ADAMED ADAMED ADAMED ADAMED

Priony u ssaków

AKADEMIA - Wykłady i artykuły

Autor: Takao Ishikawa

W ostatnich latach, zarówno w świecie nauki, jak i w mediach, coraz częściej mówi się o prionach, które są przyczyną np. choroby Kreutzfeldta-Jakoba. Rzadko jednak mówi się o innych właściwościach prionów, a mało kto wie, że priony występują również w grzybach, np. w drożdżach piekarniczych Saccharomyces cerevisiae, które są szeroko wykorzystywane w przemyśle spożywczym i w naszych domach.

Część I

Priony u ssaków

Choroba, która wielu osobom kojarzy się z prionami, to choroba Kreutzfeldta-Jakoba. Poraz pierwszy została opisana w latach 30. ubiegłego stulecia. Jest to tzw. choroba neurodegeneracyjna, która objawia się zanikiem pamięci, trzęsieniem się kończyn i utratą mimiki. W konsekwencji prowadzi do śmierci pacjenta w ciągu 24 miesięcy od pojawienia się pierwszych objawów (Prusiner, 1982). Istotną cechą tej choroby jest to, że u chorych na nią nie pojawia się reakcja immunologiczna, bowiem ich układ odpornościowy nie rozpoznaje czynnika chorobowego odpowiedzialnego za chorobę. Jest to spowodowane tym, że przyczyną choroby jest białko, naturalnie występujące w organizmie ludzkim (Prusiner 1998).

Choroba Kreutzfeldta-Jakoba nie jest jedyną chorobą prionową u ludzi, równie groźna jest np. śmiertelna rodzinna bezsenność. Podobne choroby występują również u innych organizmów, m.in. u kota, krowy i owcy.

(Ryc. 1).

Zestawienie

Ryc. 1 Zestawienie chorób występujących w różnych gatunkach, których przyczyną są priony. Zaadaptowano z Prusiner i in., 1998.

 

Skoro podobne choroby powodowane przez priony występują w wielu organizmach, naturalne jest pytanie, czy choroba ta przenosi się między gatunkami. Takie zjawiska znane są choćby w przypadku grypy, która może przenosić się między świnią, drobiem i człowiekiem. W przypadku chorób prionowych również mogą zachodzić podobne procesy. Jednym z przykładów może być transmisja choroby szalonych krów do człowieka, w organizmie którego wywołuje chorobę Kreutzfeldta-Jakoba (Dealler i Lacey, 1991). Przeniesienie choroby z organizmu na organizm można również wywołać sztucznie, choć znane są przykłady barier gatunkowych uniemożliwiających przeniesienie choroby z jednego gatunku na drugi (Moore i in., 2005).

Forma fizjologiczna i patogenna

Ryc. 2 Forma fizjologiczna (z lewej) i patogenna (z prawej) białka PrP. Ich sekwencja aminokwasowa jest identyczna. http://www.cmpharm.ucsf.edu/cohen/

Co się kryje za strasznymi chorobami prionowymi? Odpowiedzialne za nie są białka PrP, tzw. priony. Bardzo ciekawą cechą prionów jest to, że zmieniają one strukturę przestrzenną bez zmiany sekwencji aminokwasowej. Zrewolucjonizowało to ogólnie przyjętą zasadę, że struktura przestrzenna białka jest determinowana przez sekwencje aminokwasowe poszczególnych białek. W białkach prionowych cząsteczka może przyjmować dwie Ryc. 1 Zestawienie chorób występujących w różnych gatunkach, których przyczyną są priony. Zaadaptowano z Prusiner i in., 1998. alternatywne struktury przestrzenne – PrPC i PrPSc – bez żadnych zmian w sekwencji aminokwasowej, a nawet bez najmniejszych modyfikacji posttranslacyjnych, które mogą, w przypadku innych białek, mieć duży wpływ na ich struktury przestrzenne. Problem tkwi w tym, że struktura PrPSc jest przyczyną chorób prionowych. Charakteryzuje się on obecnością rozbudowanej, w porównaniu do struktury PrPC, β-kartką i cechuje się mniejszą zawartością α-helisków (Ryc. 2).

