Прион - Prion

Прионные болезни
Гистология bse.jpg
В срезах ткани, пораженной прионами, характерны микроскопические «дыры», из-за которых ткань приобретает «губчатую» структуру. Это вызывает разрушение губчатой ​​ткани в головном мозге.
Произношение
Специальность Инфекционное заболевание

Прионы представляют собой неправильно свернутые белки, обладающие способностью передавать свою неправильно свернутую форму нормальным вариантам того же белка. Они характеризуют несколько смертельных и трансмиссивных нейродегенеративных заболеваний у людей и многих других животных. Неизвестно, что вызывает неправильную укладку нормального белка, но предполагается, что аномальная трехмерная структура придает инфекционные свойства, сводя соседние молекулы белка к той же форме. Слово « прион» происходит от «белковой инфекционной частицы». Предполагаемая роль белка как инфекционного агента отличается от всех других известных инфекционных агентов, таких как вироиды , вирусы , бактерии., грибки и паразиты , все из которых содержат нуклеиновые кислоты ( ДНК , РНК или и то, и другое).

Прионные изоформы прионного белка (PrP), специфическая функция которых не определена, предполагаются как причина трансмиссивных губчатых энцефалопатий (TSE), включая скрепи у овец, хроническую болезнь истощения (CWD) у оленей, губчатую энцефалопатию крупного рогатого скота (BSE) у крупный рогатый скот (широко известный как «коровье бешенство») и болезнь Крейтцфельдта – Якоба (CJD) у людей. Все известные прионные заболевания млекопитающих влияют на структуру мозга или других нервных тканей; все они прогрессируют, не имеют известного эффективного лечения и всегда приводят к летальному исходу. До 2015 года считалось, что все известные прионные заболевания млекопитающих вызываются прионным белком (PrP); однако в 2015 году была выдвинута гипотеза, что множественная системная атрофия (МСА) вызвана прионной формой альфа-синуклеина .

Прионы образуют аномальные агрегаты белков, называемых амилоидами , которые накапливаются в инфицированной ткани и связаны с повреждением тканей и гибелью клеток. Амилоиды также ответственны за несколько других нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона . Агрегаты прионов стабильны, и эта структурная стабильность означает, что прионы устойчивы к денатурации химическими и физическими агентами: они не могут быть уничтожены обычной дезинфекцией или приготовлением пищи. Это затрудняет утилизацию и локализацию этих частиц.

Прионная болезнь - это тип протеопатии или заболевание структурно аномальных белков. Считается, что у людей прионы являются причиной болезни Крейтцфельда-Якоба (CJD), ее варианта (vCJD), синдрома Герстманна-Штреусслера-Шейнкера (GSS), фатальной семейной бессонницы (FFI) и куру . Есть также свидетельства того, что прионы могут играть роль в процессе болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона и бокового амиотрофического склероза (БАС); это было названо прионоподобными заболеваниями . Некоторые дрожжевые белки также были идентифицированы как обладающие прионогенными свойствами. Репликация прионов подвержена эпимутации и естественному отбору, как и другие формы репликации, и их структура незначительно варьируется между видами.

Этимология и произношение

Слово прион , придуманный в 1982 году Прузинер , получают из пр otein и я nfecti на , следовательно , прион , и является аббревиатурой «белковым инфекционной частицы», со ссылкой на его способности к самостоятельной распространяющихся и передавать его конформацию в другие белки. Его главное произношение / р г я ɒ п / ( слушать )Об этом звуке , хотя / р г ɒ п / , как томографическое имя птицы (прионы или whalebirds) произносится, также слышал. В своей статье 1982 года, вводящей термин, Прусинер уточнил, что это «произносится как пре-он ».

Прионный белок

Состав

Белок, из которого состоят прионы (PrP), содержится во всем организме, даже у здоровых людей и животных. Однако PrP, обнаруженный в инфекционном материале, имеет другую структуру и устойчив к протеазам , ферментам в организме, которые в норме могут расщеплять белки. Нормальная форма белка называется PrP C , а инфекционная форма называется PrP Sc  - C обозначает «клеточный» PrP, а Sc обозначает « скрейпи », прототипное прионное заболевание, встречающееся у овец. В то время как PrP C структурно хорошо определен, PrP Sc определенно полидисперсен и определяется на относительно низком уровне. PrP может быть индуцирован к сворачиванию в другие более или менее четко определенные изоформы in vitro, и их связь с формой (ами), которые являются патогенными in vivo, еще не ясно.

