PRNP - PRNP
PRNP ( prionprotein ) er det humane genet som koder for de store prion -proteinet PrP (protease-resistent-protein, Pr for pr ion, og P for p rotein), også kjent som CD230 ( klynge av differensiering 230). Ekspresjon av proteinet er mest dominerende i nervesystemet, men forekommer i mange andre vev i hele kroppen.
Proteinet kan eksistere i flere isoformer : den normale PrP C -formen, og den protease -resistente formen som er betegnet PrP Res, slik som den sykdomsfremkallende PrP Sc (scrapie) og en isoform som ligger i mitokondrier . Den misfoldet utgave PrP- Sc er forbundet med en rekke av kognitive sykdommer og neurodegenerative sykdommer, slik som hos dyr: ovin- skrapesyke , bovin spongiform encefalopati (BSE, kugalskap), feline spongiform encefalopati , overførbar mink encefalopati (TME), eksotiske hovdyr encefalopati , kronisk sløsingssykdom (CWD) som påvirker livmorhalsene ; og hos mennesker: Creutzfeldt -Jakobs sykdom (CJD), dødelig familiær søvnløshet (FFI), Gerstmann -Sträussler -Scheinker syndrom (GSS), kuru og variant Creutzfeldt -Jakobs sykdom (vCJD). Likheter eksisterer mellom kuru, antatt å skyldes menneskelig inntak av syke individer, og vCJD, antatt å skyldes menneskelig inntak av BSE-besmittede storfeprodukter.
Gene
Det humane PRNP -genet er lokalisert på den korte (p) armen til kromosom 20 mellom enden (enden) av armen og posisjon 13, fra basepar 4,615,068 til basepar 4,630,233.
Struktur
PrP er sterkt konservert gjennom pattedyr, og gir troverdighet til anvendelse av konklusjoner fra testdyr som mus. Sammenligning mellom primater er spesielt lik, og varierer fra 92,9-99,6% likhet i aminosyresekvenser . Den menneskelige proteinstrukturen består av et globulært domene med tre α-helixer og et to-tråds antiparallelt β-ark , en NH 2- terminal hale og en kort COOH- terminal hale. Et glykofosfatidylinositol (GPI) membrananker ved COOH-terminalen fester PrP til cellemembraner , og dette viser seg å være integrert i overføringen av konformasjonsendringer; utskilt PrP som mangler ankerkomponenten, påvirkes ikke av den smittsomme isoformen.
Den primære sekvensen til PrP er 253 aminosyrer lenge før post-translasjonell modifikasjon . Signalsekvenser i de amino- og karboksy -terminale endene fjernes posttranslasjonelt, noe som resulterer i en moden lengde på 208 aminosyrer. For menneskelig og gylden hamster PrP eksisterer to glykosylerte steder på spiraler 2 og 3 ved Asn 181 og Asn197. Murine PrP har glykosyleringssteder som Asn180 og Asn196. En disulfidbinding eksisterer mellom Cys 179 i den andre helixen og Cys214 i den tredje helixen (human PrP C -nummerering).
PrP messenger RNA inneholder en pseudoknot struktur ( prion pseudoknot ), som antas å være involvert i reguleringen av PrP -protein oversettelse .
Ligand-binding
Mekanismen for konformasjonell konvertering til skrapie -isoform er spekulert i å være et unnvikende ligand -protein, men så langt er ingen slik forbindelse identifisert. Imidlertid har en stor mengde forskning utviklet på kandidater og deres interaksjon med PrP C .
Kobber , sink , mangan og nikkel er bekreftet PrP -ligander som binder seg til dets oktarep -region. Ligandbinding forårsaker en konformasjonsendring med ukjent effekt. Tungmetallbinding ved PrP har vært knyttet til motstand mot oksidativt stress som følge av tungmetall toksisitet .
