Prionprotein: Das Molekül mit vielen Formen und Gesichtern Teil 1

Zusammenfassung: Das zelluläre Prionprotein (PrPC) ist ein Glykosylphosphatidylinositol (GPI)-verankertes Protein, das am häufigsten in der Außenmembran von Neuronen vorkommt. Aufgrund struktureller Merkmale (flexibler Schwanz und strukturierter Kern) interagiert PrPC mit einer Vielzahl von Partnern.

In den letzten Jahren haben viele Studien gezeigt, dass zelluläre Prionproteine ​​einen wichtigen Zusammenhang mit der Entwicklung und Aufrechterhaltung des tierischen Gedächtnisses haben.

Zelluläres Prion (Herpes-simplex-Virus, HSV) ist ein in der menschlichen Bevölkerung weit verbreitetes Virus und gilt als einer der wichtigsten Erreger neurologischer Erkrankungen und Hauterkrankungen. HSV-1 und HSV-2 sind die beiden häufigsten Virustypen beim Menschen.

Eine aktuelle Studie zeigte, dass das HSV-1-Virusprotein die Entwicklung und Aufrechterhaltung des Gedächtnisses bei Menschen und Tieren fördern kann. Die Ergebnisse dieser Studie zeigten, dass eine HSV-1-Infektion hauptsächlich in den sehr frühen Stadien des menschlichen Lebens auftritt und dass sich virale Proteine ​​im menschlichen Nervensystem ansammeln und die Freisetzung von Neurotransmittern und die synaptische Übertragung regulieren. Diese regulatorischen Effekte tragen dazu bei, die Gedächtnisfunktion des Gehirns zu verbessern und die räumliche Wahrnehmung und Aufmerksamkeit zu verbessern.

Darüber hinaus hat das virale HSV-1-Protein auch einen gewissen Zusammenhang mit der Immunantwort und der antiviralen Reaktion des Körpers. Studien haben gezeigt, dass der Einfluss des HSV-1-Virusproteins die Immunantwort des Körpers aktiviert und aktiv auf „Gedächtnis-T-Zellen“ im Körper einwirkt, wodurch die antivirale Abwehr des Körpers gestärkt wird. Diese Entdeckung ist von weitreichender Bedeutung für die Erforschung des Zusammenhangs zwischen HSV-1 und der Immunität von Tieren.

Kurz gesagt, die Beziehung zwischen zellulärem Prionvirus-Protein und Gedächtnis bietet einen breiten Forschungsraum für zukünftige Forschungen zu Gedächtnis, Nervensystemfunktion und Immunantwort und wird voraussichtlich eine wichtige Rolle bei der Prävention und Behandlung damit verbundener Krankheiten spielen. Es ist ersichtlich, dass wir das Gedächtnis verbessern müssen, und Cistanche kann das Gedächtnis erheblich verbessern, da Cistanche auch das Gleichgewicht von Neurotransmittern regulieren kann, beispielsweise durch die Erhöhung des Acetylcholinspiegels und der Wachstumsfaktoren, die für das Gedächtnis und das Lernen sehr wichtig sind. Darüber hinaus kann Cistanche auch die Durchblutung verbessern und die Sauerstoffversorgung fördern, wodurch sichergestellt werden kann, dass das Gehirn ausreichend Nährstoffe und Energie erhält, wodurch die Vitalität und Ausdauer des Gehirns verbessert werden.

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Obwohl angenommen wurde, dass PrPC an vielen physiologischen Funktionen beteiligt ist, wurde bisher nur die Myelinisierungshomöostase peripherer Nerven als echte Funktion bestätigt.

Eine Fehlfaltung von PrPC führt zu Prionenerkrankungen und es wurde gezeigt, dass PrPC eine durch Oligomere induzierte Neurotoxizität bei Alzheimer und Parkinson sowie Neuroprotektion bei Ischämie vermittelt.

Bei der proteolytischen Spaltung wird PrPC in freigesetzte und gebundene Formen von PrP umgewandelt, die je nach den enthaltenen Strukturmerkmalen von PrPC schützende oder toxische Eigenschaften aufweisen können.

