Кіріспе
Приондық аурулардың көптеген түрлеріне қатысы бар ақуыз. Адам ағзасында PRNP гені CD230 (дифференциациялау кластері 230) деп белгіленеді. Ақуыздың экспрессиясы көбінесе жүйке жүйесінде байқалады, бірақ организмнің көптеген тіндерінде де кездеседі. Ақуыз бірнеше изоформада болуы мүмкін: қалыпты PrPC формасы және протеазаға төзімді PrPRes формасы, мысалы, PrPSc (скрепи) ауруын тудыратын изоформа және митохондрияда орналасқан изоформа. PrPSc дұрыс бүлінбеген түрі жануарларда әртүрлі танымдық бұзылулармен және нейродегенеративті аурулармен байланысты: қойдың скрепиі, сиырдың спонгиформалы энцефалопатиясы (BSE, «ақылсыз сиыр» ауруы), мысықтардың спонгиформалы энцефалопатиясы, жұқпалы мысық энцефалопатиясы (TME), экзотикалық еңкейтулілердің энцефалопатиясы, елендерге әсер ететін созылмалы әлсіреу синдромы (CWD); ал адамдарда: Крейцфельдт-Якоб ауруы (CJD), өлімге әкелетін отбасылық ұйқысыздық (FFI), Герстманн-Штраусслер-Шейнкер синдромы (GSS), куру және Крейцфельдт-Якоб ауруының (vCJD) варианты. Куру, ауруға шалған адамдарды жеуден туындаған деп есептеледі, және vCJD, BSE-мен ластанған мал өнімдерін жеуден туындаған деп саналады, олардың арасында ұқсастықтар бар.
Major prion protein (PrP) is encoded in the human body by the PRNP gene also known as CD230 (cluster of differentiation 230). Expression of the protein is most predominant in the nervous system but occurs in many other tissues throughout the body. The protein can exist in multiple isoforms: the normal PrPC form, and the protease resistant form designated PrPRes such as the disease causing PrPSc (scrapie) and an isoform located in mitochondria. The misfolded version PrPSc is associated with a variety of cognitive disorders and neurodegenerative diseases such as in animals: ovine scrapie, bovine spongiform encephalopathy (BSE, mad cow disease), feline spongiform encephalopathy, transmissible mink encephalopathy (TME), exotic ungulate encephalopathy, chronic wasting disease (CWD) which affects deer; and in humans: Creutzfeldt–Jakob disease (CJD), fatal familial insomnia (FFI), Gerstmann–Sträussler–Scheinker syndrome (GSS), kuru, and variant Creutzfeldt–Jakob disease (vCJD). Similarities exist between kuru, thought to be due to human ingestion of diseased individuals, and vCJD, thought to be due to human ingestion of BSE tainted cattle products.
Ген
Адам PRNP гені 20-шы хромосоманың қысқа (p) қолында, қолының ұшы мен 13-ші позиция аралығында орналасқан, 4,615,068 негіз жұбынан 4,630,233 негіз жұбына дейін.
Құрылымы
PrP сүтқоректілерде жоғары сақталған, бұл мысықтар сияқты сынақ жануарларынан алынған қорытындыларды қолдануға негіз береді. Приматтар арасындағы салыстыру ерекше жақын, аминқышқылдарының тізбегі 92.9-99.6% аралығында ұқсас. Адам PrP-ның құрылымы үш α-спиральдан тұратын шар тәрізді домен, екі тізбекті антипараллель β-парақ, NH2-терминалды құйрық және қысқа COOH-терминалды құйрықтан тұрады. COOH-терминалындағы гликофосфатидил инозитол (GPI) мембраналық жабысы PrP-ны жасуша мембраналарына бекітеді, бұл конформациялық өзгерістердің берілуі үшін маңызды; жабысы компоненті жоқ PrP инфекциялық изоформаға әсер етпейді. PrP-ның бастапқы тізбегі посттрансляциялық модификациядан бұрын 253 аминқышқылынан тұрады. Амин және карбоксилді терминалдардағы сигналдық тізбектер посттрансляциялық түрде алынып тасталады, нәтижесінде 208 аминқышқылынан тұратын жетілген ұзындыққа ие болады. Адам және алтын хомяқтың PrP үшін 2 және 3-ші спиральдарда Asn181 және Asn197 орналасқан екі гликозильденген орын бар. Егешкі PrP-ның гликозильдеу орындары Asn180 және Asn196 болып табылады. Екінші спиральдің Cys179 және үшінші спиральдің Cys214 арасында дисульфидтік байланыс бар (адам PrPC нөмірлеуі бойынша). PrP-ның иесі РНК құрамында псевдотүйін құрылымы (прион псевдотүйіні) бар, ол PrP ақуызының трансляциясын реттеуге қатысады деп саналады.
