Пріонний білок: Молекула багатьох форм і облич. Частина 1

Анотація: Клітинний пріонний білок (PrPC) — це глікозилфосфатидилінозитол (GPI)-закріплений білок, який найбільш поширений у зовнішній мембрані нейронів. Завдяки структурним характеристикам (гнучке таїландсько структуроване ядро) PrPC взаємодіє з широким колом партнерів.

В останні роки багато досліджень показали, що клітинні пріонні білки мають важливий зв'язок з розвитком і підтримкою пам'яті тварин.

Клітинний пріон (вірус простого герпесу, ВПГ) — це вірус, який широко поширений у людській популяції і вважається одним із найважливіших збудників неврологічних захворювань і захворювань шкіри. HSV-1 і HSV-2 є двома найпоширенішими типами вірусів серед людей.

Недавнє дослідження показало, що вірусний білок HSV-1 може сприяти розвитку та підтримці пам’яті у людей і тварин. Результати цього дослідження показали, що ВПГ-1 інфекція в основному виникає на дуже ранніх стадіях життя людини, а вірусні білки накопичуються в нервовій системі людини та регулюють вивільнення нейромедіаторів і синаптичну передачу. Ці регуляторні ефекти допомагають покращити функцію пам’яті мозку та покращити просторове пізнання та увагу.

Крім того, білок вірусу HSV-1 також має певний зв’язок з імунною відповіддю організму та противірусною відповіддю. Дослідження показали, що вплив вірусного білка HSV-1 активує імунну відповідь організму та активно діє на «Т-клітини пам’яті» в організмі, тим самим посилюючи противірусний захист організму. Це відкриття має далекосяжне значення для вивчення зв’язку між ВПГ-1 та імунітетом тварин.

Коротше кажучи, зв’язок між білком клітинного пріонного вірусу та пам’яттю забезпечує широке дослідження для майбутніх досліджень пам’яті, функції нервової системи та імунної відповіді, і очікується, що він відіграватиме важливу роль у профілактиці та лікуванні пов’язаних захворювань. Можна побачити, що нам потрібно покращити пам’ять, і Cistanche може значно покращити пам’ять, оскільки Cistanche також може регулювати баланс нейромедіаторів, наприклад, підвищувати рівні ацетилхоліну та факторів росту, які дуже важливі для пам’яті та навчання. Крім того, Cistanche також може покращити кровотік і сприяти доставці кисню, що може гарантувати, що мозок отримує достатню кількість живлення та енергії, тим самим покращуючи життєздатність і витривалість мозку.

Клацніть знати добавки для покращення пам'яті

Хоча було запропоновано, що PrPC бере участь у багатьох фізіологічних функціях, лише гомеостаз мієлінізації периферичних нервів підтверджено як добросовісну функцію.

Неправильне згортання PrPC викликає пріонні захворювання, і було показано, що PrPC є посередником нейротоксичності, спричиненої багатим олігомером, при хворобах Альцгеймера та Паркінсона, а також нейропротекцією при ішемії.

Після протеолітичного розщеплення PrPC перетворюється на вивільнені та приєднані форми PrP, які можуть, залежно від структурних характеристик PrPC, проявляти захисні або токсичні властивості.

У цьому огляді ми окреслимо властивості пріонного білка та фрагмента пріонного білка, а також розглянемо їхню участь у взаємодіючих партнерах і сигнальних шляхах у мієлінізації, нейропротекції та нейродегенеративних захворюваннях.

Ключові слова: пріонний білок; фрагменти пріонного білка; нейропротекція; мієлінізація; ішемічний інсульт; нейродегенеративні захворювання.

1. Вступ

Пріонний білок (PrP) є висококонсервативним повсюдним глікопротеїном. Він існує у двох формах; нормальна або клітинна ізоформа, PrPC, і асоційована із захворюванням інфекційна ізоформа скрейпі PrP, PrPSc.

Патологічна роль PrPSc була широко вивчена при пріонозних захворюваннях і була розглянута в кількох статтях [1–3]. PrPC експресується в різних органах і тканинах з високим рівнем експресії в центральній і периферичній нервовій системах.

