Нажмите "Enter", чтобы перейти к контенту

Прионы, прионеиды и патогенные белки при болезни Альцгеймера

Prions, prionoids and pathogenic proteins in Alzheimer disease
Источник: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3609051/

Как и пациенты с прионным заболеванием, больные Альцгеймером страдают от смертельной прогрессирующей формы деменции. Растет доказательство того, что агрегаты амилоида-β (Aβ) могут быть переданы аналогично прионам, по крайней мере в экстремальных экспериментальных условиях. Однако, в отличие от мышей, инфицированных прионами прионного белка (PrP), инокулированные Aβ не умирают. Таким образом, передача Aβ и PrP заметно отличается от неврологических эффектов, которые они вызывают у своих хозяев, причем разница не меньше, чем вопрос жизни и смерти. Это не просто академический нюанс, это различие между Aβ и PrP вызывает решающие вопросы того, что именно контролирует прионную токсичность и как прионная токсичность относится к инфекционности прионов.

В 1982 году Стэнли Прусинер ввел прионы в качестве самовоспроизводящихся форм прионного белка, которые накапливаются при некоторых трансмиссивных заболеваниях центральной нервной системы, таких как скрепи и болезнь Крейтцфельдта-Якоба1. Хотя прионы представляют собой новые инфекционные агенты, лишенные нуклеиновых кислот, кодируемых патогенами , их открытие опиралось на вековую парадигму, формализованную в постулаты Роберта Коха, для выявления патологических микробных агентов. Ключевая концепция в постулатах Коха заключается в том, что микроб, ответственный за данное заболевание, должен вызывать то же заболевание при инокуляции в восприимчивый хозяин. При прионном заболевании страдающий человек страдает от прогрессирующего ухудшения неврологической функции, которое завершается, неизбежно, в смерти. Путем систематического просеивания мозговых экстрактов из зараженных scrapie хомяков, Прусинер обнаружил, что самые смертоносные инокуляции содержат фибриллярные агрегаты протеолитического фрагмента прионного белка PrP27-30. Теперь мы знаем, что этот фрагмент получен из изоформы scrapie прионного белка PrPSc, агрегированного, альтернативно сложенного конформера клеточного прионного белка, PrPC.2

В 2000 году Лэри Уокер впервые продемонстрировала, что внутримозговые прививки мозговых экстрактов из мозговой ткани, содержащей амилоидный бляшко от пациентов с болезнью Альцгеймера, ускоряют осаждение амилоидных бляшек и β-амилоидоз у трансгенных мышей, экспрессирующих белки человека Aβ3. Ускорение β-амилоидоза инокулятами, содержащими Фибриллы Aβ, которые образуют амилоидные бляшки, были воспроизведены, по меньшей мере, в четырех других лабораториях с использованием инокулятов у людей, нескольких линий формирующих бляшку трансгенных мышей и, в последнее время, фибриллярных синтетических агрегатов Aβ и синтетических димеров Aβ.4-7

Хотя эти результаты указывают на то, что фибриллярные конформеры белков Aβ могут самореплицироваться у восприимчивых хозяев, до сих пор неясно, можно ли поддерживать такую ​​репликацию по нескольким последовательным проходам от одного животного к другому. Последнее является неотъемлемой частью определения «приона». Ради следующего обсуждения мы будем называть PrPSc как агрегированную форму PrPC, обнаруженную в трансмиссивных губчатых энцефалопатиях (TSE), и к «прионам» в качестве инфекционный агент TSE, измеренный микробиологическими методами. В этой системе отсчета прионы состоят из PrPSc, но не все PrPSc обязательно являются инфекционными.

В 1966 году Карлтон Гайдусек удивил научный мир утверждением о том, что фатальное дегенеративное заболевание куру было передано через ритуальный каннибализм среди народов Новой Гвинеи 9; предложение о том, что неуловимый инфекционный агент в куру было прионом, не менее удивительно. Однако теперь радикальные свойства, приписываемые прионам, угрожают подорвать исходное значение «инфекционного агента». В следующем обсуждении инфекционный агент передает заболевание, вызывающее дефицит в хозяине, которые являются такими же, как и у донора, и разделяют та же патофизиология. Проще говоря, инфекционные агенты являются биологической основой плохого здоровья, которая может передаваться между живыми существами.

Прионы выполняют вышеуказанное определение, поскольку они были первоначально обнаружены как истинные инфекционные агенты с использованием микробиологических методов. Однако многие другие белки могут объединяться в геометрически расположенные структуры, которые могут вносить in vitro и in vivo-компартменты, содержащие исходный белок в мономерном растворимом состоянии.