PrP C

PrP С являются нормальными белками , обнаруженных на мембраны из клеток , в том числе «несколько компонентов крови из которых тромбоциты составляют самый большой резервуар в организме человека.» Он имеет 209 аминокислот (у человека), одну дисульфидную связь , молекулярную массу 35–36 кДа и в основном альфа-спиральную структуру. Существует несколько топологических форм; одна форма клеточной поверхности заякорена через гликолипид и две трансмембранные формы. Нормальный белок не осаждается; Это означает, что его нельзя отделить методами центрифугирования. Его функция - сложный вопрос, который продолжает изучаться. PrP C связывает ионы меди (II) с высоким сродством. Значение этого открытия неясно, но предполагается, что оно связано со структурой или функцией PrP. PrP C легко переваривается протеиназой K и может высвобождаться с поверхности клетки in vitro ферментом фосфоинозитидфосфолипазой C (PI-PLC), который расщепляет гликолипидный якорь гликофосфатидилинозитола (GPI). Сообщалось, что PrP играет важную роль в межклеточной адгезии и внутриклеточной передаче сигналов in vivo и, следовательно, может участвовать в межклеточной коммуникации в головном мозге.

PrP res

Протеазо-резистентный PrP Sc- подобный белок (PrP res ) - это название, данное любой изоформе PrP c, которая структурно изменена и превращается в неправильно свернутую форму, устойчивую к протеиназе K in vitro . Для моделирования превращения PrP C в PrP Sc in vitro Saborio et al . быстро превращал PrP C в PrP res с помощью процедуры, включающей циклическую амплификацию неправильного сворачивания белка . Термин «PrP res » использовался для различения PrP Sc , который выделен из инфекционной ткани и связан с возбудителем трансмиссивной губчатой ​​энцефалопатии. Например, в отличие от PrP Sc , PrP res не обязательно может быть инфекционным.

PrP Sc

Микрофотография нейронов мыши, показывающая включения, окрашенные в красный цвет, идентифицированные как прионный белок соскоба.
Прионный белок (окрашенный в красный цвет), обнаруженный на микрофотографии нервной ткани инфицированной скрепи мыши.

Инфекционная изоформа PrP, известная как PrP Sc или просто прион, способна преобразовывать нормальные белки PrP C в инфекционную изоформу, изменяя их конформацию или форму; это, в свою очередь, изменяет способ соединения белков. PrP Sc всегда вызывает прионную болезнь. Хотя точная трехмерная структура PrP Sc неизвестна, он имеет более высокую долю β-листовой структуры вместо нормальной α-спиральной структуры. Агрегаты этих аномальных изоформ образуют высокоструктурированные амилоидные волокна, которые накапливаются с образованием бляшек. Конец каждого волокна действует как шаблон, к которому могут прикрепляться свободные молекулы белка, позволяя волокну расти. В большинстве случаев в растущее волокно включаются только молекулы PrP с аминокислотной последовательностью, идентичной инфекционному PrP Sc . Однако возможна и редкая межвидовая передача.

Нормальное функционирование PrP

Физиологическая функция прионного белка остается плохо изученной. В то время как данные экспериментов in vitro предполагают наличие многих несходных ролей, исследования мышей с нокаутом PrP предоставили лишь ограниченную информацию, поскольку эти животные обнаруживают лишь незначительные отклонения от нормы. В исследованиях, проведенных на мышах, было обнаружено, что расщепление белков PrP в периферических нервах вызывает активацию репарации миелина в шванновских клетках и что отсутствие белков PrP вызывает демиелинизацию в этих клетках.

PrP и регулируемая гибель клеток

MAVS, RIP1 и RIP3 - это прионоподобные белки, обнаруженные в других частях тела. Они также полимеризуются в нитчатые амилоидные волокна, которые инициируют регулируемую гибель клеток в случае вирусной инфекции, чтобы предотвратить распространение вирионов на другие окружающие клетки.

ПрП и долговременная память

Обзор данных, проведенный в 2005 году, показал, что PrP может выполнять нормальную функцию по поддержанию долговременной памяти . Кроме того, исследование 2004 года показало, что у мышей, лишенных генов нормального клеточного белка PrP, наблюдается измененная долговременная потенциация гиппокампа . Недавнее исследование, которое может объяснить, почему это обнаружено, что нейрональный белок CPEB имеет генетическую последовательность, аналогичную дрожжевым прионным белкам. Прионоподобное образование CPEB важно для поддержания долгосрочных синаптических изменений, связанных с формированием долговременной памяти.

