Введение

Белок, участвующий в множественных прионных заболеваниях. Основной прионный белок (PrP) кодируется в организме человека геном PRNP, также известным как CD230 (кластер дифференцировки 230). Экспрессия белка наиболее выражена в нервной системе, но происходит и во многих других тканях организма. Белок может существовать в нескольких изоформах: нормальная форма PrPC и устойчивая к протеазам форма, обозначаемая как PrPRes, например, вызывающая заболевание PrPSc (скрепи), а также изоформа, локализованная в митохондриях. Неправильно свернутая форма PrPSc связана с различными когнитивными нарушениями и нейродегенеративными заболеваниями, такими как у животных: овечий скрепи, губчатая энцефалопатия крупного рогатого скота (BSE, "коровье бешенство"), губчатая энцефалопатия кошек, трансмиссивная энцефалопатия норки (TME), экзотическая энцефалопатия копытных, хроническая изнуряющая болезнь (CWD), поражающая оленей; и у людей: болезнь Крейтцфельдта-Якоба (CJD), фатальная семейная бессонница (FFI), синдром Герстманна-Штраусслера-Шейнкера (GSS), куру и вариант болезни Крейтцфельдта-Якоба (vCJD). Существуют сходства между куру, предположительно вызванным употреблением в пищу человеком тканей больных людей, и vCJD, предположительно вызванным употреблением человеком продуктов животноводства, зараженных БСЭ.

Ген

Ген PRNP человека расположен на коротком (p) плече хромосомы 20 между теломерой и позицией 13, простираясь от 4 615 068 до 4 630 233 пар оснований.

Структура

PrP высоко консервативен у млекопитающих, что подтверждает возможность применения выводов, полученных на модельных животных, таких как мыши. Сравнение между приматами особенно близко, варьируясь от 92,9 до 99,6% сходства в аминокислотных последовательностях. Структура человеческого белка состоит из глобулярного домена с тремя α-спиралями и двухнитевой антипараллельной β-структурой, NH2-концевого хвоста и короткого COOH-концевого хвоста. Гликофосфатидилинозитольный (ГФИ) мембранный якорь в COOH-конце связывает PrP с клеточными мембранами, и это является ключевым для передачи конформационных изменений; секретируемый PrP, лишенный этого якорного компонента, не подвержен влиянию инфекционной изоформы. Первичная последовательность PrP состоит из 253 аминокислот до посттрансляционных модификаций. Сигнальные последовательности в амино- и карбокси-концевых участках удаляются посттрансляционно, в результате чего зрелая форма содержит 208 аминокислот. Для PrP человека и золотистого хомяка существуют два гликозилированных участка на спиралях 2 и 3 в позициях Asn181 и Asn197. У мышиного PrP гликозилирование происходит в позициях Asn180 и Asn196. Дисульфидная связь существует между Cys179 второй спирали и Cys214 третьей спирали (нумерация для человеческого PrPC). мРНК PrP содержит структуру псевдоузла (прионный псевдоузел), которая предположительно участвует в регуляции трансляции белка PrP.

Связывание лигандов

Предполагается, что механизм конформационного перехода в скрепи-изоформу обусловлен неуловимым белком-лигандом, однако на данный момент такое соединение не было выявлено. Тем не менее, существует обширный объем исследований, посвященных кандидатам в лиганды и их взаимодействию с PrPC. Медь, цинк, марганец и никель – это подтвержденные лиганды PrP, связывающиеся с его октарепитной областью. Связывание лигандов вызывает конформационные изменения с неизвестными последствиями. Связывание тяжелых металлов с PrP связано с устойчивостью к окислительному стрессу, вызванному токсичностью тяжелых металлов.

