Прионный белок: молекула многих форм и лиц. Часть 1

Аннотация: Клеточный прионный белок (PrPC) представляет собой гликозилфосфатидилинозитол (GPI)-заякоренный белок, наиболее часто встречающийся во внешней мембране нейронов. Благодаря структурным особенностям (гибкое хвостовое и структурированное ядро) ПрПК взаимодействует с широким кругом партнеров.

В последние годы многие исследования показали, что клеточные прионные белки имеют важную связь с развитием и поддержанием памяти животных.

Клеточный прион (вирус простого герпеса, ВПГ) — вирус, широко распространенный в человеческой популяции и считающийся одним из важнейших возбудителей неврологических заболеваний и заболеваний кожи. ВПГ-1 и ВПГ-2 — два наиболее распространенных типа вируса у человека.

Недавнее исследование показало, что вирусный белок HSV-1 может способствовать развитию и поддержанию памяти у людей и животных. Результаты этого исследования показали, что заражение ВПГ-1 в основном происходит на самых ранних этапах жизни человека, а вирусные белки накапливаются в нервной системе человека и регулируют высвобождение нейротрансмиттеров и синаптическую передачу. Эти регуляторные эффекты помогают улучшить функцию памяти мозга и улучшить пространственное познание и внимание.

Кроме того, вирусный белок HSV-1 также имеет определенную связь с иммунным и противовирусным ответом организма. Исследования показали, что влияние вирусного белка HSV-1 активирует иммунный ответ организма и активно действует на «Т-клетки памяти» в организме, тем самым усиливая противовирусную защиту организма. Это открытие имеет далеко идущее значение для изучения взаимосвязи между ВПГ-1 и иммунитетом животных.

Короче говоря, взаимосвязь между клеточным белком прионного вируса и памятью обеспечивает широкое пространство для будущих исследований памяти, функции нервной системы и иммунного ответа и, как ожидается, сыграет важную роль в профилактике и лечении связанных с этим заболеваний. Видно, что нам нужно улучшить память, и Цистанхе может значительно улучшить память, поскольку Цистанхе также может регулировать баланс нейротрансмиттеров, например, повышая уровень ацетилхолина и факторов роста, которые очень важны для памяти и обучения. Кроме того, цистанхе также может улучшить кровоток и способствовать доставке кислорода, что может гарантировать, что мозг получает достаточное питание и энергию, тем самым повышая жизнеспособность и выносливость мозга.

Нажмите «Знайте добавки для улучшения памяти»

Хотя предполагается, что PrPC участвует во многих физиологических функциях, до сих пор подтверждено, что только гомеостаз миелинизации периферических нервов является добросовестной функцией.

Неправильное сворачивание PrPC вызывает прионные заболевания, и было показано, что PrPC опосредует нейротоксичность, индуцированную богатыми олигомерами, при болезнях Альцгеймера и Паркинсона, а также нейропротекцию при ишемии.

При протеолитическом расщеплении PrPC трансформируется в высвобожденные и присоединенные формы PrP, которые могут, в зависимости от содержащихся в нем структурных характеристик, проявлять защитные или токсические свойства.

В этом обзоре мы опишем свойства прионного белка и его фрагментов, а также рассмотрим их участие во взаимодействующих партнерах и сигнальных путях в миелинизации, нейропротекции и нейродегенеративных заболеваниях.

Ключевые слова: прионный белок; фрагменты прионного белка; нейропротекция; миелинизация; ишемический инсульт; нейродегенеративные заболевания.

1. Введение

Прионный белок (PrP) представляет собой широко распространенный высококонсервативный гликопротеин. Он существует в двух формах; нормальная или клеточная изоформа PrPC и связанная с заболеванием инфекционная изоформа скрепи PrP, PrPSc.

Патологическая роль PrPSc широко изучалась при прионтических заболеваниях и была рассмотрена в нескольких статьях [1–3]. PrPC экспрессируется во множестве различных органов и тканей с высокими уровнями экспрессии в центральной и периферической нервной системе.

