Prion - Prion

Choroby prionowe
Histologia bse.jpg
W skrawkach tkanek dotkniętych prionami charakterystyczne są mikroskopijne „dziury”, powodujące, że tkanka rozwija „gąbczastą” architekturę. Powoduje to pogorszenie tkanki podobnej do gąbki w mózgu.
Wymowa
Specjalność Choroba zakaźna

Prionynieprawidłowo sfałdowanymi białkami, które mają zdolność do przekazywania swojego nieprawidłowo sfałdowanego kształtu normalnym wariantom tego samego białka. Charakteryzują kilka śmiertelnych i zakaźnych chorób neurodegeneracyjnych u ludzi i wielu innych zwierząt. Nie wiadomo, co powoduje nieprawidłowe fałdowanie prawidłowego białka, ale podejrzewa się, że nieprawidłowa trójwymiarowa struktura nadaje właściwości zakaźne, zapadając pobliskie cząsteczki białka w ten sam kształt. Słowo prion pochodzi od „białkowej cząstki zakaźnej”. Hipotetyczna rola białka jako czynnika zakaźnego stoi w przeciwieństwie do wszystkich innych znanych czynników zakaźnych, takich jak wiroidy , wirusy , bakterie , grzyby i pasożyty , z których wszystkie zawierają kwasy nukleinowe ( DNA , RNA lub oba).

Przypuszcza się, że izoformy prionowe białka prionowego (PrP), których specyficzna funkcja jest niepewna, są przyczyną pasażowalnych encefalopatii gąbczastych (TSE), w tym trzęsawki u owiec, przewlekłej choroby wyniszczającej (CWD) u jeleni, gąbczastej encefalopatii bydła (BSE) w bydło (powszechnie znane jako „choroba szalonych krów”) i choroba Creutzfeldta-Jakoba (CJD) u ludzi. Wszystkie znane choroby prionowe ssaków wpływają na strukturę mózgu lub innej tkanki nerwowej ; wszystkie są progresywne, nie mają znanego skutecznego leczenia i zawsze są śmiertelne. Do 2015 r. uważano, że wszystkie znane choroby prionowe ssaków są powodowane przez białko prionowe (PrP); jednak w 2015 r. postawiono hipotezę, że atrofia wieloukładowa (MSA) jest spowodowana przez prionową formę alfa-synukleiny .

Priony tworzą nieprawidłowe agregaty białek zwanych amyloidami , które gromadzą się w zakażonej tkance i są związane z uszkodzeniem tkanki i śmiercią komórki. Amyloidy są również odpowiedzialne za kilka innych chorób neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera i choroba Parkinsona . Agregaty prionowe są stabilne, a ta stabilność strukturalna oznacza, że ​​priony są odporne na denaturację pod wpływem czynników chemicznych i fizycznych: nie mogą zostać zniszczone przez zwykłą dezynfekcję lub gotowanie. To sprawia, że ​​usuwanie i zabezpieczanie tych cząstek jest trudne.

Choroba prionowa jest rodzajem proteopatii lub choroby strukturalnie nieprawidłowych białek. Uważa się, że u ludzi priony są przyczyną choroby Creutzfeldta-Jakoba (CJD), jej odmiany (vCJD), zespołu Gerstmanna-Sträusslera-Scheinkera (GSS), śmiertelnej bezsenności rodzinnej (FFI) i kuru . Istnieją również dowody sugerujące, że priony mogą odgrywać rolę w przebiegu choroby Alzheimera, choroby Parkinsona i stwardnienia zanikowego bocznego (ALS); nazwano je chorobami prionopodobnymi . Kilka białek drożdży zostało również zidentyfikowanych jako mające właściwości prionogenne. Replikacja prionów podlega epimutacji i doborowi naturalnemu, tak jak w przypadku innych form replikacji, a ich struktura różni się nieznacznie między gatunkami.

Etymologia i wymowa

Słowo prionowe , użył w 1982 Stanley Prusiner , pochodzi od pr otein i I nfecti na , stąd prion i jest skrótem od „białkowego cząstki zakaźne”, w odniesieniu do jej zdolności do samodzielnego rozprzestrzenia się i przekazuje swoją konformację inne białka. Jej głównym wymowie / P r ı ɒ n / ( słuchania )O tym dźwięku , chociaż / P r ɒ n / , jak homograficzna nazwa ptaka (priony lub whalebirds) jest widoczny jest również słyszalny. W swoim artykule z 1982 r., wprowadzającym ten termin, Prusiner sprecyzował, że jest to „wymawiane pree- on”.

Białko prionowe

Struktura

Białko, z którego zbudowane są priony (PrP), znajduje się w całym ciele, nawet u zdrowych ludzi i zwierząt. Jednak PrP znajdujące się w materiale zakaźnym ma inną strukturę i jest odporne na proteazy , enzymy w organizmie, które normalnie mogą rozkładać białka. Normalna forma białka nazywa się PrP C , natomiast forma zakaźna to PrP Sc  – C odnosi się do „komórkowego” PrP, podczas gdy Sc odnosi się do „ scrapie ”, prototypowej choroby prionowej występującej u owiec. Podczas PrP C strukturalnie dobrze określone, PrP Sc jest oczywiście polidyspersyjnej i określone na stosunkowo niski poziom. PrP można indukować do fałdowania się w inne mniej lub bardziej dobrze zdefiniowane izoformy in vitro, a ich związek z formą(ami) patogenną(ymi) in vivo nie jest jeszcze jasny.