Простое сопоставление возможностей посева с термином «прион» является упрощением. Любой неорганический кристалл может вызывать пересыщенный раствор его родственной соли, тогда как доброкачественные прионы вызывают эпидемии у овец, коровы, норки, кошек и людей (куру, а также ятрогенную и «вариантную» болезнь Крейтцфельдта-Якоба). Из-за их вопиющих инфекционных черт — коммуникабельности и заразности — агенты этих болезней не были признаны прионами на протяжении многих десятилетий, и многие выдающиеся ученые считали их «медленными вирусами».

Поскольку ни одно из вновь открытых посевных агрегатов еще не было показано в качестве инфекционных (т.е. инфекционных или заразных) в естественных условиях, мы считаем разумным относиться к ним как к «прионеоидам». 10,11 Поддержание различия между прионами и прионоидами подразумевает существование лежащих в основе биологических процессов, которые регулируют естественную передачу болезней между организмами, включая сложные механизмы, посредством которых экстра-нейронные прививки прионов подрывают иммунную систему для достижения и повреждения мозга (обзор Aguzzi и Calella12).

К счастью, нет никаких признаков того, что такие процессы существуют для прионоидов Aβ. Тем не менее, демонстрация межличностной прозрачности будет способствовать повышению статуса таких агентов для добросовестных прионов, что, по-видимому, очень вероятно в случае амилоида AA.13.

До эпохи молекулярной генетики нейродегенеративные заболевания пожилых людей определялись типами несвязанных белков, которые накапливаются как нерастворимые отложения в мозге. Отложения состояли из высокоупорядоченных стеков β-листов, что является физическим определением амилоида. Каждый тип амилоида находится в характерном ядерном, цитоплазматическом или внеклеточном отделе. С появлением молекулярной генетики было обнаружено причинные гены, связанные со многими из этих нейродегенеративных заболеваний, и в удивительно большом числе случаев данный ген кодировал сам белок, содержащий амилоидные фибриллы, которые характеризовали невропатологию в этом заболевании.

Эти заболевания стали известны как расстройства, связанные с расстройством белков, поскольку каузальные гены кодировали несогласованные белки, включающие амилоидные поражения. В каждом случае несогласованные белки приобретают вторичную структуру-β-листы, которая отсутствует в нормальных условиях. Сопротивление белка в нейродегенеративных заболеваниях относится к условиям, в которых родительские белки берут новую вторичную структуру β-листа. Приобретение новой вторичной структуры отличает расстройства, связанные с расстройством белков, от других заболеваний, вызванных мутациями, которые изменяют конформацию белка, например, серповидноклеточную анемию.

За исключением PrPSc, нет экспериментальных доказательств того, что прионы или прионеиды в нейродегенеративных заболеваниях являются патогенными белками (звездообразными (*) белками], вызывающими неврологическое ухудшение, которое разрушает пациентов. Считается, что столетие нейрофибриллярные клубочки — внутриклеточные амилоидные включения, которые образуются, когда tau принимает новую структуру β-листа, — индуцируют гибель нейронов и ухудшают познание. Однако в 2005 году эта столетняя гипотеза была опровергнута, когда было показано, что уменьшение растворимого тау в модели нейродегенеративной мыши с нейрофибриллярными путаницами привело к прекращению потери нейронов и улучшению функции памяти, несмотря на поразительное наблюдение, что нейрофибриллярные клубочки сохраняли накопление, напоминающее прионеиды.14 Отрицательный случай для β-амилоидных бляшек, содержащих * белки, связан с несколькими линиями доказательств, включая отказ пациентов с болезнью Альцгеймера улучшить после иммунотерапии Aβ, которые, тем не менее, успешно удаляли амилоидные бляшки, 15 и способность иммунотерапии для устранения дефицита у мышей без изменения нагрузки на бляшку.16,17 По сравнению с белками, включающими амилоидные поражения, прионы и прионеиды, относительно мало известно о белках и их механизмах действия.

