Proteina prionică: molecula multor forme și fețe Partea 1

Rezumat: Proteina prionică celulară (PrPC) este o proteină ancorată la glicozilfosfatidilinozitol (GPI) care se găsește cel mai abundent în membrana exterioară a neuronilor. Datorită caracteristicilor structurale (un nucleu structurat flexibil), PrPC interacționează cu o gamă largă de parteneri.

În ultimii ani, multe studii au arătat că proteinele prionice celulare au o relație importantă cu dezvoltarea și menținerea memoriei animalelor.

Prionul celular (virusul Herpes simplex, HSV) este un virus care este prezent pe scară largă în populația umană și este considerat a fi unul dintre cei mai importanți agenți patogeni ai bolilor neurologice și ale bolilor de piele. HSV-1 și HSV-2 sunt cele mai comune două tipuri de virusuri la om.

Un studiu recent a arătat că proteina virală HSV-1 poate promova dezvoltarea și menținerea memoriei la oameni și animale. Rezultatele acestui studiu au arătat că infecția cu HSV-1 apare în principal în stadiile foarte timpurii ale vieții umane, iar proteinele virale se acumulează în sistemul nervos uman și reglează eliberarea neurotransmițătorilor și transmiterea sinaptică. Aceste efecte de reglare ajută la îmbunătățirea funcției de memorie a creierului și la îmbunătățirea cogniției și a atenției spațiale.

În plus, proteina virală HSV-1 are, de asemenea, o anumită relație cu răspunsul imun al organismului și cu răspunsul antiviral. Studiile au arătat că influența proteinei virale HSV-1 activează răspunsul imunitar al organismului și acționează activ asupra „celulelor T de memorie” din organism, întărind astfel apărarea antivirală a organismului. Această descoperire are o semnificație de anvergură pentru explorarea relației dintre HSV-1 și imunitatea animală.

Pe scurt, relația dintre proteina virusului prion celular și memorie oferă un spațiu larg de cercetare pentru cercetările viitoare asupra memoriei, funcției sistemului nervos și răspunsului imunitar și este de așteptat să joace un rol important în prevenirea și tratamentul bolilor asociate. Se poate observa că trebuie să îmbunătățim memoria, iar Cistanche poate îmbunătăți semnificativ memoria deoarece Cistanche poate regla și echilibrul neurotransmițătorilor, cum ar fi creșterea nivelurilor de acetilcolină și a factorilor de creștere, care sunt foarte importanți pentru memorie și învățare. În plus, Cistanche poate, de asemenea, să îmbunătățească fluxul sanguin și să promoveze livrarea de oxigen, ceea ce poate asigura că creierul obține suficientă nutriție și energie, îmbunătățind astfel vitalitatea și rezistența creierului.

Faceți clic pe cunoașteți suplimentele pentru a îmbunătăți memoria

Deși s-a propus ca PrPC să fie implicată în multe funcții fiziologice, doar homeostazia mielinizării nervilor periferici a fost confirmată ca o funcție de bună credință până acum.

Plierea greșită a PrPC cauzează boli prionice și s-a demonstrat că PrPC mediază neurotoxicitatea indusă de oligomeri bogati în boala Alzheimer și Parkinson, precum și neuroprotecția în ischemie.

La scindarea proteolitică, PrPC este transformată în forme eliberate și atașate de PrP care pot, în funcție de caracteristicile structurale conținute ale PrPC, să prezinte proprietăți protectoare sau toxice.

În această revizuire, vom sublinia proprietățile proteinei prionice și a fragmentului de prionproteină, precum și o prezentare generală a implicării acestora cu partenerii care interacționează și căile de semnal în mielinizare, neuroprotecție și boli neurodegenerative.

Cuvinte cheie: proteina prionica; fragmente de proteine ​​prionice; neuroprotecție; mielinizare; accident vascular cerebral ischemic;boală neurodegenerativă.

1. Introducere

Proteina prionică (PrP) este o glicoproteină omniprezentă foarte conservată. Ea există în două forme; izoforma normală sau celulară, PrPC, și scrapie izoformor infecțioasă asociată bolii PrP, PrPSc.

