Prioneiwit: het molecuul met vele vormen en gezichten Deel 1

Samenvatting: Cellulair prioneiwit (PrPC) is een glycosylfosfatidylinositol (GPI)-verankerd eiwit dat het meest overvloedig wordt aangetroffen in het buitenmembraan van neuronen. Vanwege structurele kenmerken (een flexibele staart en gestructureerde kern) heeft PrPC interactie met een breed scala aan partners.

De afgelopen jaren hebben veel onderzoeken aangetoond dat cellulaire prioneiwitten een belangrijke relatie hebben met de ontwikkeling en het onderhoud van het geheugen van dieren.

Cellulair prion (Herpes simplex-virus, HSV) is een virus dat wijdverspreid aanwezig is in de menselijke bevolking en wordt beschouwd als een van de belangrijkste ziekteverwekkers van neurologische ziekten en huidziekten. HSV-1 en HSV-2 zijn de twee meest voorkomende virustypen bij mensen.

Uit een recent onderzoek is gebleken dat HSV-1 viraal eiwit de ontwikkeling en het onderhoud van het geheugen bij mensen en dieren kan bevorderen. De resultaten van dit onderzoek toonden aan dat HSV-1-infectie voornamelijk voorkomt in de zeer vroege stadia van het menselijk leven, en dat virale eiwitten zich ophopen in het menselijke zenuwstelsel en de afgifte van neurotransmitters en synaptische transmissie reguleren. Deze regulerende effecten helpen de hersengeheugenfunctie te verbeteren en de ruimtelijke cognitie en aandacht te verbeteren.

Bovendien heeft het virale eiwit HSV-1 ook een bepaalde relatie met de immuunrespons en antivirale respons van het lichaam. Studies hebben aangetoond dat de invloed van het HSV-1 virale eiwit de immuunrespons van het lichaam activeert en actief inwerkt op de "geheugen-T-cellen" in het lichaam, waardoor de antivirale afweer van het lichaam wordt versterkt. Deze ontdekking heeft verreikende betekenis voor het onderzoeken van de relatie tussen HSV-1 en de immuniteit van dieren.

Kortom, de relatie tussen het cellulaire prionviruseiwit en het geheugen biedt brede onderzoeksruimte voor toekomstig onderzoek naar het geheugen, de functie van het zenuwstelsel en de immuunrespons, en zal naar verwachting een belangrijke rol spelen bij de preventie en behandeling van gerelateerde ziekten. Het is duidelijk dat we het geheugen moeten verbeteren, en Cistanche kan het geheugen aanzienlijk verbeteren omdat Cistanche ook de balans van neurotransmitters kan reguleren, zoals het verhogen van de niveaus van acetylcholine en groeifactoren, die erg belangrijk zijn voor het geheugen en het leren. Bovendien kan Cistanche ook de bloedstroom verbeteren en de zuurstoftoevoer bevorderen, wat ervoor kan zorgen dat de hersenen voldoende voeding en energie krijgen, waardoor de vitaliteit en het uithoudingsvermogen van de hersenen worden verbeterd.

Klik op supplementen kennen om het geheugen te verbeteren

Hoewel is voorgesteld dat PrPC betrokken is bij veel fysiologische functies, is tot nu toe alleen de myelinisatie-homeostase van de perifere zenuwen bevestigd als een bonafide functie.

Het verkeerd vouwen van PrPC veroorzaakt prionziekten en er is aangetoond dat PrPC de door oligomeren geïnduceerde neurotoxiciteit bij de ziekte van Alzheimer en Parkinson bemiddelt, evenals neuroprotectie bij ischemie.

Bij proteolytische splitsing wordt PrPC omgezet in vrijgekomen en gehechte vormen van PrP die, afhankelijk van de aanwezige structurele kenmerken van PrPC, beschermende of toxische eigenschappen kunnen vertonen.