PrP C (normal cellulær) isoform
Selv om den presise funksjonen til PrP ennå ikke er kjent, er det muligens involvert i transport av ionisk kobber til celler fra omgivelsene. Forskere har også foreslått roller for PrP i cellesignalering eller i dannelsen av synapser . PrP C fester seg til den ytre overflaten av cellemembranen med et glykosylfosfatidylinositolanker ved dets C-terminale Ser 231.
Prion -protein inneholder fem oktapeptid -gjentakelser med sekvens PHGGGWGQ (selv om den første gjentagelsen har den litt modifiserte histidin -defekte sekvensen PQGGGGWGQ). Dette antas å frembringe et kobber- bindende domene via nitrogenatomer i den histidin- imidazol- sidekjedene og deprotonert amid- nitrogenene fra 2. og 3. glyciner i den repeterende. Evnen til å binde kobber er derfor pH -avhengig. NMR viser kobberbindingsresultater i en konformasjonsendring ved N-enden .
PrP Sc (scrapie) isoform
PrP Sc er en konformasjonsisoform av PrP C , men denne orienteringen har en tendens til å akkumuleres i kompakte, protease -resistente aggregater i nevralvev. Den unormale PrP Sc -isoformen har en annen sekundær og tertiær struktur enn PrP C , men identisk primærsekvens. Sirkulær dikroisme viser at normal PrP C har 43% alfa -spiralformet og 30% beta -arkinnhold , mens PrP Sc bare er 30% alfa -helix og 43% beta -ark. Imidlertid har tilstedeværelsen av alfa -spiraler i smittsomme PrP Sc kommet i tvil, med nåværende modeller som foreslår mangel på alfa -helixer i stedet erstattet med en total beta -arksammensetning. Denne omfoldingen gjør PrP Sc -isoformen ekstremt motstandsdyktig mot proteolyse .
Formering av PrP Sc er et tema av stor interesse, ettersom akkumulering er en patologisk årsak til nevrodegenerasjon . Basert på den progressive karakteren av spongiforme encefalopatier, antyder den dominerende hypotesen at endringen fra normal PrP C skyldes tilstedeværelse og interaksjon med PrP Sc . Sterk støtte for dette er hentet fra studier der PRNP -knockout -mus er resistente mot introduksjon av PrP Sc . Til tross for utbredt aksept av konformasjonskonverteringshypotesen, mildner noen studier påstander om en direkte kobling mellom PrP Sc og cytotoksisitet .
Polymorfismer på stedene 136, 154 og 171 er assosiert med varierende følsomhet for scrapie hos får . (Disse fårstedene tilsvarer menneskelige steder 133, 151 og 168.) Polymorfismer av PrP-VRQ-form og PrP-ARQ-form er assosiert med økt følsomhet, mens PrP-ARR er assosiert med resistens. National Scrapie Plan of the UK har som mål å avle ut disse scrapie -polymorfene ved å øke frekvensen av den resistente allelen. Imidlertid er PrP-ARR-polymorfier utsatt for atypisk skrantesjuke, så dette kan vise seg å være ufruktbart.
Funksjon
Nervesystemet
Den sterke assosiasjonen til nevrodegenerative sykdommer reiser mange spørsmål om funksjonen til PrP i hjernen. En vanlig tilnærming er å bruke PrP-knockout og transgene mus for å undersøke mangler og forskjeller. Første forsøk ga to stammer av PrP-null-mus som ikke viser fysiologiske eller utviklingsmessige forskjeller når de utsettes for en rekke tester. Nyere stammer har imidlertid vist betydelige kognitive abnormiteter.
Etter hvert som nullmusene blir eldre, resulterer et markert tap av Purkinje -celler i lillehjernen i redusert motorisk koordinasjon. Denne effekten er imidlertid ikke et direkte resultat av PrPs fravær, og oppstår snarere fra økt Doppel -genuttrykk . Andre observerte forskjeller inkluderer redusert stressrespons og økt utforskning av nye miljøer.