Він у великій кількості присутній на клітинній поверхні нейронів [4–6] і бере участь у багатьох фізіологічних механізмах. Функцію білка ще належить з'ясувати; тим не менш, інтенсивні дослідження пов’язують PrPC з гомеостазом мієліну [7], нейропротекторією [8,9], циркадним ритмом [10,11], гомеостазом іонів металів [12,13], мітохондріальним гомеостазом [14] і міжклітинною передачею сигналів [6,15]. ,16].

У нейронах PrPC присутній у пресинаптичних і постсинаптичних відділах закінчення аксонів, де він бере участь у антероградному та ретроградному аксональному транспорті [17–20]. PrPC розщеплюється на клітинній мембрані протеазами, утворюючи вивільнені та прикріплені форми.

Останніми роками пріонпротеїни та форми, що вивільняються пріонними білками, привернули увагу у зв’язку з нейропротекторією при нейродегенеративних захворюваннях.

У цьому огляді ми представляємо пріонний білок і форми, що вивільняються пріонним білком, підсумовуємо їх участь у мієлінізації, нейропротекції та нейродегенеративних захворюваннях, а також обговорюємо останні відкриття в цій галузі.

2. Пріонний білок

Зрілий PrPC людини складається з гнучкого неструктурованого N-кінцевого домену (амінокислотні залишки 23–120) і структурованого С-кінцевого домену (амінокислотні залишки 121–231).

Він прикріплений до клітинної мембрани за допомогою якоря глікозилфосфатидилінозитолу (GPI) [21, 22]. Гнучкий N-кінцевий домен містить октарепетну область, тоді як структурований домен складається з трьох спіралей, двох листів, дисульфідного зв’язку, що з’єднує цистеїни 179 і 214, і два N-глікани на амінокислотних залишках 181 і 197 [23,24] (рис. 1).

PrPC може трансформуватися в ізоформу PrPSc, збагачену аркушами, яка схильна до автокаталітичного перетворення та агрегації в нерозчинні агрегати [22,25,26]. Аномальне накопичення патологічного білка в мозку може спричинити розвиток трансмісивних губчастих енцефалопатій (TSE), також відомих як пріонові захворювання.

Пріонні хвороби включають хворобу Крейтцфельда-Якоба (CJD), синдром Герстмана-Штрауслера-Шейнкера (GSS), фатальну сімейну інсомнію (FFI) і куру у людей, губчасту енцефалопатію великої рогатої худоби, скрепі у кіз і овець і хронічну виснажливу хворобу у оленів.

Усі пріонні захворювання є рідкісними смертельними нейродегенеративними розладами. Клінічні та нейропатологічні ознаки пріонних захворювань у людей подібні до ознак хвороби Альцгеймера (AD), такі як швидка втрата пам’яті та втрата функції мозку, а також деменція, губчаста деформація мозку, зміни особистості та труднощі з рухом [15,27] .

Хоча пріонні захворювання виникають через накопичення токсичних агрегатів PrPSc у мозку, механізм, який лежить в основі перетворення PrPC на PrPSc і розвитку пріонної хвороби, залишається невідомим.

Окрім того, що є субстратом для розвитку пріонних захворювань, PrPC може служити рецептором для цитотоксичних амілоїдних (A) олігомерів [20,28] і токсичних розчинних агрегатів білка тау при AD та інших тауопатіях [29,30].

Існують також протилежні дослідження щодо зв’язування PrPC з олігомерами -синуклеїну (-syn) при хворобі Паркінсона (ХП) та інших синуклеїнопатіях, що відкриває дискусію щодо ролі PrPC у токсичності -синуклеїну [30–33].

3. Пріонові білкові фрагменти

PrPC може піддаватися чотирьом посттрансляційним розщепленням, утворюючи фрагменти PrP (рис. 1). -Розщеплення та -розщеплення відбуваються в неструктурованому N-кінцевому домені, тоді як -розщеплення та виділення PrP відбуваються в межах структурованого С-кінцевого домену.