PrP C

PrP C jest białkiem występującym normalnie w błonach z komórek „w tym kilku składników krwi, których płytki stanowią największy zbiornik u ludzi.” Posiada 209 aminokwasów (u ludzi), jedno wiązanie dwusiarczkowe , masę cząsteczkową 35-36 kDa i strukturę głównie alfa-helikalną . Istnieje kilka form topologicznych ; jedna forma powierzchni komórki zakotwiczona przez glikolipid i dwie formy transbłonowe . Normalne białko nie ulega sedymentacji; co oznacza, że ​​nie można go oddzielić technikami wirowania. Jego funkcja jest złożonym zagadnieniem, które nadal jest badane. PrP C wiąże jony miedzi (II) z wysokim powinowactwem. Znaczenie tego odkrycia nie jest jasne, ale zakłada się, że dotyczy ono struktury lub funkcji PrP. PrP C jest łatwo trawiony przez proteinazę K i może być uwolniony z powierzchni komórki in vitro przez enzym fosfoinozytydową fosfolipazę C (PI-PLC), który rozszczepia kotwicę glikolipidową glikofosfatydyloinozytolu (GPI). Doniesiono, że PrP odgrywa ważną rolę w adhezji komórka-komórka i wewnątrzkomórkowej sygnalizacji in vivo , a zatem może być zaangażowana w komunikację komórka-komórka w mózgu.

PrP res

Oporne na proteazy białko podobne do PrP Sc (PrP res ) to nazwa nadana każdej izoformie PrP c , która jest strukturalnie zmieniona i przekształcona w nieprawidłowo sfałdowaną oporną na proteinazę K formę in vitro . Aby zamodelować konwersję PrP C do PrP Sc in vitro, Saborio i in . szybko przekształca PrP C w PrP res w procedurze obejmującej cykliczną amplifikację nieprawidłowego fałdowania białka . Termin „PrP Res ” jest stosowane w celu rozróżnienia pomiędzy PrP Sc , która jest izolowana z tkanki zakaźnych i związanego z zakaźnego czynnika encefalopatii gąbczastych. Na przykład, w przeciwieństwie do PrP Sc , PrP res niekoniecznie musi być zakaźny.

PrP Sc

Zdjęcie mikroskopowe mysich neuronów pokazujące czerwone zabarwione wtrącenia zidentyfikowane jako białko prionowe scrapies.
Białko prionowe (wybarwione na czerwono) ujawnione na mikrofotografii tkanki nerwowej myszy zakażonej trzęsawką.

Zakaźna izoforma PrP, znana jako PrP Sc lub po prostu prion, jest w stanie przekształcić normalne białka PrP C w zakaźną izoformę poprzez zmianę ich konformacji lub kształtu; to z kolei zmienia sposób łączenia białek. PrP Sc zawsze powoduje chorobę prionową. Chociaż dokładna struktura 3D PrP Sc nie jest znana, ma on wyższy udział struktury β-arkuszowej zamiast normalnej struktury α-helisowej . Agregacje tych nieprawidłowych izoform tworzą wysoce ustrukturyzowane włókna amyloidowe , które gromadzą się, tworząc płytki. Koniec każdego włókna działa jak matryca, do której mogą przyczepiać się wolne cząsteczki białka, umożliwiając wzrost włókna. W większości przypadków do rosnącego włókna włączane są tylko cząsteczki PrP o sekwencji aminokwasowej identycznej z zakaźnym PrP Sc . Możliwa jest jednak również rzadka transmisja międzygatunkowa.

Normalna funkcja PrP

Fizjologiczna funkcja białka prionowego pozostaje słabo poznana. Podczas gdy dane z eksperymentów in vitro sugerują wiele niepodobnych ról, badania na myszach z nokautem PrP dostarczyły jedynie ograniczonych informacji, ponieważ zwierzęta te wykazują jedynie niewielkie nieprawidłowości. W badaniach przeprowadzonych na myszach stwierdzono, że rozszczepienie białek PrP w nerwach obwodowych powoduje aktywację naprawy mieliny w komórkach Schwanna, a brak białek PrP powoduje demielinizację w tych komórkach.

PrP i regulowana śmierć komórek

MAVS, RIP1 i RIP3 to białka podobne do prionów znajdujące się w innych częściach ciała. Polimeryzują również we nitkowate włókna amyloidowe, które inicjują regulowaną śmierć komórek w przypadku infekcji wirusowej, aby zapobiec rozprzestrzenianiu się wirionów na inne, otaczające komórki.