Døgnrytme endres hos nullmus. Dødelig familiær søvnløshet antas å være et resultat av en punktmutasjon i PRNP ved kodon 178, som bekrefter PrPs involvering i søvn-våkne sykluser. I tillegg har døgnregulering blitt demonstrert i PrP mRNA, som sykler regelmessig med dag-natt.
Hukommelse
Selv om nullmus viser normal læringsevne og kortsiktig hukommelse , er det påvist underskudd på langsiktig hukommelseskonsolidering . Som med ataksi kan dette imidlertid tilskrives Doppel -genuttrykk. Imidlertid reduseres romlig læring , en hovedsakelig hippocampus-funksjon, hos nullmusene og kan gjenopprettes med gjeninnføring av PrP i nevroner; dette indikerer at tap av PrP -funksjon er årsaken. Interaksjonen av hippocampal PrP med laminin (LN) er dreibar i minnet behandling og er sannsynligvis modulert av kinaser PKA og ERK1 / 2.
Ytterligere støtte for PrPs rolle i minnedannelse er hentet fra flere populasjonsstudier. En test av friske unge mennesker viste økt langsiktig minneevne assosiert med en MM- eller MV-genotype sammenlignet med VV. Downs syndrom pasienter med en enkelt valinsubstitusjon har vært knyttet til tidligere kognitiv tilbakegang. Flere polymorfismer i PRNP har vært knyttet til kognitiv svekkelse hos eldre så vel som tidligere kognitiv tilbakegang. Alle disse studiene undersøkte forskjeller i kodon 129, noe som indikerer dens betydning for den generelle funksjonaliteten til PrP, spesielt med tanke på minne.
Nevroner og synapser
PrP er til stede i både pre- og postsynaptiske rom, med størst konsentrasjon i den pre-synaptiske delen. Med tanke på dette og PrPs pakke med atferdsmessige påvirkninger, er nevrale cellefunksjoner og interaksjoner av spesiell interesse. Basert på kobberliganden kaster en foreslått funksjon PrP som en kobberbuffer for den synaptiske kløften . I denne stilling kan proteinet tjene som enten en kobber homeostase mekanisme, en kalsium-modulator, eller en sensor for kobber eller oksidativt stress. Tap av PrP-funksjon har vært knyttet til langsiktig potensiering (LTP). Denne effekten kan være positiv eller negativ og skyldes endringer i neuronal eksitabilitet og synaptisk overføring i hippocampus .
Noen undersøkelser indikerer PrP -involvering i nevronutvikling, differensiering og neurittutvekst . Den PrP-aktiverte signaltransduksjonsveien er assosiert med axon og dendritisk utvekst med en serie kinaser.
Immunforsvar
Selv om mest oppmerksomhet er rettet mot PrPs tilstedeværelse i nervesystemet, er det også rikelig i immunsystemvev. PrP -immunceller inkluderer hematopoietiske stamceller, modne lymfoid- og myeloidrom og visse lymfocytter ; den har også blitt påvist i naturlige drepeceller , blodplater og monocytter . T- celleaktivering er ledsaget av en sterk oppregulering av PrP, selv om det ikke er nødvendig. Mangelen på immunrespons på overførbare spongiforme encefalopatier (TSE), nevrodegenerative sykdommer forårsaket av prioner, kan stamme fra toleransen for PrP Sc .
Muskler, lever og hypofyse
PrP-null mus gir ledetråder til en rolle i muskelfysiologi når de utsettes for en tvungen svømmetest, som viste redusert bevegelsesaktivitet. Eldrende mus med overuttrykk av PRNP viste signifikant nedbrytning av muskelvev.
Selv om det er tilstede, eksisterer det svært lave nivåer av PrP i leveren og kan være forbundet med leverfibrose. Tilstedeværelse i hypofysen har vist seg å påvirke nevroendrocrin funksjon hos amfibier, men lite er kjent om pattedyrens hypofyse PrP.