Różnice form PrPC i PrPSc nie ograniczają się do widocznej na modelach różnicy struktur przestrzennych. Formy te charakteryzuje też różna rozpuszczalność w środowisku wodnym i podatność na trawienie enzymami proteolitycznymi. Powszechnie występująca w komórce forma PrPC dobrze rozpuszcza się w wodzie i jest podatna na działanie proteaz, jak wiele białek w komórce. Inaczej zachowuje się forma chorobotwórcza, PrPSc, która wytrąca się w środowisku wodnym i jest też odporna na proteolizę (Prusiner i in., 1998). Ma to poważne konsekwencje w patogenezie chorób prionowych (Ryc. 3).

Ryc. 3 Zdjęcia białek PrP z komórki; A – normalnej, B – patogennej ze złogami β-amyloidowymi, zaadaptowano z Prusiner i in., 1998. W tabeli porównano cechy form PrPC i PrPSc.

Rozpuszczalne w środowisku wodnym Tak Nie
Podatne na trawienie proteazami Tak Nie
Dominująca struktura drugorzędowa α-heliks β-kartka

Mechanizm powstawania formy PrPSc wymaga jeszcze wielu badań. Badacze jednak zdążyli już zaproponować model tłumaczący to zjawisko. Białko PrP przyjmuje dwie formy struktury przestrzennej, których zmiana jest procesem spontanicznym. Forma PrPC nie ma zdolności tworzenia “polimerów” w przeciwieństwie do formy PrPSc, która przy udziale β-kartki może przyłączać kolejne cząsteczki tego białka. Proces ten jednak jest całkowicie odwracalny do momentu osiągnięcia przez polimeryzujące cząsteczki PrPSc krytycznego rozmiaru. Osiągnięcie takiego rozmiaru oznacza, że polimer cząsteczek PrPSc już nie może się zmniejszyć. Cząsteczki te nie mają już możliwości powrotu do konformacji PrPC. W ten sposób powstają tzw. złogi β-amyloidowe, które według wielu badaczy są przyczyną m.in. Choroby Kreutzfeldta-Jakoba. Złogi β-amyloidowe czasem mogą pękać i być przekazywane do potomnych komórek przy podziale komórkowym (Ryc. 4).

schemat-polimeryzacji

Ryc. 4 Schemat polimeryzacji białka PrPSc, zaadaptowano z Jackson i Clarke, 2000.

Model budowy przestrzennej bialka

Ryc. 5 Model budowy przestrzennej białka PrP, zaadaptowano z Jackson i Clarke, 2000.

Gen kodujący białko PrP tworzy jeden ekson. Wcześniej uważano, że różne formy przestrzenne tego białka są wynikiem alternatywnego składania eksonów – zjawiska często spotykanego szczególnie u ssaków. Tym czasem okazało się, że sekwencje aminokwasowe obu form białka PrP są identyczne. Było to pierwsze białko, dla którego zaobserwowano takie zjawisko. Jest to jedna z ważniejszych cech prionów.

Funkcja fizjologiczna białka PrP do tej pory nie została określona jednoznacznie. Uważa się, że może ona pełnić rolę dysmutazy ponadtlenkowej i mieć jakiś związek ze stresem oksydacyjnym komórki (Rachidi i in., 2003). Więcej wiadomo o modyfikacjach posttranslacyjnych, którym ulega to białko. Do białka PrP przyłączone zostają części cukrowe oraz lipidowe (Ryc.5). Dzięki obecności grupy lipidowej, białko to jest zakotwiczone w błonie komórkowej od strony cytoplazmy. Jak wcześniej Ryc. 4 Schemat polimeryzacji białka PrPSc, zaadaptowano z Jackson i Clarke, 2000. wspomniano, wiadomo również, że białko to, w pewnych stanach patologicznych, ma zdolność do tworzenia złogów β-amyloidowych, chociaż nie ma to żadnego związku z funkcją fizjologiczną tego białka – poza tym, że uniemożliwia jego normalne funkcjonowanie – niezależnie od pełnionej przez to białko funkcji w komórce.