PrP i pamięć długotrwała

Przegląd dowodów z 2005 r. sugerował, że PrP może pełnić normalne funkcje w utrzymywaniu pamięci długotrwałej . Ponadto badanie z 2004 r. wykazało, że myszy pozbawione genów prawidłowego komórkowego białka PrP wykazują zmienione długoterminowe wzmocnienie hipokampa . Niedawne badanie, które może wyjaśnić, dlaczego odkryto, że białko neuronalne CPEB ma podobną sekwencję genetyczną do drożdżowych białek prionowych. Tworzenie CPEB podobne do prionów ma zasadnicze znaczenie dla utrzymania długotrwałych zmian synaptycznych związanych z tworzeniem się pamięci długoterminowej.

PrP i odnowa komórek macierzystych

Artykuł z 2006 roku z Whitehead Institute for Biomedical Research wskazuje, że ekspresja PrP na komórkach macierzystych jest niezbędna do samoodnowy szpiku kostnego przez organizm . Badanie wykazało, że wszystkie długoterminowe hematopoetyczne komórki macierzyste wyrażają PrP na swojej błonie komórkowej, a tkanki krwiotwórcze z komórkami macierzystymi zerowymi PrP wykazują zwiększoną wrażliwość na zubożenie komórek.

PrP i odporność wrodzona

Istnieją pewne dowody na to, że PrP może odgrywać rolę w odporności wrodzonej , ponieważ ekspresja PRNP, genu PrP, jest podwyższona w wielu zakażeniach wirusowych, a PrP ma właściwości przeciwwirusowe przeciwko wielu wirusom, w tym HIV .

Replikacja prionów

Heterodimerowy model propagacji prionów
Fibrylowy model propagacji prionów.

Pierwszą hipotezą, która próbowała wyjaśnić, w jaki sposób priony replikują się w sposób wyłącznie białkowy, był model heterodimeru . Model ten zakłada się, że pojedynczy PrP Sc cząsteczek wiążących się do pojedynczego PrP C cząsteczki i katalizuje przekształcenie się jej PrP Sc . Dwie cząsteczki PrP Sc rozpadają się i mogą dalej przekształcać więcej PrP C . Jednak model replikacji prionów musi wyjaśniać zarówno sposób rozprzestrzeniania się prionów, jak i dlaczego ich spontaniczne pojawianie się jest tak rzadkie. Manfred Eigen wykazał, że model heterodimeru wymaga, aby PrP Sc był niezwykle skutecznym katalizatorem, zwiększającym szybkość reakcji konwersji o współczynnik około 10 15 . Problem ten nie występuje w przypadku PrP Sc istnieje tylko w zagregowane postaci, takich jak amyloid , gdzie kooperacyjności może działać jako bariera dla spontanicznej konwersji. Co więcej, pomimo znacznego wysiłku, monomeryczna zakaźny PrP Sc nigdy nie został wyizolowany.

Model alternatywny zakłada, że ​​PrP Sc istnieje tylko jako fibryle i że końce włókienek wiążą PrP C i przekształcają je w PrP Sc . Gdyby to było wszystko, to ilość prionów wzrastałaby liniowo , tworząc coraz dłuższe włókienka. Jednak gwałtowny wzrost zarówno PrP Sc i ilości zakaźnych cząstek podczas chorób prionowych są przestrzegane. Można to wytłumaczyć, biorąc pod uwagę pękanie włókienek. Znaleziono matematyczne rozwiązanie dla wykładniczego tempa wzrostu wynikającego z połączenia wzrostu włókienek i złamania włókienek. Wykładnicze tempo wzrostu zależy w dużej mierze od pierwiastka kwadratowego stężenia PrP C. Okres inkubacji jest określony przez wykładnicze tempo wzrostu, a dane in vivo dotyczące chorób prionowych u transgenicznych myszy pasują do tej prognozy. Ta sama zależność od pierwiastka kwadratowego jest również obserwowana in vitro w eksperymentach z różnymi białkami amyloidu .

Mechanizm replikacji prionów ma znaczenie dla projektowania leków. Ponieważ okres inkubacji chorób prionowych jest tak długi, skuteczny lek nie musi eliminować wszystkich prionów, ale po prostu musi spowolnić tempo wzrostu wykładniczego. Modele przewidują, że najskuteczniejszym sposobem osiągnięcia tego, przy użyciu leku o najniższej możliwej dawce, jest znalezienie leku, który wiąże się z końcami włókienek i blokuje ich dalszy wzrost.

Badacze w Dartmouth College odkryli, że endogenna gospodarza cząsteczki kofaktorów, takich jak fosfolipid w cząsteczce (np phosphaditylethanolamine) i polianiony (np cząsteczki jednoniciowego RNA), są niezbędne do utworzenia PrP Sc cząsteczki o wysokich poziomów konkretnego zakaźności in vitro , podczas gdy białko-jedynie PrP Sc Wydaje się, że cząsteczki nie wykazują znaczących poziomów zakaźności biologicznej.