In diesem Aufsatz werden wir die Eigenschaften von Prionproteinen und Prionproteinfragmenten skizzieren und einen Überblick über ihre Beteiligung an Interaktionspartnern und Signalwegen bei Myelinisierung, Neuroprotektion und neurodegenerativen Erkrankungen geben.

Schlüsselwörter: Prionprotein; Prion-Proteinfragmente; Neuroprotektion; Myelinisierung; ischämischer Schlaganfall; neurodegenerative Erkrankung.

1. Einführung

Prionprotein (PrP) ist ein hochkonserviertes, allgegenwärtiges Glykoprotein. Es existiert in zwei Formen; die normale oder zelluläre Isoform PrPC und die krankheitsassoziierte infektiöse Isoformor Scrapie PrP, PrPSc.

Die pathologische Rolle von PrPSc wurde ausführlich bei Prionerkrankungen untersucht und in mehreren Veröffentlichungen besprochen [1–3]. PrPC wird in einer Vielzahl verschiedener Organe und Gewebe exprimiert, mit hohen Expressionsniveaus im zentralen und peripheren Nervensystem.

Es kommt reichlich auf der Zelloberfläche von Neuronen vor [4–6] und ist an vielen physiologischen Mechanismen beteiligt. Die Funktion des Proteins muss noch geklärt werden; Dennoch wird PrPC in intensiven Studien mit der Myelinhomöostase [7], der Neuroprotektion [8,9], dem zirkadianen Rhythmus [10,11], der Metallionenhomöostase [12,13], der mitochondrialen Homöostase [14] und der interzellulären Signalübertragung [6,15] in Verbindung gebracht ,16].

In Neuronen ist PrPC in den präsynaptischen und postsynaptischen Kompartimenten der Axonterminals vorhanden, wo es am anterograden und retrograden axonalen Transport beteiligt ist [17–20]. PrPC wird an der Zellmembran durch Proteasen gespalten und bildet freigesetzte und gebundene Formen.

In den letzten Jahren haben Prionprotein und von Prionprotein freigesetzte Formen im Zusammenhang mit der Neuroprotektion bei neurodegenerativen Erkrankungen Aufmerksamkeit erregt.

In diesem Aufsatz stellen wir Prionprotein und von Prionprotein freigesetzte Formen vor, fassen ihre Beteiligung an Myelinisierung, Neuroprotektion und neurodegenerativen Erkrankungen zusammen und diskutieren die neuesten Entdeckungen auf diesem Gebiet.

2. Prionenprotein

Reifes menschliches PrPC besteht aus einer flexiblen unstrukturierten N-terminalen Domäne (Aminosäurereste 23–120) und einer strukturierten C-terminalen Domäne (Aminosäurereste 121–231).

Es ist mit einem Glykosylphosphatidylinositol (GPI)-Anker an der Zellmembran verankert [21,22]. Die flexible N-terminale Domäne enthält eine Oktarwiederholungsregion, während die strukturierte Domäne aus drei Helices, zwei Faltblättern und einer Disulfidbindung besteht, die die Cysteine ​​179 und 214 verbindet. und zwei N-Glykane an den Aminosäureresten 181 und 197 [23,24] (Abbildung 1).

PrPC kann sich in die faltblattreiche Isoform PrPSc umwandeln, die zur autokatalytischen Umwandlung und Aggregation zu unlöslichen Aggregaten neigt [22,25,26]. Eine abnormale Ansammlung des pathologischen Proteins im Gehirn kann zur Entwicklung transmissibler spongiformer Enzephalopathien (TSE), auch Prionenerkrankungen genannt, führen.

Zu den Prionenkrankheiten gehören die Creutzfeldt-Jakob-Krankheit (CJD), das Gerstmann-Sträussler-Scheinker-Syndrom (GSS), tödliche familiäre Schlaflosigkeit (FFI) und Kuru beim Menschen, bovine spongiforme Enzephalopathie bei Rindern, Scrapie bei Ziegen und Schafen und die Chronic Wasting Disease bei Hirschen.