PrPC (нормальная клеточная) изоформа

Хотя точная функция PrP пока не установлена, предполагается, что она может быть вовлечена в транспорт ионов меди из окружающей среды в клетки. Исследователи также выдвинули гипотезы о роли PrP в клеточной сигнализации или формировании синапсов. PrPC присоединяется к внешней поверхности клеточной мембраны посредством гликозилфосфатидилинозитольного якоря в своем C-концевом Ser231. Прионный белок содержит пять октапептидных повторов с последовательностью PHGGGWGQ (хотя первый повтор имеет слегка модифицированную последовательность PQGGGGWGQ, обедненную гистидином). Считается, что это создает домен, связывающий медь, за счет атомов азота в боковых цепях гистидин-имидазола и депротонированных амидных азотов со 2-го и 3-го глицинов в повторе. Таким образом, способность связывать медь зависит от pH. ЯМР-спектроскопия показывает, что связывание меди приводит к конформационным изменениям в N-концевом участке.

Изоформа PrPSc (скрепи)

PrPSc является конформационной изоформой PrPC, однако эта ориентация склонна к накоплению в компактных, устойчивых к протеазе агрегатах в нервной ткани. Аномальная изоформа PrPSc имеет вторичную и третичную структуру, отличную от PrPC, но идентичную первичную последовательность. В то время как PrPC содержит преимущественно альфа-спиральные и неупорядоченные домены, PrPSc лишена альфа-спиралей и имеет амилоидное фибриллярное ядро, состоящее из стека молекул PrP, соединенных параллельными, согласованными межмолекулярными бета-листами. Эта перестройка делает изоформу PrPSc чрезвычайно устойчивой к протеолизу. Механизм распространения PrPSc представляет значительный интерес, поскольку его накопление является патологической причиной нейродегенерации. Основываясь на прогрессирующем характере спонгиформных энцефалопатий, основная гипотеза предполагает, что переход нормального PrPC в PrPSc вызван его присутствием и взаимодействием с PrPSc. Подтверждением этому служат исследования, в которых мыши с нокаутом гена PRNP оказались устойчивыми к заражению PrPSc. Несмотря на широкое признание гипотезы конформационной конверсии, некоторые исследования ослабляют утверждения о прямой связи между PrPSc и цитотоксичностью. Полиморфизмы в позициях 136, 154 и 171 ассоциированы с различной восприимчивостью к скрепи у овец (эти позиции у овец соответствуют позициям 133, 151 и 168 у человека). Полиморфизмы форм PrP VRQ и PrP ARQ связаны с повышенной восприимчивостью, в то время как PrP ARR связана с устойчивостью. Национальная программа по борьбе со скрепи в Великобритании направлена на искоренение этих полиморфизмов скрепи путем увеличения частоты устойчивого аллеля. Однако полиморфизмы PrP ARR восприимчивы к атипичной форме скрепи, поэтому эта стратегия может оказаться неэффективной.

Нервная система

Сильная связь с нейродегенеративными заболеваниями вызывает множество вопросов о функции PrP в мозге. Распространенный подход заключается в использовании мышей с нокаутом по гену PrP и трансгенных мышей для изучения дефицитов и различий. Первые попытки привели к созданию двух линий мышей с нулевым уровнем PrP, которые не демонстрируют никаких физиологических или связанных с развитием отличий при проведении широкого спектра тестов. Однако, более поздние линии показали значительные когнитивные нарушения. Среди других наблюдаемых различий – снижение реакции на стресс и повышенная исследовательская активность в новой среде. У мышей с нулевым уровнем PrP нарушен циркадный ритм. Кроме того, продемонстрировано, что PrP мРНК подвержена циркадной регуляции, регулярно изменяясь в соответствии со сменой дня и ночи.