Он в изобилии присутствует на клеточной поверхности нейронов [4–6] и участвует во многих физиологических механизмах. Функция белка еще предстоит выяснить; тем не менее, интенсивные исследования связывают PrPC с гомеостазом миелина [7], нейропротекцией [8,9], циркадным ритмом [10,11], гомеостазом ионов металлов [12,13], митохондриальным гомеостазом [14] и межклеточной передачей сигналов [6,15]. ,16].

В нейронах PrPC присутствует в пресинаптических и постсинаптических отделах окончаний аксонов, где он участвует в антероградном и ретроградном аксональном транспорте [17–20]. PrPC расщепляется на клеточной мембране протеазами, образуя высвобожденную и прикрепленную формы.

В последние годы прионпротеин и его формы, высвобождаемые прионным белком, привлекли внимание в связи с нейропротекцией при нейродегенеративных заболеваниях.

В этом обзоре мы представляем прионный белок и высвобождаемые формы прионного белка, суммируем их участие в миелинизации, нейропротекции и нейродегенеративных заболеваниях, а также обсуждаем самые последние открытия в этой области.

2. Прионный белок

Зрелый PrPC человека состоит из гибкого неструктурированного N-концевого домена (аминокислотные остатки 23–120) и структурированного С-концевого домена (аминокислотные остатки 121–231).

Он прикреплен к клеточной мембране с помощью гликозилфосфатидилинозитолового (GPI) якоря [21,22]. Гибкий N-концевой домен содержит октареповатую область, тогда как структурированный домен состоит из трех -спиралей, двух -листов, дисульфидной связи, соединяющей цистеины 179 и 214, и два N-гликана по аминокислотным остаткам 181 и 197 [23,24] (рис. 1).

PrPC может трансформироваться в богатую -листами изоформу PrPSc, которая склонна к автокаталитической конверсии и агрегации в нерастворимые агрегаты [22,25,26]. Аномальное накопление патологического белка в головном мозге может вызвать развитие трансмиссивных губчатых энцефалопатий (ТГЭ), также известных как прионные заболевания.

Прионные заболевания включают болезнь Крейцфельдта-Якоба (БКЯ), синдром Герстмана-Штреусслера-Шейнкера (ССШ), фатальную семейную бессонницу (FFI) и куру у людей, губчатую энцефалопатию крупного рогатого скота, чесотку у коз и овец и хроническую истощающую болезнь у оленей.

Все прионные заболевания являются редкими фатальными нейродегенеративными заболеваниями. Клинические и невропатологические особенности прионных заболеваний у людей аналогичны таковым при болезни Альцгеймера (БА), такие как быстрая потеря памяти и потеря функций мозга, а также деменция, губчатая деформация мозга, изменения личности и трудности с движением [15,27]. .

Хотя прионные заболевания возникают вследствие накопления в головном мозге токсичных агрегатов PrPSc, механизм, лежащий в основе превращения PrPC в PrPSc и развития прионной болезни, остается неизвестным.

Помимо того, что PrPC является субстратом для развития прионных заболеваний, он может служить рецептором цитотоксических амилоид-(А)-олигомеров [20,28] и токсичных растворимых агрегатов тау-белка при БА и других таупатиях [29,30].

Существуют также противоположные исследования по связыванию PrPC олигомеров -синуклеина (-син) при болезни Паркинсона (БП) и других синуклеинопатиях, что открывает дискуссию о роли PrPC в токсичности -синуклеина [30-33].

3. Фрагменты прионного белка

PrPC может подвергаться четырем посттрансляционным расщеплениям, образуя фрагменты PrP (рис. 1). -расщепление и -расщепление происходят в пределах неструктурированного N-концевого домена, тогда как -расщепление и отщепление PrP происходят в пределах структурированного C-концевого домена.