Безусловно, наиболее понятным среди этих расстройств является семейная атаксия типа 1. Атаксин-1 вызывает семейную атаксию типа 1, когда посторонние последовательности тринуклеотидных повторов расширяют существующий полиглутаминовый тракт с образованием PolyQ / ataxin-1.18. Пациенты и мыши, экспрессирующие PolyQ / ataxin-1, развивают ядерные включений и прогрессирующей атаксии. Агрегаты PolyQ являются прионоидами, поскольку применение агрегатов PolyQ к культивируемым нейронам зарождает образование внутриклеточного полиомиелита амилоида.19 У мышей, несущих разреженный расширенный тракт PolyQ, тяжесть неврологических аномалий и нейродегенераций обратно пропорциональна числу включений, 20 и отмена включений посредством мутации лигида ubiquitin, которая способствует агрегации несогласованных белков, ускоряет заболевание.21 Эти исследования показывают, что элиминация включений не будет препятствовать атаксии в семейной атаксии типа 1.

Вывод о том, что удаление включений не вылечило семейную атаксию типа 1, побудило Гарри Орра и Худу Зогби искать патогенную форму PolyQ / ataxin-1, вызывая неврологические аномалии в расстройстве. Обнаружение механизма, с помощью которого PolyQ / ataxin-1 повреждает нейроны, возникло из понимания нормальной физиологической роли атаксина-1, являющегося ядерным белком. Патогенная форма PolyQ / ataxin-1 не является неправильной формой атаксина-1; он не содержит новых вторичных структур, нет β-листов, которые обычно не присутствуют в мозге. Его патологические эффекты возникают из-за изменений в его аффинности связывания с его нормальными ядерными партнерами, транскрипционного регулятора Capicua и регулятора RNA-сплайсинга RMB17,22, что приводит к изменениям транскриптома, которые, по-видимому, влияют на нейронную функцию и жизнеспособность. Таким образом, патогенная форма PolyQ / ataxin-1 не является прионоидом; он не является ни ложным белком, ни растворимым агрегатом исходного белка. Это может оказаться глубоко важным уроком для всей области исследований нейродегенеративных заболеваний.

Оба пациента с прионным заболеванием и болезнью Альцгеймера страдают от смертельных прогрессирующих форм деменции. Однако, в то время как мыши, зараженные PrP-прионами, умирают, у тех, кто инокулируется с прионами Aβ, нет. Только две гипотезы могут объяснить резкий контраст между коэффициентами летальности, вызванными привитиями PrP и Aβ у мышей.

Агрегаты являются патогенными, но разные агрегаты оказывают влияние на различные клеточные пути. Например, патогенный путь для агрегатов Аβ у людей, отличный от таковых прионов PrP, может отсутствовать у мышей.

Агрегаты не всегда являются патогенными; скорее, варианты исходных белков (* белков) вызывают клеточную дисфункцию, которая приводит к неврологическому заболеванию (рис.1). Эти патогенные варианты не обязательно должны быть неправильными или агрегированными формами исходных белков.

Рисунок 1. Прионы, прионеиды и патогенные белки в нейродегенеративных заболеваниях. PrPSc считается трансмиссивным средством приона, вызывающего скрепи, болезнь Крейтцфельдта-Якоба и родственные губчатые энцефалопатии. Нуклеирующие агрегаты фибриллярных белков («прионеиды») обнаруживаются во многих нейродегенеративных заболеваниях. За исключением PrPSc, у мышей или людей, связывающих прионеоиды в мозге, мало доказательств патофизиологических процессов, которые вызывают нарушения, связанные с этими белками. Вместо этого, накопление данных указывает на то, что дисфункция мозга и неврологические признаки, связанные с этими заболеваниями, вызваны нефибриллярными вариантами исходных белков (* белков). В случае Aβ дисфункция головного мозга у мышей и аномалии тазогенности CSF у людей сильно связаны с растворимой сборкой в ​​56 кДа, Aβ *. Существование других молекул Aβ * не исключено. * Белки не должны ошибаться в смысле принятия новой вторичной структуры, которая неизменно включает β-листы. PolyQ / ataxin-1 — лучший пример. Отличие между прионоидами и белками и понимание того, как * белки вызывают неврологическую болезнь, будут способствовать нашему прогрессу в лечении этих глубоко разрушительных и смертельных расстройств.

Недавние достижения в нашем понимании нейротоксичности PrP и Aβ благоприятствуют гипотезе 2, как обсуждается ниже.

При прионном заболевании катастрофическая дисфункция мозга связана с глобальным снижением производства белка, вызванным дисрегуляцией eIF2a, фактором инициации трансляции млекопитающих23. Это увлекательное открытие, по-видимому, является механизмом, с помощью которого прионы PrP в конечном итоге вызывают нейротоксичность.

