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.
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
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.