Лигандты байлау
Скрейпи изоформасына конформациялық түрлену механизмі құпиялы лиганд ақуызы болуы мүмкін деп болжанады, бірақ қазірге дейін мұндай зат табылған жоқ. Дегенмен, кандидаттар мен олардың PrPC-мен өзара әрекеттесуіне қатысты көптеген зерттеулер жасалды. Мыс, мырыш, марганец және никель – PrP лигандтары болып табылады және олардың октарепиттік аймағына байланысады. Лиганд байланысы әсері белгісіз конформациялық өзгеріске алып келеді. PrP-мен ауыр металдардың байланысы, ауыр металдардың уыттылығынан туындайтын тотығу стресіне төзімділікпен байланыстырылған.
PrPC (тәтті жасушалық) изоформасы
PrP-нің нақты функциясы әлі толық анықталмаған, бірақ ол қоршаған ортадан жасушаларға иондық мысты тасымалдауға қатысуы мүмкін. Зерттеушілер PrP-нің жасушалық сигнал беруде немесе синапстардың қалыптасуында да рөл атқаратынын болжады. PrPC жасуша мембранасының сыртқы бетіне С-терминалындағы Ser231 орнындағы гликозилфосфатидил инозитол байланысы арқылы бекітіледі. Прионды ақуызда PHGGGWGQ тізбегі бар бес октапептидтік қайталану бар (бірінші қайталануда сәл өзгертілген, гистидин азаматтығы бар PQGGGGWGQ тізбегі бар). Бұл гистидин имидазолының жанама тізбектеріндегі азот атомдары және қайталанудағы екінші және үшінші глициндерден депротонталған амидтік азоттар арқылы мыс байланыстыру доменін құрайды деп саналады. Сондықтан мыс байланыстыру қабілеті pH деңгейіне байланысты. Ядролық магниттік резонанс (NMR) көрсеткендей, мыс байланысы N-ұшында конформациялық өзгеріске әкеледі.