Однако eIF2a локализуется внутри цитозоля, тогда как инфекционные прионы являются внеклеточными. Таким образом, нам все еще остается интересно, как прионы, содержащие патологически агрегированный PrPSc, могут оказывать действие, происходящее из внеклеточной среды, сгибание белков дерьма в эндоплазматическом ретикулуме, индуцировать неожиданно энергичный развернутый белковый ответ и в конечном итоге гасить цитозольный перенос белков. Трудно не заключить, что подавление eIF2a, вероятно, представляет собой нисходящий эффектор патогенного каскада, который инициируется молекулярно и топологически отдаленными событиями.

Периодически обсуждалось, является ли самореплицирующийся материал прионной болезни («прион») физически идентичным с нейротоксическим образованием. В этом контексте Джон Коллинг недавно предложил термин «PrPL» для обозначения гипотетической части, которая может быть нейротоксичной, но отличается от PrPSc.24. Однако идея о том, что PrP может производить неврологические заболевания без генерации инфекционности, относится к 1990 году, когда трансгенные мышей, которые спонтанно развили прионную болезнь. Эти мыши выражали PrP, несущий мутацию, связанную с семейным прионным заболеванием, развитую атаксию, летаргию и жесткость и неизменно умершие, но их мозг содержал мало или вообще не заражал прионов, что указывает на то, что «врожденная ошибка метаболизма PrP может вызвать неврологическое заболевание без генерация инфекционности »25. На наш взгляд, возможно, и, действительно, очень вероятно, что PrPSc и различные неинфекционные нейротоксические варианты PrP, которые включают PrP со сверхмерными октапептидными повторами26 и PrP-версиями с интерстициальными делециями« шарнирной »области между неструктурированным N-концом и глобулярным доменом 27 активируют нейротоксические пути, сходящиеся с теми, которые вызваны прионной инфекцией (рис.2).

Рисунок 2. Клеточный прионный белок абсолютно необходим для токсичности инфекционных прионов (А) 39, что подразумевает, что PrPSc оказывает нейротоксичность путем стыковки с PrPC (B). Эта токсичность также может быть вызвана вариантами PrP, встречающимися естественным образом, такими как PrP, несущими сверхматериальные октапептидные повторы (C), или экспериментально сконструированные токсичные варианты, такие как версии PrP, содержащие делеции шарнирной области (D). Недавно было обнаружено, что прионная инфекция приводит к цепочке событий, которая в конечном счете утоляет перенос белка 23, но остается неизвестным, использует ли токсичность, вызванную мутантами PrP (Панели C и D), тот же путь.

Наше понимание нейротоксичности Aβ отстает от нейротоксичности PrP, потому что животные модели, которые пересказывают все аспекты болезни Альцгеймера, которые необходимы для анализа человеческой значимости патологического Aβ, не существуют. У людей патологическая трансформация Aβ инициирует процесс, который включает накопление амилоидных бляшек и часто приводит к фатальному нейродегенеративному состоянию. У мышей образование патологического Аβ может индуцировать осаждение амилоидных бляшек, что отражает присутствие прионоидов Aβ. Удивительно, что накопление прионоидов Aβ у подавляющего большинства мышей не приводит к открытой нейродегенерации, за исключением непосредственной близости от амилоидных бляшек.28-30 У мышей, лишенных синтазы оксида азота 2, накопление априонидов Aβ связано с нейронов в CA3, но не подполе CA1 hippocampal 31, но у людей CA3 сохраняется, а CA1 — нет, 32 ставит под сомнение значимость этой формы смерти нейронов. Независимо от того, является ли смерть нейронов в этой модели из-за априонидов Aβ, также неизвестно. Фатальность, когда она присутствует, является зависимой от деформации и может возникать в отсутствие образования амилоидов, что указывает на существование нейротоксического вида, который не обязательно может быть сопоставим с самораспространяющимися видами.33 Биохимическая идентичность и клеточные эффекты этого форма Aβ остаются неизвестными.

Два типа когнитивной дисфункции развиваются у мышей с образованием Aβ. Один тип встречается у мышей с агрессивным отложением амилоидов — чрезмерное количество прионоидов Аβ, в которых накопленные амилоидные бляшки и их окружающая цитопатология действуют как гигантское космическое поражение в мозге.28 Никакие нейроны не остаются в сердцевинах бляшек и извилистые , дистрофические нейриты и дендриты, частично оголенные шипами, находятся в 50-микронном гало, окружающем ядра (рассмотренные Ashe и Zahs34). Поэтому неудивительно, что за определенным порогом познание изменяется обратно пропорционально нагрузке на бляшку. Однако плотность амилоидных бляшек, необходимых для получения этого эффекта, редко достигается при болезни Альцгеймера, что может объяснить, почему связь между бляшками и потерей или познаниями в нейронах в лучшем случае незначительна.35,36 Чрезмерное накопление прионоидов Aβ у мышей может привести к в когнитивных дефицитах, которые связаны с пространственно-занимающими эффектами амилоидных бляшек, но это отличается от механизма, с помощью которого большая часть нейрональной дисфункции и нейродегенерации происходит у людей с β-амилоидозом или болезнью Альцгеймера.