Mobil
Varierende uttrykk for PrP gjennom cellesyklusen har ført til spekulasjoner om involvering i utvikling. Et bredt spekter av studier har blitt utført for å undersøke rollen i celleproliferasjon, differensiering, død og overlevelse. Engasjement av PrP har vært knyttet til aktivering av signaltransduksjon .
Modulering av signaltransduksjonsveier er påvist i kryssbinding med antistoffer og ligandbinding (hop/STI1 eller kobber). Gitt mangfoldet av interaksjoner, effekter og distribusjon, har PrP blitt foreslått som dynamisk overflateprotein som fungerer i signalveier. Spesifikke steder langs proteinet binder andre proteiner, biomolekyler og metaller. Disse grensesnittene lar spesifikke sett med celler kommunisere basert på uttrykksnivå og det omkringliggende mikromiljøet. Forankringen på en GPI -flåte i lipidbilaget støtter påstander om en ekstracellulær stillasfunksjon .
Sykdommer forårsaket av misfolding av PrP
Mer enn 20 mutasjoner i PRNP -genet er identifisert hos personer med arvelige prionsykdommer , som inkluderer følgende:
- Creutzfeldt-Jakobs sykdom - glutaminsyre -200 er erstattet med lysin mens valin er til stede ved aminosyre 129
- Gerstmann – Sträussler – Scheinker syndrom - vanligvis en endring i kodon 102 fra prolin til leucin
- fatal familiær insomnia - asparaginsyre -178 er erstattet med asparagin , mens metioninet er til stede ved aminosyre 129
Konvertering av PrP C til PrP Sc -konformasjon er mekanismen for overføring av dødelige, nevrodegenerative overførbare spongiforme encefalopatier (TSE). Dette kan skyldes genetiske faktorer, infeksjon fra ekstern kilde eller spontant av ukjente årsaker. Akkumulering av PrP Sc tilsvarer progresjon av nevrodegenerasjon og er den foreslåtte årsaken. Noen PRNP- mutasjoner fører til en endring i enkeltaminosyrer (byggesteinene til proteiner) i prionproteinet. Andre setter inn ekstra aminosyrer i proteinet eller får et unormalt kort protein til å bli laget. Disse mutasjonene får cellen til å lage prionproteiner med en unormal struktur. Det unormale proteinet PrP Sc akkumuleres i hjernen og ødelegger nerveceller, noe som fører til de mentale og atferdsmessige egenskapene til prionsykdommer.
Flere andre endringer i PRNP -genet (kalt polymorfismer) forårsaker ikke prionsykdommer, men kan påvirke en persons risiko for å utvikle disse sykdommene eller endre sykdomsforløpet. En allel som koder for en PRNP -variant, G127V, gir motstand mot kuru .
I tillegg kan noen prionsykdommer overføres fra eksterne kilder til PrP Sc .
- Skrapesyke - dødelig nevrodegenerativ sykdom hos sauer, ikke overførbar til mennesker
- Bovin spongiform encefalopati (gal ku-sykdom)-dødelig nevrodegenerativ sykdom hos kyr, som kan overføres til mennesker ved inntak av hjerne, ryggrad eller fordøyelseskanalvev av en infisert ku
- Kuru - TSE hos mennesker, overført via begravelses kannibalisme. Vanligvis ble berørte familiemedlemmer tradisjonelt gitt deler av sentralnervesystemet i henhold til ritual ved inntak av avdøde familiemedlemmer.