Rolul patologic al PrPSc a fost studiat pe larg în priondisease și a fost revizuit în mai multe lucrări [1–3]. PrPC este exprimată într-o varietate de organe și țesuturi diferite, cu niveluri ridicate de expresie în sistemul nervos central și periferic.

Este prezent din abundență pe suprafața celulară a neuronilor [4–6] și este implicat în multe mecanisme fiziologice. Funcția proteinei rămâne de elucidat; cu toate acestea, studii intensive leagă PrPC la homeostazia mielinei [7], neuroprotecția [8,9], ritmul circadian [10,11], homeostazia ionilor metalici [12,13], homeostazia mitocondrială [14] și semnalizarea intercelulară [6,15] ,16].

În neuroni, PrPC este prezentă în compartimentele presinaptice și postsinaptice ale terminalelor axonale, unde este implicată în transportul axonal anterograd și retrograd [17-20]. PrPC este scindată la membrana celulară de proteaze, formând forme eliberate și atașate.

În ultimii ani, prionproteina și formele eliberate de proteine ​​prionice au primit atenție în corelație cu neuroprotecția în bolile neurodegenerative.

În această revizuire, prezentăm proteine ​​​​prion și forme eliberate de proteine ​​​​prion, rezumăm implicarea acestora în mielinizare, neuroprotecție și boli neurodegenerative și discutăm cele mai recente descoperiri în acest domeniu.

2. Proteine ​​prionice

PrPC umană matură este compusă dintr-un domeniu N-terminal flexibil nestructurat (reziduuri de aminoacizi 23-120) și un domeniu C-terminal structurat (resturi de aminoacizi 121-231).

Este ancorat de membrana celulară cu o ancoră de glicozilfosfatidilinozitol (GPI) [21,22]. Domeniul N-terminal flexibil conține o regiune octarepeat, în timp ce domeniul structurat constă din trei elice, două foi, o legătură disulfură care conectează cisteinele 179 și 214, și doi N-glicani pe resturile de aminoacizi 181 și 197 [23,24] (Figura 1).

PrPC se poate transforma într-o izoformă bogată în foițe PrPSc, care este predispusă la conversie autocatalitică și la agregare în agregate insolubile [22,25,26]. O acumulare anormală a proteinei patologice în creier poate provoca dezvoltarea encefalopatiilor spongiforme transmisibile (EST), cunoscute și sub numele de boli prionice.

Bolile prionice includ boala Creutzfeldt-Jakob (CJD), sindromul Gerstmann-Sträussler-Scheinker (GSS), insomnia familială fatală (FFI) și kuru la oameni, encefalopatia spongiformă bovină la bovine, scrapie la capre și ovine și boala cronică de epuizare la cervide.

Toate bolile prionice sunt rare tulburări neurodegenerative fatale. Caracteristicile clinice și neuropatologice ale bolilor prionice la oameni sunt similare cu cele ale bolii Alzheimer (AD), cum ar fi pierderea rapidă a memoriei și pierderea funcției cerebrale, precum și demența, deformarea spongiformă a creierului, modificările de personalitate și dificultățile de mișcare [15,27] .

Deși bolile prionice apar din cauza acumulării de agregate toxice PrPSc în creier, mecanismul care stă la baza conversiei PrPC în PrPSc și dezvoltarea bolii prionice rămâne necunoscut.

Pe lângă faptul că este un substrat pentru dezvoltarea bolilor prionice, PrPC poate servi ca receptor pentru oligomerii (A) de amiloid citotoxic [20,28] și agregate toxice solubile ale proteinei tau în AD și alte tauopatii [29,30].

Există, de asemenea, studii opuse privind legarea PrPC a oligomerilor -synuclein (-syn) în boala Parkinson (PD) și alte sinucleinopatii, deschizând dezbaterea asupra rolului PrPC în toxicitatea -sinucleinei [30-33].

3. Fragmente de proteină prionică

PrPC poate suferi patru clivaje post-translaționale, formând fragmente PrP (Figura 1). Clivajul și clivajul apar în domeniul N-terminal nestructurat, în timp ce clivajul și eliminarea PrP apar în domeniul C-terminal structurat.