Окрім згаданого розщеплення, PrPC розщеплювали в експериментальних умовах за допомогою фосфоліпази С, яка розщеплювала PrPC у межах якоря GPI [34,35]. Місце розщеплення, довжина фрагмента та прикріплення до мембрани дозволяють фрагментам брати участь у різних механізмах.

3.1. - Декольте

-розщеплення є найбільш вивченим розщепленням PrPC. Це відбувається за фізіологічних умов у центральній гідрофобній області зрілого PrPC (амінокислотні залишки 105–120 у людській послідовності 111/112) [36–38] (рис. 1).

Розщеплення вивільняє фрагмент N1 ~11 кДа, тоді як частина C1 ~18 кДа залишається прикріпленою до клітинної мембрани GPIanchor [36,39]. На даний момент не існує унікального ферменту, відповідального за β-розщеплення [24,40].

Незважаючи на те, що сайти розщеплення були визначені щодо видів, β-розщеплення є стійким до варіацій послідовності в цій області, поки зберігається його гідрофобність [38].

Дослідження показали, що β-розщеплення в мозку людини, мишачих моделях і культурах нейронів відбувається в присутності ферментів ADAM10 і ADAM17 [41–43]. ADAM10 сприяє конститутивному виробленню N1, тоді як ADAM17 головним чином бере участь у формуванні N1 при стимуляції [44]. ,45]. Також було показано, що ADAM8 розщеплює PrPC з утворенням N1 і C1 у м’язах [46].

Роль ADAM8, ADAM10 і ADAM17 у β-розщепленні також була підтверджена в біофізичному дослідженні [47]. Фрагмент N1 має відносно низьку стабільність; тим не менш, було виявлено, що він присутній в рідинах організму, гомогенатах тканин або супернатантах культур клітин [39,48,49].

Спочатку вважалося, що розщеплення відбувається в кислих ендосомальних компартментах [50,51], але пізніше дослідження показали, що розщеплення відбувається під час везикулярного переміщення PrPC по секреторному шляху [52,53].

Розщеплення використовує PrPC як субстрат, що призводить до зменшення поверхні клітини. Оскільки PrPC також є субстратом для реплікації пріонів і ключовим посередником токсичності пріонних захворювань, AD та інших нейродегенеративних захворювань, розщеплення має позитивний біологічний ефект.

Гнучка N-кінцева частина PrPC необхідна для взаємодії білка з партнерами по зв’язуванню, які регулюють поглинання PrPC при торгівлі [54,55]. За відсутності N1 C1 утворює комплекси на клітинній мембрані [56] і є більш стабільним і стійким на поверхні клітини, ніж PrPC [50].

Фрагмент C1 може розщеплюватися на поверхні клітини і вивільнятися в позаклітинний простір [57]. Було виявлено, що C1 пригнічує реплікацію пріонів у мишей [58,59], тоді як фрагмент N1 є нейропротекторним [60,61]; відсутність β-розщеплення є токсичною як для клітин, так і для мишей [47,62].

3.2. - Декольте

-Розщеплення відбувається в кінці N-кінцевої ділянки повтору октапептиду сайту -розщеплення. -кліваж переважно спостерігається при патологічних станах і подібний до -кліважу. Здається, діє захисно.

Це відбувається навколо амінокислотного залишку 90, утворюючи фрагмент N2 (~9 кДа) і фрагмент C2 (~20 кДа) [36,37,48,63] (рис. 1). Розщеплення PrPC відбувається за допомогою активних форм кисню (АФК) [37,63–66].

Видаляючи АФК, розщеплення захищає клітини від окислювального стресу [65]. Окрім АФК, розщеплення індукується кальпаїнами [67], лізосомальними протеазами [68,69] або навіть ADAM8 [47].

Протеїназа K розщеплює стійке до протеази ядро ​​PrPSc (PrP27–30) поблизу положення 90, утворюючи фрагмент довжиною, подібною до C2. Подібно до фрагмента C1, фрагмент C2 також може виділятися з поверхні клітини [70].

Утворення такого фрагмента вказує на те, що протеази, які беруть участь у β-розщепленні, також можуть брати участь у спробах клітин розщепити PrPSc [71,72].