PrP и обновление стволовых клеток

В статье 2006 года Института биомедицинских исследований Уайтхеда указывается, что экспрессия PrP на стволовых клетках необходима для самообновления костного мозга организма . Исследование показало, что все долговременные гемопоэтические стволовые клетки экспрессируют PrP на своей клеточной мембране и что кроветворные ткани с PrP-нулевыми стволовыми клетками проявляют повышенную чувствительность к истощению клеток.

ПрП и врожденный иммунитет

Есть некоторые свидетельства того, что PrP может играть роль в врожденном иммунитете , поскольку экспрессия PRNP, гена PrP, активируется при многих вирусных инфекциях, а PrP обладает противовирусными свойствами против многих вирусов, включая ВИЧ .

Репликация прионов

Гетеродимерная модель распространения прионов
Фибриллярная модель распространения прионов.

Первой гипотезой, которая пыталась объяснить, как прионы реплицируются только белковым способом, была модель гетеродимера . Эта модель предполагает, что одна молекула PrP Sc связывается с одной молекулой PrP C и катализирует ее превращение в PrP Sc . Два PrP Sc молекулы затем распадаются и может продолжаться , чтобы преобразовать больше PrP C . Однако модель репликации прионов должна объяснять, как прионы распространяются, и почему их спонтанное появление так редко. Манфред Эйген показал, что модель гетеродимера требует, чтобы PrP Sc был чрезвычайно эффективным катализатором, увеличивая скорость реакции превращения примерно в 10 15 раз . Эта проблема не возникает, если PrP Sc существует только в агрегированных формах, таких как амилоид , где кооперативность может действовать как барьер для спонтанного преобразования. Более того, несмотря на значительные усилия, инфекционный мономерный PrP Sc никогда не был выделен.

Альтернативная модель предполагает, что PrP Sc существует только в виде фибрилл , и что концы фибрилл связывают PrP C и превращают его в PrP Sc . Если бы это было все, то количество прионов линейно увеличивалось бы , образуя все более длинные фибриллы. Но при прионной болезни наблюдается экспоненциальный рост как PrP Sc, так и количества инфекционных частиц . Это можно объяснить, если учесть разрыв фибрилл. Было найдено математическое решение для экспоненциальной скорости роста в результате комбинации роста фибрилл и разрушения фибрилл. Скорость экспоненциального роста во многом зависит от квадратного корня из концентрации PrP C. Инкубационный период определяется экспоненциальной скоростью роста, а в естественных условиях данные по прионовым заболеваний у трансгенного мышея , соответствуют этому предсказанию. Такая же зависимость квадратного корня наблюдается in vitro в экспериментах с множеством различных амилоидных белков .

Механизм репликации прионов имеет значение для создания лекарств. Поскольку инкубационный период прионных заболеваний очень продолжительный, эффективное лекарство не должно устранять все прионы, а просто должно замедлять скорость экспоненциального роста. Модели предсказывают, что наиболее эффективный способ добиться этого, используя лекарство с минимально возможной дозой, - это найти лекарство, которое связывается с концами фибрилл и блокирует их дальнейший рост.

Исследователи Дартмутского колледжа обнаружили , что эндогенные принимающие молекулы кофактора , такого как фосфолипидной молекулы (например , phosphaditylethanolamine) и полианионами (например , одноцепочечные молекулы РНК) необходимы для формирования PrP Sc молекулы с высокими уровнями удельной инфективности в пробирке , тогда как белок-только PrP Sc молекулы, по-видимому, не обладают значительной биологической инфекционностью.