În afară de clivajele menționate, PrPC a fost scindată în condiții experimentale cu fosfolipaza C, care a scindat PrPC în ancora GPI [34,35]. Locul de clivaj, lungimea fragmentului și atașarea membranei permit fragmentelor să ia parte la diferite mecanisme.

3.1. -Clivaj

-clivajul este cel mai studiat clivaj al PrPC. Apare în condiții fiziologice în regiunea hidrofobă centrală a PrPC mature (reziduuri de aminoacizi 105–120 în secvența umană 111/112) [36–38] (Figura 1).

Clivajul eliberează un fragment de ~11 kDa N1, în timp ce partea de ~18 kDa C1 rămâne atașată la membrana celulară de către GPIanchor [36,39]. Deocamdată, nu există o enzimă unică responsabilă pentru clivajul [24,40].

Deși au fost determinate locuri de clivaj în ceea ce privește speciile, clivajul este tolerant la variația secvenței în această regiune atâta timp cât hidrofobicitatea sa rămâne păstrată [38].

Studiile au arătat că clivajul în creierul uman, modelele de șoarece și culturile neuronale are loc în prezența enzimelor ADAM10 și ADAM17 [41–43].ADAM10 contribuie la o producție constitutivă de N1, în timp ce ADAM17 participă în principal la formarea N1 la stimulare [44]. ,45]. S-a demonstrat, de asemenea, că ADAM8 scindează PrPC pentru a forma N1 și C1 în mușchi [46].

Rolul ADAM8, ADAM10 și ADAM17 în clivaj a fost, de asemenea, susținut într-un studiu biofizic [47]. Fragmentul N1 are stabilitate relativ scăzută; cu toate acestea, s-a descoperit că este prezent în fluidele corporale, omogenați de țesuturi sau supernatanții culturii celulare [39,48,49].

Inițial s-a crezut că clivajul are loc în compartimentele endozomale acide [50,51], dar studiile ulterioare au demonstrat că clivajul are loc în timpul traficului vezicular de PrPC de-a lungul căii secretorii [52,53].

Clivajul folosește PrPC ca substrat, ceea ce duce la reducerea suprafeței celulei. Deoarece PrPC este, de asemenea, un substrat pentru replicarea prionilor și un mediator cheie al toxicității în bolile prionice, AD și alte boli neurodegenerative, clivajul are un efect biologic pozitiv.

Partea N-terminală flexibilă a PrPC este esențială pentru interacțiunea proteinei cu partenerii de legare care reglează absorbția PrPC în trafic [54,55]. Lipsit de N1, C1 formează complexe pe membrana celulară [56] și este mai stabil și mai persistent la suprafața celulei decât PrPC [50].

Fragmentul C1 poate fi scindat la suprafața celulei și eliberat în spațiul extracelular [57]. S-a descoperit că C1 inhibă replicarea prionilor la șoareci [58,59] în timp ce fragmentul N1 este neuroprotector [60,61]; absența clivajului este toxică atât pentru celule, cât și pentru șoareci [47,62].

3.2. -Clivaj

Scindarea are loc la capătul N-terminal al regiunii repetate octapeptidice a situsului de scindare. Clivajul se observă mai ales în condiții patologice și este similar cu clivajul. Se pare că acţionează protector.

Are loc în jurul reziduului de aminoacid 90, formând fragmentul N2 (~9 kDa) și fragmentul C2 (~20 kDa) [36,37,48,63](Figura 1). Scindarea PrPC este mediată de specii reactive de oxigen (ROS) [37,63–66].

Prin eliminarea ROS, clivajul protejează celulele de stresul oxidativ [65]. În afară de ROS, clivajul este indus de calpaine [67], proteaze lizozomale [68,69] sau chiar ADAM8 [47].

Proteinaza K scindează miezul rezistent la protează al PrPSc (PrP27–30) în apropierea poziției 90, creând un fragment cu o lungime similară cu C2. Similar cu fragmentul C1, fragmentul C2 poate, de asemenea, îndepărtat de suprafața celulei [70].

Formarea unui astfel de fragment indică faptul că proteazele implicate în clivaj ar putea fi, de asemenea, implicate în încercările celulare de a descompune PrPSc [71,72].