Pasażowalne encefalopatie gąbczaste

Choroby wywołane przez priony
Dotknięte zwierzę (zwierzęta) Choroba
Owca , Koza Scrapie
Bydło Choroba wściekłych krów
Wielbłąd Gąbczasta encefalopatia wielbłądów (CSE)
Norki Pasażowalna encefalopatia norek (TME)
Jeleń wirginijski, łoś, jeleń, łoś Przewlekła choroba wyniszczająca (CWD)
Kot Gąbczasta encefalopatia kotów (FSE)
Nyala , Oryx , Wielki Kudu Egzotyczna encefalopatia kopytnych (EUE)
Struś Encefalopatia gąbczasta
(nie wiadomo, czy zakaźna)
Człowiek Choroba Creutzfeldta-Jakoba (CJD)
Jatrogenna choroba Creutzfeldta-Jakoba (iCJD)
Wariant choroba Creutzfeldta-Jakoba (vCJD)
Rodzinna choroba Creutzfeldta-Jakoba (fCJD)
Sporadyczna choroba Creutzfeldta-Jakoba (sCJD)
Zespół Gerstmanna-Sträusslera-Scheinkera (GSS)
Śmiertelna bezsenność rodzinna (FFI)
Kuru
Rodzinna encefalopatia gąbczasta
Zmiennie wrażliwa na proteazy prionopatia (VPSPr)

Priony powodują choroby neurodegeneracyjne poprzez agregację pozakomórkową w obrębie ośrodkowego układu nerwowego, tworząc płytki znane jako amyloidy , które zakłócają normalną strukturę tkanki . To rozerwanie charakteryzuje się „dziurami” w tkance z wynikającą z nich architekturą gąbczastą z powodu tworzenia się wakuoli w neuronach. Inne zmiany histologiczne to astroglioza i brak reakcji zapalnej . Chociaż okres inkubacji chorób prionowych jest stosunkowo długi (5 do 20 lat), po pojawieniu się objawów choroba postępuje szybko, prowadząc do uszkodzenia mózgu i śmierci. Objawy neurodegeneracyjne mogą obejmować drgawki , demencję , ataksję (zaburzenia równowagi i koordynacji) oraz zmiany behawioralne lub osobowości.

Wiele różnych gatunków ssaków może być dotkniętych chorobami prionowymi, ponieważ białko prionowe (PrP) jest bardzo podobne u wszystkich ssaków. Ze względu na niewielkie różnice w PrP między różnymi gatunkami rzadko zdarza się, aby choroba prionowa przenosiła się z jednego gatunku na drugi. Uważa się jednak, że odmiana ludzkiej choroby prionowej choroba Creutzfeldta-Jakoba jest powodowana przez priony, które zazwyczaj infekują bydło, powodując gąbczastą encefalopatię bydła i są przenoszone przez zakażone mięso.

Wszystkie znane choroby prionowe są nieuleczalne i śmiertelne. Jednak szczepionka opracowana na myszach może zapewnić wgląd w dostarczanie szczepionki odpornej na infekcje prionowe u ludzi. Dodatkowo, w 2006 roku naukowcy ogłosili, że zmodyfikowali genetycznie bydło pozbawione genu niezbędnego do produkcji prionów – co teoretycznie uodparnia je na BSE, opierając się na badaniach wskazujących, że myszy pozbawione normalnie występującego białka prionowego są odporne na zakażenie białkiem prionowym trzęsawki. W 2013 roku badanie wykazało, że 1 na 2000 osób w Wielkiej Brytanii może być nosicielem zakaźnego białka prionowego, które powoduje vCJD.

Do 2015 r. uważano, że wszystkie znane choroby prionowe ssaków są powodowane przez białko prionowe PrP ; w 2015 r. stwierdzono, że atrofia wieloukładowa jest przenoszona i przypuszcza się, że jest spowodowana przez nowy prion, nieprawidłowo sfałdowaną formę białka zwanego alfa-synukleiną . Endogenne właściwie pofałdowanej postaci białka prionowego oznaczamy PrP C (dla C spólnej lub C ellular ), przy czym choroby związane, źle sfałdowane forma jest oznaczona PrP Sc (na Sc Rapie ), po jednej z chorób, pierwszy związanych z prionami i neurodegeneracja. Dokładna struktura prionów nie jest znana, chociaż mogą być one wykonane również spontanicznie, przez połączenie PrP C , homopolimerowy kwasu poliadenylowego i lipidy w białku nieprawidłowego fałdowania amplifikacji cykliczny (PMCA) reakcji, nawet w przypadku braku uprzednio istniejących zakaźnych prionów. Wynik ten jest kolejnym dowodem na to, że replikacja prionów nie wymaga informacji genetycznej.

Przenoszenie

Uznano, że choroby prionowe mogą pojawiać się na trzy różne sposoby: nabyte, rodzinne lub sporadyczne. Często zakłada się, że chora forma bezpośrednio oddziałuje z normalną formą, aby zmienić jej strukturę. Jedna z koncepcji, hipoteza „Białka X”, polega na tym, że dotychczas niezidentyfikowane białko komórkowe (Białko X) umożliwia konwersję PrP C do PrP Sc poprzez połączenie cząsteczki każdego z nich w kompleks.

Podstawową metodą infekcji u zwierząt jest połykanie. Uważa się, że priony mogą odkładać się w środowisku poprzez szczątki martwych zwierząt oraz mocz, ślinę i inne płyny ustrojowe. Mogą następnie pozostawać w glebie, wiążąc się z gliną i innymi minerałami.