Alle Prionenerkrankungen sind seltene, tödliche neurodegenerative Erkrankungen. Die klinischen und neuropathologischen Merkmale von Prionerkrankungen beim Menschen ähneln denen der Alzheimer-Krankheit (AD), wie z. B. schneller Gedächtnisverlust und Verlust der Gehirnfunktion sowie Demenz, spongiforme Deformation des Gehirns, Persönlichkeitsveränderungen und Bewegungsschwierigkeiten [15,27] .

Obwohl Prionenerkrankungen durch die Ansammlung toxischer PrPSc-Aggregate im Gehirn entstehen, ist der Mechanismus, der der Umwandlung von PrPC in PrPSc und der Entstehung einer Prionenerkrankung zugrunde liegt, noch unbekannt.

PrPC ist nicht nur ein Substrat für die Entwicklung von Prionenerkrankungen, sondern kann auch als Rezeptor für zytotoxische Amyloid-(A)-Oligomere [20,28] und toxische lösliche Aggregate des Tau-Proteins bei AD und anderen Tauopathien dienen [29,30].

Es gibt auch gegensätzliche Studien zur PrPC-Bindung von -Synuclein ( -syn)-Oligomeren bei der Parkinson-Krankheit (PD) und anderen Synucleinopathien, was die Debatte über die Rolle von PrPC bei der Toxizität von -Synuclein eröffnet [30–33].

3. Prion-Proteinfragmente

PrPC kann vier posttranslationale Spaltungen durchlaufen, wodurch PrP-Fragmente entstehen (Abbildung 1). Die -Spaltung und -Spaltung erfolgt innerhalb der unstrukturierten N-terminalen Domäne, während die -Spaltung und die PrP-Abspaltung innerhalb der strukturierten C-terminalen Domäne erfolgen.

Abgesehen von den erwähnten Spaltungen wurde PrPC unter experimentellen Bedingungen mit Phospholipase C gespalten, die PrPC innerhalb des GPI-Ankers spaltete [34,35]. Die Spaltungsstelle, die Länge des Fragments und die Membrananbindung ermöglichen es den Fragmenten, an verschiedenen Mechanismen teilzunehmen.

3.1. -Spaltung

Die -Spaltung ist die am besten untersuchte Spaltung von PrPC. Es kommt unter physiologischen Bedingungen in der zentralen hydrophoben Region von reifem PrPC vor (Aminosäurereste 105–120 in der menschlichen Sequenz 111/112) [36–38] (Abbildung 1).

Durch die Spaltung wird ein ~11 kDa-Fragment N1 freigesetzt, während der ~18 kDa-Teil C1 durch den GPIanchor an der Zellmembran befestigt bleibt [36,39]. Derzeit gibt es kein einzigartiges Enzym, das für die -Spaltung verantwortlich ist [24,40].

Obwohl Spaltungsstellen für Arten bestimmt wurden, ist die Spaltung gegenüber Sequenzvariationen in dieser Region tolerant, solange ihre Hydrophobie erhalten bleibt [38].

Studien haben gezeigt, dass die Spaltung im menschlichen Gehirn, in Mausmodellen und in neuronalen Kulturen in Gegenwart der Enzyme ADAM10 und ADAM17 erfolgt [41–43]. ADAM10 trägt zur konstitutiven N1-Produktion bei, während ADAM17 hauptsächlich an der N1-Bildung bei Stimulation beteiligt ist [44 ,45]. Es wurde auch gezeigt, dass ADAM8 PrPC spaltet, um N1 und C1 in Muskeln zu bilden [46].

Die Rolle von ADAM8, ADAM10 und ADAM17 bei der Spaltung wurde auch in einer biophysikalischen Studie bestätigt [47]. Fragment N1 weist eine relativ geringe Stabilität auf; Dennoch wurde festgestellt, dass es in Körperflüssigkeiten, Gewebehomogenaten oder Zellkulturüberständen vorhanden ist [39,48,49].

Ursprünglich ging man davon aus, dass die Spaltung in sauren endosomalen Kompartimenten stattfindet [50,51], spätere Studien zeigten jedoch, dass die Spaltung während des vesikulären Transports von PrPC entlang des Sekretionswegs erfolgt [52,53].