Ze względu na to, że białko to stale obecne jest w błonie komórkowej, a także z powodu przyłączonych części cukrowych, początkowo uważano, że białko PrP jest receptorem dla hipotetycznych wirusów scrapie powodujących chorobę scrapie u owiec. Warto podkreślić, że takiego wirusa nigdy nie odnalezniono – bowiem dziś wiadomo, że choroba ta nie jest powodowana i przenoszona przez jakiekolwiek wirusy. Jednak tuż po odkryciu związku białka PrP z chorobą hipoteza taka powstała, a wyniki wykonanych doświadczeń także wydawały się potwierdzać tę hipotezę. Okazało się, że osobniki pozbawione obu alleli białka PrP były całkowicie odporne na chorobę scrapie, a poziom ekspresji genu PrP był ściśle skorelowany z czasem rozwijania się choroby. Obie obserwacje, jak wcześniej wspomniano, były zgodne z wysuniętą hipotezą, chociaż nigdy nie odkryto wirusa scrapie.

Pewien przełom w badaniach prionów nastąpił, gdy zaczęto konstruować różne mutanty, posiadające mutacje w genie PrP. Okazało się, że niektóre mutacje uniemożliwiają białku przyjęcie normalnej konformacji PrPC – takie białka były cały czas w konformacji PrPSc. Co więcej, w zmutowanych w taki sposób organizmach choroba rozwijała się dużo szybciej niż w normalnym organizmie, w którym białko to występuje w postaci PrPC. Dzięki tym badaniom, nie tylko hipoteza wirusa scrapie została obalona, ale także udowodniono, że białko PrP jest bezpośrednią przyczyną choroby (Prusiner i in., 1998).

Skoro białko PrP jest białkiem błonowym, w jaki sposób dochodzi do akumulacji złogów β-amyloidowych w cytoplazmie? Musi być jakiś mechanizm, który powoduje, że białka mogące formować owe złogi, będące w konformacji PrPSc trafiają do cytoplazmy, zamiast do błony komórkowej, gdzie jest ich fizjologiczna lokalizacja. Różne badania sugerują, że jest to rodzaj “wypadku przy pracy”. Większość białek błonowych syntetyzowana jest za pomocą rybosomów współpracujących z retikulum endoplazmatycznym. Białka zakotwiczają się w błonie tego organellum i są

schemat mechanizmu bialka w cytoplazmie

Ryc. 6 Schemat ilustrujący potencjalne mechanizmy doprowadzające do obecności białka PrP w cytoplazmie. Można w nim wyróżnić; 1) usunięcie źle ufałdowanego białka PrP z błony retikulum endoplazmatycznego, 2) przerwanie translokacji w błonie retikulum endoplazmatycznego, 3) wytworzenie transmembranowej formy białka PrP. Wszystkie opisane formy tego białka szybko są transportowane do proteasomu. Jeśli na tym etapie pojawią się problemy wydłużające ich obecność w cytoplazmie, białka PrP mogą agregować ze sobą lub innymi białkami, a w komórkach nerwowych nawet powodować ich śmierć. Uważa się, że wszelkie mutacje utrudniające powstanie normalnie ufałdowanego białka PrP skutkują pojawieniem się białka PrP w cytoplazmie. Zaadaptowano z Hegde i Rane, 2003.

dalej transportowane do odpowiednich miejsc. Jednak, gdy w trakcie syntezy pojawi się wadliwe białko, jest ono kierowane do proteasomu znajdującego się w cytoplazmie, gdzie ulega degradacji. Uważa się, że w trakcie transportu z retikulum endoplazmatycznego do proteasomu, białka mające konformację PrPSc mogą ze sobą agregować i odkładać się na terenie cytoplazmy w postaci złogów β-amyloidowych (Ryc. 6).

 

Patroni honorowi

Partnerzy

Logo Logo Logo

Serwis na swoich stronach www wykorzystuje m.in. pliki cookies

w celu zapewnienia Ci maksymalnego komfortu podczas przeglądania serwisu i korzystania z usług. Jeśli kontynuujesz przeglądanie naszej strony bez zmiany ustawień przeglądarki, przyjmujemy, że wyrażasz zgodę na użycie tych plików. Zawsze możesz zmienić ustawienia przeglądarki decydujące o ich użyciu.