XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Описание белка.

Прионный белок обозначается как PrP (англ. prion protein) и существует в двух формах: нормального белка — PrP^c (англ. cellular – клеточный) и патологического — PrP^sc (англ. scrapie – болезнь почесухи овец), вызывающего прионные заболевания [1].

PrP – это гликопротеин, состоящий из двух доменов: структурированного С-домена и неструктурированного N-домена. Белок обладает двумя точками гликозилирования (аминокислоты в положении 181 и 197), в которых к нему присоединяется сиаловая кислота, и закрепляется в клеточной мембране с помощью гликозилфосфатидилинозитолового якоря [2]. Третичная структура PrP^sc отличается от PrP^c тем, что она насыщена β-складчатостями [3].

Нормальный белок выполняет в нервной системе важные функции: играет роль в восстановлении нейронов и миелинизации волокон [2], в иммунной модуляции и метаболизме микроРНК [4]. Особого внимания заслуживает защитная роль данного белка. Экспрессия PrP^c повышалась у лабораторных мышей после перенесённого инсульта [2], поэтому предполагается, что данный белок защищает нейрон от активных форм кислорода. Белок обнаружен как в центральной так и в периферической нервной системе, в мембране аксонов и дендритов [2], и участвует в транспорте ионов: кальция, меди, марганца [1].
PrP^c кодируется геном PRNP. Мутации в гене могут как способствовать образованию аномального белка, так и выполнять защитную функцию. Мутации в 129 кодоне связывают с врождёнными прионными болезнями человека, такими как болезнь Крейтцфельдта-Якобса [5]. С вариантами 129 кодона связывают и разную выживаемость при болезни куру: например, лица с Met/Met в 129 имели меньший инкубационный период и погибали раньше, чем гетерозиготы Met/Val и гомозиготы Val/Val [6]. Мутации, способствующие возникновению заболевания, являются аутосомы-доминантными [1].

PrP^sc имеет штаммы, которые отличаются по своим характеристкам. Их классифицируют по нескольким критериям. Самой часто используемой классификацией является устойчивость к протеиназе К. После обработки протеиназой К, белок распадается на две субъединицы: типа 1 — масса 21 кДa; и типа 2 — 19 кДа, а также на неполные фрагменты. Первый тип ассоциирован с метионином (M), а второй с валином (V) в 129 кодоне. Поэтому образуется шесть штаммов прионов: MM1, MV1, VV1, MM2, MV2 и VV2. Дополнительно указывают участок головного мозга, из которого выделен штамм — кора (C – кортех) или таламус (T), отмечают штаммы, образующие характерные бляшки типа куру (K) [5].

Второй классификацией служит определение поверхностных углеводов, остатков сиаловых кислот. Существуют дигликозилированные, моногликозилированные и дегликизилированные формы белка [7]. Кроме того штаммы прионов делятся на лимфотропные и не лимфотропные [9], последние не размножаются в лимфатической системе.

Трансформация белка PrP^с в PrP^sc как следствие создания благоприятных условий для химической реакции.

Превращение белка PrP^с в PrP^{sc –}это химическая реакция, механизм которой нам, к сожалению, не известен [10]. Однако накапливаются косвенные данные, что на протекание реакции влияет строение молекулы PrP; количество молекул субстрата, имеющегося в клетке, и среда цитоплазмы. К последней относится концентрация определённых ионов, присутвие специфических ингибиторов и катализаторов.

Структура PrP определяется строением гена PRPN и модификацией белка в аппарате Гольджи.Вклад ген понятен: известны врождённые формы прионных заболеваний [1,10], к спорадическим формам, возможно, приводят спонтанные мутации в гене PRNP [10]. В аппарате Гольджи к белку присоединяются остатки сиаловых кислот. Строение сиаловых кислот и количество остатков влияет на растворимость, заряд молекулы и её конформационную стабильность. PrP^с, которые имеют сильно отрицательный заряд, с трудом взаимодействуют с PrP^sc [7]. Следовательно, первичная структура и последующая модификация белка влияют на склонность перехода белка в аномальную форму.

Количество молекул повышает вероятность спонтанного образования PrP^sc [10], поэтому факторы повышающие экспрессию белка, такие как окислительный стресс [2], способствуют заболеванию.

Из параметров среды заслуживает внимания концентрации соединений X. Например, не кодирующие РНК, по некоторым сообщениям, могут выступать как катализаторы или как ингибиторы реакции [3], однако их роль требует дальнейшего изучения. Вклад ионовмеди окончательно не выяснен; ионы железаи марганца скорее всего способствуют возникновению заболевания [11].