Die Spaltung nutzt PrPC als Substrat, was zu einer Verringerung der Zelloberfläche führt. Da PrPC auch ein Substrat für die Prionenreplikation und ein wichtiger Vermittler der Toxizität bei Prionenerkrankungen, AD und anderen neurodegenerativen Erkrankungen ist, hat die Spaltung einen positiven biologischen Effekt.

Der flexible N-terminale Teil von PrPC ist essentiell für die Interaktion des Proteins mit den Bindungspartnern, die die PrPC-Aufnahme beim Transport regulieren [54,55]. Mangels N1 bildet C1 Komplexe auf der Zellmembran [56] und ist an der Zelloberfläche stabiler und persistenter als PrPC [50].

Fragment C1 kann an der Zelloberfläche gespalten und in den extrazellulären Raum freigesetzt werden [57]. Es wurde festgestellt, dass C1 die Prionreplikation bei Mäusen hemmt [58,59], während Fragment N1 neuroprotektiv ist [60,61]; Das Fehlen der -Spaltung ist sowohl für Zellen als auch für Mäuse toxisch [47,62].

3.2. -Spaltung

Die Spaltung erfolgt am Ende der Octapeptid-Repeat-Region N-terminal der Spaltstelle. Die -Spaltung wird meist unter pathologischen Bedingungen beobachtet und ähnelt der -Spaltung. Es scheint schützend zu wirken.

Es findet rund um den Aminosäurerest 90 statt und bildet Fragment N2 (~9 kDa) und Fragment C2 (~20 kDa) [36,37,48,63] (Abbildung 1). Die Spaltung von PrPC wird durch reaktive Sauerstoffspezies (ROS) vermittelt [37,63–66].

Durch die Entfernung von ROS schützt die Spaltung die Zellen vor oxidativem Stress [65]. Abgesehen von ROS wird die Spaltung durch Calpaine [67], lysosomale Proteasen [68,69] oder sogar ADAM8 [47] induziert.

Proteinase K spaltet den proteaseresistenten Kern von PrPSc (PrP27–30) nahe Position 90 und erzeugt so ein Fragment mit einer Länge ähnlich der von C2. Ähnlich wie Fragment C1 kann auch Fragment C2 von der Zelloberfläche abgeschieden werden [70].

Die Bildung eines solchen Fragments weist darauf hin, dass an der Spaltung beteiligte Proteasen auch an den zellulären Versuchen, PrPSc abzubauen, beteiligt sein könnten [71,72].

3.3. -Spaltung

Die zuletzt entdeckte Protease-Spaltung von PrPC ist die -Spaltung. Die Spaltstelle in PrPC muss noch bestimmt werden, aber die Größen des freigesetzten Fragments N3 (~20 kDa) und des GPI-verankerten Fragments C3 (~5 kDa) legen nahe, dass die Proteinspaltung in der Region zwischen den Aminosäureresten 170 und 200 erfolgt [73, 74] (Abbildung 1).

Studien deuten darauf hin, dass die Spaltung spät im Sekretionsweg eines nicht glykosylierten Proteins in Gegenwart von Mitgliedern der Familie der Matrixmetalloproteasen (MMP) erfolgt [73].

Der Grund dafür, dass die -Spaltung nur bei nicht glykosyliertem PrPC auftritt, wird auf die sterische Hinderung von Proteasen durch Glykane in der Nähe der vorgeschlagenen Spaltungsstelle zurückgeführt [40,75].

Es wurde festgestellt, dass die -Spaltung in verschiedenen Spezies, Geweben und Zellkulturmodellen vorkommt. Die Bestimmung seiner Rolle erfordert weitere Untersuchungen, obwohl ein Hinweis auf erhöhte Mengen des Fragments C3 in einem CJD-Gehirn zu einer möglichen pathogenen Bedeutung führen kann [73].

3.4. Ausscheidung von Prionprotein

Es gibt auch eine wichtige Spaltung von PrP in der Nähe des C-Terminus. Durch die Spaltung gelangt PrP in den extrazellulären Raum und hinterlässt eine kleine Anzahl von Aminosäureresten auf der Zelloberfläche.

Die Spaltung wurde in frühen Forschungsarbeiten beschrieben [35,39,76,77], hat jedoch in den letzten Jahren aufgrund der Beteiligung von ausgeschiedenem PrP an Krankheiten mehr Aufmerksamkeit erhalten [40,63,78–83].