Другой тип когнитивной дисфункции происходит независимо от бляшек или потери нейронов и, по-видимому, обусловлен нефибриллярной сборкой Aβ 56 см-1 Aβ, обозначенной Aβ * 56.37 Aβ * 56, предполагаемым додекамером, который, скорее всего, образован кластеризацией четырех Aβ-тримеров , Изоляты фибриллярного Aβ в головном мозге не содержат Aβ * 56 (Liu P и Ashe K, неопубликованные данные). Маловероятно, что Aβ * 56 приобретает новую структуру β-листа, поскольку композиционная единица Aβ-тримеры присутствует даже у молодых мышей.37 Отсутствие новой структуры β-листа в Aβ * 56 утверждает, что она является прионеодом, хотя формальная демонстрация потребует экспериментов по передаче. Aβ * 56 не вызывает явной нейродегенерации и все же изменяет познание, нарушая долговременную синаптическую пластичность еще неизвестным механизмом.38 У людей Aβ * 56 можно измерить в CSF, где он увеличивается с нормальным старением и коррелирует умеренно сильно с белком, связывающим микротрубочки тау (М. Ханкоко, М. Грант, А. Валлин, К. Бленноу и К. Эше, неопубликованные данные). Тау высвобождается в CSF, в процессе, который остается неясным, когда нейроны неисправны. CSF tau слабо коррелирует или вообще отсутствует с CSF Aβ1-42, который отражает β-амилоидоз и априониды Aβ.

Хотя было заманчиво постулировать, что Aβ * 56 вызывает последовательность событий, которая приводит к переходу от бессимптомного старения к умеренным когнитивным нарушениям или болезни Альцгеймера, что совпадает с началом открытой нейродегенерации и потерей нейрона, это предсказание не подтвердилось в большое продольное исследование (Handoko M, Grant M, Petersen R и Ashe K, неопубликованные данные). Таким образом, Aβ * 56 нарушает функцию нейронов у мышей и связывается с нейронной неисправностью у людей, но недостаточно для индукции явной нейродегенерации у обоих видов.

В отсутствие животных моделей, содержащих исключительно мутаций, связанных с болезнью Альцгеймера, которые проявляют полный спектр заболеваний, начиная с тонкой дисфункции нейронов и заканчивая фатальной когнитивной опустошением, вопрос о том, требует ли асимптоматический β-амилоидоз Aβ * 56 в полной мере Продуманная болезнь Альцгеймера не может быть рассмотрена экспериментально. Возможно, что одна или несколько неприноидных форм Aβ запускают нейронную дисфункцию и нейродегенерацию при болезни Альцгеймера. Обнаружение этих патогенных форм будет зависеть от создания высококачественных модельных систем болезни Альцгеймера.

При доброкачественных прионных заболеваниях очень большой объем данных связывает агрегированную форму PrP, PrPSc, как с инфекцией прионов, так и прионной нейротоксичностью. Тем не менее, неинфекционные, но нейротоксичные варианты PrP встречаются естественным образом, и более такие варианты были построены экспериментально, что указывает на то, что фенотипическое выражение, типичное для прионных заболеваний, может быть вызвано событиями, происходящими после прионной инфекции. Существует мало свидетельств того, что мыши или люди связывают неврологические эффекты Aβ с зародышеобразующими формами этого белка, в то время как новые данные указывают на конкретную не зародышевую форму Aβ, Aβ * 56, которая вызывает некоторые неврологические признаки болезни. Однако Aβ * 56 не является достаточным для индуцирования неумолимого неврологического ухудшения, которое характеризует болезнь Альцгеймера, указывая на то, что другие критические факторы или формы Aβ работают в сотрудничестве с Aβ * 56 для разрушения мозга. Лечение приона и болезни Альцгеймера будет зависеть от более глубокого понимания патогенных форм PrP и Aβ, которые вызывают дисфункцию мозга, лежащую в основе этих смертельных заболеваний.

Ранее опубликовано в Интернете: www.landesbioscience.com/journals/prion/article/23061

Возможные конфликты интересов выявлены не были.

Комментариев нет.

Добавить комментарий

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