На основании этих данных можно предположить, что факторы, которые способствуют повреждению генетического материла или постоянному изменению состава цитоплазмы (притом важно, чтобы клетка не погибла по другой причине) создают благоприятные условия для образования аномальной формы белка. Такие условия складываются крайне редко (БКЯ представлена 1 случаем на 1,5 миллиона человек [1]) и для их реализации требуется большой временной промежуток (клинические проявления БКЯ в среднем в 64 года [1]).

Накопление аномальной формы белка — общее звено прионных заболеваний

После образования, PrP^sc взаимодействует с PrP^c, и превращает его в PrP^sc. На основе PrP^sc по типу взаимодействия белок-белок формируются амилоидные фибриллы, прочные структуры, не разрушаемые протеазами [3,1]. Из нескольких амилоидных фибрилл будут формироваться амилоидные бляшки, которые специфичны для каждого штамма белка [5]. Накопление белка приводит к митохондриальной дисфункции и увеличение в клетке концентрации кальция [3]. Нарушение энергетического обмена вместе с повышением осмотического давления цитоплазмы приводит к набуханию и гипертрофии нейронов [10], что служит причиной их гибели.

Формируется «первичный очаг» прионной инфекции, из которой она распространяется по центральной нервной системе. Для клинических проявлений болезни необходимо накопление больших концентраций белка и повреждение определённого процента нейронов, поэтому данные болезни характеризуются длинным инкубационным периодом [10].

Важной характеристикой для прионных заболеваний служит возможность прионов «извращать» иммунный ответ организма. На поверхности лимфоцитов, нейроглии и астроглии находится PrP^c.PrP^sc захватывается иммунной клеткой или астроцитом, но не разрушается в достаточной степени ферментными системами клетки, так как устойчив к протеазам, и попадает в клеточную цитоплазму, где, возможно, встречается с PrP^c и превращает его в PrP^sc. Аномальная форма накапливается в клетке, и клетка погибает. Таким образом, активация иммунной системы приводит не к уничтожению патогена, а способствует его распространению и накоплению. Сопутствующее воспаление в мозге сокращало инкубационный период и уменьшало время выживания пациентов [9].

Различные фенотипические проявления форм нейродегенеративных заболеваний, вызванных накоплением белка PrP^sc

Все формы заболевания можно распределить по возникновению: спорадические, врождённые и ятрогенные [1].

Клинические проявления зависят от типа штамма и индивидуальных особенностей организма, притом часто встречаются промежуточные формы [1]. Симптоматика заболеваний зависит от функциональной роли, которую выполняли поражённые нейроны [1, 5]:

Штамм	Преимущественно поражает нейроны	Проявления
VV2, MV2K	Мозжечок	Нарушение центральной координации движения
MM(V)1, MM(V)2C	Кора больших полушарий	Деменция и поведенческие нарушения
M2T	Гипоталамус	Нарушение сна и центрального обмена веществ

Все прионные заболевания включают в себя сложный комплекс симптомов, состоящих из двигательных и психических нарушений [1], для которых характерно прогрессирующее повышение тяжести с течением времени. Например, известно, что для двигательных нарушений, наиболее явное выражение которых можно найти у пациентов, больных «куру», характерны следующие четыре стадии:

Изменения в походке, которые диагностируются самостоятельно больным и не заметны для окружающих, со временем прогрессируют. Проба Ромберга становитя положительной.

Больной не может самостоятельно ходить без посторонней помощи. Двигательные нарушения усугубляются: больному требуется поддержка, чтобы сидеть.

Больной находится в паллиативном состоянии [6].

Характерную прогрессию демонстрирует и типичный симптом для спорадической и врождённой БКЯ, а также болезни Герстманна-Штрейслера-Шайнкера — деменция. Сначала больной не вспоминает отдельные события, но за год теряет память вовсе[1].

И наконец, фатальная семейная бессонница демонстрирует ступенчатую потеря сна. Сначала больные испытывают трудности с засыпанием и пробуждением, которые нарастают во времени, пока не достигнут кульминации — человек не может заснуть совсем [1].
Что интересно: срок от проявления симптомов до смерти при разных формах прионных болезней составляет в среднем 12 месяцев [1,6].

Особенность ятрогенной формы

Ятрогенные формы заболеваний заслуживают отдельного упоминания, так как представляют большую опасность для общественного здравоохранения. Для них характерно не образование PrP^scв организме больного, как для генетических и спорадических форм, а поступление белка извне.