PrPSc (скрепи) изоформасы
PrPSc – PrPC конформациялық изоформасы, бірақ бұл күй жүйке тініндегі ықшам, протеазаға төзімді агрегаттарда жинақталуға бейім. Аномальды PrPSc изоформасының екінші және үшінші құрылымдары PrPC-ден өзгеше, бірақ бастапқы тізбегі бірдей. PrPC негізінен альфа-спиральді және ретсіз домендерге ие болса, PrPSc-де альфа-спираль жоқ және PrP молекулаларынан тұратын амилоидты фибрил ядросы бар, олар параллель тізілімдегі молекулааралық бета-парақтармен біріктірілген. Бұл қайта құрылым PrPSc изоформасын протеолизге өте төзімді етеді. PrPSc таралуы зор қызығушылық тудыратын мәселе, себебі оның жинақталуы нейродегенерацияның патологиялық себебі болып табылады. Спангиформалы энцефалопатиялардың прогрессивті сипатына сүйене отырып, басым гипотеза, қалыпты PrPC-нің өзгеруіне PrPSc-нің болуы және онымен өзара әрекеттесуі себепті екенін көрсетеді. Бұл тұжырым PRNP нокаут егештерінің PrPSc енгізуге төзімділігін көрсеткен зерттеулермен нығайтылады. Конформациялық түрлену гипотезасы кеңінен қабылдануына қарамастан, кейбір зерттеулер PrPSc мен цитотоксикалық әсер арасындағы тікелей байланыс туралы мәлімдемелерді күйреттеуге тырысады. 136, 154 және 171 орындарындағы полиморфизмдер қойлардың скрепи ауруына әртүрлі сезімталдықпен байланысты. (Бұл қойлардың орындары адамның 133, 151 және 168 орындарына сәйкес келеді.) PrP VRQ және PrP ARQ формаларының полиморфизмдері сезімталдықтың жоғарылауымен байланысты, ал PrP ARR резистенттілікпен байланысты. Ұлыбританияның Ұлттық Скрепи Жоспары осы скрепи полиморфизмдерін резистентті аллельдің жиілігін арттыру арқылы жоюға бағытталған. Дегенмен, PrP ARR полиморфизмдері атипиялық скрепиге сезімтал, сондықтан бұл жоспар сәтсіз болуы мүмкін.
Жүйке жүйесі
Нейродегенеративті аурулармен тығыз байланыстылығы мидағы PrP функциясына көптеген сұрақтар тудырады. Көп қолданылатын тәсіл – PrP нокауты және трансгенді тышқандарды пайдаланып, кемшіліктер мен айырмашылықтарды зерттеу. Алғашқы әрекеттерде PrP жоқ тышқанның екі штаммы алынды, олар көптеген сынақтарға ұшырағанда физиологиялық немесе даму бойынша ешқандай айырмашылық көрсетпеді. Дегенмен, жақында алынған штаммдар айқын когнитивтік бұзылыстарды көрсетті. Басқа байқалған айырмашылықтарға стресске реакцияның төмендеуі және жаңа ортаны зерттеуге бейімділіктің артуы жатады. PrP жоқ тышқандардың циркадиандық ритмі өзгереді. Сонымен қатар, PrP мРНК-сында циркадиандық реттелу анықталды, ол күн мен түннің үнемі қайталануымен байланысты.
Жады
Нөлдік тышқандар қалыпты оқу қабілеті мен қысқа мерзімді есте сақтау қабілетін көрсеткенімен, ұзақ мерзімді есте сақтауды бекітудегі кемшіліктер анықталды. Атаксия сияқты, бұл да Доппел генінің экспрессиясына байланысты. Дегенмен, кеңістіктік оқыту, негізінен гиппокамптың функциясы, нөлдік тышқандарда төмендеген және нейрондарда PrP-нің қайта орналасуымен қалпына келтірілуі мүмкін; бұл PrP функциясының жоғалуы себеп екенін көрсетеді. Гиппокамп PrP-нің ламининмен (LN) өзара әрекеттесуі есте сақтау процесінде өте маңызды және PKA және ERK1/2 киназаларымен реттелуі мүмкін. Есте сақтаудың қалыптасуындағы PrP рөлін қолдайтын қосымша мәліметтер бірнеше популяциялық зерттеулерден алынды. Денсау жас адамдарға жасалған тесттерде VV генотипімен салыстырғанда MM немесе MV генотипі ұзақ мерзімді есте сақтау қабілетінің артуын көрсетті. Даун синдромымен ауыратын пациенттердегі бір валин алмастыруы ертерек когнитивтік төмендеумен байланысты. PRNP-дегі бірнеше полиморфизмдер қарт адамдардағы когнитивтік бұзылумен және ертерек когнитивтік төмендеумен байланысты. Бұл зерттеулердің барлығы 129 кодондағы айырмашылықтарды қарастырды, бұл оның PrP-нің жалпы функционалдығында, әсіресе есте сақтауда маңызды екенін көрсетеді.