3.3. - Декольте

Останнім виявленим протеазним розщепленням PrPC є -розщеплення. Місце розщеплення в PrPC ще належить визначити, але розміри вивільненого фрагмента N3 (~20 кДа) і GPI-закріпленого фрагмента C3 (~5 кДа) припускають, що розщеплення білка відбувається в області між амінокислотними залишками 170 і 200 [73, 74] (рис. 1).

Дослідження показують, що β-розщеплення відбувається на пізніх етапах секреторного шляху неглікозильованого білка в присутності представників сімейства матричних металопротеаз (ММР) [73].

Причина, по якій β-розщеплення відбувається лише на неглікозильованому PrPC, вважається стеричним перешкоджанням протеаз гліканами поблизу передбачуваного місця розщеплення [40,75].

Було виявлено, що β-розщеплення існує в різних видах, тканинах і моделях клітинних культур. Визначення його ролі потребує подальшого вивчення, хоча вказівка ​​на збільшення кількості фрагмента C3 у мозку CJD може призвести до можливого патогенного значення [73].

3.4. Виділення пріонного білка

Існує також важливе розщеплення PrP поблизу С-кінця. Розщеплення викидає PrP у позаклітинний простір, залишаючи невелику кількість амінокислотних залишків на поверхні клітини.

Розщеплення було описано в ранніх дослідженнях [35,39,76,77], але в останні роки воно привернуло більше уваги через участь виділеного PrP у захворюваннях [40,63,78–83].

Подібно до -розщеплення, виділення PrP відбувається в присутності ферментів із родини ADAM. Експерименти in vitro та in vivo показують, що ADAM9 та ADAM10 беруть участь у процесі розщеплення та виділення PrP [47,84–86], де ADAM10 є основною шеддазою для PrP, а ADAM9 є модулятором активності ADAM10 [24]. ].Shed PrP вперше був визначений у хом'яків.

В інфікованому пріонами мозку хом’яків shedPrP становив приблизно 15% молекул PrPSc [76]. Подальший аналіз показав, що ADAM10 розщеплює відщеплений PrP між Gly228 і Arg229 і утворює відщеплений PrP, який закінчується на Gly228 [84].

Аналіз профілю сайтів розщеплення ADAM10 показав, що розщеплення не індукується унікальною послідовністю [87].

Отже, протеаза ADAM10 може продукувати варіанти виділеного PrP залежно від послідовності та конформації білка. Янсен і його співробітники описали існування незакріплених форм PrP, що закінчуються на Tyr225 і Tyr226, у пацієнтів з пріонною хворобою [88].

Автори охарактеризували двох пацієнтів з пріонною хворобою, які несли стоп-мутації в положеннях Y226X і Q227X і експресували відповідні форми. Використовуючи моноклональне антитіло V5B2 [89], яке специфічно зв’язується з фрагментом PrP, що закінчується Tyr226, ми одночасно описали існування вільної форми PrP під назвою PrP226* [90–94].

Розподіл PrP226* у мозку людини асоціюється з розподілом PrPSc [90,94]. Через існування більш ніж однієї відокремленої форми ми припустили, що протеолітичний сайт у послідовності людини розташований не виключно між амінокислотними залишками 228 і 229, а розташований поблизу С-кінця [95] (рис. 1).

Нещодавно Linsenmeier et al. опублікував комплексне дослідження механізму стимуляції протеолітичного виділення PrPC [81]. Використовуючи тваринні моделі та контролі, вони показали, що виділення PrP негативно корелює з конверсією пріонів і що виділений PrP у великій кількості присутній в амілоїдних бляшках.

Вони також вивчали вплив зв’язування PrP-спрямованих антитіл з PrPC на схильність до виділення. Зв’язування цілих анти-PrP антитіл із C-кінцевим структурованим доменом PrPC або одноланцюгових похідних антитіл, спрямованих на повторювані епітопи в межах октарепетної області N-кінцевого домену, стимулювало виділення, коли зв’язування цілих анти-PrP антитіл з октарепетом область N-кінцевого домену блокувала структуру N-кінцевого домену та викликала кластеризацію поверхні PrPC, ендоцитоз та деградацію в лізосомах [81].