Zespół badawczy z Uniwersytetu Kalifornijskiego dostarczył dowodów potwierdzających teorię, że infekcja może wystąpić od prionów w oborniku. A ponieważ obornik występuje w wielu obszarach otaczających zbiorniki wodne, a także jest wykorzystywany na wielu polach uprawnych, zwiększa to możliwość szerokiego przenoszenia. W styczniu 2011 r. doniesiono, że naukowcy odkryli priony rozprzestrzeniające się drogą powietrzną na cząstkach aerozolu w eksperymencie na zwierzętach, skupiającym się na infekcji scrapie u myszy laboratoryjnych . Wstępne dowody potwierdzające pogląd, że priony mogą być przenoszone poprzez stosowanie ludzkiej gonadotropiny menopauzalnej pochodzącej z moczu , podawanej w leczeniu niepłodności , zostały opublikowane w 2011 roku .

Priony w roślinach

W 2015 roku naukowcy z University of Texas Health Science Center w Houston odkryli, że rośliny mogą być wektorem dla prionów. Kiedy naukowcy karmili chomiki trawą, która rosła na ziemi, gdzie pochowano jelenia, który zmarł z powodu przewlekłej choroby wyniszczania (CWD), chomiki zachorowały na CWD, co sugeruje, że priony mogą wiązać się z roślinami, które następnie przenoszą je do struktury liścia i łodygi , gdzie mogą być zjadane przez roślinożerców, kończąc w ten sposób cykl. Jest więc możliwe, że w środowisku gromadzi się coraz więcej prionów.

Sterylizacja

Zakaźne cząstki zawierające kwas nukleinowy są od niego zależne, aby kierować ich dalszą replikacją. Jednak priony są zakaźne przez ich wpływ na normalne wersje białka. Sterylizacja prionów wymaga zatem denaturacji białka do stanu, w którym cząsteczka nie jest już w stanie wywoływać nieprawidłowego fałdowania normalnych białek. Ogólnie rzecz biorąc, priony są dość odporne na działanie proteaz , ciepła, promieniowania jonizującego i formaldehydu , chociaż ich infekcyjność może być zmniejszona dzięki takim zabiegom. Skuteczna dekontaminacja prionów polega na hydrolizie białka lub redukcji lub zniszczeniu struktury trzeciorzędowej białka . Przykłady obejmują podchloryny sodu , wodorotlenek sodu i silnie kwaśne środki czyszczące , takie jak LPH. Stwierdzono, że temperatura 134°C (273°F) przez 18 minut w autoklawie z parą pod ciśnieniem jest dość skuteczna w dezaktywacji czynnika chorobotwórczego. Sterylizacja ozonem jest obecnie badana jako potencjalna metoda denaturacji i dezaktywacji prionów. Renaturacja całkowicie zdenaturowanego prionu do stanu zakaźnego nie została jeszcze osiągnięta; jednak częściowo zdenaturowane priony mogą zostać zrenaturowane do stanu zakaźnego w pewnych sztucznych warunkach.

Światowa Organizacja Zdrowia zaleca, każdy z trzech następujących procedur sterylizacji wszystkich instrumentów chirurgicznych żaroodpornych, aby upewnić się, że nie są one zanieczyszczone priony:

  1. Zanurz w 1N  wodorotlenku sodu i umieść w autoklawie grawitacyjnym w temperaturze 121 °C na 30 minut; czysty; spłucz w wodzie; a następnie przeprowadzać rutynowe procesy sterylizacji.
  2. Zanurz w 1N podchlorynie sodu (20 000 części na milion dostępnego chloru) na 1 godzinę; przenieść instrumenty do wody; ogrzewać w autoklawie grawitacyjno-wyporowym w 121°C przez 1 godzinę; czysty; a następnie przeprowadzać rutynowe procesy sterylizacji.
  3. Zanurz w 1N wodorotlenku sodu lub podchlorynie sodu (20 000 części na milion dostępnego chloru) na 1 godzinę; wyjąć i wypłukać w wodzie, następnie przenieść do otwartej miski i ogrzewać w autoklawie z wyporem grawitacyjnym (121 °C) lub w autoklawie porowatym (134 °C) przez 1 godzinę; czysty; a następnie przeprowadzać rutynowe procesy sterylizacji.

Odporność na degradację w przyrodzie

Przytłaczające dowody wskazują, że priony są odporne na degradację i utrzymują się w środowisku przez lata, a proteazy ich nie degradują. Dowody eksperymentalne pokazują, że niezwiązane priony ulegają degradacji w czasie, podczas gdy priony związane z glebą pozostają na stałym lub rosnącym poziomie, co sugeruje, że priony prawdopodobnie gromadzą się w środowisku. Jedno z badań przeprowadzonych przez amerykańskich naukowców z 2015 r. wykazało, że wielokrotne suszenie i zwilżanie może sprawić, że związane z glebą priony będą mniej zakaźne, chociaż było to zależne od rodzaju gleby, z którą były związane.