Нейрондар мен синапстар
PrP пресинаптикалық және постсинаптикалық бөліктерде кездеседі, ең жоғары концентрациясы пресинаптикалық бөлікте байқалады. Осы мәліметтерді және PrP-нің мінез-құлқына әсер ететін қасиеттерін ескере отырып, нейрондық жасушалардың функциялары мен өзара әрекеттесуі ерекше қызығушылық тудырады. Мыс лигандіне сүйене отырып, ұсынылған бір функция PrP-ді синапты жарық үшін мыс буфері ретінде қарастырады. Осы рөлде ақуыз мыс гомеостазының механизмі, кальцийді реттегіш немесе мысқа немесе тотығу стресіне сезімтал сенсор ретінде жұмыс істей алады. PrP функциясының жоғалтылуы ұзақ мерзімді потенцияциямен (LTP) байланысты. Бұл әсер оң немесе теріс болуы мүмкін және гиппокамптағы нейрондық қозу және синаптық берілістің өзгеруіне байланысты. Кейбір зерттеулер PrP-нің нейронның дамуына, дифференциациялануына және нейриттердің өсуіне қатыс екенін көрсетеді. PrP-ні белсендіретін сигнал трандукциясы жолы аксон және дендриттердің өсуімен, сондай-ақ кинезалар тізбегімен байланысты.
Иммундық жүйе
Негізінен PrP-нің жүйке жүйесіндегі болуына назар аударылса да, ол иммундық жүйе тіндерінде де көп мөлшерде кездеседі. PrP-ні қамтитын иммундық жасушаларға гематопоэтикалық дің жасушалары, жетілген лимфоидты және миелоидты бөлімдер, сондай-ақ белгілі бір лимфоциттер жатады; сонымен қатар, ол табиғи өлтіруші жасушаларда, тромбоциттерде және моноциттерде де анықталды. Т-жасушаларының белсенділігі PrP экспрессиясын күшейтумен қатар жүреді, бірақ бұл міндетті емес. Приондардан туындайтын нейродегенеративті аурулар – жұқпалы губка тәрізді энцефалопатияға (ЖГЭ) иммундық жауаптың болмауы PrPSc-ге төзімділікке байланысты болуы мүмкін.
Альцгеймер ауруы
PrPC ақуызы – Альцгеймер ауруын тудырумен байланысты ерігіш бета-амилоидты (Aβ) олигомерлерінің бірнеше жасушалық рецепторларының бірі. Бұл олигомерлер кішірек Аβ плактарынан құралған және нейронның тұтастығына ең көп зиян келтіреді. Бұл PRNP мен Aβ олигомерлерімен шақырылған нейродегенерация арасындағы тең емес қатынас немесе нақты орынға байланысты маңыздылықты көрсетеді. Аβ олигомерлерін гиппокампқа тікелей енгізген кезде, PRNP жоқ тышқандар нейрондық өлім көрсеткіштері және синаптық пластикалық өлшемдер бойынша бақылау тобынан ешқандай айырмашылық танытпады. V аллелінің тасымалдаушылары (VV және MV) метионин гомозиготасына (MM) қарағанда Альцгеймер ауруын дамыту қаупі 13%-ға төмен. Дегенмен, V аллелінің тасымалдаушыларының қорғау әсері тек кавказдықтарда ғана анықталды. V аллелінің тасымалдаушыларындағы қаупің төмендеуі тек қана кеш пайда болатын Альцгеймер ауруымен (≥ 65 жас) шектеледі. Сол зерттеуде, дұрыс диагноз қою қиын болған деменция жағдайларында PRNP-ні тексеру ұсынылды, себебі деменцияның түрлерін ажырату қиын болуы мүмкін.
Өзара әрекеттесулер
PrP мен кошаперон Hop (Hsp70/Hsp90 ұйымдастырушы белок; сондай-ақ STI1 (Стрес әсерінен туындаған белок 1) деп аталады) арасында күшті өзара әрекеттесу бар.