4. Пріонний білок і мієлінізація

PrPC значною мірою експресується в центральній нервовій системі (ЦНС) і периферичній нервовій системі [4,5]. Дослідження в мозку приматів, мозку гризунів і трансгенних мишей показали, що він збагачується вздовж аксонів і в пресинаптичних терміналах, де він бере участь у антероградному та ретроградному аксональному транспорті [4,17,18,96–98].

Делеції в області розщеплення PrPC показали серйозну демієлінізацію як у спинному мозку, так і в білій речовині мозочка in vivo [99,100]. Пізніше було підтверджено, що PrPC аксона та його розщеплення є необхідними для промієлінізації в периферичній нервовій системі [101].

Використовуючи коізогенну модель мишей з нокаутом Prp, Kuffer et al. виявили, що аксональний PrPC сприяє підтримці мієліну в транс через зв’язування з рецептором Adgrg6, пов’язаним з G-білком, на клітинах Шванна з N-кінцевим гнучким хвостом [7].

Вони також підтвердили, що миші без PrPC розвинули хронічну демієлінізуючу нейропатію, що свідчить про те, що гомеостаз мієлінізації в периферичній нервовій системі є справжньою фізіологічною функцією PrPC [7].

Було виявлено, що підтримка мієліну регулюється зв’язуванням вивільненого N-кінцевого фрагмента PrPC (імовірно N1 або виділеного PrP) з Adgrg6 на клітинах Шванна.

Взаємодія активувала Adgrg6, підвищила клітинні рівні цАМФ і запустила сигнальний каскад, який сприяв мієлінізації [7]. Регуляція підтримки периферичного мієліну за допомогою PrPC була підтверджена на п’яти різних нокаутних нокаутом PrP ліній мишей, у яких розвинулася периферична нейропатія з пізнім початком [101–103].

Нещодавно була зроблена спроба розробити лікування периферичних демієлінізуючих захворювань на основі зв’язування між N-кінцевим доменом PrPC і Adgrg6 [104]. У цьому дослідженні вони сконструювали молекулу імуноадгезину, що складається з двох гнучких N-кінцевих доменів PrPC, пов’язаних з акристалізованим фрагментом (Fc) імуноглобуліну G1 (FT2Fc) [104].

Молекула показала сприятливі фармакокінетичні властивості та продемонструвала потенціал in vitro, але не мала терапевтичного ефекту на ранні молекулярні ознаки демієлінізації у мишей з нокаутом PrP [104].

PrPC також вивчали у зв’язку з розвитком периферичного мієліну та регенерацією після травм нервів [105]. Оскільки було виявлено, що PrP є незамінним у цьому механізмі, можна припустити, що PrP не відіграє великої ролі в процесі відновлення периферичних нервів або його відсутність може бути компенсована іншими лігандами [105].

Мієлінізацію та інші фізіологічні ролі PrPC інтенсивно вивчали на тваринних моделях з нокаутованою або нокдаунною експресією гена PrP.

Дослідження показали обмежені негативні ефекти у мишей [102,106–109], великої рогатої худоби [110] і кіз [68,111,112], тоді як дослідження на нокаутованих PrP мишах або козах показали дефекти нервової системи та чутливість до окислювального стресу [6,101,111,113]. Було створено кілька моделей мишей з нокаутом PrP зі змішаним фоном [106,109,114–116].

Оскільки дослідження не можна відтворити серед моделей, це може поставити питання про те, чи були будь-які спостережувані фенотипи насправді спричинені поліморфізмом генів, що фланкують Prnp, або результатом відсутності PrPC. Щоб уникнути цієї проблеми, було б доцільно повторити ключові експерименти з коізогенними PrPknockout мишами.

Хоча роль PrPC у ЦНС необхідно з’ясувати, PrPC та фрагменти, що вивільняються PrPC, є незамінними в гомеостазі мієліну периферичних нервів, але вони можуть бути незамінними у відновленні нервів.

For more information:1950477648nn@gamil.com