Помимо упомянутых расщеплений, PrPC был расщеплен в экспериментальных условиях с помощью фосфолипазы C, которая расщепляла PrPC внутри якоря GPI [34,35]. Место расщепления, длина фрагмента и прикрепление к мембране позволяют фрагментам участвовать в различных механизмах.

3.1. -Расщепление

-расщепление является наиболее изученным расщеплением PrPC. В физиологических условиях он происходит в центральной гидрофобной области зрелого PrPC (аминокислотные остатки 105–120 в последовательности человека 111/112) [36–38] (рис. 1).

При расщеплении высвобождается фрагмент N1 ~11 кДа, тогда как часть C1 ~18 кДа остается прикрепленной к клеточной мембране с помощью GPIanchor [36,39]. На данный момент не существует уникального фермента, ответственного за -расщепление [24,40].

Хотя сайты расщепления были определены в отношении видов, -расщепление устойчиво к вариациям последовательности в этом регионе, пока сохраняется его гидрофобность [38].

Исследования показали, что -расщепление в человеческом мозге, на моделях мышей и в культурах нейронов происходит в присутствии ферментов ADAM10 и ADAM17 [41–43]. ADAM10 способствует конститутивной продукции N1, тогда как ADAM17 в основном участвует в образовании N1 при стимуляции [44 ,45]. Также было показано, что ADAM8 расщепляет PrPC с образованием N1 и C1 в мышцах [46].

Роль ADAM8, ADAM10 и ADAM17 в -расщеплении также была подтверждена в биофизических исследованиях [47]. Фрагмент N1 имеет относительно низкую стабильность; тем не менее, было обнаружено, что он присутствует в жидкостях организма, гомогенатах тканей или супернатантах клеточных культур [39,48,49].

Первоначально считалось, что расщепление происходит в кислых эндосомальных компартментах [50,51], но более поздние исследования показали, что -расщепление происходит во время везикулярного транспорта PrPC по секреторному пути [52,53].

При -расщеплении в качестве субстрата используется PrPC, что приводит к уменьшению его поверхности клетки. Поскольку PrPC также является субстратом для репликации прионов и ключевым медиатором токсичности прионных заболеваний, БА и других нейродегенеративных заболеваний, расщепление имеет положительный биологический эффект.

Гибкая N-концевая часть PrPC необходима для взаимодействия белка с партнерами по связыванию, которые регулируют поглощение PrPC при транспортировке [54,55]. Не имея N1, C1 образует комплексы на клеточной мембране [56] и более стабилен и персистентен на поверхности клетки, чем PrPC [50].

Фрагмент С1 может расщепляться на поверхности клетки и высвобождаться во внеклеточное пространство [57]. Было обнаружено, что C1 ингибирует репликацию приона у мышей [58,59], тогда как фрагмент N1 обладает нейропротекторным действием [60,61]; отсутствие -расщепления токсично как для клеток, так и для мышей [47,62].

3.2. -Расщепление

-Расщепление происходит на конце N-конца области октапептидного повтора сайта -расщепления. -расщепление чаще всего наблюдается при патологических состояниях и аналогично -расщеплению. Кажется, действует защитно.

Это происходит вокруг аминокислотного остатка 90, образуя фрагмент N2 (~9 кДа) и фрагмент C2 (~20 кДа) [36,37,48,63](рисунок 1). Расщепление PrPC опосредовано активными формами кислорода (АФК) [37,63–66].

Удаляя АФК, расщепление защищает клетки от окислительного стресса [65]. Помимо АФК, -расщепление индуцируется кальпаинами [67], лизосомальными протеазами [68,69] или даже ADAM8 [47].

Протеиназа К расщепляет устойчивое к протеазам ядро ​​PrPSc (PrP27–30) вблизи положения 90, создавая фрагмент с длиной, аналогичной C2. Подобно фрагменту C1, фрагмент C2 также может отделяться от поверхности клетки [70].

Образование такого фрагмента указывает на то, что протеазы, участвующие в -расщеплении, также могут участвовать в попытках клеток разрушить PrPSc [71,72].

