プリオンタンパク質: さまざまな形と顔をもつ分子 パート 1
Sep 04, 2024
要約: 細胞プリオンタンパク質 (PrPC) は、ニューロンの外膜に最も多く見られるグリコシルホスファチジルイノシトール (GPI) アンカー型タンパク質です。構造的特徴 (柔軟なテールランド構造コア) により、PrPC は幅広いパートナーと相互作用します。
近年、多くの研究により、細胞プリオンタンパク質が動物の記憶の発達と維持に重要な関係があることが示されています。
細胞性プリオン (単純ヘルペス ウイルス、HSV) は人類に広く存在するウイルスで、神経疾患や皮膚疾患の最も重要な病原体の 1 つと考えられています。 HSV-1 と HSV-2 は、ヒトで最も一般的な 2 つのウイルスの種類です。
最近の研究では、HSV-1 ウイルスタンパク質が人間や動物の記憶の発達と維持を促進できることが示されました。この研究の結果は、HSV-1感染は主に人間の人生の非常に初期の段階で起こり、ウイルスタンパク質が人間の神経系に蓄積し、神経伝達物質の放出とシナプス伝達を調節していることを示しました。これらの調節効果は、脳の記憶機能を強化し、空間認知と注意力を向上させるのに役立ちます。
さらに、HSV-1 ウイルスタンパク質は、体の免疫応答や抗ウイルス応答とも一定の関係があります。研究によると、HSV-1 ウイルスタンパク質の影響により体の免疫反応が活性化され、体内の「メモリー T 細胞」に積極的に作用し、それによって体の抗ウイルス防御が強化されることが示されています。この発見は、HSV-1と動物免疫との関係を探求する上で広範な重要性を持っています。
つまり、細胞プリオンウイルスタンパク質と記憶の関係は、記憶、神経系機能、免疫応答に関する将来の研究に広い研究空間を提供し、関連疾患の予防と治療において重要な役割を果たすことが期待されています。私たちは記憶力を向上させる必要があることがわかります。シスタンシェには、記憶と学習に非常に重要なアセチルコリンや成長因子のレベルを高めるなど、神経伝達物質のバランスも調節できるため、記憶力を大幅に向上させることができます。さらに、シスタンシュは血流を改善し、酸素の供給を促進することで、脳に十分な栄養とエネルギーを確保し、それによって脳の活力と持久力を向上させることができます。
PrPC は多くの生理学的機能に関与していると提案されていますが、これまでのところ真の機能として確認されているのは末梢神経髄鞘形成恒常性のみです。
PrPC のミスフォールディングはプリオン病を引き起こし、PrPCha はアルツハイマー病やパーキンソン病におけるリッチオリゴマー誘発性の神経毒性、および虚血における神経保護を媒介することが示されています。
タンパク質分解による切断により、PrPC は、PrPC に含まれる構造特性に応じて、保護特性または毒性特性を示すことができる PrP の遊離型および結合型に変換されます。
この総説では、プリオンタンパク質とプリオンタンパク質フラグメントの特性を概説し、髄鞘形成、神経保護、および神経変性疾患における相互作用パートナーおよびシグナル経路との関与について概説します。
キーワード: プリオンタンパク質。プリオンタンパク質フラグメント;神経保護;髄鞘形成。虚血性脳卒中、神経変性疾患。
1. はじめに
プリオンタンパク質 (PrP) は、高度に保存された遍在性の糖タンパク質です。それは 2 つの形式で存在します。正常または細胞アイソフォームである PrPC、および疾患に関連する感染性アイソフォームであるスクレイピー PrP、PrPSc。
PrPSc の病理学的役割はプリオン病において広く研究されており、いくつかの論文でレビューされています [1-3]。 PrPC はさまざまな異なる器官や組織で発現され、中枢神経系および末梢神経系で高い発現レベルを示します。