Трансмиссивные губчатые энцефалопатии

Заболевания, вызванные прионами
Заболевшее животное (а) Болезнь
Овца , Коза Скрепи
Крупный рогатый скот Коровье бешенство
Верблюд Верблюжья губчатая энцефалопатия (CSE)
Норка Трансмиссивная норковая энцефалопатия (ТМЭ)
Белохвостый олень, лось, олень-мул, лось Хроническая болезнь истощения (CWD)
Кот Губчатая энцефалопатия кошек (FSE)
Ньяла , Орикс , Большой Куду Экзотическая энцефалопатия копытных животных (ЭЭ)
Страус Губчатая энцефалопатия
(неизвестно, если передается)
Человек Болезнь Крейтцфельдта – Якоба (БКЯ)
Ятрогенная болезнь Крейтцфельдта – Якоба (iCJD)
Вариант болезни Крейтцфельдта – Якоба (vCJD)
Семейная болезнь Крейтцфельдта – Якоба (fCJD)
Спорадическая болезнь Крейтцфельдта – Якоба (sCJD)
Синдром Герстмана – Штройсслера – Шейнкера (GSS)
Смертельная семейная бессонница (FFI)
Куру
Семейная губчатая энцефалопатия
Прионопатия с переменной чувствительностью к протеазам (VPSPr)

Прионы вызывают нейродегенеративные заболевания за счет внеклеточной агрегации в центральной нервной системе с образованием бляшек, известных как амилоиды , которые нарушают нормальную структуру ткани . Это нарушение характеризуется «дырами» в ткани, в результате чего возникает губчатая архитектура из-за образования вакуолей в нейронах. Другие гистологические изменения включают астроглиоз и отсутствие воспалительной реакции . Хотя инкубационный период прионных заболеваний относительно длительный (от 5 до 20 лет), при появлении симптомов болезнь быстро прогрессирует, что приводит к повреждению мозга и смерти. Нейродегенеративные симптомы могут включать судороги , деменцию , атаксию (нарушение равновесия и координации), а также изменения поведения или личности.

Многие виды млекопитающих могут быть поражены прионными заболеваниями, поскольку прионный белок (PrP) очень похож у всех млекопитающих. Из-за небольших различий в PrP между разными видами прионная болезнь не передается от одного вида к другому. Однако считается, что человеческий вариант прионной болезни Крейтцфельдта – Якоба вызывается прионом, который обычно поражает крупный рогатый скот, вызывая губчатую энцефалопатию крупного рогатого скота и передается через инфицированное мясо.

Все известные прионные болезни неизлечимы и приводят к летальному исходу. Однако вакцина, разработанная на мышах, может дать представление о создании вакцины для противодействия прионным инфекциям у людей. Кроме того, в 2006 году ученые объявили, что у них есть генно-инженерный скот, лишенный необходимого гена для производства прионов, что теоретически делает их невосприимчивыми к BSE, основываясь на исследованиях, показывающих, что мыши, у которых отсутствует обычно встречающийся прионный белок, устойчивы к заражению прионным белком скрепи. В 2013 году исследование показало, что 1 из 2000 человек в Соединенном Королевстве может быть носителем инфекционного прионного белка, вызывающего vCJD.

До 2015 года считалось, что все известные прионные заболевания млекопитающих вызываются прионным белком PrP ; В 2015 году было обнаружено, что множественная системная атрофия является трансмиссивной, и была выдвинута гипотеза, что она вызвана новым прионом, неправильно свернутой формой белка, называемого альфа-синуклеином . Эндогенная, правильно уложенная форма прионного белка обозначается PrP C (для C ommon или C ellular ), тогда как связанная с заболеванием, неправильно свернутая форма обозначается PrP Sc (для Sc rapie ) после одного из заболеваний, впервые связанных с прионами. и нейродегенерация. Точная структура приона неизвестна, хотя они могут образовываться спонтанно путем объединения PrP C , гомополимерной полиадениловой кислоты и липидов в реакции циклической амплификации неправильного свертывания белка (PMCA) даже в отсутствие ранее существовавших инфекционных прионов. Этот результат является еще одним доказательством того, что для репликации прионов не требуется генетическая информация.

Передача инфекции

Было признано, что прионные заболевания могут возникать тремя разными способами: приобретенными, семейными или спорадическими. Часто предполагается, что больная форма напрямую взаимодействует с нормальной формой, заставляя ее перестраивать свою структуру. Одна из идей, гипотеза «протеина X», заключается в том, что пока еще не идентифицированный клеточный протеин (протеин X) позволяет превращать PrP C в PrP Sc путем объединения молекулы каждого из двух вместе в комплекс.

Основной способ заражения животных - через рот. Считается, что прионы могут откладываться в окружающей среде через останки мертвых животных, а также через мочу, слюну и другие биологические жидкости. Затем они могут задерживаться в почве, связываясь с глиной и другими минералами.