3.3. -Расщепление

Самым недавно обнаруженным протеазным расщеплением PrPC является -расщепление. Сайт расщепления в PrPC еще предстоит определить, но размеры высвободившегося фрагмента N3 (~20 кДа) и GPI-заякоренного фрагмента C3 (~5 кДа) позволяют предположить, что расщепление белка происходит в области между аминокислотными остатками 170 и 200 [73, 74] (рис. 1).

Исследования показывают, что -расщепление происходит на поздних стадиях секреторного пути негликозилированного белка в присутствии членов семейства матриксных металлопротеаз (ММП) [73].

Предполагается, что причина, по которой -расщепление происходит только на негликозилированном PrPC, связана со стерическими препятствиями протеазам со стороны гликанов вблизи предполагаемого сайта расщепления [40,75].

Было обнаружено, что -расщепление существует у различных видов, тканей и моделей клеточных культур. Определение его роли требует дальнейшего изучения, хотя указание на повышенное количество фрагмента C3 в головном мозге CJD может привести к возможной патогенной значимости [73].

3.4. Выделение прионного белка

Также происходит важное расщепление PrP вблизи С-конца. В результате расщепления PrP выделяется во внеклеточное пространство, оставляя небольшое количество аминокислотных остатков на поверхности клетки.

Расщепление было описано в ранних исследованиях [35,39,76,77], но в последние годы привлекло больше внимания из-за участия выделяемого PrP в заболеваниях [40,63,78–83].

Подобно -расщеплению, отщепление PrP происходит в присутствии ферментов семейства ADAM. Эксперименты in vitro и in vivo позволяют предположить, что ADAM9 и ADAM10 участвуют в процессе расщепления и выделения PrP [47,84–86], где ADAM10 является первичной шеддазой для PrP, а ADAM9 является модулятором активности ADAM10 [24]. ].Shed PrP впервые был определен у хомяков.

В инфицированном прионами мозге хомяков shedPrP составлял примерно 15% молекул PrPSc [76]. Дальнейший анализ показал, что ADAM10 расщепляет выделенный PrP между Gly228 и Arg229 и образует выделенный PrP, который заканчивается на Gly228 [84].

Анализ профиля сайта расщепления ADAM10 показал, что расщепление не индуцируется уникальной последовательностью [87].

Следовательно, протеаза ADAM10 может продуцировать варианты отбрасываемого PrP в зависимости от последовательности и конформации белка. Янсен и его коллеги описали существование незакрепленных форм PrP, заканчивающихся Tyr225 и Tyr226, у пациентов с прионной болезнью [88].

Авторы охарактеризовали двух пациентов с прионной болезнью, которые несли стоп-мутации в позициях Y226X и Q227X и экспрессировали соответствующие формы. Используя моноклональное антитело V5B2 [89], которое специфически связывается с фрагментом PrP, заканчивающимся Tyr226, мы одновременно описали существование свободной формы PrP, названной PrP226* [90–94].

Распределение PrP226* в мозге человека связано с распределением PrPSc [90,94]. В связи с существованием более чем одной «шед-формы» мы предположили, что протеолитический сайт в последовательности человека расположен не исключительно между аминокислотными остатками 228 и 229, а расположен вблизи С-конца [95] (рис. 1).

Недавно Линсенмайер и др. опубликовали комплексное исследование механизма, стимулирующего протеолитическое выделение PrPC [81]. Используя модели животных и контрольную группу, они показали, что выделение PrP отрицательно коррелирует с прионной конверсией и что выделение PrP в изобилии присутствует в амилоидных бляшках.

Они также изучили влияние связывания антител, направленных на PrP, с PrPC на склонность к выделению. Связывание целых антител против PrP с C-концевым структурированным доменом PrPC или производных одноцепочечных антител, направленное на повторяющиеся эпитопы внутри октареповторной области N-концевого домена, стимулирует выделение, когда связывание целых анти-PrP антител с октареповтором область N-концевого домена блокирует структуру N-концевого домена и вызывает кластеризацию поверхности PrPC, эндоцитоз и деградацию в лизосомах [81].