Grzyby

Białka wykazujące zachowanie typu prionowego znajdują się również w niektórych grzybach , co pomogło w zrozumieniu ssaczych prionów. Wydaje się, że priony grzybowe nie powodują chorób u swoich żywicieli. W drożdżach ponowne fałdowanie białek do konfiguracji prionów jest wspomagane przez białka opiekuńcze, takie jak Hsp104 . Wszystkie znane priony indukują tworzenie się fałdu amyloidowego , w którym białko polimeryzuje w agregat składający się z ciasno upakowanych arkuszy beta . Agregaty amyloidu są włókienkami, rosnącymi na swoich końcach i replikują się, gdy pęknięcie powoduje, że dwa rosnące końce stają się czterema rosnącymi końcami. Okres inkubacji chorób prionowych jest określony przez wykładnicze tempo wzrostu związane z replikacją prionów, które jest równowagą między wzrostem liniowym a rozpadem agregatów.

Białka grzybowe wykazujące zmianę konformacyjną na matrycy zostały odkryte w drożdżach Saccharomyces cerevisiae przez Reeda Wicknera na początku lat 90. XX wieku. Ze względu na ich mechanistyczne podobieństwo do prionów ssaków nazwano je prionami drożdżowymi . Następnie w grzybie Podospora anserina znaleziono również prion . Priony te zachowują się podobnie do PrP, ale ogólnie nie są toksyczne dla swoich gospodarzy. Grupa Susan Lindquist w Whitehead Institute argumentowała, że ​​niektóre priony grzybowe nie są związane z żadnym stanem chorobowym, ale mogą odgrywać użyteczną rolę; jednak naukowcy z NIH przedstawili również argumenty sugerujące, że priony grzybowe można uznać za stan chorobowy. Istnieją dowody na to, że białka grzybów rozwinęły specyficzne funkcje, które są korzystne dla mikroorganizmów, zwiększając ich zdolność do adaptacji do różnych środowisk.

Badania nad prionami grzybowymi dały silne wsparcie koncepcji wyłącznie białkowej, ponieważ wykazano, że oczyszczone białko wyekstrahowane z komórek w stanie prionowym przekształca normalną postać białka w postać nieprawidłowo sfałdowaną in vitro , a tym samym zachowuje informacje odpowiadające różnym szczepom stanu prionowego. Rzucił również pewne światło na domeny prionowe, które są regionami w białku, które promują konwersję do prionów. Priony grzybowe pomogły zasugerować mechanizmy konwersji, które mogą dotyczyć wszystkich prionów, chociaż priony grzybowe różnią się od zakaźnych prionów ssaków brakiem kofaktora wymaganego do rozmnażania. Charakterystyczne domeny prionowe mogą różnić się w zależności od gatunku – np. charakterystyczne domeny prionowe grzybów nie występują u prionów ssaków.

priony grzybowe
Białko Naturalny gospodarz Normalna funkcja Stan prionowy Fenotyp prionowy Zidentyfikowano rok
Ure2p Saccharomyces cerevisiae Represor kataboliczny azotu [URE3] Wzrost na ubogich źródłach azotu 1994
Sup35p S. cerevisiae Czynnik zakończenia tłumaczenia [PSI+] Zwiększony poziom tłumienia bzdur 1994
HET-S Podospora anserina Reguluje niezgodność heterokarionów [Kochanie] Powstawanie heterokarionów między niekompatybilnymi szczepami
Rnq1p S. cerevisiae Czynnik szablonu białka [RNQ+], [PIN+] Promuje agregację innych prionów
Swi1 S. cerevisiae Przebudowa chromatyny [SWI+] Słaby wzrost na niektórych źródłach węgla 2008
Cyc8 S. cerevisiae represor transkrypcyjny [październik+] Derepresja transkrypcyjna wielu genów 2009
Mot3 S. cerevisiae Jądrowy czynnik transkrypcyjny [MOT3+] Derepresja transkrypcyjna genów beztlenowych 2009
Sfp1 S. cerevisiae Domniemany czynnik transkrypcyjny [ISP+] Antysupresja 2010

Zabiegi

Nie ma skutecznych metod leczenia chorób prionowych. Badania kliniczne na ludziach nie zakończyły się sukcesem i były utrudnione przez rzadkość chorób prionowych. Chociaż niektóre potencjalne metody leczenia okazały się obiecujące w laboratorium, żadne z nich nie było skuteczne po rozpoczęciu choroby.

W innych chorobach

Domeny podobne do prionów znaleziono w wielu innych białkach ssaków. Niektóre z tych białek, które biorą udział w ontogenezie zaburzeń neurodegeneratywnych związanych z wiekiem, takich jak stwardnienie zanikowe boczne (ALS), otępienie czołowo-skroniowe z ubikwityną-dodatnie inkluzje (FTLD-U), choroba Alzheimera , choroba Parkinsona i choroba Huntingtona . Są one również zaangażowane w niektóre formy ogólnoustrojowej amyloidozy, w tym amyloidozy AA, która rozwija się u ludzi i zwierząt z chorobami zapalnymi i zakaźnymi, takimi jak gruźlica , choroba Crohna , reumatoidalne zapalenie stawów i HIV AIDS . Amyloidoza AA, podobnie jak choroba prionowa, może być przenoszona. Doprowadziło to do powstania „paradygmatu prionowego”, w którym inaczej nieszkodliwe białka mogą zostać przekształcone w formę patogenną przez niewielką liczbę nieprawidłowo sfałdowanych białek zarodkujących.

