terminální domény a vyvolala povrchové shlukování PrPC, endocytózu a degradaci v lysozomech [81].

4. Prionový protein a myelinizace

PrPC je hojně exprimován v centrálním nervovém systému (CNS) a periferním nervovém systému [4,5]. Studie na mozcích primátů, mozcích hlodavců a transgenních myších ukázaly, že je obohacen podél axonů a presynaptických zakončení, kde se účastní anterográdního a retrográdního axonálního transportu [4,17,18,96–98].

Delece v oblasti štěpení PrPC prokázaly závažnou demyelinizaci jak v míše, tak v cerebelární bílé hmotě in vivo [99,100] Později bylo potvrzeno, že axonální PrPC a jeho štěpení jsou nezbytné pro promyelinizaci v periferním nervovém systému [101].

Použitím ko-isogenního PrP-knockout myšího modelu Kuffer et al. zjistili, že axonální PrPC podporuje udržování myelinu in trans prostřednictvím vazby na adhezní receptor spřažený s G-proteinem Adgrg6 na Schwannových buňkách s N-terminálním flexibilním koncem [7].

Potvrdili také, že u myší postrádajících PrPC se vyvinula chronická demyelinizační neuropatie, což naznačuje, že homeostáza myelinizace v periferním nervovém systému je fyziologickou funkcí PrPC [7].

Bylo zjištěno, že udržování myelinu je regulováno vazbou fragmentu PrPC uvolněného z N-konce (pravděpodobně N1 nebo uvolněného PrP) na Adgrg6 na Schwannových buňkách.

Interakce aktivovala Adgrg6, zvýšila buněčné hladiny cAMP a spustila signalizační kaskádu, která podporovala myelinizaci [7]. Regulace udržování periferního myelinu pomocí PrPC byla potvrzena v pěti různých modelových kmenech myší s vyřazením PrP, u kterých se vyvinula periferní neuropatie s pozdním nástupem [101–103].

Nedávno se objevil pokus vyvinout léčbu periferních demyelinizačních onemocnění založenou na vazbě mezi N-terminální doménou PrPC a Adgrg6 [104]. V této studii zkonstruovali imunoadhezinovou molekulu sestávající ze dvou flexibilních N-terminálních domén PrPC spojených s krystalizovatelným fragmentem (Fc) imunoglobulinu G1 (FT2Fc) [104].

Molekula vykazovala příznivé farmakokinetické vlastnosti a potenciál in vitro, ale neměla terapeutický účinek na časné molekulární příznaky demyelinizace u myší s vyřazením PrP [104].

PrPC byl také studován v souvislosti s vývojem a regenerací periferního myelinu po poranění nervů [105]. Protože bylo zjištěno, že PrP je v tomto mechanismu postradatelný, lze předpokládat, že PrP nemá žádnou hlavní roli v procesu opravy periferního nervu nebo jeho nepřítomnost může být kompenzována jinými ligandy [105].

Myelinizace a další fyziologické role PrPC byly intenzivně studovány na zvířecích modelech s vyřazenou nebo sraženou expresí genu PrP.

Studie ukázaly omezené negativní účinky u myší [102,106–109], skotu [110] a koz [68,111,112], zatímco studie na myších nebo kozách s vyřazením PrP prokázaly defekty v nervovém systému a citlivost na oxidační stres [6,101,111,113]. Bylo vytvořeno několik modelů myší s vyřazením PrP se smíšeným pozadím [106,109,114–116].

Protože studie nejsou reprodukovatelné mezi modely, může to vyvolat otázku, zda některé pozorované fenotypy byly ve skutečnosti způsobeny polymorfismy v genech lemujících Prnp nebo výsledkem nepřítomnosti PrPC. Aby se tomuto problému předešlo, bylo by vhodné zopakovat klíčové experimenty s použitím koisogenních myší PrPknockout.

Ačkoli je třeba objasnit roli PrPC v CNS, PrPC a PrPC-uvolněné fragmenty jsou nepostradatelné při homeostáze myelinu periferních nervů, ale mohou být nepostradatelné při obnově nervů.

For more information:1950477648nn@gamil.com