4. Прионный белок и миелинизация

PrPC обильно экспрессируется в центральной нервной системе (ЦНС) и периферической нервной системе [4,5]. Исследования на мозге приматов, мозге грызунов и трансгенных мышах показали, что он накапливается вдоль аксонов и в пресинаптических окончаниях, где он участвует в антероградном и ретроградном аксональном транспорте [4,17,18,96–98].

Делеции в области расщепления PrPC показали тяжелую демиелинизацию как в спинном мозге, так и в белом веществе мозжечка in vivo [99,100]. Позже было подтверждено, что аксональный PrPC и его -расщепление необходимы для промиелинизации в периферической нервной системе [101].

Используя модель мышей с коизогенным нокаутом PrP, Kuffer et al. обнаружили, что аксональный PrPC способствует поддержанию миелина в транс-трансфере посредством связывания с адгезионным рецептором Adgrg6, связанным с G-белком, на шванновских клетках с N-концевым гибким хвостом [7].

Они также подтвердили, что у мышей, лишенных PrPC, развивается хроническая демиелинизирующая нейропатия, что позволяет предположить, что гомеостаз миелинизации в периферической нервной системе является истинной физиологической функцией PrPC [7].

Было обнаружено, что поддержание миелина регулируется посредством связывания N-концевого высвобождаемого фрагмента PrPC (предположительно N1 или отбрасываемого PrP) с Adgrg6 на шванновских клетках.

Взаимодействие активировало Adgrg6, увеличило клеточные уровни цАМФ и запустило сигнальный каскад, который способствовал миелинизации [7]. Регуляция поддержания периферического миелина с помощью PrPC была подтверждена на пяти различных модельных линиях мышей с нокаутом PrP, у которых развилась периферическая нейропатия с поздним началом [101–103].

Недавно была предпринята попытка разработать метод лечения периферических демиелинизирующих заболеваний, основанный на связывании N-концевого домена PrPC и Adgrg6 [104]. В этом исследовании они сконструировали молекулу иммуноадгезина, состоящую из двух гибких N-концевых доменов PrPC, связанных с акристаллизуемым фрагментом (Fc) иммуноглобулина G1 (FT2Fc) [104].

Молекула показала благоприятные фармакокинетические свойства и показала потенциал in vitro, но не оказала терапевтического эффекта на ранние молекулярные признаки демиелинизации у мышей с нокаутом PrP [104].

PrPC также изучали в связи с развитием и регенерацией периферического миелина после повреждений нервов [105]. Поскольку было обнаружено, что PrP не участвует в этом механизме, можно предположить, что PrP не играет основной роли в процессе восстановления периферических нервов или его отсутствие может быть компенсировано другими лигандами [105].

Миелинизация и другие физиологические роли PrPC интенсивно изучались на животных моделях с нокаутированной или нокдаунной экспрессией гена PrP.

Исследования показали ограниченные негативные эффекты на мышах [102,106–109], крупном рогатом скоте [110] и козах [68,111,112], тогда как исследования на мышах или козах с нокаутом PrP показали дефекты нервной системы и чувствительность к окислительному стрессу [6,101,111,113]. Несколько моделей мышей с нокаутом PrP были созданы со смешанным фоном [106,109,114–116].

Поскольку исследования не воспроизводятся среди моделей, это может поднять вопрос о том, были ли какие-либо наблюдаемые фенотипы на самом деле обусловлены полиморфизмами в генах, фланкирующих Prnp, или результатом отсутствия PrPC. Чтобы избежать этой проблемы, было бы целесообразно повторить ключевые эксперименты с использованием коизогенных мышей с нокаутом PrPP.

Хотя роль PrPC в ЦНС требует выяснения, PrPC и высвобождаемые PrPC фрагменты незаменимы в гомеостазе миелина периферических нервов, но они могут быть незаменимы при восстановлении нервов.

For more information:1950477648nn@gamil.com