3.3. -Clivaj

Cel mai recent clivaj cu protează a PrPC descoperit este clivajul. Clivazitul din PrPC rămâne de determinat, dar dimensiunile fragmentului eliberat N3 (~20 kDa) și fragmentului ancorat de GPI C3 (~5 kDa) sugerează că clivajul proteinei are loc în regiunea dintre resturile de aminoacizi 170 și 200 [73, 74] (Figura 1).

Studiile indică faptul că clivajul are loc târziu în calea secretorie a unei proteine ​​neglicozilate în prezența membrilor familiei metaloproteazelor matriceale (MMP) [73].

Motivul pentru care clivajul are loc numai pe PrPC neglicozilat este propus a fi cauzat de împiedicarea sterica a proteazelor de către glicani în apropierea locului de clivaj propus [40,75].

S-a descoperit că clivajul există în diferite specii, țesuturi și modele de cultură celulară. Determinarea rolului său necesită studii suplimentare, deși o indicație a cantităților crescute de fragment C3 într-un creier CJD poate duce la o posibilă semnificație patogenă [73].

3.4. Eliminarea proteinei prionice

Există, de asemenea, o scindare importantă a PrP în apropierea capătului C-terminal. Clivajul aruncă PrP în spațiul extracelular, lăsând un număr mic de reziduuri de aminoacizi pe suprafața celulei.

Clivajul a fost descris în cercetările timpurii [35,39,76,77], dar a primit mai multă atenție în ultimii ani, datorită implicării PrP în afecțiuni [40,63,78–83].

Similar cu clivajul, eliminarea PrP are loc în prezența enzimelor din familia ADAM. Experimentele in vitro și in vivo sugerează că ADAM9 și ADAM10 sunt implicate în procesul de clivaj și eliminarea PrP [47,84–86] unde ADAM10 este sheddaza primară pentru PrP și ADAM9 este modulatorul activității ADAM10 [24]. ].Shed PrP a fost mai întâi determinată la hamsteri.

În creierul infectat cu prioni al hamsterilor, shedPrP a reprezentat aproximativ 15% din moleculele PrPSc [76]. O analiză suplimentară a arătat că ADAM10 a scindat PrP în vărsare între Gly228 și Arg229 și a format PrP în vărsat care s-a terminat la Gly228 [84].

O analiză care explorează profilul situsului de clivaj al ADAM10 a arătat că clivajul nu este indus de o secvență unică [87].

În consecință, proteaza ADAM10 poate produce variante de PrP shed, în funcție de secvența și conformația proteinei. Jansen și colegii au descris existența formelor PrP neancorate care se termină cu Tyr225 și Tyr226 la pacienții cu boală prionică [88].

Autorii au caracterizat doi pacienți cu boală prionică care au purtat mutații stop la pozițiile Y226X și Q227X și au exprimat formele respective. Folosind un anticorp monoclonal V5B2 [89] care se leagă în mod specific la un fragment de PrP care se termină cu Tyr226, am descris concomitent existența unei forme libere de PrP numită PrP226* [90–94].

Distribuția PrP226* în creierul uman a fost asociată cu distribuția PrPSc [90,94]. Datorită existenței mai multor forme de vărsare, am emis ipoteza că situsul proteolitic din secvența umană nu este localizat exclusiv între resturile de aminoacizi 228 și 229, dar este situat în apropierea capătului C-terminal [95] (Figura 1).

Recent, Linsenmeier et al. a publicat un studiu cuprinzător asupra mecanismului de stimulare a excreției proteolitice a PrPC [81]. Folosind modele animale și controale, ei au arătat că eliminarea PrP se corelează negativ cu conversia prionică și că PrP vărsat este prezent abundent în plăcile de amiloid.

Ei au studiat, de asemenea, influența legării anticorpilor direcționați de PrP la PrPC asupra tendinței de eliminare. Legarea anticorpilor întregi anti-PrP la domeniul structurat C-terminal al PrPC sau a derivaților de anticorpi cu catenă unică, direcționați către epitopi repetitivi din regiunea octarepeat a domeniului N-terminal a stimulat excreția, atunci când legarea întregilor anticorpi anti-PrP la octarepeat regiunea domeniului N-terminal a blocat structura domeniului N-terminal și a evocat gruparea suprafeței PrPC, endocitoza și degradarea în lizozomi [81].