Ähnlich wie bei der -Spaltung erfolgt die Abspaltung von PrP in Gegenwart von Enzymen aus der ADAM-Familie. In-vitro- und In-vivo-Experimente legen nahe, dass ADAM9 und ADAM10 am Prozess der Spaltung und Freisetzung von PrP beteiligt sind [47,84–86], wobei ADAM10 die primäre Sheddase für PrP und ADAM9 der Modulator der ADAM10-Aktivität ist [24 ].Shed PrP wurde erstmals bei Hamstern bestimmt.

Im mit Prionen infizierten Gehirn von Hamstern machte shedPrP etwa 15 % der PrPSc-Moleküle aus [76]. Eine weitere Analyse zeigte, dass ADAM10 abgespaltenes PrP zwischen Gly228 und Arg229 spaltete und abgespaltenes PrP bildete, das bei Gly228 endete [84].

Eine Analyse des Spaltstellenprofils von ADAM10 ergab, dass die Spaltung nicht durch eine eindeutige Sequenz induziert wird [87].

Folglich kann die ADAM10-Protease je nach Proteinsequenz und Konformation Varianten von abgespaltenem PrP produzieren. Jansen und Mitarbeiter beschrieben die Existenz nicht verankerter PrP-Formen, die mit Tyr225 und Tyr226 enden, bei Patienten mit Prionenerkrankung [88].

Die Autoren charakterisierten zwei Patienten mit Prionenerkrankung, die Stoppmutationen an den Positionen Y226X und Q227X trugen und die entsprechenden Formen exprimierten. Unter Verwendung eines monoklonalen Antikörpers V5B2 [89], der spezifisch an ein PrP-Fragment mit der Endung Tyr226 bindet, beschrieben wir gleichzeitig die Existenz einer freien Form von PrP namens PrP226* [90–94].

Die Verteilung von PrP226* im menschlichen Gehirn wurde mit der Verteilung von PrPSc in Verbindung gebracht [90,94]. Aufgrund der Existenz von mehr als einer abgeschiedenen Form haben wir die Hypothese aufgestellt, dass die proteolytische Stelle in der menschlichen Sequenz nicht ausschließlich zwischen den Aminosäureresten 228 und 229 liegt, sondern sich in der Nähe des C-Terminus befindet [95] (Abbildung 1).

Kürzlich haben Linsenmeier et al. veröffentlichten eine umfassende Studie über den Mechanismus, der die proteolytische Freisetzung von PrPC stimuliert [81]. Mithilfe von Tiermodellen und Kontrollen zeigten sie, dass die PrP-Ausscheidung negativ mit der Prionenumwandlung korreliert und dass ausgeschiedenes PrP in Amyloid-Plaques reichlich vorhanden ist.

Sie untersuchten auch den Einfluss der Bindung von PrP-gerichteten Antikörpern an PrPC auf die Haarausscheidungsneigung. Die Bindung ganzer Anti-PrP-Antikörper an die C-terminale strukturierte Domäne von PrPC oder einkettiger Antikörperderivate, die auf repetitive Epitope innerhalb der Oktarepeat-Region der N-terminalen Domäne gerichtet sind, stimulierte die Ausscheidung, wenn die Bindung ganzer Anti-PrP-Antikörper an die Oktarepeat-Domäne erfolgte Die Region der N-terminalen Domäne blockierte die Struktur der N-terminalen Domäne und löste PrPC-Oberflächenclusterung, Endozytose und Abbau in Lysosomen aus [81].

4. Prionprotein und Myelinisierung

PrPC wird reichlich im Zentralnervensystem (ZNS) und im peripheren Nervensystem exprimiert [4,5]. Studien an Gehirnen von Primaten, Nagetieren und transgenen Mäusen zeigten, dass es entlang von Axonen und in präsynaptischen Terminals angereichert ist, wo es am anterograden und retrograden axonalen Transport beteiligt ist [4,17,18,96–98].