Группа исследователей Калифорнийского университета представила доказательства теории о том, что заражение может происходить от прионов, содержащихся в навозе. А поскольку навоз присутствует во многих областях, окружающих водоемы, а также используется на многих полях, это повышает вероятность его широкого распространения. В январе 2011 года сообщалось, что исследователи обнаружили прионы, распространяющиеся воздушно-капельным путем на аэрозольных частицах, в эксперименте на животных, посвященном заражению скрепи у лабораторных мышей . В 2011 году были опубликованы предварительные доказательства, подтверждающие идею о том, что прионы могут передаваться через менопаузальный гонадотропин человека , полученный из мочи и применяемый для лечения бесплодия .

Прионы в растениях

В 2015 году исследователи из Центра медицинских наук Техасского университета в Хьюстоне обнаружили, что растения могут быть переносчиками прионов. Когда исследователи кормили хомяков травой, которая росла на земле, где был похоронен олень, умерший от хронической болезни истощения (CWD), хомяки заболели CWD, предполагая, что прионы могут связываться с растениями, которые затем переносят их в структуру листьев и стебля. , где их могут съесть травоядные, завершая цикл. Таким образом, возможно, что в окружающей среде постепенно накапливается количество прионов.

Стерилизация

Инфекционные частицы, содержащие нуклеиновую кислоту , зависят от нее, управляя их продолжающейся репликацией. Однако прионы заразны своим действием на нормальные версии белка. Следовательно, стерилизация прионов требует денатурации белка до состояния, в котором молекула больше не может вызывать аномальную укладку нормальных белков. В целом прионы довольно устойчивы к воздействию протеаз , тепла, ионизирующего излучения и формальдегида , хотя их инфекционная способность может быть снижена с помощью таких обработок. Эффективное обеззараживание прионов зависит от гидролиза белка или восстановления или разрушения третичной структуры белка . Примеры включают гипохлорит натрия , гидроксид натрия , и сильно кислотные моющие средства , такие как ЛПЕ. Было обнаружено, что 134 ° C (273 ° F) в течение 18 минут в автоклаве с паром под давлением в некоторой степени эффективно дезактивируют возбудителя болезни. Стерилизация озоном в настоящее время изучается как потенциальный метод денатурации и дезактивации прионов. Возрождение полностью денатурированного приона до инфекционного статуса еще не достигнуто; однако частично денатурированные прионы могут быть преобразованы в инфекционный статус при определенных искусственных условиях.

Всемирная организация здравоохранения рекомендует использовать любую из следующих трех процедур для стерилизации всех термостойких хирургических инструментов для того , чтобы они не загрязнены прионов:

  1. Погрузить в 1 н.  Гидроксид натрия и поместить в автоклав с гравитационным вытеснением при 121 ° C на 30 минут; чистый; промыть водой; а затем выполнять обычные процессы стерилизации.
  2. Погрузить в 1N гипохлорит натрия (20 000 частей на миллион доступного хлора) на 1 час; переносить инструменты в воду; нагревать в автоклаве с гравитационным вытеснением при 121 ° C в течение 1 часа; чистый; а затем выполнять обычные процессы стерилизации.
  3. Погрузить в 1N гидроксид натрия или гипохлорит натрия (20 000 частей на миллион доступного хлора) на 1 час; удалите и промойте в воде, затем перенесите в открытую кастрюлю и нагрейте в автоклаве с гравитационным вытеснением (121 ° C) или в автоклаве с пористой загрузкой (134 ° C) в течение 1 часа; чистый; а затем выполнять обычные процессы стерилизации.

Устойчивость к деградации в природе

Неоспоримые данные показывают, что прионы сопротивляются деградации и сохраняются в окружающей среде годами, а протеазы не разрушают их. Экспериментальные данные показывают, что несвязанные прионы со временем разлагаются, в то время как связанные с почвой прионы остаются на стабильном или увеличивающемся уровне, что позволяет предположить, что прионы, вероятно, накапливаются в окружающей среде. Одно исследование, проведенное в 2015 году американскими учеными, показало, что повторная сушка и увлажнение могут сделать связанные с почвой прионы менее заразными, хотя это зависело от типа почвы, к которой они были привязаны.