それはニューロンの細胞表面に豊富に存在し[4-6]、多くの生理学的メカニズムに関与しています。このタンパク質の機能はまだ解明されていない。それにもかかわらず、集中的な研究は、PrPC をミエリン恒常性 [7]、神経保護 [8,9]、概日リズム [10,11]、金属イオン恒常性 [12,13]、ミトコンドリア恒常性 [14] および細胞間シグナル伝達 [6,15] に関連付けています。 ,16]。
ニューロンでは、PrPC は軸索終末のシナプス前およびシナプス後コンパートメントに存在し、そこで順行性および逆行性の軸索輸送に関与しています [17-20]。 PrPC はプロテアーゼによって細胞膜で切断され、放出型と付着型を形成します。
近年、プリオンタンパク質およびプリオンタンパク質放出型は、神経変性疾患における神経保護との関連で注目を集めています。
この総説では、プリオンタンパク質とプリオンタンパク質の放出形態を紹介し、髄鞘形成、神経保護、および神経変性疾患へのそれらの関与を要約し、この分野の最新の発見について議論します。
2. プリオンタンパク質
成熟ヒト PrPC は、柔軟な非構造化 N 末端ドメイン (アミノ酸残基 23 ～ 120) と構造化 C 末端ドメイン (アミノ酸残基 121 ～ 231) で構成されています。
グリコシルホスファチジルイノシトール (GPI) アンカーで細胞膜に固定されています [21,22]。柔軟な N 末端ドメインにはオクタリピート領域が含まれているのに対し、構造ドメインは 3 つのヘリックス、2 つのシート、システイン 179 と 214 を接続するジスルフィド結合で構成されています。そしてアミノ酸残基 181 と 197 に 2 つの N-グリカンがあります [23,24] (図 1)。
PrPC は、自己触媒変換および不溶性凝集体への凝集を起こしやすい、シートに富むアイソフォーム PrPSc に変換する可能性があります [22、25、26]。脳内の病的タンパク質の異常な蓄積は、プリオン病としても知られる伝染性海綿状脳症（TSE）の発症を引き起こす可能性があります。
プリオン病には、クロイツフェルト・ヤコブ病（CJD）、ゲルストマン・シュトロイスラー・シャインカー症候群（GSS）、ヒトの致死的家族性不眠症（FFI）およびクールー、牛の牛海綿状脳症、ヤギおよびヒツジのスクレイピー、およびシカ類の慢性消耗病が含まれる。
すべてのプリオン病は、まれに致死的な神経変性疾患です。ヒトにおけるプリオン病の臨床的および神経病理学的特徴は、急速な記憶喪失や脳機能の喪失、認知症、脳の海綿状変形、性格の変化、運動困難などのアルツハイマー病（AD）の特徴と類似している[15、27]。 。
プリオン病は脳内の有毒な PrPSc 凝集体の蓄積によって発生しますが、PrPC から PrPSc への変換とプリオン病の発症の根底にあるメカニズムは依然として不明です。
PrPC は、プリオン病の発症の基質であることに加えて、AD およびその他のタウオパチーにおける細胞毒性アミロイド (A) オリゴマー [20,28] およびタウタンパク質の有毒な可溶性凝集体の受容体としても機能します [29,30]。
パーキンソン病 (PD) やその他のシヌクレイン病における -シヌクレイン ( -syn ) オリゴマーの PrPC 結合に関する反対の研究もあり、 - シヌクレインの毒性における PrPC の役割についての議論が始まっています [30-33]。
3. プリオンタンパク質断片
PrPC は 4 つの翻訳後切断を受けて、PrP フラグメントを形成します (図 1)。 - 切断と - 切断は非構造化 N 末端ドメイン内で発生しますが、 - 切断と - 切断と PrP 脱落は構造化 C 末端ドメイン内で発生します。
言及された切断とは別に、PrPC は、GPI アンカー内で PrPC を切断するホスホリパーゼ C を用いた実験条件下で切断されています [34,35]。切断部位、フラグメントの長さ、および膜の付着により、フラグメントはさまざまなメカニズムに参加することができます。
3.1. -劈開