Естественным путём передачи прионных заболеваний является алиментарный путь, с плохо обработанным коровьим мясом (вариантная форма БКЯ) или с мозговой тканью (скрепи, «куру») [6,9].

Попав в тонкий кишечник, белок с помощью энтероцитов проникает в пейровые бляшки или в кровоток. После достигает лимфатических узлов, где лимфотропные штаммы размножаются и создается постоянный очаг заболевания. По нервным волокнам, которые инервируют лимфатические узлы, PrP^scдостигает спинного мозга и поднимается к головному мозгу, где штаммы размножаются [9].

Искусственный путь передачи связан с медицинскими манипуляциями. Известны случаи заражения после пересадки трансплантатов твёрдой мозговой оболочки, гормонов из гипофиза, полученных от людей больных спорадической БКЯ, и заражение из-за недостаточной хирургической стерилизации инструментов [9].

Вывод.

Не только строение PrP, но и состояние клетки определяет возможность образования аномальной формы белка. Строение молекулы влияет на тропизм к определённым нейронам, их повереждение приводит к клиническим проявлениям, которые обуславливают несколько форм заболеваний. Для дальнейшего изучения прионов необходимо взаимодействие специалистов разных областей.

Список литературы

Geschwind MD. Prion Diseases. Continuum (Minneap Minn). 2015 Dec;21(6 Neuroinfectious Disease):1612-38. doi: 10.1212/CON.0000000000000251. PMID: 26633779; PMCID: PMC4879966.

Kovač V, Čurin Šerbec V. Prion Protein: The Molecule of Many Forms and Faces. Int J Mol Sci. 2022 Jan 22;23(3):1232. doi: 10.3390/ijms23031232. PMID: 35163156; PMCID: PMC8835406.

Louka A, Zacco E, Temussi PA, Tartaglia GG, Pastore A. RNA as the stone guest of protein aggregation. Nucleic Acids Res. 2020 Dec 2;48(21):11880-11889. doi: 10.1093/nar/gkaa822. PMID: 33068411; PMCID: PMC7708036.

Grassmann A, Wolf H, Hofmann J, Graham J, Vorberg I. Cellular aspects of prion replication in vitro. Viruses. 2013 Jan 22;5(1):374-405. doi: 10.3390/v5010374. PMID: 23340381; PMCID: PMC3564126.

Rossi M, Baiardi S, Parchi P. Understanding Prion Strains: Evidence from Studies of the Disease Forms Affecting Humans. Viruses. 2019 Mar 29;11(4):309. doi: 10.3390/v11040309. PMID: 30934971; PMCID: PMC6520670.

Liberski PP, Sikorska B, Lindenbaum S, Goldfarb LG, McLean C, Hainfellner JA, Brown P. Kuru: genes, cannibals and neuropathology. J Neuropathol Exp Neurol. 2012 Feb;71(2):92-103. doi: 10.1097/NEN.0b013e3182444efd. PMID: 22249461; PMCID: PMC5120877.

Baskakov IV. From Posttranslational Modifications to Disease Phenotype: A Substrate Selection Hypothesis in Neurodegenerative Diseases. Int J Mol Sci. 2021 Jan 18;22(2):901. doi: 10.3390/ijms22020901. PMID: 33477465; PMCID: PMC7830165.

Mabbott NA, Bradford BM, Pal R, Young R, Donaldson DS. The Effects of Immune System Modulation on Prion Disease Susceptibility and Pathogenesis. Int J Mol Sci. 2020 Oct 2;21(19):7299. doi: 10.3390/ijms21197299. PMID: 33023255; PMCID: PMC7582561.

Mabbott NA, Bradford BM, Pal R, Young R, Donaldson DS. The Effects of Immune System Modulation on Prion Disease Susceptibility and Pathogenesis. Int J Mol Sci. 2020 Oct 2;21(19):7299. doi: 10.3390/ijms21197299. PMID: 33023255; PMCID: PMC7582561.

Sigurdson CJ, Bartz JC, Glatzel M. Cellular and Molecular Mechanisms of Prion Disease. Annu Rev Pathol. 2019 Jan 24;14:497-516. doi: 10.1146/annurev-pathmechdis-012418-013109. Epub 2018 Oct 24. PMID: 30355150; PMCID: PMC9071098.

Tarnacka B, Jopowicz A, Maślińska M. Copper, Iron, and Manganese Toxicity in Neuropsychiatric Conditions. Int J Mol Sci. 2021 Jul 22;22(15):7820. doi: 10.3390/ijms22157820. PMID: 34360586; PMCID: PMC8346158.

Код для цитирования: Скопировать