Грибы

Белки, демонстрирующие поведение прионного типа, также обнаруживаются в некоторых грибах , что было полезно для понимания прионов млекопитающих. Похоже, что грибковые прионы не вызывают болезней у их хозяев. В дрожжах рефолдингу белка до прионной конфигурации помогают белки-шапероны, такие как Hsp104 . Все известные прионы вызывают образование амилоидной складки, в которой белок полимеризуется в агрегат, состоящий из плотно упакованных бета-листов . Агрегаты амилоида представляют собой фибриллы, растущие на концах, и реплицируются, когда разрыв приводит к тому, что два растущих конца становятся четырьмя растущими концами. Инкубационный период прионных заболеваний определяется экспоненциальным ростом скорости , связанного с прионного репликации, который представляет собой баланс между линейным ростом и поломки агрегатов.

Грибковые белки , проявляющие шаблонного конформационные изменения были обнаружены в дрожжах Saccharomyces CEREVISIAE по Рид Уикнер в начале 1990 - х годов. За их механистическое сходство с прионами млекопитающих их назвали прионами дрожжей . После этого прион был обнаружен и у гриба Podospora anserina . Эти прионы ведут себя аналогично PrP, но в целом нетоксичны для своих хозяев. Группа Сьюзан Линдквист из Института Уайтхеда утверждала, что некоторые грибковые прионы не связаны с каким-либо болезненным состоянием, но могут играть полезную роль; однако исследователи из NIH также представили аргументы, предполагающие, что грибковые прионы можно рассматривать как болезненное состояние. Есть свидетельства того, что белки грибов развили определенные функции, полезные для микроорганизмов, которые увеличивают их способность адаптироваться к их разнообразной окружающей среде.

Исследования грибковых прионов убедительно подтвердили концепцию использования только белка, поскольку было продемонстрировано, что очищенный белок, экстрагированный из клеток с прионным состоянием, превращает нормальную форму белка в неправильно свернутую форму in vitro и в процессе сохраняет информация, соответствующая различным штаммам прионного состояния. Он также пролил свет на прионные домены, которые представляют собой области в белке, которые способствуют превращению в прион. Прионы грибов помогли предложить механизмы превращения, которые могут применяться ко всем прионам, хотя прионы грибов отличаются от прионов инфекционных млекопитающих отсутствием кофактора, необходимого для размножения. Характерные прионные домены могут различаться у разных видов - например, характерные прионные домены грибов не обнаруживаются в прионах млекопитающих.

Грибковые прионы
Протеин Естественный хозяин Нормальная функция Прионное состояние Прионный фенотип Год определен
Ure2p Saccharomyces cerevisiae Репрессор катаболита азота [URE3] Рост на бедных источниках азота 1994 г.
Sup35p С. cerevisiae Фактор прекращения перевода [PSI +] Повышенный уровень подавления бессмыслицы 1994 г.
HET-S Podospora anserina Регулирует несовместимость гетерокарионов [Het-s] Образование гетерокарионов между несовместимыми штаммами
Rnq1p С. cerevisiae Фактор шаблона белка [RNQ +], [PIN +] Способствует агрегации других прионов
Swi1 С. cerevisiae Ремоделирование хроматина [SWI +] Плохой рост на некоторых источниках углерода 2008 г.
Cyc8 С. cerevisiae Транскрипционный репрессор [OCT +] Транскрипционная дерепрессия нескольких генов 2009 г.
Mot3 С. cerevisiae Фактор ядерной транскрипции [MOT3 +] Транскрипционная дерепрессия анаэробных генов 2009 г.
Sfp1 С. cerevisiae Предполагаемый фактор транскрипции [ISP +] Антисупрессия 2010 г.

Лечение

Эффективных методов лечения прионных заболеваний не существует. Клинические испытания на людях не увенчались успехом, и им мешает редкость прионных заболеваний. Хотя некоторые потенциальные методы лечения показали себя многообещающими в лабораторных условиях, ни одно из них не было эффективным после начала болезни.

При других заболеваниях

Прионоподобные домены были обнаружены во множестве других белков млекопитающих. Некоторые из этих белков были вовлечены в онтогенезе возрастных нейродегенеративных расстройств , таких как боковой амиотрофический склероз (ALS), лобно - височная долевой дегенерацией с убиквитин-позитивных включений (FTLD-U), болезнь Альцгеймера , болезнь Паркинсона и болезнь Хантингтона . Они также причастны к некоторым формам системного амилоидоза, включая амилоидоз АА, который развивается у людей и животных с воспалительными и инфекционными заболеваниями, такими как туберкулез , болезнь Крона , ревматоидный артрит и ВИЧ-СПИД . Аамилоидоз, как и прионная болезнь, может передаваться. Это привело к появлению «прионной парадигмы», согласно которой безвредные белки могут быть преобразованы в патогенную форму небольшим количеством неправильно свернутых нуклеирующих белков.