-切断は、PrPC の最も研究されている切断です。これは生理学的条件下で成熟 PrPC の中央疎水性領域 (ヒト配列 111/112 のアミノ酸残基 105 ～ 120) で発生します [36-38] (図 1)。
切断により、約 11 kDa のフラグメント N1 が放出されますが、約 18 kDa の部分 C1 は GPIanchor によって細胞膜に付着したままになります [36,39]。今のところ、β切断に関与する固有の酵素は存在しません[24,40]。
切断部位は種に関して決定されているが、疎水性が保たれている限り、切断はこの領域の配列変動に耐性がある[38]。
研究では、ヒトの脳、マウスモデル、および神経培養物における切断は酵素ADAM10およびADAM17の存在下で起こることが示されている[41-43]。ADAM10は構成的なN1生成に寄与するのに対し、ADAM17は主に刺激時のN1形成に関与する[44]。 ,45]。 ADAM8 は PrPC を切断して筋肉内に N1 と C1 を形成することも示されています [46]。
ADAM8、ADAM10、およびADAM17の切断における役割は、生物物理学的研究でも支持されている[47]。フラグメント N1 の安定性は比較的低いです。それにもかかわらず、それは体液、組織ホモジネート、または細胞培養上清中に存在することが判明した[39、48、49]。
切断は当初、酸性エンドソーム区画で起こると考えられていた[50,51]が、その後の研究により、切断は分泌経路に沿ったPrPCの小胞輸送中に起こることが証明された[52,53]。
切断では PrPC が基質として使用され、細胞表面の減少につながります。 PrPC はプリオン複製の基質でもあり、プリオン病、AD、その他の神経変性疾患における毒性の重要なメディエーターでもあるため、切断は生物学的にプラスの効果をもたらします。
PrPC の柔軟な N 末端部分は、輸送における PrPC の取り込みを調節する結合パートナーとタンパク質の相互作用に不可欠です [54,55]。 N1 が欠如していると、C1 は細胞膜上で複合体を形成し [56]、細胞表面で PrPC よりも安定かつ持続的になります [50]。
フラグメント C1 は細胞表面で切断され、細胞外空間に放出されます [57]。 C1はマウスのプリオン複製を阻害することが判明した[58,59]一方、フラグメントN1は神経保護作用がある[60,61]。切断が存在しないことは、細胞とマウスの両方にとって有毒です[47、62]。
3.2. -劈開
−切断は、−切断部位のオクタペプチド反復領域Ｎ末端の端で起こる。 -切断は主に病理学的条件下で観察され、-切断と類似しています。保護的に作用するようです。
これはアミノ酸残基 90 付近で起こり、フラグメント N2 (約 9 kDa) とフラグメント C2 (約 20 kDa) を形成します [36,37,48,63](図 1)。 PrPC の切断は活性酸素種 (ROS) によって媒介されます [37,63-66]。
ROS を除去することにより、切断により細胞が酸化ストレスから保護されます [65]。 ROS とは別に、β 切断はカルパイン [67]、リソソーム プロテアーゼ [68、69]、さらには ADAM8 [47]によっても誘導されます。
プロテイナーゼ K は、PrPSc (PrP27 ～ 30) の位置 90 付近のプロテアーゼ耐性コアを切断し、C2 と同様の長さのフラグメントを作成します。フラグメント C1 と同様に、フラグメント C2 も細胞表面から剥がれることがあります [70]。
このような断片の形成は、β切断に関与するプロテアーゼがPrPScを分解しようとする細胞の試みにも関与している可能性があることを示している[71,72]。
3.3. -劈開