In deze review zullen we de eigenschappen van prioneiwitten en prioneiwitfragmenten schetsen, evenals een overzicht van hun betrokkenheid bij interacterende partners en signaalroutes bij myelinisatie, neuroprotectie en neurodegeneratieve ziekten.

Trefwoorden: prioneiwit; prioneiwitfragmenten; neurobescherming; myelinisatie; ischemische beroerte; neurodegeneratieve ziekte.

1. Inleiding

Prioneiwit (PrP) is een sterk geconserveerd alomtegenwoordig glycoproteïne. Het bestaat in twee vormen; de normale of cellulaire isovorm, PrPC, en de ziekte-geassocieerde infectieuze isovorm scrapie PrP, PrPSc.

De pathologische rol van PrPSc is uitgebreid bestudeerd bij prionziekte en is besproken in verschillende artikelen [1–3]. PrPC wordt tot expressie gebracht in een verscheidenheid aan verschillende organen en weefsels met hoge expressieniveaus in de centrale en perifere zenuwstelsels.

Het is overvloedig aanwezig op het celoppervlak van neuronen [4–6] en is betrokken bij veel fysiologische mechanismen. De functie van het eiwit moet nog worden opgehelderd; niettemin koppelen intensieve onderzoeken PrPC aan myelinehomeostase [7], neuroprotectie [8,9], het circadiane ritme [10,11], metaalionhomeostase [12,13], mitochondriale homeostase [14] en intercellulaire signalering [6,15 ,16].

In neuronen is PrPC aanwezig in de presynaptische en postsynaptische compartimenten van axonuiteinden, waar het betrokken is bij anterograde en retrograde axonaal transport [17-20]. PrPC wordt door proteasen op het celmembraan gesplitst, waardoor vrijgekomen en gehechte vormen worden gevormd.

De afgelopen jaren hebben vormen van prionproteïne en door prionproteïne vrijgekomen vormen aandacht gekregen in verband met neuroprotectie bij neurodegeneratieve ziekten.

In deze review presenteren we vormen van prioneiwit en prioneiwit, vatten we hun betrokkenheid bij myelinisatie, neuroprotectie en neurodegeneratieve ziekten samen, en bespreken we de meest recente ontdekkingen op dit gebied.

2. Prioneiwit

Volwassen menselijke PrPC bestaat uit een flexibel ongestructureerd N-terminaal domein (aminozuurresiduen 23–120) en een gestructureerd C-terminaal domein (aminozuurresiduen 121–231).

Het is verankerd aan het celmembraan met een glycosylfosfatidylinositol (GPI) anker [21,22]. Het flexibele N-terminale domein bevat een octarepeat-gebied, terwijl het gestructureerde domein bestaat uit drie -helices, twee -vellen, en een disulfidebinding die cysteïnes 179 en 214 verbindt, en twee N-glycanen op aminozuurresiduen 181 en 197 [23,24] (Figuur 1).

PrPC kan transformeren in een velrijke isovorm PrPSc, die gevoelig is voor autokatalytische omzetting en aggregatie in onoplosbare aggregaten [22,25,26]. Een abnormale ophoping van het pathologische eiwit in de hersenen kan de ontwikkeling van overdraagbare spongiforme encefalopathieën (TSE's) veroorzaken, ook bekend als prionziekten.

Prionziekten omvatten de ziekte van Creutzfeldt-Jakob (CJD), het Gerstmann-Sträussler-Scheinker-syndroom (GSS), fatale familiale slapeloosheid (FFI) en kuru bij mensen, boviene spongiforme encefalopathie bij runderen, scrapie bij geiten en schapen en chronische wastingziekte bij hertachtigen.

Alle prionziekten zijn zeldzame fatale neurodegeneratieve aandoeningen. De klinische en neuropathologische kenmerken van prionziekten bij mensen zijn vergelijkbaar met die van de ziekte van Alzheimer (AD), zoals snel geheugenverlies en verlies van hersenfunctie, evenals dementie, spongiforme vervorming van de hersenen, persoonlijkheidsveranderingen en bewegingsproblemen [15,27]. .

