Нажмите "Enter", чтобы перейти к контенту

Aβ семена и прионы: насколько близко подходит?

Aβ seeds and prions: How close the fit?
Источник: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5553305/

Прионная парадигма все чаще используется для объяснения молекулярного патогенеза нейродегенеративных заболеваний, связанных с неправильным образованием и агрегацией белков, отличных от прионного белка (PrP). Обширные доказательства из исследований in vitro и in vivo указывают на то, что неправильный и агрегированный Aβ-пептид, который является вероятным молекулярным триггером для болезни Альцгеймера, проявляет все ключевые характеристики канонических прионов млекопитающих. Эти особенности включают в себя архитектуру, богатую β-листами, склонность к полимеризации в амилоид, шаблонное повреждение подобных молекул белка, способность формировать структурно и функционально-вариантные штаммы, систематическое распространение транспорта нейронов и устойчивость к инактивации теплом и формальдегидом. В дополнение к Aβ растущий объем исследований подтверждает мнение о том, что прион-подобная молекулярная трансформация конкретных белков стимулирует начало и ход замечательного разнообразия клинико-патологически разнообразных заболеваний. Таким образом, расширенная прионная парадигма могла бы концептуально объединить фундаментальные и трансляционные исследования этих расстройств.

Поскольку первоначальная клинико-патологическая характеристика Куру и открытие того, что человеческие губчатые энцефалопатии передаются, исследователи предположили, что эти необычные болезни могут делиться этиологическими особенностями с другими нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Альцгеймера (AD) и болезнь Паркинсона.1,2 Ключевая механистическая общность является патологическое накопление специфических деформированных белков в головном мозге.3 В прионных заболеваниях этот процесс может быть инициирован инфекцией, т. е. вторжением в организм экзогенными семенами несвязанного агрегированного прионного белка (PrPSc), которые размножаются затушевывают коррупцию наивных молекул PrP и в конечном итоге нарушают работу мозга. Однако большинство прионных заболеваний человека не возбуждаются инфекцией, а начинаются с эндогенной генерации PrPSc, которая затем умножается на тот же молекулярный механизм, что и индуцированные экзогенными PrP-прионами.4

Новые данные подтверждают гипотезу о том, что другие нейродегенеративные расстройства аналогичным образом связаны с эндогенным рассогласованием, агрегацией и систематическим распространением специфических к белку белков в головном мозге, напоминающих PrP-прионы.3,5,6 Однако, в отличие от PrP-прионов, эти болезни являются не инфекционные в смысле трансмиссивности от одного человека к другому при обычных условиях.3,7 Следовательно, несмотря на важные молекулярные сходства, факт, что прионы определяются как инфекционные агенты, породил дискуссию в научном сообществе относительно того, является ли термин «прион» следует расширить, включив в него патогенные белки, которые не являются заразными по общепринятым определениям.3

Одним из рассматриваемых белков является пептид Aβ, амилоидогенный продукт расщепления белка-предшественника Aβ (APP), который сбивает с толку и агрегатов в мозге пациентов с AD.8. Накопление аберрантного Aβ является самым ранним критическим событием в AD-протеопатический каскад 9, за этим следует последовательная мультимеризация несбалансированного тау-белка, который представляет собой нейрофибриллярные клубочки и сильно влияет на когнитивную дисфункцию.10 Эти два белка, таким образом, были в центре терапевтических усилий для изменения курса AD, причем большинство к настоящему времени сосредоточено на предполагаемом первичном двигателе, Aβ.8. Степень, в которой семена Aβ напоминают PrP-прионы, имеет важные последствия для стратегической консолидации исследовательских усилий в областях, которые до сих пор были в значительной степени раздельными. В этом комментарии мы рассмотрим более широкий вопрос о том, подходит ли термин «прион» для Aβ с учетом существующих научных данных и какие дополнительные эксперименты необходимы для включения Aβ (и других патогенных белков) в парадокс приона. В то время как исследования прион-подобных белков у дрожжей и других организмов дали много важных сведений о прионной биологии, 11-13 мы ограничиваем наше настоящее обсуждение связанными с болезнью белков у млекопитающих.