Alzheimers sykdom
PrP C -protein er en av flere cellulære reseptorer av oppløselige amyloide beta (Aβ) oligomerer, som kanonisk er involvert i å forårsake Alzheimers sykdom . Disse oligomerer består av mindre Aβ -plakk, og er de mest skadelige for integriteten til et nevron . Den presise mekanismen for oppløselige Aβ -oligomerer som direkte induserer nevrotoksisitet er ukjent, og eksperimentell sletting av PRNP hos dyr har gitt flere motstridende funn. Når Aβ-oligomerer ble injisert i cerebrale ventrikler i en musemodell av Alzheimers, ga PRNP- sletting ikke beskyttelse, bare anti-PrP C- antistoffer forhindret langsiktig hukommelse og romlig læringsunderskudd . Dette antyder enten en ulik sammenheng mellom PRNP og Aβ oligomer-mediert nevrodegenerasjon eller en stedsspesifikk relasjonell betydning. I tilfelle av direkte injeksjon av Ap oligomere inn i hippocampus , PRNP ble Knockout-mus funnet å være umulig å skille fra kontroll med hensyn til både neuronale dødelighet og målinger av synaptisk plastisitet . Det ble videre funnet at A-oligomerer binder seg til PrP C ved postsynaptisk tetthet , og indirekte overaktiverer NMDA-reseptoren via Fyn- enzymet, noe som resulterer i eksitotoksisitet . Løselige Aβ -oligomerer binder seg også til PrP C ved de dendritiske ryggraden , og danner et kompleks med Fyn og overdrevent aktiverende tau , et annet protein involvert i Alzheimers. Siden genet FYN koder for enzymet Fyn, viser FYN-knockout-mus verken eksitotoksiske hendelser eller dendritisk ryggradskrymping når de injiseres med Aβ-oligomerer. Hos pattedyr er den fulle funksjonelle betydningen av PRNP fortsatt uklar, ettersom PRNP -sletting har blitt implementert profylaktisk av storfeindustrien uten tilsynelatende skade. Hos mus varierer den samme slettingen fenotypisk mellom Alzheimers muselinjer, ettersom hAPPJ20 -mus og TgCRND8 -mus viser en liten økning i epileptisk aktivitet, noe som bidrar til motstridende resultater når man undersøker Alzheimers overlevelsesrate. Det er verdt å merke seg at sletting av PRNP i både APPswe og SEN1dE9, to andre transgene modeller av Alzheimers, svekket den epilepsi-induserte dødsfenotypen som ble sett i en undergruppe av disse dyrene. Samlet sett antyder nyere bevis at PRNP kan være viktig for å forfølge de nevrotoksiske effektene av løselige Aβ-oligomerer og den fremvoksende sykdomstilstanden til Alzheimers.
Hos mennesker er metionin / valin polymorfisme ved kodon 129 fra PRNP er (rs1799990) tettest forbundet med Alzheimers sykdom. Variant V allel bærere (VV og MV) viser et 13% redusert risiko med hensyn til å utvikle Alzheimers forhold til metionin homozygot (MM). Imidlertid har beskyttende effekter av variant V -bærere blitt funnet utelukkende hos kaukasiere . Den reduserte risikoen hos V-allelbærere er ytterligere begrenset til sen debut av Alzheimers sykdom (≥ 65 år). PRNP kan også funksjonelt samhandle med polymorfismer i to andre gener som er involvert i Alzheimers, PSEN1 og APOE , for å øke risikoen for både Alzheimers og sporadiske Creutzfeldt -Jakob sykdom . En punktmutasjon på kodon 102 av PRNP bidro i det minste delvis til tre separate pasienters atypiske frontotemporale demens i samme familie, noe som antydet en ny fenotype for Gerstmann - Sträussler - Scheinker syndrom . Den samme studien foreslo sekvensering av PRNP i tilfeller av tvetydig diagnostisert demens, ettersom de forskjellige formene for demens kan vise seg å være utfordrende å differensialdiagnostisere .
Interaksjoner
Det eksisterer et sterkt samspill mellom PrP og cochaperone Hop ( Hsp70 / Hsp90 organiserende protein, også kalt STI1 (Stress-induced protein 1)).
Referanser
Eksterne linker
- PRNP (PrP) gen ved GeneCard
- PRNP+protein,+menneske ved US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)
- Susan Lindquists seminar: "The Surprising World of Prion Biology"