Hoewel prionziekten optreden als gevolg van de accumulatie van toxische PrPSc-aggregaten in de hersenen, blijft het mechanisme dat ten grondslag ligt aan de omzetting van PrPC in PrPSc en de ontwikkeling van prionziekte onbekend.

Behalve dat het een substraat is voor de ontwikkeling van prionziekten, kan PrPC ook dienen als receptor voor cytotoxische amyloïde-(A)-oligomeren [20,28] en toxische oplosbare aggregaten van tau-eiwit bij AD en andere tauopathieën [29,30].

Er zijn ook tegengestelde onderzoeken naar de PrPC-binding van -synucleïne (-syn) oligomeren bij de ziekte van Parkinson (PD) en andere synucleinopathieën, waardoor het debat wordt geopend over de rol van PrPC in de toxiciteit van -synucleïne [30-33].

3. Prioneiwitfragmenten

PrPC kan vier posttranslationele splitsingen ondergaan, waarbij PrP-fragmenten worden gevormd (Figuur 1). De -splitsing en -splitsing vinden plaats binnen het ongestructureerde N-terminale domein, terwijl de -splitsing en PrP-afscheiding plaatsvinden binnen het gestructureerde C-terminale domein.

Naast de genoemde splitsingen is PrPC onder experimentele omstandigheden gesplitst met fosfolipase C, dat PrPC binnen het GPI-anker splitste [34,35]. De splitsingsplaats, de lengte van het fragment en de membraanbevestiging zorgen ervoor dat fragmenten aan verschillende mechanismen kunnen deelnemen.

3.1. -Inkijk

De -splitsing is de meest bestudeerde splitsing van PrPC. Het komt voor onder fysiologische omstandigheden in het centrale hydrofobe gebied van volwassen PrPC (aminozuurresiduen 105–120 in menselijke sequentie 111/112) [36–38] (Figuur 1).

Door de splitsing komt een fragment N1 van ~11 kDa vrij, terwijl het deel C1 van ~18 kDa door het GPIanchor aan het celmembraan gehecht blijft [36,39]. Voorlopig is er geen uniek enzym dat verantwoordelijk is voor de -splitsing [24,40].

Hoewel splitsingsplaatsen zijn bepaald met betrekking tot soorten, is de splitsing tolerant voor sequentievariatie in dit gebied, zolang de hydrofobiciteit ervan behouden blijft [38].

Studies hebben aangetoond dat splitsing in het menselijk brein, muismodellen en neuronale culturen plaatsvindt in de aanwezigheid van de enzymen ADAM10 en ADAM17 [41-43]. ADAM10 draagt ​​bij aan een constitutieve N1-productie, terwijl ADAM17 voornamelijk deelneemt aan de vorming van N1 na stimulatie [44 ,45]. Er is ook aangetoond dat ADAM8 PrPC splitst en N1 en C1 in de spieren vormt [46].

De rol van ADAM8, ADAM10 en ADAM17 in de -splitsing is ook ondersteund in een biofysisch onderzoek [47]. Fragment N1 heeft een relatief lage stabiliteit; niettemin bleek het aanwezig te zijn in lichaamsvloeistoffen, weefselhomogenaten of supernatanten van celculturen [39,48,49].

Aanvankelijk werd gedacht dat de splitsing plaatsvond in zure endosomale compartimenten [50,51], maar latere onderzoeken hebben aangetoond dat de splitsing plaatsvindt tijdens het vesiculaire verkeer van PrPC langs de secretoire route [52,53].

Bij de splitsing wordt PrPC als substraat gebruikt, wat leidt tot een verkleining van het celoppervlak. Omdat PrPC ook een substraat is voor prionreplicatie en een belangrijke mediator van toxiciteit bij prionziekten, AD en andere neurodegeneratieve ziekten, heeft de splitsing een positief biologisch effect.