4. Proteinele prionice și mielinizarea

PrPC este exprimată abundent în sistemul nervos central (SNC) și sistemul nervos periferic [4,5]. Studiile efectuate pe creierul primatelor, pe creierul rozătoarelor și pe șoareci transgenici au arătat că este îmbogățit de-a lungul axonilor și în terminalele presinaptice, unde este implicat în transportul axonal anterograd și retrograd [4,17,18,96-98].

Delețiile din regiunea de clivaj PrPC au arătat o demielinizare severă atât în ​​măduva spinării, cât și în substanța albă cerebeloasă in vivo [99,100] Ulterior, s-a confirmat că PrPC axonal și clivajul său sunt necesare pentru pro-mielinizare în sistemul nervos periferic [101].

Folosind un model de șoareci co-izogenic PrP-knockout, Kuffer și colab. a descoperit că PrPC axonal promovează menținerea mielinei în trans prin legarea la receptorul cuplat cu proteina G de adeziune Adgrg6 pe celulele Schwann cu o coadă flexibilă N-terminală [7].

Ei au confirmat, de asemenea, că șoarecii lipsiți de PrPC au dezvoltat neuropatie cronică demielinizantă, ceea ce sugerează că homeostazia mielinizării în sistemul nervos periferic este o funcție fiziologică adevărată a PrPC [7].

S-a constatat că întreținerea mielinei este reglată prin legarea unui fragment de PrPC eliberat la N-terminal (probabil N1 sau PrP aruncat) la Adgrg6 pe celulele Schwann.

Interacțiunea a activat Adgrg6, a crescut nivelurile celulare de cAMP și a declanșat cascada de asignare care a promovat mielinizarea [7]. Reglarea menținerii mielinei periferice de către PrPC a fost confirmată în cinci tulpini diferite de model de șoarece PrP-knockout care au dezvoltat neuropatie periferică cu debut tardiv [101-103].

Recent, a existat o încercare de a dezvolta un tratament pentru bolile demielinizante periferice bazat pe legarea dintre domeniul N-terminal al PrPC și Adgrg6 [104]. În acest studiu, ei au construit o moleculă de imunoadezină constând din două domenii N-terminale flexibile ale PrPC legate de fragmentul cristalizabil (Fc) al imunoglobulinei G1 (FT2Fc) [104].

Molecula a prezentat proprietăți farmacocinetice favorabile și a prezentat potențial in vitro, dar nu a reușit să aibă efect aterapeutic asupra semnelor moleculare timpurii ale demielinizării la șoarecii cu PrP-knockout [104].

PrPC a fost studiată și în legătură cu dezvoltarea și regenerarea mielinei periferice după leziuni nervoase [105]. Deoarece PrP s-a dovedit a fi dispensabil în acest mecanism, se poate presupune că PrP nu are un rol major în procesul de reparare a nervilor periferici sau absența sa ar putea fi compensată de alți liganzi [105].

Mielinizarea și alte roluri fiziologice ale PrPC au fost studiate intens pe modele animale cu o expresie a genei PrP eliminată sau eliminată.

Studiile au arătat efecte negative limitate la șoareci [102,106–109], bovine [110] și capre [68,111,112], în timp ce studiile pe șoareci sau capre cu PrP-knockout au arătat defecte ale sistemului nervos și sensibilitate la stresul oxidativ [6,101,111,113]. Au fost generate mai multe modele de șoareci PrP-knockout cu un fundal mixt [106,109,114–116].

Deoarece studiile nu sunt reproductibile între modele, acest lucru ar putea ridica întrebarea dacă vreun fenotip observat s-a datorat de fapt polimorfismelor în genele care flanchează Prnp sau rezultatul absenței PrPC. Pentru a evita această problemă, ar fi recomandabil să repeți experimentele cheie folosind șoareci PrPknockout co-izogeni.

Deși rolul PrPC în SNC trebuie elucidat, PrPC și fragmentele eliberate de PrPC sunt indispensabile în homeostazia mielinei nervului periferic, dar pot fi dispensabile în recuperarea nervilor.

For more information:1950477648nn@gamil.com