Definicja domeny podobnej do prionów wynika z badań prionów grzybowych. W drożdżach białka prionogenne mają przenośną domenę prionową, która jest zarówno niezbędna, jak i wystarczająca do samodzielnego tworzenia szablonów i agregacji białek. Wykazano to poprzez przyłączenie domeny prionowej do białka reporterowego, które następnie agreguje jak znany prion. Podobnie, usunięcie domeny prionowej z białka prionowego grzyba hamuje prionogenezę. Ten modularny pogląd na zachowanie prionów doprowadził do hipotezy, że podobne domeny prionowe są obecne w białkach zwierzęcych oprócz PrP. Te grzybowe domeny prionowe mają kilka charakterystycznych cech sekwencji. Są one zazwyczaj wzbogacone w reszty asparaginy, glutaminy, tyrozyny i glicyny, przy czym tendencja asparaginy szczególnie sprzyja właściwościom agregacyjnym prionów. Historycznie, prionogeneza była postrzegana jako niezależna od sekwencji i zależna tylko od względnej zawartości reszt. Wykazano jednak, że jest to fałszywe, a odstępy między prolinami i naładowanymi resztami okazały się krytyczne w tworzeniu amyloidu.

Badania bioinformatyczne wykazały, że ponad 250 ludzkich białek zawiera domeny podobne do prionów (PrLD). Przypuszcza się, że domeny te mają takie same właściwości przenoszenia, amyloidogenne PrP i znanych białek grzybowych. Podobnie jak w drożdżach, białka zaangażowane w ekspresję genów i wiązanie RNA wydają się być szczególnie wzbogacone w PrLD w porównaniu z innymi klasami białek. W szczególności 29 ze znanych 210 białek z motywem rozpoznającym RNA ma również domniemaną domenę prionową. Tymczasem kilka z tych białek wiążących RNA zostało niezależnie zidentyfikowanych jako patogenne w przypadku ALS, FTLD-U, choroby Alzheimera i choroby Huntingtona.

Rola w chorobie neurodegeneracyjnej

Przypuszcza się, że patogenność prionów i białek z domenami podobnymi do prionów wynika z ich zdolności do samodzielnego tworzenia szablonów i wynikającego z tego wykładniczego wzrostu włókienek amyloidu. Obecność włókienek amyloidowych u pacjentów z chorobami zwyrodnieniowymi została dobrze udokumentowana. Te włókienka amyloidu są postrzegane jako wynik patogennych białek, które rozmnażają się i tworzą wysoce stabilne, niefunkcjonalne agregaty. Chociaż niekoniecznie oznacza to związek przyczynowy między amyloidem a chorobami zwyrodnieniowymi, toksyczność pewnych postaci amyloidu i nadprodukcja amyloidu w rodzinnych przypadkach zaburzeń zwyrodnieniowych wspiera pogląd, że tworzenie amyloidu jest ogólnie toksyczne.

W szczególności agregację TDP-43 , białka wiążącego RNA, stwierdzono u pacjentów z ALS/MND, a mutacje w genach kodujących te białka zidentyfikowano w rodzinnych przypadkach ALS/MND. Mutacje te promują nieprawidłowe fałdowanie białek w konformację podobną do prionów. Nieprawidłowo sfałdowana forma TDP-43 tworzy wtrącenia cytoplazmatyczne w dotkniętych chorobą neuronach i jest zubożona w jądrze. Oprócz ALS/MND i FTLD-U, patologia TDP-43 jest cechą wielu przypadków choroby Alzheimera, choroby Parkinsona i choroby Huntingtona. Nieprawidłowe fałdowanie TDP-43 jest w dużej mierze kierowane przez jego domenę podobną do prionów. Ta domena jest z natury podatna na nieprawidłowe fałdowanie, podczas gdy stwierdzono, że patologiczne mutacje w TDP-43 zwiększają skłonność do nieprawidłowego fałdowania, co wyjaśnia obecność tych mutacji w rodzinnych przypadkach ALS/MND. Podobnie jak w drożdżach, domena prionopodobna TDP-43 okazała się zarówno niezbędna, jak i wystarczająca do nieprawidłowego fałdowania i agregacji białka.

Podobnie, patogenne mutacje zostały zidentyfikowane w domenach podobnych do prionów heterogenicznych ryboprotein jądrowych hnRNPA2B1 i hnRNPA1 w rodzinnych przypadkach zwyrodnienia mięśni, mózgu, kości i neuronów ruchowych. Wszystkie te białka typu dzikiego wykazują tendencję do samoorganizacji we włókna amyloidowe, podczas gdy mutacje patogenne nasilają to zachowanie i prowadzą do nadmiernej akumulacji.