Het flexibele N-terminale deel van PrPC is essentieel voor de interactie van het eiwit met de bindingspartners die de opname van PrPC bij mensenhandel reguleren [54,55]. Bij gebrek aan N1 vormt C1 complexen op het celmembraan [56] en is stabieler en persistenter aan het celoppervlak dan PrPC [50].

Fragment C1 kan aan het celoppervlak worden gesplitst en in de extracellulaire ruimte worden vrijgegeven [57]. Cl bleek de replicatie van prionen bij muizen te remmen [58,59]terwijl fragment N1 neuroprotectief is [60,61]; de afwezigheid van de -splitsing is giftig voor zowel cellen als muizen [47,62].

3.2. -Inkijk

De -splitsing vindt plaats aan het einde van het octapeptide-herhalingsgebied N-uiteinde van de -splitsingsplaats. De -splitsing wordt meestal waargenomen onder pathologische omstandigheden en is vergelijkbaar met de -splitsing. Het lijkt beschermend te werken.

Het vindt plaats rond aminozuurresidu 90 en vormt fragment N2 (~9 kDa) en fragment C2 (~20 kDa) [36,37,48,63] (Figuur 1). De splitsing van PrPC wordt gemedieerd door reactieve zuurstofsoorten (ROS) [37,63-66].

Door ROS te verwijderen, beschermt de splitsing cellen tegen oxidatieve stress [65]. Afgezien van ROS wordt de splitsing veroorzaakt door calpaïnen [67], lysosomale proteasen [68,69] of zelfs ADAM8 [47].

Proteïnase K splitst de protease-resistente kern van PrPSc (PrP27-30) nabij positie 90, waardoor een fragment ontstaat met een lengte vergelijkbaar met C2. Net als fragment C1 kan fragment C2 ook van het celoppervlak worden verwijderd [70].

De vorming van een dergelijk fragment geeft aan dat proteasen die betrokken zijn bij de splitsing ook betrokken zouden kunnen zijn bij de cellulaire pogingen om PrPSc af te breken [71,72].

3.3. -Inkijk

De meest recent ontdekte proteasesplitsing van PrPC is de -splitsing. De splitsingsplaats in PrPC moet nog worden bepaald, maar de grootte van het vrijgekomen fragment N3 (~20 kDa) en het GPI-verankerde fragment C3 (~5 kDa) suggereert dat eiwitsplitsing plaatsvindt in het gebied tussen aminozuurresiduen 170 en 200 [73, 74] (Figuur 1).

Studies geven aan dat de splitsing laat in de secretieroute van een niet-geglycosyleerd eiwit plaatsvindt in de aanwezigheid van leden van de matrixmetalloproteasen (MMP)-familie [73].

Er wordt voorgesteld dat de reden dat de splitsing alleen plaatsvindt op niet-geglycosyleerd PrPC te wijten is aan de sterische hindering van proteasen door glycanen in de nabijheid van de voorgestelde splitsingsplaats [40,75].

Er is gevonden dat de -splitsing voorkomt in verschillende soorten, weefsels en celcultuurmodellen. De bepaling van de rol ervan vereist verder onderzoek, hoewel een indicatie van verhoogde hoeveelheden fragment C3 in CJD-hersenen kan leiden tot een mogelijke pathogene betekenis [73].

3.4. Afscheiding van prioneiwit

Er is ook een belangrijke splitsing van PrP in de nabijheid van het C-uiteinde. Door de splitsing komt PrP terecht in de extracellulaire ruimte, waardoor een klein aantal aminozuurresiduen op het celoppervlak achterblijft.

De splitsing werd beschreven in vroeg onderzoek [35,39,76,77] maar heeft de laatste jaren meer aandacht gekregen vanwege de betrokkenheid van afgescheiden PrP bij ziekten [40,63,78-83].