Deletionen in der PrPC-Spaltungsregion zeigten in vivo eine starke Demyelinisierung sowohl im Rückenmark als auch in der weißen Substanz des Kleinhirns [99,100]. Später wurde bestätigt, dass axonales PrPC und seine Spaltung für die Promyelinisierung im peripheren Nervensystem notwendig sind [101].

Unter Verwendung eines co-isogenen PrP-Knockout-Mäusemodells haben Kuffer et al. entdeckten, dass axonales PrPC die Myelinerhaltung in trans durch Bindung an den Adhäsions-G-Protein-gekoppelten Rezeptor Adgrg6 auf Schwann-Zellen mit einem N-terminalen flexiblen Schwanz fördert [7].

Sie bestätigten auch, dass Mäuse, denen PrPC fehlte, eine chronische demyelinisierende Neuropathie entwickelten, was darauf hindeutet, dass die Myelinisierungshomöostase im peripheren Nervensystem eine echte physiologische Funktion von PrPC ist [7].

Es wurde festgestellt, dass die Aufrechterhaltung des Myelins durch die Bindung eines N-terminal freigesetzten Fragments von PrPC (vermutlich N1 oder abgespaltenes PrP) an Adgrg6 auf Schwann-Zellen reguliert wird.

Die Interaktion aktivierte Adgrg6, erhöhte die zellulären cAMP-Spiegel und löste eine Signalkaskade aus, die die Myelinisierung förderte [7]. Die Regulierung der Aufrechterhaltung des peripheren Myelins durch PrPC wurde in fünf verschiedenen PrP-Knockout-Mausmodellstämmen bestätigt, die eine spät einsetzende periphere Neuropathie entwickelten [101–103].

Kürzlich gab es einen Versuch, eine Behandlung für periphere demyelinisierende Erkrankungen zu entwickeln, die auf der Bindung zwischen der N-terminalen Domäne von PrPC und Adgrg6 basiert [104]. In dieser Studie konstruierten sie ein Immunadhäsinmolekül, das aus zwei flexiblen N-terminalen Domänen von PrPC besteht, die mit einem akristallisierbaren Fragment (Fc) von Immunglobulin G1 (FT2Fc) verknüpft sind [104].

Das Molekül zeigte günstige pharmakokinetische Eigenschaften und zeigte Potenzial in vitro, hatte jedoch keine therapeutische Wirkung auf die frühen molekularen Anzeichen einer Demyelinisierung bei PrP-Knockout-Mäusen [104].

PrPC wurde auch im Zusammenhang mit der Entwicklung und Regeneration des peripheren Myelins nach Nervenverletzungen untersucht [105]. Da festgestellt wurde, dass PrP in diesem Mechanismus entbehrlich ist, kann angenommen werden, dass PrP keine große Rolle im Reparaturprozess peripherer Nerven spielt oder dass sein Fehlen durch andere Liganden kompensiert werden könnte [105].

Die Myelinisierung und andere physiologische Funktionen von PrPC wurden intensiv an Tiermodellen mit ausgeschalteter oder ausgeschalteter PrP-Genexpression untersucht.

Studien haben begrenzte negative Auswirkungen bei Mäusen [102,106–109], Rindern [110] und Ziegen [68,111,112] gezeigt, während Studien an PrP-Knockout-Mäusen oder Ziegen Defekte im Nervensystem und eine Empfindlichkeit gegenüber oxidativem Stress zeigten [6,101,111,113]. Mehrere PrP-Knockout-Mäusemodelle wurden mit einem gemischten Hintergrund erstellt [106,109,114–116].

Da die Studien nicht zwischen Modellen reproduzierbar sind, könnte dies die Frage aufwerfen, ob beobachtete Phänotypen tatsächlich auf Polymorphismen in Genen zurückzuführen sind, die Prnp flankieren, oder auf das Fehlen von PrPC zurückzuführen sind. Um dieses Problem zu vermeiden, wäre es ratsam, wichtige Experimente mit co-isogenen PrPknockout-Mäusen zu wiederholen.

Obwohl die Rolle von PrPC im ZNS noch geklärt werden muss, sind PrPC und PrPC-freigesetzte Fragmente für die Myelinhomöostase peripherer Nerven unverzichtbar, können jedoch für die Nervenwiederherstellung entbehrlich sein.

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