Определяющим свойством прионов является самораспространение альтернативно сложенных белковых конформаций путем шаблонного разложения подобных белков5. Только этим молекулярным определением семена Aβ и многих других белков могут быть определены как прионы. Однако для характеристики инфекционных PrP-прионов были использованы другие признаки, в том числе тенденция к образованию амилоида, складывание в гетерогенные штаммы, устойчивость к инактивации и распространение механизмов клеточного транспорта. Эти особенности определяют широкие пределы прионной патобиологии в контексте основного определения — «белки, которые приобретают альтернативные конформации, которые становятся самораспространяющимися» 5, и, как мы и другие обнаружили, многие из вспомогательных качеств, связанных с прионами, также не являются уникальный для прионного белка. Здесь мы, по сути, рассматриваем, как ключевые атрибуты семян Aβ сравниваются с ключевыми параметрами PrP-прионов.

PrPSc имеет повышенную тенденцию к образованию амилоида, 6,14 — общее состояние, в котором богатый β-богатым белком белок полимеризуется в фибриллы, которые дают характерную картину дифракции рентгеновских лучей и которые далее сливаются в массы с характерными характеристиками гистологического окрашивания. 14,15 Несмотря на то, что несоответствующее состояние придает важные функциональные способности PrP-прионам, образование амилоида не является обязательным для индукции заболевания.16-18 Действительно, PrP-прионы представляют собой гетерогенные объекты; PrP может принимать альтернативные конформации с различными свойствами («штаммы», см. Ниже), а PrPSc собирается в спектр биоактивных мультимеров, которые варьируются от небольших олигомеров до крупных амилоидных фибрилл 19.

Используя красный краситель Конго, Дири впервые сообщил о амилоидной природе старческих бляшек в AD почти столетие назад20. В 1980-х годах амилоидогенный белок в бляшках Альцгеймера и церебральной амилоидной ангиопатии (CAA) был идентифицирован как то, что теперь известно как Aβ, 21,22 и примерно в то же время обнаружено, что амилоидные отложения, которые в различной степени присутствуют в прионных заболеваниях, состоят из PrP.23. Помимо красного Конго, более новые амилоидные специфические красители, такие как люминесцентные конъюгированные олиготиофены (LCO), были используется для характеристики отложений Aβ и PrP в тканевых срезах. 24-26 Эти красители получают свою селективность по амилоиду из их взаимодействия с богатыми β-белками областей несогласованных белковых комплексов и, как таковые, они полезны при определении полиморфных амилоидных штаммов .26,27 Несмотря на то, что Aβ часто формирует амилоид в AD, как и прионная болезнь, амилоид сам по себе не является обязательным для проявления болезни Альцгеймера (подробнее об этом ниже).

Благодаря стабильности, присущей амилоидному состоянию, PrP-прионы могут быть чрезвычайно устойчивы к физико-химической деградации, качеству, который способствует их сохранению и инфекционности, и поэтому имеет важные последствия для общественного здравоохранения28. Оба PrP-прионы и семена Aβ устойчивы к инактивации теплом и формальдегидом.28-31 Кроме того, оба агента необычайно долговечны в живом мозге; когда семена Aβ вводили в мозг мышей с нокаутом APP (которые неспособны к репликации семян), некоторые гранулы, получающие посев, оставались даже после 6 месяцев у реципиентов32. Аналогично, PrP-прионы, как сообщается, сохраняют свою инфекционность после почти 20 месяцев в мозге хозяев, неспособных к репликации прионов.33 Кроме того, агрегированный Aβ устойчив к деградации протеазами 34, подобно PrP-прионам (для которых это свойство используется при диагностическом выявлении заболевания) 35. анализ Aβ-индуцирующих видов показал, что малые, растворимые семена питают значительную активность, индуцирующую амилоид, и что эти маленькие семена легко инактивируются протеиназой-K, 34,36, сравнимой с высокой удельной активностью, 19 и чувствительностью к протеиназе K олигомерные формы PrP.37

Ранее исследования in vitro продемонстрировали, что предварительно сформированные семена Aβ способны превращать мономерные Aβ в расширенные фибриллы путем молекулярного конформационного шаблонирования (т.е. посева) .38 Ряд экспериментов на моделях трансгенных мышей, экспрессирующих APP человеческой последовательности, показал, что вливание небольших количеств головного мозга экстракты, содержащие агрегированный Aβ, могут индуцировать образование бляшек и CAA in vivo и что агрегированный Aβ необходим для эффекта посева (см. ref.39 для обзора). Подобно посеву PrP-prion, эффект Aβ-сеяния может быть достигнут de novo в моделях грызунов, в которых такая патология обычно не наблюдается в пределах средней продолжительности жизни животных.40,41