Net als bij de -splitsing vindt de afgifte van PrP plaats in de aanwezigheid van enzymen uit de ADAM-familie. In vitro en in vivo experimenten suggereren dat ADAM9 en ADAM10 betrokken zijn bij het splitsingsproces en het afstoten van PrP [47,84–86] waarbij ADAM10 de primaire uitscheiding is voor PrP en ADAM9 de modulator is van ADAM10-activiteit [24 ].Schuur PrP werd voor het eerst bepaald bij hamsters.

In de met prionen geïnfecteerde hersenen van hamsters vertegenwoordigde schuurPrP ongeveer 15% van de PrPSc-moleculen [76]. Een verdere analyse toonde aan dat ADAM10 afgescheiden PrP tussen Gly228 en Arg229 splitste en afgescheiden PrP vormde dat eindigde bij Gly228 [84].

Een analyse waarin het splitsingsplaatsprofiel van ADAM10 werd onderzocht, onthulde dat splitsing niet wordt geïnduceerd door een unieke sequentie [87].

Bijgevolg kan het ADAM10-protease varianten van afgegeven PrP produceren, afhankelijk van de eiwitsequentie en conformatie. Jansen en collega's beschreven het bestaan ​​van niet-verankerde PrP-vormen die eindigen op Tyr225 en Tyr226 bij patiënten met prionziekte [88].

De auteurs karakteriseerden twee patiënten met prionziekte die stopmutaties droegen op posities Y226X en Q227X en brachten de respectievelijke vormen tot expressie. Met behulp van een monoklonaal antilichaam V5B2 [89] dat specifiek bindt aan een fragment van PrP dat eindigt op Tyr226, beschreven we tegelijkertijd het bestaan ​​van een vrije vorm van PrP genaamd PrP226* [90-94].

De distributie van PrP226* in de menselijke hersenen is in verband gebracht met de distributie van PrP Sc [90,94]. Vanwege het bestaan ​​van meer dan één uitscheidingsvorm veronderstelden we dat de proteolytische plaats in de menselijke sequentie niet uitsluitend tussen aminozuurresiduen 228 en 229 ligt, maar zich in de nabijheid van de C-terminus bevindt [95] (Figuur 1).

Onlangs hebben Linsenmeier et al. publiceerde een uitgebreid onderzoek naar het mechanisme dat de proteolytische uitscheiding van PrPC stimuleert [81]. Met behulp van diermodellen en controles toonden ze aan dat de uitscheiding van PrP negatief correleert met de prionconversie en dat de uitscheiding van PrP overvloedig aanwezig is in amyloïde plaques.

Ze bestudeerden ook de invloed van de binding van PrP-gerichte antilichamen aan PrPC op de neiging tot uitscheiding. De binding van volledige anti-PrP-antilichamen aan het C-terminale gestructureerde domein van PrPC of antilichaamderivaten met enkele keten, gericht tegen repetitieve epitopen binnen het octarepeat-gebied van het N-terminale domein, stimuleerde de uitscheiding, terwijl de binding van volledige anti-PrP-antilichamen aan de octarepeat-antilichamen regio van het N-terminale domein vergrendelde de N-terminale domeinstructuur en veroorzaakte PrPC-oppervlakteclustering, endocytose en afbraak in lysosomen [81].

4. Prioneiwit en myelinisatie

PrPC komt overvloedig tot expressie in het centrale zenuwstelsel (CZS) en het perifere zenuwstelsel [4,5]. Studies in hersenen van primaten, knaagdieren en transgene muizen hebben aangetoond dat het verrijkt is langs axonen en in presynaptische uiteinden, waar het betrokken is bij anterograde en retrograde axonaal transport [4,17,18,96-98].