Определение прионоподобного домена возникло в результате изучения прионов грибов. В дрожжах прионогенные белки имеют переносимый прионный домен, который необходим и достаточен для самотемплинга и агрегации белков. Это было показано путем присоединения прионного домена к репортерному белку, который затем агрегируется, как известный прион. Точно так же удаление прионного домена из прионного белка грибов ингибирует прионогенез. Этот модульный взгляд на поведение прионов привел к гипотезе о том, что подобные прионные домены присутствуют в белках животных в дополнение к PrP. Эти грибковые прионные домены имеют несколько характерных особенностей последовательности. Обычно они обогащены остатками аспарагина, глутамина, тирозина и глицина, причем аспарагиновая предвзятость особенно способствует агрегативным свойствам прионов. Исторически считалось, что прионогенез не зависит от последовательности и зависит только от относительного содержания остатков. Однако было показано, что это неверно, поскольку расстояние между пролинами и заряженными остатками, как было показано, имеет решающее значение для образования амилоида.

Биоинформатический скрининг предсказал, что более 250 белков человека содержат прионоподобные домены (PrLD). Предполагается, что эти домены обладают такими же трансмиссивными амилоидогенными свойствами, как PrP и известные белки грибов. Как и в дрожжах, белки, участвующие в экспрессии генов и связывании РНК, по-видимому, особенно обогащены PrLD по сравнению с другими классами белков. В частности, 29 из известных 210 белков с мотивом распознавания РНК также имеют предполагаемый прионный домен. Между тем, некоторые из этих РНК-связывающих белков были независимо идентифицированы как патогенные в случаях ALS, FTLD-U, болезни Альцгеймера и болезни Хантингтона.

Роль в нейродегенеративном заболевании

Предполагается, что патогенность прионов и белков с прионоподобными доменами обусловлена ​​их способностью к самотемплингу и результирующим экспоненциальным ростом амилоидных фибрилл. Наличие амилоидных фибрилл у пациентов с дегенеративными заболеваниями хорошо задокументировано. Эти амилоидные фибриллы являются результатом действия патогенных белков, которые саморазмножаются и образуют высокостабильные нефункциональные агрегаты. Хотя это не обязательно подразумевает причинную связь между амилоидом и дегенеративными заболеваниями, токсичность определенных форм амилоида и избыточное производство амилоида в семейных случаях дегенеративных расстройств подтверждают идею о том, что образование амилоида в целом токсично.

В частности, агрегация TDP-43 , РНК-связывающего белка, была обнаружена у пациентов с БАС / БДН, а мутации в генах, кодирующих эти белки, были идентифицированы в семейных случаях БАС / БДН. Эти мутации способствуют неправильной укладке белков в прионоподобную конформацию. Неправильно сложенная форма TDP-43 образует цитоплазматические включения в пораженных нейронах и обнаруживается обедненной в ядре. В дополнение к ALS / MND и FTLD-U, патология TDP-43 является признаком многих случаев болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона и болезни Хантингтона. Неправильная укладка TDP-43 в значительной степени обусловлена ​​его прионоподобным доменом. Этот домен по своей природе предрасположен к неправильной укладке, тогда как было обнаружено, что патологические мутации в TDP-43 увеличивают эту склонность к неправильной укладке, что объясняет присутствие этих мутаций в семейных случаях БАС / БДН. Как и в дрожжах, прионоподобный домен TDP-43, как было показано, необходим и достаточен для неправильного свертывания и агрегации белка.

Точно так же патогенные мутации были идентифицированы в прионоподобных доменах гетерогенных ядерных рибопротеинов hnRNPA2B1 и hnRNPA1 в семейных случаях дегенерации мышц, мозга, костей и мотонейронов. Форма всех этих белков дикого типа проявляет тенденцию к самосборке в амилоидные фибриллы, в то время как патогенные мутации усугубляют это поведение и приводят к избыточному накоплению.