Идентификация структурно и функционально различных прионных штаммов помогла объяснить, как на патобиологию этих молекул влияет их архитектура, за линейной аминокислотной последовательностью. PrP-прионы могут ошибочно вводиться и собираться в семена с различными структурными и функциональными особенностями, которые могут передаваться последующим поколениям прионов.42 Различные штаммы прионов также стимулируют специфические пространственно-временные структуры PrP-осаждения и в то же время производят различные нейродегенеративные фенотипы, которые кодируются их биохимическим отпечатком пальца.43

Аналогично, Aβ может ошибочно вводиться и собираться в структурно-структурные варианты как in vitro, так и in vivo. 29,44-52. Чтобы определить, можно ли засеять структурные свойства Aβ у новых хозяев, были проведены эксперименты по поперечному сеянию у двух трансгенных мышей линии, которые развивают фенотипически разнородные закономерности распределения Aβ и размера бляшек по мере их старения.29 Внутримозговая инокуляция экстракта мозга из одной линии мыши в другие порожденные посевные бляшки, которые были морфологическими гибридами преобладающих бляшек, полученных донором и хозяином.29 Последующие эксперименты с использованием чувствительных к конформации LCO показали, что спектры флуоресценции, испускаемые кросс-посеянными бляшками, отличаются от спектров, излучаемых эндогенными, незасеянными бляшками в тех же линиях трансгенных мышей.51

Эти результаты были подтверждены и расширены в модели культивирования срезов гиппокампа ex vivo, в которой морфология и LCO-спектральные сигнатуры посевных бляшек были подвержены влиянию линии мыши, которая обеспечивала исходное семя, а также изотип Aβ, добавленный в среду.53 Дискретные различия в затравочных бляшках на срезах гиппокампа были связаны с различными соотношениями двух обычно генерируемых изоформ Aβ из 40 и 42 аминокислот (Aβ40 и Aβ42), как это было замечено в экспериментах по поперечному сеянию in vivo.51 В других исследованиях было обнаружено, что Aβ40 и Aβ42 дифференциально влияют на тип штамма и что различные штампообразные признаки синтетических семян Aβ, созданных in vitro, сохраняются после прохождения in vivo.48

Отложения Aβ у людей с AD могут различаться по морфологии, связыванию 54 лигандов, сигнатуре ядерного магнитного резонанса в твердом состоянии 55, 56 и биофизическим признакам, таким как конформационная стабильность.52 В начальном исследовании образцы мозга у двух пациентов с АД с разнородными клиническими истории использовались для высева агрегации синтетического Aβ40 in vitro, а полученные фибриллы Aβ проявляли отчетливые ядерно-магнитные резонансы и электронно-микроскопические характеристики50. Авторы предложили, чтобы одна доминирующая структура Aβ распространялась зародышем зародышей в каждом мозге и что эта молекулярная структура влияет на клиническую прогрессию. В более обширной когорте пациентов эти данные были расширены, чтобы показать различные молекулярные конфигурации агрегатов Aβ в быстро прогрессирующих случаях AD по сравнению с обычно прогрессирующими случаями.56 Аналогичным образом, разные скорости когнитивного снижения коррелировали с различными конформациями Aβ42.57. Эти эксперименты свидетельствуют о том, что быстро прогрессирующий AD может быть связан с особенно вирулентным штаммом несогласованного Аβ.

Альтернативный штамм Aβ также был вовлечен в наследственный тип AD, связанный с мутацией в последовательности Aβ (E22G, «арктическая» мутация). Эти пациенты содержат бляшки Aβ с сердечником, в значительной степени лишенным амилоида; когда мозговые экстракты из арктических пациентов с АД вводили трансгенным мышам APP23 (которые экспрессировали не мутантную последовательность человеческого Aβ), мозговые кровеносные сосуды были окружены необычными нечеткими отложениями Aβ, в отличие от CAA у мышей, высеваемых экстрактами из неарктического AD случаев.49,58 В дополнение к усилению гипотезы Aβ-деформации исследования арктического мутанта Aβ подчеркивают важную (и часто непризнанную) точку, что, хотя агрегация Aβ является центральной для AD, классические амилоидные отложения не являются обязательными для клинического выражения болезни. В совокупности эти эксперименты показывают, что, как и PrP-прионы, отдельные штаммы агрегированного Aβ могут быть распространены in vitro и in vivo с помощью молекулярных шаблонов. Хотя существующие данные убедительно указывают на то, что структура Aβ связана с фенотипом болезни, критическая связь между патофизиологическими признаками и молекулярной архитектурой Aβ еще не полностью определена.

