PRNP - PRNP
PRNP ( Prion - Protein ) ist die menschliche Gen - Codierung für das Hauptprionprotein PrP (Protease-resistenten-Protein, Pr für PR - Ion und P für P rotein), auch bekannt als CD230 ( cluster of differentiation 230). Die Expression des Proteins ist im Nervensystem am vorherrschenden, kommt aber in vielen anderen Geweben im ganzen Körper vor.
Das Protein kann in mehreren Isoformen existieren : die normale PrP C -Form und die Protease- resistente Form, die als PrP Res bezeichnet wird, wie das krankheitsverursachende PrP Sc(scrapie) und eine Isoform, die in Mitochondrien lokalisiert ist . Die misfolded Version PrP Sc ist mit einer Vielzahl von assoziierten kognitiven Störungen und neurodegenerative Erkrankungen, wie bei Tieren: Schafe Scrapie , bovine spongiforme Enzephalopathie (BSE, Rinderwahnsinn), Feline Spongiforme Enzephalopathie , übertragbare Nerz - Enzephalopathie (TME), exotische Huftiere Enzephalopathie , Chronic Wasting Disease (CWD), die Hirschartige befällt ; und beim Menschen: Creutzfeldt-Jakob-Krankheit (CJK), tödliche familiäre Schlaflosigkeit (FFI), Gerstmann-Sträussler-Scheinker-Syndrom (GSS), Kuru und Variante der Creutzfeldt-Jakob-Krankheit (vCJK). Es bestehen Ähnlichkeiten zwischen Kuru, von dem angenommen wird, dass es auf die menschliche Aufnahme von erkrankten Personen zurückzuführen ist, und vCJK, von dem angenommen wird, dass es auf die menschliche Einnahme von BSE-verseuchten Rinderprodukten zurückzuführen ist.
Gen
Das humane PRNP- Gen befindet sich auf dem kurzen (p) Arm von Chromosom 20 zwischen dem Ende (Terminus) des Arms und Position 13, von Basenpaar 4.615.068 bis Basenpaar 4.630.233.
Struktur
PrP ist bei Säugetieren hoch konserviert, was der Anwendung von Schlussfolgerungen aus Versuchstieren wie Mäusen Glaubwürdigkeit verleiht. Der Vergleich zwischen Primaten ist besonders ähnlich und reicht von 92,9-99,6% Ähnlichkeit in den Aminosäuresequenzen . Die menschliche Proteinstruktur besteht aus einer globulären Domäne mit drei α-Helices und einem zweisträngigen antiparallelen β-Faltblatt , einem NH 2 -terminalen Schwanz und einem kurzen COOH- terminalen Schwanz. Ein Glycophosphatidylinositol (GPI) -Membrananker an den COOH-terminalen Bindungen PrP an die Zellmembranen , und dies erweist sich als integraler Bestandteil der Übertragung von Konformationsänderungen; sekretiertes PrP, dem die Ankerkomponente fehlt, wird von der infektiösen Isoform nicht beeinflusst.
Die Primärsequenz von PrP ist 253 Aminosäuren lang vor der posttranslationalen Modifikation . Signalsequenzen in den Amino- und Carboxy- terminalen Enden werden posttranslational entfernt, was zu einer reifen Länge von 208 Aminosäuren führt. Für Menschen und Goldhamster PrP, zwei glykosylierte existieren Stellen auf Helices 2 und 3 bei Asn 181 und Asn197. Murines PrP hat Glykosylierungsstellen wie Asn180 und Asn196. Zwischen Cys 179 der zweiten Helix und Cys 214 der dritten Helix existiert eine Disulfidbindung (humane PrP C- Nummerierung).
PrP- Messenger-RNA enthält eine Pseudoknotenstruktur ( Prion-Pseudoknoten ), von der angenommen wird, dass sie an der Regulation der PrP- Proteintranslation beteiligt ist .
Ligandenbindung
Es wird spekuliert, dass der Mechanismus für die konformative Umwandlung in die Scrapie-Isoform ein schwer fassbares Liganden- Protein ist, aber bisher wurde keine solche Verbindung identifiziert. Zu den Kandidaten und ihrer Interaktion mit der PrP C hat sich jedoch eine umfangreiche Forschungsarbeit entwickelt .
Kupfer , Zink , Mangan und Nickel sind bestätigte PrP-Liganden, die an seine Octarepeat-Region binden. Die Ligandenbindung verursacht eine Konformationsänderung mit unbekannter Wirkung. Die Schwermetallbindung an PrP wurde mit der Resistenz gegenüber oxidativem Stress aufgrund von Schwermetalltoxizität in Verbindung gebracht .
PrP C (normale zelluläre) Isoform
Obwohl die genaue Funktion von PrP noch nicht bekannt ist, ist es möglicherweise am Transport von ionischem Kupfer aus der Umgebung zu Zellen beteiligt. Forscher haben auch vorgeschlagen, dass PrP eine Rolle bei der Zellsignalübertragung oder bei der Bildung von Synapsen spielt . PrP C bindet an die äußere Oberfläche der Zellmembran durch einen Glycosylphosphatidylinositol- Anker an seinem C-terminalen Ser 231.
Prionprotein enthält fünf Octapeptid- Wiederholungen mit der Sequenz PHGGGWGQ (obwohl die erste Wiederholung die leicht modifizierte, Histidin- defiziente Sequenz PQGGGGWGQ hat). Es wird angenommen, dass dies eine Kupfer- bindende Domäne über Stickstoffatome in den Histidin- Imidazol -Seitenketten und deprotonierte Amid- Stickstoffatome aus dem 2. und 3. Glycin in der Wiederholung erzeugt. Die Fähigkeit, Kupfer zu binden, ist daher pH- abhängig. NMR zeigt Kupferbindungsergebnisse in einer Konformationsänderung am N-Terminus .
PrP Sc (Scrapie) Isoform
PrP Sc ist eine konformationelle Isoform von PrP C , aber diese Orientierung neigt dazu, sich in kompakten, Protease- resistenten Aggregaten innerhalb von neuralem Gewebe anzusammeln . Die abnorme PrP Sc -Isoform hat eine andere Sekundär- und Tertiärstruktur als PrP C , jedoch eine identische Primärsequenz. Zirkulardichroismus zeigt, dass normales PrP C einen Gehalt von 43 % alpha-Helix und 30 % Beta-Faltblatt aufweist, während PrP Sc nur 30 % Alpha-Helix und 43 % Beta-Faltblatt enthält. Das Vorhandensein von Alpha-Helices in infektiösem PrP Sc wurde jedoch in Frage gestellt, wobei aktuelle Modelle einen vollständigen Mangel an Alpha-Helices vorschlagen und stattdessen durch eine vollständige Beta-Faltblatt-Zusammensetzung ersetzt werden. Diese Rückfaltung macht die PrP Sc -Isoform extrem resistent gegen Proteolyse .
Die Vermehrung von PrP Sc ist ein Thema von großem Interesse, da seine Akkumulation eine pathologische Ursache der Neurodegeneration ist . Basierend auf der fortschreitenden Natur spongiformer Enzephalopathien postuliert die vorherrschende Hypothese, dass die Veränderung vom normalen PrP C durch das Vorhandensein und die Wechselwirkung mit PrP Sc verursacht wird . Starke Unterstützung dafür finden sich in Studien, in denen PRNP- Knockout-Mäuse gegen die Einführung von PrP Sc resistent sind . Trotz der weit verbreiteten Akzeptanz der Konformationsumwandlungshypothese entkräften einige Studien die Behauptung eines direkten Zusammenhangs zwischen PrP Sc und Zytotoxizität .
Polymorphismen an den Stellen 136, 154 und 171 ist mit unterschiedlicher Empfindlichkeit gegenüber Schafen assoziiert Scrapie . (Diese Schafsstellen entsprechen den menschlichen Stellen 133, 151 und 168.) Polymorphismen der PrP-VRQ-Form und PrP-ARQ-Form sind mit erhöhter Anfälligkeit verbunden, während PrP-ARR mit Resistenz verbunden ist. Der Nationale Scrapie-Plan des Vereinigten Königreichs zielt darauf ab, diese Scrapie-Polymorphismen durch die Erhöhung der Häufigkeit des resistenten Allels auszubrüten. PrP-ARR-Polymorphismen sind jedoch anfällig für atypische Scrapie, so dass sich dies als unfruchtbar erweisen kann.
Funktion
Nervöses System
Die starke Assoziation mit neurodegenerativen Erkrankungen wirft viele Fragen zur Funktion von PrP im Gehirn auf. Ein gängiger Ansatz ist die Verwendung von PrP-knockout und transgenen Mäusen, um Mängel und Unterschiede zu untersuchen. Anfängliche Versuche führten zu zwei Stämmen von PrP-null-Mäusen, die keine physiologischen oder entwicklungsbedingten Unterschiede zeigen, wenn sie einer Reihe von Tests unterzogen wurden. Neuere Stämme haben jedoch signifikante kognitive Anomalien gezeigt.
Wenn die Nullmäuse altern, führt ein deutlicher Verlust von Purkinje-Zellen im Kleinhirn zu einer verminderten motorischen Koordination. Dieser Effekt ist jedoch keine direkte Folge der Abwesenheit von PrP, sondern entsteht eher durch eine erhöhte Doppel- Genexpression. Andere beobachtete Unterschiede umfassen eine reduzierte Stressreaktion und eine verstärkte Erforschung neuer Umgebungen.
Der zirkadiane Rhythmus ist bei Nullmäusen verändert. Es wird angenommen, dass tödliche familiäre Schlaflosigkeit das Ergebnis einer Punktmutation in PRNP bei Codon 178 ist, die die Beteiligung von PrP an den Schlaf-Wach-Zyklen bestätigt. Darüber hinaus wurde eine zirkadiane Regulation in PrP-mRNA nachgewiesen, die regelmäßig mit Tag-Nacht-Rhythmus wechselt.
Speicher
Während null Mäuse normale Lernfähigkeit und zeigen das Kurzzeitgedächtnis , Langzeitgedächtnis wurden Konsolidierung Defizite unter Beweis gestellt. Dies ist jedoch wie bei der Ataxie auf die Doppel-Genexpression zurückzuführen. Allerdings ist das räumliche Lernen , eine vorwiegend hippocampale Funktion, bei den Null-Mäusen vermindert und kann durch die Wiederherstellung von PrP in Neuronen wiederhergestellt werden; Dies weist darauf hin, dass der Verlust der PrP-Funktion die Ursache ist. Die Interaktion von hippocampalem PrP mit Laminin (LN) ist entscheidend für die Gedächtnisverarbeitung und wird wahrscheinlich durch die Kinasen PKA und ERK1/2 moduliert .
Weitere Unterstützung für die Rolle von PrP bei der Gedächtnisbildung wird aus mehreren Bevölkerungsstudien abgeleitet. Ein Test an gesunden jungen Menschen zeigte im Vergleich zu VV eine erhöhte Langzeitgedächtnisfähigkeit, die mit einem MM- oder MV-Genotyp verbunden ist. Down-Syndrom- Patienten mit einer einzigen Valinsubstitution wurden mit einem früheren kognitiven Verfall in Verbindung gebracht. Mehrere Polymorphismen bei PRNP wurden mit kognitiven Beeinträchtigungen bei älteren Menschen sowie einem früheren kognitiven Verfall in Verbindung gebracht. Alle diese Studien untersuchten Unterschiede im Codon 129, was auf seine Bedeutung für die Gesamtfunktionalität von PrP, insbesondere im Hinblick auf das Gedächtnis, hinweist.
Neuronen und Synapsen
PrP ist sowohl im prä- als auch im postsynaptischen Kompartiment vorhanden, mit der höchsten Konzentration im präsynaptischen Anteil. In Anbetracht dieser und der Reihe von Verhaltenseinflüssen von PrP sind die neuronalen Zellfunktionen und Interaktionen von besonderem Interesse. Basierend auf dem Kupferliganden wirkt eine vorgeschlagene Funktion PrP als Kupferpuffer für den synaptischen Spalt . In dieser Rolle kann das Protein dienen entweder als ein Kupfer - Homöostase Mechanismus, einem Calciummodulator oder ein Sensor für Kupfer oder oxidativem Stress. Der Verlust der PrP-Funktion wurde mit einer Langzeitpotenzierung (LTP) in Verbindung gebracht. Dieser Effekt kann positiv oder negativ sein und ist auf Veränderungen der neuronalen Erregbarkeit und synaptischen Übertragung im Hippocampus zurückzuführen .
Einige Forschungen weisen auf eine Beteiligung von PrP an der neuronalen Entwicklung, Differenzierung und dem Neuritenwachstum hin . Der PrP-aktivierte Signaltransduktionsweg ist mit einer Reihe von Kinasen mit Axon- und dendritischen Auswüchsen verbunden.
Immunsystem
Obwohl die meiste Aufmerksamkeit auf die Anwesenheit von PrP im Nervensystem gerichtet ist, ist es auch im Gewebe des Immunsystems reichlich vorhanden. PrP-Immunzellen umfassen hämatopoetische Stammzellen, reife lymphoide und myeloische Kompartimente und bestimmte Lymphozyten ; außerdem wurde es in natürlichen Killerzellen , Blutplättchen und Monozyten nachgewiesen . Die T-Zell- Aktivierung wird von einer starken Hochregulierung von PrP begleitet, obwohl dies nicht erforderlich ist. Das Fehlen einer Immunantwort auf übertragbare spongiforme Enzephalopathien (TSE), neurodegenerative Erkrankungen, die durch Prionen verursacht werden, könnte von der Toleranz gegenüber PrP Sc herrühren .
Muskeln, Leber und Hypophyse
PrP-null-Mäuse geben Hinweise auf eine Rolle in der Muskelphysiologie, wenn sie einem erzwungenen Schwimmtest unterzogen wurden, der eine reduzierte Bewegungsaktivität zeigte. Alternde Mäuse mit einer Überexpression von PRNP zeigten einen signifikanten Abbau von Muskelgewebe.
Obwohl vorhanden, existieren sehr niedrige PrP-Spiegel in der Leber und könnten mit Leberfibrose in Verbindung gebracht werden. Es wurde gezeigt, dass die Anwesenheit in der Hypophyse die neuroendokrine Funktion bei Amphibien beeinflusst, aber über PrP der Hypophyse von Säugetieren ist wenig bekannt.
Mobilfunk
Die unterschiedliche Expression von PrP während des Zellzyklus hat zu Spekulationen über eine Beteiligung an der Entwicklung geführt. Eine breite Palette von Studien wurde durchgeführt, um die Rolle bei der Zellproliferation, -differenzierung, -tod und -überleben zu untersuchen. Die Beteiligung von PrP wurde mit der Aktivierung der Signaltransduktion in Verbindung gebracht .
Die Modulation von Signaltransduktionswegen wurde durch die Vernetzung mit Antikörpern und die Ligandenbindung (Hop/STI1 oder Kupfer) nachgewiesen. Angesichts der Vielfalt an Interaktionen, Wirkungen und Verteilung wurde PrP als dynamisches Oberflächenprotein vorgeschlagen, das in Signalwegen funktioniert. Spezifische Stellen entlang des Proteins binden andere Proteine, Biomoleküle und Metalle. Diese Schnittstellen ermöglichen es bestimmten Gruppen von Zellen, basierend auf dem Expressionsniveau und der umgebenden Mikroumgebung zu kommunizieren. Die Verankerung auf einem GPI-Raft in der Lipiddoppelschicht unterstützt die Behauptung einer extrazellulären Gerüstfunktion .
Krankheiten durch PrP-Fehlfaltung
Bei Menschen mit angeborenen Prionenerkrankungen wurden mehr als 20 Mutationen im PRNP- Gen identifiziert , darunter:
- Creutzfeldt-Jakob-Krankheit – Glutaminsäure -200 wird durch Lysin ersetzt, während Valin an Aminosäure 129 . vorhanden ist
- Gerstmann-Sträussler-Scheinker-Syndrom – meist ein Wechsel des Codons 102 von Prolin zu Leucin
- tödliche familiäre Schlaflosigkeit – Asparaginsäure -178 wird durch Asparagin ersetzt, während Methionin an Aminosäure 129 . vorhanden ist
Die Umwandlung der PrP C- in die PrP Sc- Konformation ist der Mechanismus der Übertragung tödlicher neurodegenerativer übertragbarer spongiformer Enzephalopathien (TSE). Dies kann durch genetische Faktoren, eine Infektion von außen oder spontan aus unbekannten Gründen entstehen. Die Akkumulation von PrP Sc korrespondiert mit dem Fortschreiten der Neurodegeneration und ist die vermutete Ursache. Einige PRNP- Mutationen führen zu einer Veränderung einzelner Aminosäuren (Bausteine von Proteinen) im Prionenprotein. Andere bauen zusätzliche Aminosäuren in das Protein ein oder verursachen ein ungewöhnlich kurzes Protein. Diese Mutationen bewirken, dass die Zelle Prionenproteine mit einer abnormalen Struktur herstellt. Das abnormale Protein PrP Sc reichert sich im Gehirn an und zerstört Nervenzellen, was zu den mentalen und Verhaltensmerkmalen von Prionenerkrankungen führt.
Mehrere andere Veränderungen im PRNP- Gen (so genannte Polymorphismen) verursachen keine Prionenkrankheiten, können aber das Risiko einer Person, diese Krankheiten zu entwickeln, beeinflussen oder den Verlauf der Störungen verändern. Ein Allel , das für eine PRNP-Variante, G127V, kodiert, bietet Resistenz gegen Kuru .
Außerdem können einige Prionenkrankheiten von externen PrP Sc -Quellen übertragen werden .
- Scrapie – tödliche neurodegenerative Erkrankung bei Schafen, nicht auf den Menschen übertragbar
- Bovine spongiforme Enzephalopathie (Rinderwahnsinn) – tödliche neurodegenerative Erkrankung bei Kühen, die durch Aufnahme von Gehirn-, Wirbelsäulen- oder Verdauungstraktgewebe einer infizierten Kuh auf den Menschen übertragen werden kann
- Kuru – TSE beim Menschen, übertragen durch Bestattungskannibalismus. In der Regel erhielten betroffene Familienmitglieder beim Verzehr verstorbener Familienmitglieder traditionell Teile des Zentralnervensystems nach Ritualen.
Alzheimer-Krankheit
Das PrP C- Protein ist einer von mehreren zellulären Rezeptoren von löslichen Amyloid-beta (Aβ)-Oligomeren, die kanonisch an der Entstehung der Alzheimer-Krankheit beteiligt sind . Diese Oligomere bestehen aus kleineren Aβ-Plaques und sind für die Integrität eines Neurons am schädlichsten . Der genaue Mechanismus, mit dem lösliche Aβ-Oligomere direkt Neurotoxizität induzieren, ist unbekannt, und die experimentelle Deletion von PRNP bei Tieren hat zu mehreren widersprüchlichen Ergebnissen geführt. Als Aβ-Oligomere in die Hirnventrikel eines Alzheimer-Mausmodells injiziert wurden , bot die PRNP- Deletion keinen Schutz, nur Anti-PrP- C- Antikörper verhinderten Langzeitgedächtnis und räumliche Lerndefizite. Dies würde entweder eine ungleiche Beziehung zwischen PRNP und Aβ-Oligomer-vermittelter Neurodegeneration oder eine ortsspezifische relationale Bedeutung nahelegen . Im Fall der direkten Injektion von Aβ-Oligomeren in den Hippocampus wurde festgestellt, dass PRNP- Knockout-Mäuse sowohl hinsichtlich der neuronalen Todesrate als auch hinsichtlich der Messungen der synaptischen Plastizität nicht von der Kontrolle zu unterscheiden waren . Es wurde weiter gefunden, dass Aβ-Oligomere an PrP C in der postsynaptischen Dichte binden , indirekt den NMDA-Rezeptor über das Fyn- Enzym überaktivieren , was zu Exzitotoxizität führt . Lösliche Aβ-Oligomere binden auch an PrP C an den dendritischen Stacheln , bilden einen Komplex mit Fyn und aktivieren übermäßig Tau , ein weiteres Protein, das an Alzheimer beteiligt ist. Da das Gen FYN für das Enzym Fyn kodiert, zeigen FYN-Knockout-Mäuse weder exzitotoxische Ereignisse noch eine Schrumpfung der dendritischen Wirbelsäule, wenn ihnen Aβ-Oligomere injiziert werden. Bei Säugetieren bleibt die volle funktionelle Bedeutung von PRNP unklar, da die PRNP- Deletion von der Rinderindustrie ohne erkennbaren Schaden prophylaktisch implementiert wurde. Bei Mäusen variiert diese gleiche Deletion phänotypisch zwischen den Alzheimer-Mauslinien, da hAPPJ20-Mäuse und TgCRND8-Mäuse eine leichte Zunahme der epileptischen Aktivität zeigen, was zu widersprüchlichen Ergebnissen bei der Untersuchung der Alzheimer-Überlebensraten beiträgt. Bemerkenswert ist, dass die Deletion von PRNP sowohl in APPswe als auch in SEN1dE9, zwei anderen transgenen Alzheimer-Modellen, den Epilepsie-induzierten Todesphänotyp, der in einer Untergruppe dieser Tiere beobachtet wurde, abschwächte. Zusammengefasst deuten neuere Erkenntnisse darauf hin, dass PRNP wichtig sein könnte, um die neurotoxischen Wirkungen von löslichen Aβ-Oligomeren und den aufkommenden Krankheitszustand der Alzheimer-Krankheit auszulösen.
Beim Menschen ist der Methionin / Valin- Polymorphismus am Codon 129 von PRNP (rs1799990) am engsten mit der Alzheimer-Krankheit verbunden. Varianten-V- Allelträger (VV und MV) zeigen ein um 13% verringertes Risiko bezüglich der Entwicklung von Alzheimer im Vergleich zum Methionin- Homozygoten (MM). Die schützenden Wirkungen von Trägern der Variante V wurden jedoch ausschließlich bei Kaukasiern gefunden . Das verringerte Risiko bei V-Allel-Trägern ist außerdem nur auf die spät einsetzende Alzheimer-Krankheit (≥ 65 Jahre) beschränkt. PRNP kann auch funktionell mit Polymorphismen in zwei anderen an Alzheimer beteiligten Genen, PSEN1 und APOE , interagieren , um das Risiko sowohl für Alzheimer als auch für die sporadische Creutzfeldt-Jakob-Krankheit zu erhöhen . Eine Punktmutation auf Codon 102 von PRNP trug zumindest teilweise zur atypischen frontotemporalen Demenz von drei verschiedenen Patienten innerhalb derselben Familie bei, was auf einen neuen Phänotyp für das Gerstmann-Sträussler-Scheinker-Syndrom hindeutet . Dieselbe Studie schlug vor, PRNP bei unklar diagnostizierter Demenz zu sequenzieren , da die verschiedenen Formen der Demenz eine Differenzialdiagnose als schwierig erweisen können .
Interaktionen
Es besteht eine starke Wechselwirkung zwischen PrP und dem Cochaperon Hop ( Hsp70 / Hsp90 organisierendes Protein; auch STI1 (Stress-induziertes Protein 1) genannt).
Verweise
Externe Links
- PRNP (PrP) Gen bei GeneCard
- PRNP+protein,+human an der US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)
- Susan Lindquists Seminar: "Die überraschende Welt der Prionenbiologie"