Uzbrojenie

Priony można wykorzystać jako uzbrojony środek . Przy potencjalnym wskaźniku śmiertelności wynoszącym 100%, priony są bardzo skutecznym wyborem broni biologicznej. Niekorzystnym aspektem jest to, że priony mają bardzo długi okres inkubacji. Jednak uporczywe i intensywne narażenie prionów na jelita może skrócić ogólny początek. Ponadto jedną dużą zaletą używania prionów w działaniach wojennych jest to, że wykrywanie prionów i ich dekontaminacja jest dość trudne.

Historia

W XVIII i XIX wieku wywóz owiec z Hiszpanii zbiegł się z chorobą zwaną trzęsawką . Choroba ta spowodowała, że ​​zarażone zwierzęta „leżały, gryzły stopy i nogi, ocierały się plecami o słupki, nie rozwijały się, przestawały żerować i w końcu kulały” . Zaobserwowano również, że choroba ma długi okres inkubacji, który jest kluczową cechą pasażowalnych encefalopatii gąbczastych (TSE) . Chociaż przyczyna trzęsawki nie była wówczas znana, jest to prawdopodobnie pierwsza zakaźna encefalopatia gąbczasta, która została odnotowana.

W latach pięćdziesiątych Carleton Gajdusek rozpoczął badania, które ostatecznie wykazały, że kuru może być przenoszone na szympansy przez prawdopodobnie nowy czynnik zakaźny, za co ostatecznie zdobył nagrodę Nobla w 1976 roku . W latach sześćdziesiątych dwaj londyńscy naukowcy, biolog promieniowania Tikvah Alper i biofizyk John Stanley Griffith , rozwinęli hipotezę, że pasażowalne encefalopatie gąbczaste są powodowane przez czynnik zakaźny składający się wyłącznie z białek. Wcześniejsze badania przeprowadzone przez EJ Field nad trzęsawką i kuru znalazły dowody na przeniesienie patologicznie obojętnych polisacharydów, które stają się zakaźne dopiero po przeniesieniu, do nowego gospodarza. Alper i Griffith chcieli wyjaśnić odkrycie, że tajemniczy czynnik zakaźny wywołujący chorobę scrapie i chorobę Creutzfeldta-Jakoba jest odporny na promieniowanie jonizujące . Griffith zaproponował trzy sposoby, w jakie białko może być patogenem .

W pierwszej hipotezie zasugerował, że jeśli białko jest produktem normalnie tłumionego genu , a wprowadzenie białka mogłoby wywołać ekspresję genu, czyli obudzić uśpiony gen, to wynikiem byłby proces nie do odróżnienia od replikacji, ponieważ ekspresja genu wytworzyłaby białko, które następnie obudziłoby gen w innych komórkach .

Jego druga hipoteza stanowi podstawę współczesnej teorii prionów i sugeruje, że nieprawidłowa forma białka komórkowego może przekształcić normalne białka tego samego typu w ich nienormalną formę, prowadząc w ten sposób do replikacji. Jego trzecia hipoteza sugerowała, że ​​czynnik mógłby być przeciwciałem, gdyby przeciwciało było jego własnym docelowym antygenem , ponieważ takie przeciwciało powodowałoby wytwarzanie coraz większej ilości przeciwciał przeciwko sobie. Griffith przyznał jednak, że ta trzecia hipoteza była mało prawdopodobna ze względu na brak wykrywalnej odpowiedzi immunologicznej .

Francis Crick rozpoznał potencjalne znaczenie hipotezy Griffith-only protein dla propagacji scrapie w drugim wydaniu jego „ Centralnego dogmatu biologii molekularnej ” (1970): Twierdząc, że przepływ informacji o sekwencji z białka do białka lub z białka do białka RNA i DNA były „wykluczone”, zauważył, że hipoteza Griffitha była potencjalną sprzecznością (chociaż nie była tak promowana przez Griffitha). Poprawiona hipoteza została później sformułowana, po części, aby uwzględnić odwrotną transkrypcję (którą zarówno Howard Temin, jak i David Baltimore odkryli w 1970 roku).

W 1982 roku Stanley B. Prusiner z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco ogłosił, że jego zespół oczyścił hipotetyczne białko zakaźne, które nie było obecne u zdrowych gospodarzy, chociaż nie udało im się wyizolować białka przed upływem dwóch lat. po ogłoszeniu przez Prusinera. Białko nazwano prionem na „proteinacious cząstki zakaźne” pochodzi od słowa pr otein i Infect jonowych . Kiedy odkryto prion, wielu popierało pierwszą hipotezę Griffitha, że ​​białko jest produktem normalnie niemego genu. Później jednak odkryto, że to samo białko występuje u normalnych gospodarzy, ale w innej formie.

Po odkryciu tego samego białka w innej postaci u osób niezakażonych, specyficzne białko, z którego składał się prion, nazwano białkiem prionowym (PrP), a druga hipoteza Griffitha, że ​​nieprawidłowa forma białka gospodarza może przekształcać inne białka ten sam typ w jego nienormalną formę, stał się dominującą teorią. Prusiner otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny w 1997 roku za badania nad prionami.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki

Klasyfikacja