Внутриглазная инъекция PrP-прионов показала, что агент может переноситься из одной части нервной системы в другую с помощью механизмов переноса нейронов.59-62. Аналогично, семена Aβ, вводимые фокально в мозг, индуцируют агрегацию Aβ, которая систематически распространяется в взаимосвязанные области. 63,64
Исследования in vitro показывают, что заражение семян Aβ опосредуется механизмами поглощения, транспорта и высвобождения нейронов.65,66 В клетках растворимый Aβ концентрируется в кислой среде эндосомы / лизосомы, где он собирается в высокомолекулярные семена.67 Имеются также данные о том, что мембранно-ассоциированный нефибриллярный Аβ в митохондриях обладает надежной способностью к высеванию.68 В частности, размещение семян Aβ в перитонеальной полости способно индуцировать осаждение Aβ в мозге 69,70, хотя механизмы, транслокация семян от периферии к мозгу является неопределенной. Эти данные демонстрируют широкую мобильность Aβ внутри и вне ЦНС, что имеет последствия для ятрогенной индукции агрегации Aβ у людей (см. Ниже).

Несмотря на давние экспериментальные данные о прион-подобном посеве Aβ in vitro и in vivo, релевантность семантической парадигмы для человека была неопределенной. Недавние исследования, направленные на преодоление этого разрыва, включали оппортунистическую оценку патологии Aβ в тканях у пациентов, которым лечили человеческие инсулины роста гормона роста или имплантаты из твердой мозговой оболочки.71-75

В первых таких исследованиях пациенты, которые были проанализированы, умерли от ятрогенного периода Крейтцфельдта-Якоба (iCJD) после получения тромбозного гормона роста или твердой мозговой оболочки; предположив, что лечебные материалы также, вероятно, укрывали семена Aβ от доноров, которые умерли с AD (или зарождающейся AD), исследователи продемонстрировали, что получатели, которые заразились iCJD, также имели значительно большее отложение Aβ мозга, чем контролировали пациентов.71-74. связь между терапией тромбоцитарного гормона роста и отложением Aβ впоследствии была подтверждена в более широкой когорте пациентов с iCJD; значительно увеличилось отложение Aβ также у реципиентов гормонов, которые умерли от других причин, кроме CJD, что указывает на то, что отложение Aβ не вызвано прионопатией.75

Примечательно, что в этих анализах следует отметить, что у пациентов с патологией Аβ не было AD-подобной тауопатии во время смерти, и поэтому они не соответствовали патологическим критериям для полностью развитого AD. Это удивительно по двум причинам; во-первых, экспериментальная работа показала, что агрегированный Аβ способен подстрекать тауопатию у подопытных животных 76 и что Аβ может собирать тау-сборку с поперечным посевом для получения мощных in vivo-активных тау семян.77 Во-вторых, гипофизы, которые содержат семена Aβ, скорее всего, содержали также семена тау 78, а сам тау может быть вызван неправильной заменой и полимеризацией прионским способом 79, поэтому, если семена тау пережили процесс очистки и вошли в мозг (ни о каком известном), прямой тау эффект посева ожидался. Дальнейшее изучение трупного гормона роста и реципиентов dura mater будет необходимо для определения того, может ли тауопатия быть индуцибельной у людей.

Последствия этих находок для риска развития АД у выживших реципиентов трансплантации гормона роста человека и пересадки дикой матери неоднозначны. Исследование получателей гормона роста в США не выявило признаков увеличения заболеваемости AD по состоянию на 2008 год8, но препараты гормона роста в США включали строгий этап очистки после 1977 года, который, вероятно, устранил большинство PrP-прионов. 80 Поскольку никаких случаев iCJD произошли у пациентов, получавших лечение у пациентов после 1977 года, возможно, что эти реципиенты также будут менее подвержены воздействию семян Aβ (или tau). Кроме того, поскольку анализируемые реципиенты зараженных биологических препаратов умерли от CJD или других причин в относительно молодом возрасте, 71-75, невозможно узнать, разработали бы они AD после более длительного периода инкубации, особенно учитывая, что осаждение Aβ начинается с мозг AD до появления когнитивного спада.81 Стоит отметить, что кинетика перекосов и агрегации белка, вероятно, будет важна для эффективной передачи протеопатий, а различия в кинетике могут объяснить потенцию экзогенных PrP-прионов при вызывая заболевание по сравнению с Aβ в аналогичных сценариях воздействия.