Вооружение

Прионы можно использовать в качестве оружия . С потенциальной летальностью 100% это делает прионы очень эффективным биологическим оружием. Одним из неблагоприятных аспектов является то, что у прионов очень длительный инкубационный период. Однако постоянное и сильное попадание прионов в кишечник может сократить общее время наступления. Кроме того, одним большим преимуществом использования прионов в войне является то, что обнаруживать прионы и обеззараживать их довольно сложно.

История

В 18 - м и 19 - м веках, вывоз овец из Испании наблюдалось совпасть с болезнью , называемой скрепи . Это заболевание заставляло пораженных животных «ложиться, кусать ноги и ноги, тереться спиной о столбы, перестать расти, перестать есть и в конце концов становиться хромыми» . Также наблюдалось, что у этого заболевания длительный инкубационный период, который является ключевой характеристикой трансмиссивных губчатых энцефалопатий (TSE) . Хотя тогда причина скрепи не была известна, это, вероятно, первая зарегистрированная инфекционная губчатая энцефалопатия.

В 1950-х годах Карлтон Гайдусек начал исследование, которое в конечном итоге показало, что куру может передаваться шимпанзе с помощью нового инфекционного агента, работа за которую он в конечном итоге получил Нобелевскую премию 1976 года . В 1960-х годах два лондонских исследователя, радиолог Тиква Альпер и биофизик Джон Стэнли Гриффит , выдвинули гипотезу о том, что заразные губчатые энцефалопатии вызываются инфекционным агентом, состоящим исключительно из белков. Ранее исследование по EJ поля в скрепи и куру нашло доказательства для передачи патологический инертных полисахаридов , которые только становятся заразной после передачи, в новом хозяине. Альпер и Гриффит хотели объяснить открытие, что таинственный инфекционный агент, вызывающий скрейпи и болезнь Крейтцфельдта-Якоба, сопротивлялся ионизирующему излучению . Гриффит предложил три способа, которыми белок может быть патогеном .

В первой гипотезе он предположил, что если белок является продуктом обычно подавленного гена , и введение белка может вызвать экспрессию гена, то есть разбудить спящий ген, то результатом будет процесс, неотличимый от репликации, поскольку экспрессия гена будет производить белок, который затем разбудит ген в других клетках .

Его вторая гипотеза составляет основу современной теории прионов и предполагает, что аномальная форма клеточного белка может преобразовывать нормальные белки того же типа в свою аномальную форму, что приводит к репликации. Его третья гипотеза предполагала, что агент мог бы быть антителом, если бы антитело было собственным антигеном- мишенью , поскольку такое антитело привело бы к тому, что все больше и больше антител вырабатывалось бы против самого себя. Однако Гриффит признал, что эта третья гипотеза вряд ли верна из-за отсутствия поддающегося обнаружению иммунного ответа .

Фрэнсис Крик признал потенциальное значение гипотезы Гриффитса только о белках для размножения скрепи во втором издании своей « Центральной догмы молекулярной биологии » (1970): утверждая, что поток информации о последовательности от белка к белку или от белка к РНК и ДНК были «исключены», он отметил, что гипотеза Гриффита является потенциальным противоречием (хотя Гриффит так ее не продвигал). Пересмотренная гипотеза была позже сформулирована частично для учета обратной транскрипции (которую и Ховард Темин, и Дэвид Балтимор обнаружили в 1970 году).

В 1982 году Стэнли Б. Прусинер из Калифорнийского университета в Сан-Франциско объявил, что его команда очистила гипотетический инфекционный белок, который, по-видимому, не присутствовал у здоровых хозяев, хотя им не удалось выделить белок до двух лет. после объявления Прусинера. Белок был назван прион, для «proteinacious инфекционных частиц», происходит от слов пр otein и заражают ионов . Когда был открыт прион, многие поддержали первую гипотезу Гриффита о том, что белок является продуктом обычно молчащего гена. Однако впоследствии было обнаружено, что один и тот же белок существует у нормальных хозяев, но в другой форме.

После открытия одного и того же белка в другой форме у неинфицированных людей, конкретный белок, из которого состоит прион, был назван прионным белком (PrP), и вторая гипотеза Гриффита о том, что аномальная форма белка-хозяина может преобразовывать другие белки тот же тип в его ненормальной форме стал доминирующей теорией. Прусинер получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1997 году за свои исследования прионов.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

Классификация