Память

В то время как мыши с нокаутом гена демонстрируют нормальную способность к обучению и кратковременную память, были выявлены дефициты консолидации долговременной памяти. Подобно атаксии, это обусловлено экспрессией гена Доппеля. Однако пространственное обучение, функция, преимущественно осуществляемая гиппокампом, снижено у мышей с нокаутом гена и может быть восстановлено при восстановлении PrP в нейронах; это указывает на то, что потеря функции PrP является причиной. Взаимодействие гиппокампального PrP с ламинином (LN) играет ключевую роль в процессах памяти и, вероятно, модулируется киназами PKA и ERK1/2. Дальнейшим подтверждением роли PrP в формировании памяти служат результаты нескольких популяционных исследований. Исследование здоровых молодых людей показало улучшение долговременной памяти, связанное с генотипами MM или MV по сравнению с VV. У пациентов с синдромом Дауна, имеющих одно валиновое замещение, наблюдается более раннее снижение когнитивных функций. Ряд полиморфизмов в гене PRNP связан с когнитивными нарушениями у пожилых людей, а также с более ранним ухудшением когнитивных способностей. Во всех этих исследованиях изучались различия в кодоне 129, что свидетельствует о его важности для общей функциональности PrP, в частности, в отношении памяти.

Нейроны и синапсы

PrP присутствует как в пресинаптическом, так и в постсинаптическом отсеках, при этом наибольшая концентрация наблюдается в пресинаптической части. Учитывая это и широкий спектр поведенческих эффектов PrP, функции и взаимодействия нейронных клеток представляют особый интерес. Исходя из роли меди в качестве лиганда, одна из предложенных функций рассматривает PrP как буфер меди в синаптической щели. В этой роли белок может выступать в качестве механизма поддержания гомеостаза меди, модулятора кальция или сенсора меди или окислительного стресса. Нарушение функции PrP связано с долговременной потенциацией (LTP). Этот эффект может быть как положительным, так и отрицательным и обусловлен изменениями возбудимости нейронов и синаптической передачи в гиппокампе. Некоторые исследования указывают на участие PrP в развитии нейронов, их дифференцировке и росте нейритов. Активируемый PrP путь передачи сигнала связан с ростом аксонов и дендритов посредством ряда киназ.

Иммунная система

Хотя основное внимание уделяется присутствию PrP в нервной системе, он также в изобилии присутствует в тканях иммунной системы. К иммунным клеткам, экспрессирующим PrP, относятся гемопоэтические стволовые клетки, зрелые лимфоидные и миелоидные компоненты, а также определенные лимфоциты; кроме того, он был обнаружен в клетках-киллерах, тромбоцитах и моноцитах. Активация Т-клеток сопровождается значительным повышением уровня PrP, хотя это и не обязательно. Отсутствие иммунного ответа на трансмиссивные губчатые энцефалопатии (ТСЭ), нейродегенеративные заболевания, вызванные прионами, может быть обусловлено толерантностью к PrPSc.

Болезнь Альцгеймера

Протеин PrPC является одним из нескольких клеточных рецепторов растворимых олигомеров амилоида-бета (Aβ), которые общепризнанно вовлечены в развитие болезни Альцгеймера. Эти олигомеры состоят из более мелких Aβ-бляшек и оказывают наиболее разрушительное воздействие на целостность нейрона. Это позволяет предположить либо неравномерную связь между PRNP и нейродегенерацией, опосредованной олигомерами Aβ, либо значимость взаимосвязи, зависящую от конкретного участка. В случае прямой инъекции олигомеров Aβ в гиппокамп, мыши с нокаутом по гену PRNP не отличались от контрольной группы как по скорости гибели нейронов, так и по показателям синаптической пластичности. Носители V-аллеля (VV и MV) демонстрируют снижение риска развития болезни Альцгеймера на 13% по сравнению с гомозиготами по метионину (MM). Однако защитный эффект носителей V-аллеля был обнаружен исключительно у представителей европеоидной расы. Снижение риска у носителей V-аллеля ограничено только поздней формой болезни Альцгеймера (возраст ≥ 65 лет). В том же исследовании было предложено проводить секвенирование PRNP в случаях деменции с неясным диагнозом, поскольку дифференциальная диагностика различных форм деменции может быть затруднительной.

Взаимодействия

Между PrP и кошапероном Hop (организующий белок Hsp70/Hsp90, также известный как STI1 (белок, индуцированный стрессом 1)) существует сильное взаимодействие.