Deleties in het PrPC-splitsingsgebied vertoonden in vivo ernstige demyelinisatie in zowel het ruggenmerg als de witte stof van het cerebellum [99.100]. Later werd bevestigd dat axonale PrPC en zijn -splitsing noodzakelijk zijn voor pro-myelinisatie in het perifere zenuwstelsel [101].

Met behulp van een co-isogeen PrP-knock-out muizenmodel hebben Kuffer et al. ontdekten dat axonale PrPC het myelinebehoud in trans bevordert via binding aan de adhesie G-eiwit-gekoppelde receptor Adgrg6 op Schwann-cellen met een N-terminale flexibele staart [7].

Ze bevestigden ook dat muizen zonder PrPC chronische demyeliniserende neuropathie ontwikkelden, wat suggereert dat myelinisatiehomeostase in het perifere zenuwstelsel een bonafide fysiologische functie van PrPC is [7].

Er werd gevonden dat het onderhoud van myeline gereguleerd wordt door de binding van een N-terminaal vrijgekomen fragment van PrPC (vermoedelijk N1 of afgestoten PrP) aan Adgrg6 op Schwann-cellen.

De interactie activeerde Adgrg6, verhoogde de cellulaire niveaus van cAMP en veroorzaakte een signaalcascade die myelinisatie bevorderde [7]. De regulatie van perifere myelinebehoud door PrPC werd bevestigd in vijf verschillende PrP-knock-out muismodelstammen die laat optredende perifere neuropathie ontwikkelden [101-103].

Onlangs is er een poging gedaan om een ​​behandeling te ontwikkelen voor perifere demyeliniserende ziekten, gebaseerd op binding tussen het N-terminale domein van PrPC en Adgrg6 [104]. In deze studie construeerden ze een immunoadhesinemolecuul bestaande uit twee flexibele N-terminale domeinen van PrPC gekoppeld aan een kristalliseerbaar fragment (Fc) van immunoglobuline G1 (FT2Fc) [104].

Het molecuul vertoonde gunstige farmacokinetische eigenschappen en vertoonde potentieel in vitro, maar slaagde er niet in een therapeutisch effect te hebben op de vroege moleculaire tekenen van demyelinisatie bij PrP-knock-out muizen [104].

PrPC werd ook onderzocht in verband met de ontwikkeling en regeneratie van perifere myeline na zenuwbeschadigingen [105]. Omdat PrP in dit mechanisme overbodig bleek te zijn, zou kunnen worden aangenomen dat PrP geen belangrijke rol speelt in het herstelproces van de perifere zenuwen, anders zou de afwezigheid ervan kunnen worden gecompenseerd door andere liganden [105].

Myelinisatie en andere fysiologische rollen van PrPC zijn intensief bestudeerd in diermodellen met een uitgeschakelde of uitgeschakelde PrP-genexpressie.

Studies hebben beperkte negatieve effecten aangetoond bij muizen [102,106-109], runderen [110] en geiten [68,111,112] terwijl studies bij PrP-knock-out muizen of geiten defecten in het zenuwstelsel en de gevoeligheid voor oxidatieve stress aantoonden [6,101,111,113]. Er werden verschillende PrP-knock-out-muizenmodellen gegenereerd met een gemengde achtergrond [106,109,114-116].

Omdat de onderzoeken niet reproduceerbaar zijn tussen modellen, zou dit de vraag kunnen oproepen of waargenomen fenotypes feitelijk het gevolg waren van polymorfismen in genen die Prnp flankeren of het gevolg waren van de afwezigheid van PrPC. Om dit probleem te voorkomen, zou het raadzaam zijn om belangrijke experimenten te herhalen met behulp van co-isogene PrPknockout-muizen.

Hoewel de rol van PrPC in het CZS moet worden opgehelderd, zijn PrPC en door PrPC vrijgekomen fragmenten onmisbaar bij de perifere zenuw-myelinehomeostase, maar ze kunnen onmisbaar zijn bij het herstel van de zenuwen.

For more information:1950477648nn@gamil.com