Улучшения в производстве и подготовке биологических агентов по существу устранили риск ятрогенного CJD. 80 Однако долгосрочное наблюдение за пациентами, получившими трансплантацию тромбоза и т. Д. В этот проблемный период, необходимо для установления риска развития АД с уверенностью. В свете доказательств седиментации индукции осаждения Aβ и церебральной инвазии периферических семян Aβ на животных моделях 69,70 также существует потребность в более широком наблюдении за патологией Aβ, которая может быть связана с другими источниками, такими как кровь и кровь продукты.

Наконец, стоит подчеркнуть загадочное замечание о том, что как семена Aβ, так и PrP-прионы являются наиболее мощными, когда они вырабатываются в живых тканях. Первоначальные исследования высева Aβ на моделях мыши показали, что экстракты головного мозга, содержащие агрегированные Aβ, сильно индуцируют осаждение Aβ, тогда как синтетический Aβ, который был предварительно агрегирован in vitro, неэффективен в течение одного и того же периода инкубации.29 Последующие исследования, в которых использовался более длительный период инкубации, показали, что синтетический Aβ семена могут индуцировать осаждение у APP-трансгенных мышей, хотя и с низкой эффективностью по сравнению с семенами, полученными из головного мозга.82 Получение эффективных PrP-семян in vitro также является постоянной проблемой, но агрегация рекомбинантного PrP в присутствии конкретных кофакторов может заметно повышают их инфекционность.83 Аналогичным образом, когда синтетический Aβ агрегируется на срезах живых тканей в культуре, полученные семена Aβ вызывают устойчивое осаждение Aβ in vivo.53 Определение того, почему белковые семена, которые развиваются в живых тканях, более эффективны, чем ферменты, агрегированные in vitro, являются важной целью будущих исследований.

Первоначальное определение прионов как белковых инфекционных частиц84 препятствовало расширению концепции приона другим протеопатиям, отчасти из-за беспокойства, что эти заболевания могут восприниматься как заразные в повседневных условиях.3 По этой причине и потому, что прионные механизмы все чаще признается во многих сферах биологии 11-13,85-89, мы утверждали, что «белковые зародышеобразующие частицы» будут служить более инклюзивным (и менее тревожным) определением прионов.3 Семена Af несомненно отвечают ключевым критериям, которые можно квалифицировать как прионов и доказательств растет, что парадигма приона включает в себя также несколько других протеопатий.3,5,6,79 Однако многие вопросы требуют разрешения; среди которых: Какова связь между мощностью посева и токсичностью? Как конформация и размер агрегирующих белков влияют на их патобиологию? Как Aβ связан с tauopathy в каскаде AD? Разделяют ли различные штаммы Aβ резистентность нечеловеческих видов (и, возможно, некоторых людей) к AD? 90 Какие факторы влияют на превращение патогенных белков в прион-подобное состояние? Как белки обрабатываются и переносятся клетками? И учитывая растущие доказательства прион-подобных процессов в широком спектре заболеваний, как расширенный принцип приона помогает унифицировать поиск новых терапевтических целей?

амилоид-β

Болезнь Альцгеймера

Белок-предшественник

церебральная амилоидная ангиопатия

болезнь Крейтцфельдта-Якоба

Ятрогенная болезнь Крейтцфельдта-Якоба

люминесцентный конъюгированный олиготиофен

прионный белок

прионный протеин scrapie, PrP в патогенной конформации

Конфликт интересов не требуется.

Мы с благодарностью отмечаем просветительские беседы с Гарри Левином, Юрием Черновым, Дэвидом Линном, Анилом Мехтой, а также членами лабораторий Уокера и Юккера за их многочисленные вклады.

Эта работа была поддержана NIH под грантами P50 AG025688, RR00165, OD11132 (LCW); Фонд Александра фон Гумбольдта (LCW); и Совместная программа ЕС по нейродегенеративным заболеваниям в рамках гранта JPND-NeuTARGET (MJ).

Комментариев нет.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *