prionit | |
---|---|
| |
ICD-11 | XN7AM |
ICD-10 | A81 |
ICD-9 | 046 |
MeSH | D011328 |
Mediatiedostot Wikimedia Commonsissa |
Prionit ( eng. prioni proteiinista "proteiini" + infektio - ioni "infektio"; sanaa ehdotti vuonna 1982 Stanley Prusiner [ 1] ) on erityinen luokka tarttuvia patogeenejä , jotka eivät sisällä nukleiinihappoja . Prionit ovat proteiineja , joilla on epänormaali tertiäärinen rakenne . Tämä kanta on prionihypoteesin [2] taustalla , mutta prionien koostumuksesta on muitakin marginaalisia näkökulmia .
Prionit pystyvät lisäämään lukumääräänsä käyttämällä elävien solujen toimintoja (tältä osin prionit ovat samanlaisia kuin virukset ). Prioni pystyy katalysoimaan homologisen normaalin soluproteiinin konformaatiomuutosta samanlaiseksi (prioniksi). Pääsääntöisesti proteiinin siirtyessä prionitilaan sen α-heliksit muuttuvat β-levyiksi . Tällaisen siirtymän seurauksena ilmaantuneet prionit voivat puolestaan järjestää uusia proteiinimolekyylejä; siten käynnistyy ketjureaktio , jonka aikana muodostuu valtava määrä väärin laskostuneita molekyylejä [3] . Prionit ovat ainoat tartunta-aineet, joiden tiedetään lisääntyvän ilman nukleiinihappojen osallistumista.
Kaikki tunnetut prionit aiheuttavat amyloidi-proteiiniaggregaattien muodostumista, mukaan lukien tiheästi pakatut β-kerrokset . Amyloidit ovat fibrillejä, jotka kasvavat päistä, ja fibrillien rikkominen johtaa neljään kasvavaan päähän. Prionisairauden itämisajan määrää prionien määrän eksponentiaalinen kasvu , joka puolestaan riippuu lineaarisen kasvun nopeudesta ja aggregaattien (fibrillien) fragmentaatiosta [4] . Prionien lisääntyminen edellyttää normaalisti laskostuneen solun prioniproteiinin alun läsnäoloa ; organismit, joista puuttuu prioniproteiinin normaali muoto, eivät kärsi prionisairauksista.
Proteiinin prionimuoto on erittäin stabiili ja kerääntyy sairastuneeseen kudokseen aiheuttaen vaurioita ja lopulta kuoleman [5] . Prionimuodon stabiilisuus tarkoittaa, että prionit kestävät kemiallisten ja fysikaalisten tekijöiden aiheuttamaa denaturaatiota , joten näitä hiukkasia on vaikea tuhota tai estää niiden kasvusta. Prioneja on useissa muodoissa - kantoja , joista jokaisella on hieman erilainen rakenne.
Prionit aiheuttavat taudin tarttuvaa spongiformista enkefalopatiaa (TSE) useissa nisäkkäissä , mukaan lukien naudan spongiforminen enkefalopatia ("hullun lehmän tauti"). Ihmisillä prionit aiheuttavat Creutzfeldt-Jakobin taudin , Creutzfeldt-Jakobin taudin (vCJD) muunnelman, Gerstmann-Straussler-Scheinker-oireyhtymän , kuolemaan johtavan familiaalisen unettomuuden ja kurun [6] . Kaikki tunnetut prionisairaudet vaikuttavat aivoihin ja muihin hermokudoksiin , ovat tällä hetkellä parantumattomia ja lopulta kuolemaan johtavia [7] .
Kaikki tunnetut nisäkkäiden prionitaudit ovat PrP -proteiinin aiheuttamia . Sen normaalin tertiäärisen rakenteen omaavaa muotoa kutsutaan PrP C :ksi ( englannin sanasta " tavallinen " tai solu "cellular"), ja tarttuvaa, epänormaalia muotoa kutsutaan PrP Sc ( englanninkielisestä sanasta scrapie [scrape] " heep scrapie ", yksi ensimmäisistä sairauksista, joilla on vakiintunut prioniluonne) [8] [9] tai PrP TSE ( englanniksi Transmissible Spongiform Encephalopathies ) [10] .
Joistakin sienistä on löydetty myös prioneja muodostavia proteiineja [11] . Useimmilla sieni-prioneilla ei ole havaittavissa olevaa negatiivista vaikutusta eloonjäämiseen, mutta edelleen käydään keskustelua sieni-prionien roolista isäntäorganismin fysiologiassa ja roolista evoluutiossa [12] . Sienten prionien lisääntymismekanismien selvittäminen osoittautui tärkeäksi nisäkkäiden vastaavien prosessien ymmärtämiseksi.
Vuonna 2016 ilmestyi raportti prioniominaisuuksien omaavien proteiinien esiintymisestä Arabidopsis thaliana -kasvissa (Talin peräsimet) [13] [14] .
Ensimmäinen avoin tarttuva spongiforminen enkefalopatia on lampaan scrapie (scrapie). Sen ensimmäiset tapaukset havaittiin Isossa-Britanniassa 1700- luvulla . Tämän taudin vuoksi lampaat kärsivät voimakkaasta kutinasta, jonka vuoksi eläinten piti jatkuvasti hieroa ( englanniksi scrape ) puita vasten, mistä taudin nimi tuli. Lisäksi lampaat kokivat kipua liikuttaessaan jalkojaan ja kärsivät vakavista kohtauksista. Kaikki nämä oireet ovat klassisia merkkejä aivovauriosta, ja tämä outo sairaus on johtanut tutkijat harhaan. Paljon myöhemmin, vuonna 1967 , Chandler ( eng. Chandler ) havaitsi, että myös hiiret voivat sairastua , mikä epäilemättä oli edistysaskel tämän taudin tutkimuksessa [15] .
1900-luvulla kuvattiin myös ihmisen prionisairauksia. Hans Gerhard Kreutzfeldt ja Alfons Maria Jakob tutkivat 1920 -luvulla uutta parantumatonta ihmisen hermoston sairautta, jonka pääoireena oli onteloiden muodostuminen aivokudokseen. Myöhemmin tämä tauti nimettiin heidän mukaansa [15] .
Vuonna 1957 Carlton Gaidusek ja Vincent Zygas kuvasivat neurologista oireyhtymää , joka on yleinen Papua-Uuden-Guinean ylängöillä asuvien Fore - ihmisten keskuudessa . Tälle taudille oli ominaista vapina , ataksia , alkuvaiheessa - athetoidiset liikkeet. Näihin oireisiin lisättiin myöhemmin heikkous, dementia , sairaus päättyi väistämättä kuolemaan [15] . Esikielellä tätä sairautta kutsutaan " kuruksi ", joka tarkoittaa käännöksessä "vapinaa" tai "pilaantumista". tällä nimellä tämä tauti tunnetaan nykyään. Kävi ilmi, että syy kurun leviämiseen oli rituaalikannibalismi , joka ei ollut harvinaista Fore -joukossa . Uskonnollisten rituaalien aikana he söivät kuolleiden sukulaistensa elimiä. Samaan aikaan lapset söivät aivot , koska uskottiin, että lapset "saivat niistä älykkyyttä". Taudin itämisaika voi olla jopa 50 vuotta, mutta kurulle erityisen herkillä tytöillä se voi olla jopa 4 vuotta tai vähemmän [15] . Kuru-taudin tarttuvan luonteen löytämisestä Carlton Gajduzek sai fysiologian tai lääketieteen Nobel-palkinnon vuonna 1976 [16] .
1960 -luvulla Lontoossa kaksi tutkijaa, radiobiologi Tikva Alper ja biofyysikko John Stanley Griffith , olettivat , että jotkin tarttuvat spongiformiset enkefalopatiat ovat kaiken proteiinin patogeenien aiheuttamia [17] [18] . Alper ja Griffith yrittivät näin selittää tosiasian, että salaperäinen tartuntatauti, joka aiheuttaa lampaiden syyhyä ja Creutzfeldt-Jakobin tautia, on erittäin kestävä ionisoivaa säteilyä vastaan . Säteilyannos, joka tarvitaan tuhoamaan puolet tartunnanaiheuttajan hiukkasista, riippuu niiden koosta: mitä pienempi sellainen hiukkanen, sitä epätodennäköisemmin varautunut hiukkanen pääsee siihen. Joten havaittiin, että prioni on liian pieni virukselle.
Francis Crick myönsi Griffithin proteiinihypoteesin merkityksen lampaan ruven leviämisen selityksessä The Central Dogma of Molecular Biology (1970) toisessa painoksessa. Vaikka Crick puolusti näkemystä, jonka mukaan tiedon kulku proteiinista proteiiniin tai proteiinista DNA :han tai RNA :han on mahdotonta, hän huomautti, että Griffithin hypoteesi sisälsi mahdollisen ristiriidan tämän kanssa (Griffith itse ei kuitenkaan käsittänyt hypoteesiaan tällä tavalla ) [19] . Myöhemmin hän muotoili hienostuneen hypoteesinsa ottaen huomioon käänteisen transkription olemassaolon, jonka David Baltimore ja Howard Temin löysivät vuonna 1970 .
Vuonna 1982 Stanley Prusiner Kalifornian yliopistosta San Franciscossa raportoi , että hänen ryhmänsä oli eristänyt hypoteettisen tartuntatautien (prionin) ja että se koostui pääasiassa yhdestä proteiinista, vaikka he eristivät tämän proteiinin vain 2 vuotta Stanley Prusinerin tapauksen jälkeen. raportti [20] . Prioneja koskevasta tutkimuksestaan Prusiner sai Nobelin fysiologian tai lääketieteen palkinnon vuonna 1997 [1] .
Prioneja muodostava proteiini (PrP) löytyy terveiden ihmisten ja eläinten kaikista kehon osista. Kuitenkin PrP:tä esiintyy sairastuneissa kudoksissa, joilla on epänormaali rakenne ja joka on resistentti proteaaseille ( proteiineja hydrolysoiville entsyymeille ). Kuten edellä mainittiin, normaalimuotoa kutsutaan PrP C :ksi ja tarttuvaa muotoa kutsutaan nimellä PrP Sc [21] . Tietyissä olosuhteissa voidaan saavuttaa enemmän tai vähemmän strukturoitujen PrP-isoformien laskostuminen in vitro , jotka kykenevät infektoimaan terveitä organismeja, vaikkakin heikommin tehokkuudella kuin eristettyinä sairaista organismeista [22] .
PrPC on normaali nisäkkään kalvoproteiini , jota PRNP - geeni koodaa ihmisissä . Ihmisen PRNP - mRNA koodaa 253 aminohappotähteen (a.a.) pitkää polypeptidiä, jota soluentsyymit lyhentävät kypsymisen aikana. PrP:n kypsä muoto koostuu 208 aminohappotähteestä ja sen molekyylipaino on 35–36 kDa [23] . Rajoitetun proteolyysin lisäksi PrP käy läpi muita translaation jälkeisiä modifikaatioita : N - glykosylaatio asemissa Asn -181 ja Asn-197, glykosyylifosfatidyyli -inositolin lisääminen Ser -230:een ja disulfidisidoksen muodostuminen Cys-179:n ja Cys-214:n välille . 24] . Kaikkiin yllä oleviin translaation jälkeisiin modifikaatioihin osallistuvat aminohappotähteet ovat erittäin konservoituneita nisäkkäissä [25] .
PrP:n tilarakenteessa erotetaan rakenteeton N-terminaalinen alue ( ihmisillä a.a. 23-125) ja pallomainen domeeni (a.a. 126-231), joka koostuu kolmesta α- kierteestä ja kaksijuosteisesta antiparalleelisesta β-levystä [26] . ] [27] .
PrP:n kalvon suhteen tunnetaan useita topologisia muotoja: kaksi on transmembraanisia ja yksi on kiinnitetty kalvoon glykolipidiankkurilla [ 28] .
PrPC C :n muodostuminen tapahtuu ER :ssä , jatkokypsyminen - Golgi-kompleksissa , josta se kuljetetaan plasmakalvoon kalvorakkuloiden avulla . Sen jälkeen se joko kiinnittyy kalvoon endosomin tuhoutumisen jälkeen tai se käy läpi endosytoosin ja tuhoutuu lysosomeissa [29] .
Toisin kuin proteiinin normaali, liukoinen muoto, prionit saostetaan nopealla sentrifugoinnilla , joka on tavallinen testi prionien esiintymiselle [8] . PrP C :llä on korkea affiniteetti kaksiarvoisia kuparikationeja kohtaan [30] . Tämän tosiasian merkitys on epäselvä, mutta sillä voi olla jotain tekemistä sen rakenteen tai toiminnan kanssa. On näyttöä siitä, että PrP:llä on tärkeä rooli solujen kiinnittymisessä , solunsisäisten signaalien välittämisessä , ja siksi se voi olla mukana aivosolujen kommunikaatiossa [31] . PrP:n toimintoja ei kuitenkaan ole tutkittu tarpeeksi.
PrP:n tarttuva isoformi - PrP Sc - pystyy muuttamaan normaalin PrPC - proteiinin tarttuvaksi isoformiksi muuttaen sen konformaatiota (eli tertiaarista rakennetta ); tämä puolestaan muuttaa PrP-vuorovaikutuksia muiden proteiinien kanssa. Vaikka PrP Sc :n tarkkaa spatiaalista rakennetta ei tunneta, on havaittu, että siinä vallitsee β-kerrokset α-helisien sijaan [32] . Nämä epänormaalit isomuodot sulautuvat hyvin rakenteellisiksi amyloidikuiduiksi, jotka kerääntyvät muodostaen plakkeja. Ei ole selvää, ovatko nämä muodostumat soluvaurion aiheuttajia vai vain patologisen prosessin sivutuote [33] . Jokaisen kuidun pää toimii eräänlaisena siemenenä, johon voi kiinnittyä vapaita proteiinimolekyylejä, minkä seurauksena fibrilli kasvaa. Useimmissa tapauksissa vain PrP-molekyylit, jotka ovat primäärirakenteeltaan identtisiä PrP Sc :n kanssa, voivat kiinnittyä (siksi prionien siirtyminen on yleensä lajikohtaista) [8] . Kuitenkin tapaukset, joissa prionien leviäminen lajien välillä on myös mahdollista [34] .
Ensimmäinen hypoteesi, joka selittää prionien lisääntymisen ilman muiden molekyylien, erityisesti nukleiinihappojen, osallistumista, oli heterodimeerinen malli [35] . Tämän hypoteesin mukaan yksi PrP Sc -molekyyli kiinnittyy yhteen PrP C -molekyyliin ja katalysoi sen muuttumista prionimuotoon. Kaksi PrP Sc -molekyyliä eroavat sitten toisistaan ja jatkavat muun PrP C :n muuntamista PrP Sc :ksi . Prionien lisääntymismallin (replikaation) pitäisi kuitenkin selittää paitsi prionien lisääntymismekanismin, myös sen, miksi prionien spontaani ilmaantuminen on niin harvinaista. Manfred Eigen ( lat. Manfred Eigen ) osoitti, että heterodimeerinen malli vaatii PrP Sc :n olevan fantastisen tehokas katalyytti: sen pitäisi lisätä normaalin proteiinin konversion taajuutta prionimuotoon 10 15 kertaa [36] . Tätä ongelmaa ei esiinny, jos oletetaan, että PrP Sc on olemassa vain aggregoituneessa (esim. amyloidi) muodossa, jossa yhteistoiminta toimii esteenä spontaanille konversiolle prionimuotoon. Lisäksi tehdyistä ponnisteluista huolimatta ei ollut mahdollista eristää monomeeristä PrP Sc :tä.
Vaihtoehtoinen fibrillaarinen malli ehdottaa, että PrP Sc on olemassa vain fibrilleinä, fibrillien pään sitoessa PrP C :tä , jossa se muunnetaan PrP Sc :ksi . Jos tämä olisi ainoa tapa, prionien määrä kasvaisi lineaarisesti. Prionisairauden edetessä PrP Sc :n määrä ja tarttuvien hiukkasten kokonaispitoisuus kuitenkin lisääntyvät eksponentiaalisesti [37] [38] [39] . Tämä voidaan selittää, jos fibrillien katkeaminen otetaan huomioon [40] . Kehossa fibrillien rikkoutumisen suorittavat chaperoniproteiinit , jotka yleensä auttavat puhdistamaan solua aggregoituneista proteiineista [41] .
Infektoivien prionihiukkasten määrän kasvunopeus määräytyy suurelta osin PrP Sc -pitoisuuden neliöjuuren perusteella [ 4 ] . Inkubointiajan kesto määräytyy kasvunopeuden mukaan, ja tämän vahvistavat in vivo -tutkimukset siirtogeenisillä hiirillä [ 4] . Sama perustavanlaatuinen riippuvuus havaitaan kokeissa eri amyloidiproteiineilla in vitro [42] .
Prionien replikaation mekanismilla on vaikutuksia lääkekehitykseen. Koska prionisairauksien itämisaika on erittäin pitkä, tehokkaan lääkkeen ei tarvitse tuhota kaikkia prioneja, riittää, kun niiden eksponentiaalista kasvua hidastetaan. Mallintaminen ennustaa, että tehokkain lääke olisi sellainen, joka sitoutuu fibrillien päihin ja estää niiden kasvun [43] .
Yksi selitys prionien aiheuttamalle neurodegeneraatiolle voi olla PrP :n toimintahäiriö . Tämän proteiinin normaali toiminta on kuitenkin huonosti ymmärretty. In vitro -tiedot viittaavat moniin erilaisiin rooleihin, ja tämän geenin knockout-hiirillä tehdyt kokeet ovat tuottaneet suhteellisen vähän tietoa, koska näillä eläimillä on vain vähäisiä poikkeavuuksia. Hiirillä tehdyt äskettäiset tutkimukset ovat osoittaneet, että PrP:n pilkkoutuminen ääreishermoissa aktivoi niiden myeliinivaipan Schwann -solujen korjauksen ja että PrP:n puuttuminen johtaa hermon demyelinaatioon [44] .
Vuonna 2005 ehdotettiin, että PrP:llä on normaalisti rooli pitkäkestoisen muistin ylläpitämisessä [45] . Lisäksi hiirillä, joista puuttuu Prnp -geeni , on muuttunut hippokampuksen pitkäaikainen tehostuminen [46] [47] .
Vuonna 2006 Whitehead Institute for Biomedical Researchin tutkijat osoittivat, että Prnp - geenin ilmentyminen hematopoieettisissa kantasoluissa edellyttää luuytimen omatoimisuutta . Eräässä tutkimuksessa havaittiin, että pitkäikäiset hematopoieettiset kantasolut kantavat PrP:tä solukalvolla, ja hematopoieettiset kudokset, joissa kantasoluista puuttuu PrP, ovat alttiimpia solujen ehtymiselle [48] .
Vakiintuneen näkökulman mukaan prionit ovat puhtaasti proteiinipitoisia tartunnanaitajia [11] . Tällä hypoteesilla ( "puhtaasti proteiinihypoteesi" ) on kuitenkin haittapuolensa, ja siksi prionien luonteesta on ilmaantunut vaihtoehtoisia mielipiteitä. Kaikkia näitä hypoteeseja käsitellään alla.
Ennen prionien löytämistä uskottiin, että kaikki tartunnanaiheuttajat käyttivät nukleiinihappoja lisääntymiseen. "Puhdas proteiini" -hypoteesi olettaa, että proteiinirakenne voi lisääntyä ilman nukleiinihappojen osallistumista. Aluksi tämän hypoteesin uskottiin olevan ristiriidassa molekyylibiologian keskeisen dogman kanssa , jonka mukaan nukleiinihapot ovat ainoa tapa välittää perinnöllistä tietoa, mutta nykyään uskotaan, että vaikka prionit pystyvät siirtämään tietoa ilman nukleiinihappojen osallistumista, ne eivät pysty siirtämään tietoa nukleiinihappoihin [11] .
Todisteet, jotka tukevat "puhtaan proteiinin" hypoteesia [49] :
Puhtasta proteiinista peräisin olevien prionien alhainen tarttuvuus in vitro on johtanut niin sanotun monikomponenttihypoteesin syntymiseen , jonka mukaan tarttuvan prionin muodostumiseen tarvitaan muita kofaktorimolekyylejä [50] .
Vuonna 2007 biokemisti Surachai Supattapone ja hänen kollegansa Dartmouth Collegesta saivat puhdistettuja tarttuvia prioneja PrP C :sta , jotka yhdessä puhdistavat lipidejä proteiinin kanssa, ja synteettisen polyanionimolekyylin [ 51] . He osoittivat myös, että prionin muodostumiseen tarvittavalla polyanionisella molekyylillä oli korkea affiniteetti PrP:tä kohtaan ja se muodosti komplekseja sen kanssa. Tämä antoi heille aiheen olettaa, että tarttuvan prionin koostumus ei sisällä vain proteiinia, vaan myös muita kehon molekyylejä, mukaan lukien lipidit ja polyanioniset molekyylit [52] .
Vuonna 2010 Ma Jiyan Ma ja kollegat Ohion osavaltion yliopistosta saivat tarttuvan prionin bakteerisolujen, POPG- fosfolipidin ja RNA:n syntetisoimasta rekombinantista PrP:stä, mikä myös vahvistaa monikomponenttihypoteesin [53] . Päinvastoin, muissa kokeissa vain heikosti tarttuvia prioneja saatiin pelkästä yhdistelmä-PrP:stä [54] [55] .
Vuonna 2012 Supattapone ja kollegat eristivät kalvolipidifosfatidyylietanoliamiinin endogeenisenä kofaktorina , joka pystyy katalysoimaan suuren määrän eri kantojen rekombinanttiprionien muodostumista ilman muiden molekyylien osallistumista [56] . He raportoivat myös, että tätä kofaktoria tarvitaan ylläpitämään tarttuvaa PrP Sc -konformaatiota ja se määrittää myös tarttuvien prionien kantaominaisuudet [57] .
"Puhdas proteiini" -hypoteesia ovat arvostelleet ne, jotka uskovat, että yksinkertaisin selitys prionisairauksille on niiden virusluonne [58] . Yalen yliopiston neurohistologi Laura Manuelidis on yli vuosikymmenen ajan yrittänyt todistaa, että prionisairauksien aiheuttaa tuntematon hidas virus . Tammikuussa 2007 hän ja hänen kollegansa ilmoittivat löytäneensä viruksen 10 %:sta (tai vähemmän) scrapien infektoituneista soluista viljelmässä [59] [60] .
Virushypoteesi väittää, että TSE:t aiheuttavat replikoituvat lähettimolekyylit (todennäköisimmin nukleiinihapot ), jotka sitoutuvat PrP :hen . TSE:ssä on tunnettuja prionikantoja, mukaan lukien naudan spongiforminen enkefalopatia ja scrapie, joille on ominaista erityiset biologiset ominaisuudet, joita virushypoteesin kannattajien mukaan ei voida selittää "puhtaan proteiinin" hypoteesilla.
Argumentit virushypoteesin puolesta [49] :
Viimeaikaiset tutkimukset naudan spongiformisen enkefalopatian leviämisestä soluttomissa järjestelmissä [61] ja kemiallisissa reaktioissa puhdistettujen komponenttien kanssa [51] vastustavat selvästi tämän taudin virusperäistä luonnetta. Lisäksi edellä mainittu Jiyan Ma [53] työ puhuu myös virushypoteesia vastaan .
Sairastuneet eläimet | Sairaudet |
---|---|
lampaat , vuohet | scrapie [62] |
lehmät | naudan spongiforminen enkefalopatia (BSE) tai hullun lehmän tauti [62] |
minkki [62] | tarttuva minkinenkefalopatia (TME) |
valkohäntäpeura , wapiti , hirvi , mustahäntäpeura [62] | Krooninen heikkous (CWD) |
kissat [62] | Kissan spongiforminen enkefalopatia (FSE) |
nyala antilooppi , oryx , suurkudu [62] | Eksoottinen sorkka- ja kavioeläinten spongiforminen enkefalopatia (EUE) |
strutsi [63] | Spongiforminen enkefalopatia (tartuntatapauksia ei ole kirjattu) |
ihmisen | Creutzfeldt-Jakobin tauti (CJD) [62] |
Iatrogeeninen Creutzfeldt-Jakobin tauti (iCJD) | |
Creutzfeldt-Jakobin taudin variantti (vCJD) | |
perinnöllinen Creutzfeldt-Jakobin tauti (fCJD) | |
satunnainen Creutzfeldt-Jakobin tauti (sCJD) | |
Gerstmann-Straussler-Scheinker-oireyhtymä (GSS) [62] | |
Fatal familiaalinen unettomuus (FFI) [64] | |
Kuru [62] |
Prionit aiheuttavat neurodegeneratiivisia sairauksia, koska ne muodostavat solunulkoisia aggregaatteja keskushermostossa ja muodostavat amyloidiplakkeja, jotka tuhoavat normaalin kudosrakenteen. Tuhoamiselle on tunnusomaista "aukkojen" (onteloiden) muodostuminen kudokseen, ja kudos saa sienimäisen rakenteen hermosolujen vakuolien muodostumisen vuoksi [65] . Muita tässä tapauksessa havaittuja histologisia muutoksia ovat astroglioosi ( astrosyyttien määrän kasvu lähellä olevien hermosolujen tuhoutumisesta) ja tulehdusreaktioiden puuttuminen [66] . Vaikka prionisairauksien itämisaika on yleensä hyvin pitkä, oireiden ilmaantuessa tauti etenee nopeasti, mikä johtaa aivovaurioon ja kuolemaan [67] . Tässä tapauksessa esiintyviä hermostoa rappeuttavia oireita voivat olla kouristukset , dementia, ataksia ( liikkeen koordinaatiohäiriö ), käyttäytymisen ja persoonallisuuden muutokset.
Kaikki tunnetut prionisairaudet, joita kutsutaan yhteisesti tarttuviksi spongiformisiksi enkefalopatioiksi (TSE), ovat parantumattomia ja kuolemaan johtavia [68] . Hiirille on kehitetty erityinen rokote , ehkä tämä auttaa kehittämään rokotteen prionisairauksia vastaan ihmisille [69] . Lisäksi vuonna 2006 tutkijat totesivat, että he olivat saaneet geenitekniikalla lehmän, josta puuttui prionien muodostumiselle välttämätön geeni, eli se on teoriassa immuuni TSE:lle [70] . Tämä johtopäätös perustuu tutkimuksen tuloksiin, jonka mukaan hiiret, joilta puuttui prioniproteiinin normaali muoto, osoittivat vastustuskykyä scrapien prionille [71] .
Prionit infektoivat monia erilaisia nisäkäslajeja, ja PrP-proteiini on hyvin samanlainen kaikissa nisäkkäissä [72] . Eri lajien PrP:iden välisistä pienistä eroista johtuen siirtyminen lajista toiseen on epätavallista prionisairauksille. . Ihmisen prionitaudin muunnelman (Creutzfeldt-Jakobin tauti) aiheuttaa kuitenkin prioni, joka yleensä vaikuttaa lehmiin ja aiheuttaa naudan spongiformista enkefalopatiaa, joka tarttuu saastuneen lihan välityksellä [73] .
Uskotaan, että prionisairaus voidaan saada kolmella tavalla: suoran infektion tapauksessa perinnöllisesti tai satunnaisesti (spontaanisti) [74] . Joissakin tapauksissa taudin kehittyminen edellyttää näiden tekijöiden yhdistelmää [75] . Esimerkiksi scrapien kehittyminen edellyttää sekä infektiota että genotyyppispesifistä herkkyyttä [76] . Useimmissa tapauksissa prionisairaudet ilmaantuvat spontaanisti tuntemattomista syistä [77] . Perinnölliset sairaudet muodostavat noin 15 % kaikista tapauksista [10] . Lopuksi vähemmistö on seurausta ympäristön vaikutuksesta, eli ne ovat luonteeltaan iatrogeenisia tai ne ilmenevät prioniinfektion seurauksena [10] .
Spontaani tapahtumaSatunnainen (eli spontaani) prionisairaus esiintyy populaatiossa satunnaisessa yksilössä. Tällainen on esimerkiksi Creutzfeldt-Jakobin taudin klassinen versio . Prionisairauksien spontaanista alkamisesta on olemassa kaksi päähypoteesia. Ensimmäisen mukaan aivojen tähän asti normaalissa proteiinissa tapahtuu spontaani muutos, eli tapahtuu translaation jälkeistä modifikaatiota [10] . Vaihtoehtoinen hypoteesi väittää, että yksi tai useampi kehon solu jossain vaiheessa läpikäy somaattisen mutaation (eli ei periyty) ja alkaa tuottaa viallista PrP Sc -proteiinia [78] . Oli miten oli, prionisairauksien spontaanin esiintymisen spesifistä mekanismia ei tunneta [10] .
PerinnöllisyysNormaalia PrP - proteiinia PRNP koodaava geeni tunnistettiin [79] 20. kromosomissa . Kaikissa perinnöllisissä prionisairauksissa on mutaatio tässä geenissä. Tästä geenistä on eristetty monia erilaisia mutaatioita (noin 30 [10] ), ja tuloksena olevat mutanttiproteiinit laskostuvat todennäköisemmin epänormaaliin (prioni)muotoon [76] . Kaikki tällaiset mutaatiot periytyvät autosomaalisesti dominantilla tavalla [10] . Tämä löytö paljasti reiän yleisessä prioniteoriassa, että prionit voivat prionisoida vain proteiineja, joilla on identtinen aminohappokoostumus. Mutaatioita voi tapahtua koko geenissä. Jotkut mutaatiot johtavat oktapeptiditoistojen venymiseen PrP -proteiinin N-päässä . Muita perinnölliseen prionisairauteen johtavia mutaatioita voi esiintyä kohdissa 102, 117 ja 198 ( Gerstmann-Straussler-Scheinker-oireyhtymä ), 178, 200, 210 ja 232 ( Creutzfeldt-Jakobin tauti ) ja 178 ( familiaalinen kuolemaan johtanut insom ).
TartuntaNykyisen tutkimuksen mukaan prionisairauksien pääasiallinen tartuntareitti on saastuneen ruoan syöminen. Uskotaan, että prionit voivat jäädä ympäristöön kuolleiden eläinten jäänteisiin, ja niitä on myös virtsassa , syljessä ja muissa kehon nesteissä ja kudoksissa. Tästä syystä prionien aiheuttama infektio voi tapahtua myös ei-steriilien kirurgisten instrumenttien käytön aikana (katso tämä kohta "Sterilointi"). Ne voivat myös säilyä maaperässä pitkään sitoutumalla saveen ja muihin maaperän mineraaleihin [80] .
Kalifornian yliopiston tutkijaryhmä , jota johtaa Nobel-palkittu Stanley Prusiner , osoitti, että prioniinfektio voi kehittyä lannan sisältämistä prioneista [81] . Ja koska lantaa on monien vesistöjen ympärillä ja laitumilla, tämä tarjoaa mahdollisuuden prionisairauksien laajalle leviämiselle. Vuonna 2011 raportoitiin ilmassa olevien prionien löytämisestä aerosolihiukkasista (eli ilmassa olevista pisaroista) [82] . Tämä löytö tehtiin tartunnan saaneilla scrapie-hiirillä tehdyssä kokeessa . Myös vuonna 2011 julkaistiin alustavia todisteita siitä, että prionit voivat tarttua virtsasta peräisin olevan ihmisen menopausaalisten gonadotropiinien kanssa, jota käytetään hedelmättömyyden hoitoon [83] .
SterilointiNukleiinihappoja sisältävien tartunta-aineiden lisääntyminen riippuu nukleiinihapoista. Prionit kuitenkin lisäävät lukumääräänsä muuttamalla proteiinin normaalin muodon rakenteen prionimuotoon. Siksi prioneja vastaan tehtävän steriloinnin tulee sisältää niiden denaturaatio siihen pisteeseen, jossa ne eivät pysty muuttamaan muiden proteiinien konfiguraatiota. Prionit ovat enimmäkseen resistenttejä proteaaseille, korkeille lämpötiloille, säteilylle ja formaliinissa varastoitukselle [84] , vaikka nämä toimenpiteet vähentävät niiden tarttuvuutta. Tehokkaan desinfioinnin prioneja vastaan tulisi sisältää prionien hydrolyysi tai niiden tertiäärisen rakenteen vahingoittaminen/tuhoaminen. Tämä voidaan saavuttaa käsittelemällä valkaisuaineella , natriumhydroksidilla ja voimakkaasti happamilla pesuaineilla [85] . Oleskelu 18 minuuttia 134 °C:ssa suljetussa höyryautoklaavissa ei voi deaktivoida prioneja [86] [87] . Otsonisterilisaatiota tutkitaan parhaillaan mahdollisena menetelmänä prionien deaktivoimiseksi ja denaturoimiseksi [88] . Täysin denaturoidun prionin renaturoitumista tarttuvaan tilaan ei ole kirjattu, mutta osittain denaturoitujen prionien osalta tämä on mahdollista joissakin keinotekoisissa olosuhteissa [89] .
Viimeaikaisten tutkimusten mukaan aivojen raskasmetalliaineenvaihdunnan häiriöllä on tärkeä rooli PrP Sc :hen liittyvässä neurotoksisuudessa , vaikka tämän kaiken takana olevaa mekanismia on vaikea selittää tähän mennessä saatavilla olevien tietojen perusteella. On olemassa hypoteeseja, jotka selittävät tämän ilmiön sillä tosiasialla, että PrP C :llä on jokin rooli metallien aineenvaihdunnassa, ja sen häiriö, joka johtuu tämän proteiinin (PrP Sc :n muodossa ) aggregoitumisesta fibrilleiksi, aiheuttaa epätasapainon raskasmetallien aineenvaihdunnassa aivoissa. . Toisen näkökulman mukaan PrP Sc :n toksisuus lisääntyy johtuen PrP C -sitoutuneiden metallien sisällyttämisestä PrP Sc -aggregaatteihin, mikä johtaa PrP Sc -kompleksien muodostumiseen redox - aktiivisuudella. Joidenkin PrPC - metallikompleksien fysiologinen merkitys tunnetaan, kun taas toisten ei. PrP C -sitoutuneiden metallien patologisia vaikutuksia ovat metallin aiheuttamat oksidatiiviset vauriot ja joissakin tapauksissa PrP C :n muuntuminen PrP Sc :n kaltaiseen muotoon [90] .
Tietokonesimulaatioiden avulla tiedemiehet ovat löytäneet yhdisteitä , jotka voisivat olla parannuskeino prionisairauksiin. Esimerkiksi yksi yhdiste voi sitoutua PrP C :n syvennykseen ja stabiloida sen rakennetta vähentäen haitallisen PrP Sc :n määrää [91] .
Viime aikoina on kuvattu prionien vastaisia vasta -aineita , jotka voivat ylittää veri-aivoesteen ja vaikuttaa sytosolisiin prioneihin [92] .
1900-luvun viimeisellä vuosikymmenellä edistyttiin jonkin verran prionien tarttuvuuden inaktivoinnissa lihassa ultrakorkealla paineella [93] .
Vuonna 2011 havaittiin, että jäkälät voivat hajottaa prioneja [94] [95] .
Suuri käytännön merkitys on prionisairauksien, erityisesti naudan spongiformisen enkefalopatian ja Creutzfeldt-Jakobin taudin diagnosointiongelmalla. Niiden itämisaika vaihtelee kuukaudesta vuosikymmeniin, jolloin henkilö ei koe oireita, vaikka normaalien PrP C -aivoproteiinien muuntaminen PrP Sc -prioneiksi olisi jo alkanut. Tällä hetkellä ei ole käytännössä mitään tapaa havaita PrP Sc :tä paitsi tutkimalla aivokudosta neuropatologisilla ja immunohistokemiallisilla menetelmillä kuoleman jälkeen. Prionisairauksille tyypillinen piirre on PrP-proteiinin prionimuodon PrP Sc kerääntyminen , mutta sitä on hyvin pieninä pitoisuuksina helposti hankittavissa kehon nesteissä ja kudoksissa, kuten veressä ja virtsassa. Tutkijat ovat yrittäneet kehittää menetelmää PrP Sc :n osuuden mittaamiseksi , mutta vieläkään ei ole täysin tunnustettuja menetelmiä materiaalien, kuten veren, käyttämiseksi tähän tarkoitukseen.
Vuonna 2010 New Yorkin tutkijaryhmä kuvasi tavan havaita PrP Sc , vaikka sen osuus aivokudoksesta on yksi sadasta miljardista (10 −11 ). Tämä menetelmä yhdistää monistamisen uuteen teknologiaan nimeltä Surround Optical Fiber Immunoassay ( SOFIA ) ja joihinkin spesifisiin anti-PrP Sc -vasta-aineisiin . Monistuksen jälkeen kaiken näytteessä mahdollisesti olevan PrP Sc : n konsentroimiseksi näyte leimataan fluoresoivalla vasta-ainevärillä spesifisyyden vuoksi ja lopuksi ladataan mikrokapillaariputkeen. Sitten tämä putki asetetaan erityiseen laitteeseen siten, että se on kokonaan optisten kuitujen ympäröimä ja kaikki putkeen säteilevä valo absorboituu väriaineeseen, joka on aiemmin viritetty laserilla . Tämä tekniikka mahdollistaa PrP Sc :n havaitsemisen jopa muutaman prionimuotoon muuntamisen syklien jälkeen, mikä ensinnäkin vähentää mahdollisuutta vääristää tulosta kokeellisten artefaktien takia ja toiseksi nopeuttaa menettelyä. Tutkijat käyttivät tätä tekniikkaa tutkiakseen sellaisten näennäisesti terveiden lampaiden verta, jotka olivat todella saaneet scrapie-tartunnan. Kun sairaus tuli ilmi, myös heidän aivonsa tutkittiin. Siten tutkijat pystyivät vertaamaan veri- ja aivokudoskokeita eläimistä, joilla oli sairauden oireita, piilevää sairautta ja tartunnan saamattomia. Tulokset osoittivat selvästi, että yllä kuvattu tekniikka mahdollistaa PrP Sc :n havaitsemisen elimistössä kauan ennen ensimmäisten oireiden ilmaantumista [96] [97] .
Astemitsolissa on havaittu antiprioniaktiivisuutta [ 98] .
[PSI+]-prionien muodostuminen poistaa ade1 -geenin mutaatiosta johtuvan punaisen pigmentin kertymisen (alhaalla), jolloin hiivapesäkkeet muuttuvat valkoisiksi (ylhäällä) |
Reed Wickner löysi Saccharomyces cerevisiae -hiivasta 1990 - luvun alussa proteiinit, jotka pystyvät perimään konformaationsa eli ei-Mendelin perinnön . Koska nämä vaihtoehtoiset periytyneet proteiinikonformaatiot muistuttavat nisäkäsprioneja, ne on nimetty hiivaprioneiksi. Myöhemmin prioneja löydettiin myös Podospora anserina -sienestä .
Susan Lindquistin ryhmä Whitehead - instituutissa on osoittanut , että jotkut sieni-prionit eivät liity mihinkään sairaustilaan, mutta niillä voi olla hyödyllinen rooli. NIH:n tutkijat ovat kuitenkin esittäneet todisteita siitä, että sieni-prionit voivat vähentää solujen elinkelpoisuutta [99] . Siksi kysymys siitä, ovatko sieni-prionit sairauksia aiheuttavia aineita vai onko niillä jokin hyödyllinen rooli, jää ratkaisematta [100] .
Vuodesta 2012 lähtien sienissä tunnetaan 11–12 prionia, mukaan lukien: seitsemän Saccharomyces cerevisiaessa ( Sup35 , Rnq1 , Ure2 , Swi1 , Mot3 , Cyc8 , Sfp1 , Mca1 ' , vakuolaarinen proteaasi B ja yksi Modinapora ) -s , MAP-kinaasit ).
Näistä translaation lopetustekijä Sup35 ( eRF3- homologi) on parhaiten tutkittu . Soluja, joissa on Sup35:n prionimuotoa, kutsutaan [PSI+]-soluiksi (katso ill.). Tällaisilla soluilla on muuttunut fysiologinen tila ja joidenkin geenien muuttunut ilmentymistaso, mikä teki mahdolliseksi esittää hypoteesin, että prionien muodostumisella hiivassa voi olla mukautuva rooli [101] .
Mca1-prionin löytöä koskeva artikkeli hylättiin myöhemmin, koska kokeen tuloksia ei ollut mahdollista toistaa [102] . Erityisesti useimmat sieni-prionit perustuvat glutamiinia / asparagiinia sisältäviin toistoihin, lukuun ottamatta Mod5 :tä ja HET: tä .
Sieniprioneja koskevat tutkimukset tukevat vakuuttavasti "puhtaan proteiinin" hypoteesia, koska puhdistetut proteiinit, jotka eristettiin soluista, joissa on prionimuodossa olevia proteiineja, osoittivat kyvyn järjestää normaalimuodon proteiineja prionimuotoon in vitro ja samalla ominaisuudet. tästä prionikannasta säilyvät. Jonkin verran valoa saatiin myös prionidomeeneihin , toisin sanoen proteiinidomeeneihin , jotka muuttavat toisen proteiinin konformaatiota prioniksi. Sieniprionit ovat auttaneet tarjoamaan mahdollisen mekanismin siirtymiselle normaalista prioniin, joka koskee kaikkia prioneja, vaikka sieni-prionit eroavat tarttuvista nisäkäsprioneista siinä, että niiltä puuttuu lisääntymiseen tarvittava kofaktori . Prionidomeenin ominaisuudet voivat vaihdella eri lajeissa. Esimerkiksi sieni-prionien prionidomeeneille luontaisia ominaisuuksia ei löydy nisäkäsprioneista.
Kuten edellä mainittiin, sieni-prionit, toisin kuin nisäkkäiden prionit, siirtyvät seuraavalle sukupolvelle. Toisin sanoen sienillä on prionien (proteiinin) periytymismekanismi , joka voi toimia elävänä esimerkkinä todellisesta sytoplasmisesta periytymisestä [11] .
Prionisienet | |||||
---|---|---|---|---|---|
Proteiini | Hallita | normaali toiminta | Prionimuoto | Prionifenotyyppi _ | Avausvuosi |
Ure2p | S. cerevisiae | Typenoton estäjä _ | [URE3] | Kyky absorboida ureidosukkinaattia typen lähteenä [11] | 1994 |
Sup35p | S. cerevisiae | Käännöksen päätekerroin | [PSI+] | Lopetuskodonien lukutiheyden lisääminen | 1994 |
HET-S | P. anserina | Sytoplasmisen yhteensopimattomuuden tekijä [11] | [Het-s] | Heterokaryonin muodostuminen vain yhteensopivien kantojen välillä | 1997 |
Vakuolaarinen proteaasi B | S. cerevisiae | Lyhentynyt solujen elinikä, meioottiset häiriöt | [β] | Solujen proteiinien hajoamishäiriöt nälänhädän olosuhteissa | 2003 |
MAP-kinaasit | P. anserina | Lisääntynyt pigmentti , hidas kasvu | [C] | 2006 | |
Rnq1p | S. cerevisiae | Tekijä, joka lisää prionien muodostumista | [RNQ+], [PIN+] | Edistää muiden proteiinien aggregaatiota | |
Mca1* | S. cerevisiae | Oletettu hiivakaspaasi _ | [MCA+] | tuntematon | 2008 |
Swi1 | S. cerevisiae | Muutos kromatiinin konformaatiossa | [SWI+] | Joidenkin hiililähteiden heikko kasvu | 2008 |
Cyc8 | S. cerevisiae | Transkription repressori | [OKT+] | Monien geenien transkription derepressio | 2009 |
Mot3 | S. cerevisiae | Ydintranskriptiotekijä _ | [MOT3+] | Anaerobisten geenien transkription derepressio | 2009 |
Sfp1 [103] | S. cerevisiae | Oletettu transkription säätelijä | [ISP+] | Antisuppressio | 2010 |
Mod5 [104] | S. cerevisiae | [MOD+] | 2012 |
' on vahvistamaton löytö.
Sanakirjat ja tietosanakirjat | ||||
---|---|---|---|---|
|
_ _ | Subviruspartikkelit|
---|---|
|