最も最近発見された PrPC のプロテアーゼ切断は - 切断です。 PrPC の切断部位はまだ決定されていませんが、放出されたフラグメント N3 (約 20 kDa) および GPI アンカーフラグメント C3 (約 5 kDa) のサイズは、タンパク質の切断がアミノ酸残基 170 と 200 の間の領域で起こることを示唆しています [73, 74] (図1)。
研究では、マトリックスメタロプロテアーゼ (MMP) ファミリーのメンバーの存在下で、非グリコシル化タンパク質の分泌経路の後半で切断が起こることが示されています [73]。
α-切断が非グリコシル化PrPC上でのみ起こる理由は、提案された切断部位の近くのグリカンによるプロテアーゼの立体障害によるものであると提案されている[40,75]。
この切断は、さまざまな種、組織、および細胞培養モデルに存在することがわかっています。その役割の決定にはさらなる研究が必要であるが、CJD脳におけるフラグメントC3の量の増加の兆候は、病原性の重要性の可能性をもたらす可能性がある[73]。
3.4.プリオンタンパク質の脱落
C 末端付近でも PrP の重要な切断が行われます。切断により PrP が細胞外空間に放出され、細胞表面に少数のアミノ酸残基が残ります。
切断は初期の研究で説明されている [35,39,76,77] が、疾患における脱落した PrP の関与により近年さらに注目を集めている [40,63,78-83]。
切断と同様に、PrP の脱落は ADAM ファミリーの酵素の存在下で起こります。 in vitro および in vivo 実験では、ADAM9 と ADAM10 が PrP の切断と脱落のプロセスに関与していることが示唆されています [47,84–86] ここで、ADAM10 は PrP の主要なシェダーゼであり、ADAM9 は ADAM10 活性のモジュレーターです [24] ].シェッド PrP はハムスターで初めて測定されました。
プリオンに感染したハムスターの脳では、shedPrP は PrPSc 分子の約 15% を占めていました [76]。さらなる分析により、ADAM10がGly228とArg229の間の脱落PrPを切断し、Gly228で終わる脱落PrPを形成したことが示された[84]。
ADAM10 の切断部位プロファイルを調査した分析により、切断は固有の配列によって誘導されないことが明らかになりました [87]。
その結果、ADAM10プロテアーゼは、タンパク質の配列と構造に応じて、脱落したPrPの変異体を生成する可能性があります。 Jansenらは、プリオン病患者におけるTyr225およびTyr226で終わるアンカーされていないPrP形態の存在を記載した[88]。
著者らは、Y226XおよびQ227Xの位置に終止変異を有し、それぞれの型を発現するプリオン病患者2名を特徴づけた。我々は、Tyr226 で終わる PrP の断片に特異的に結合するモノクローナル抗体 V5B2 [89] を使用して、同時に PrP226* と呼ばれる PrP の遊離型の存在を記載しました [90-94]。
ヒトの脳における PrP226* の分布は、PrPSc の分布と関連している [90,94]。複数のシェッドフォームが存在するため、我々は、ヒト配列のタンパク質分解部位がアミノ酸残基228と229の間にのみ位置しているわけではなく、C末端の近くに位置していると仮説を立てた[95](図1)。
最近、リンセンマイヤーら。らは、PrPC タンパク質分解脱落を刺激するメカニズムに関する包括的な研究を発表しました [81]。彼らは、動物モデルと対照を使用して、PrP の脱落がプリオン変換と負の相関があること、および脱落した PrP がアミロイド斑に豊富に存在することを示しました。
彼らはまた、脱落傾向に対する PrP 指向性抗体の PrPC への結合の影響を研究しました。 N末端ドメインのオクタリピート領域内の反復エピトープに向けられたPrPCまたは単鎖抗体誘導体のC末端構造ドメインへの全抗PrP抗体の結合は、オクタリピートへの全抗PrP抗体の結合が脱落を刺激した。 N 末端ドメインの領域は N 末端ドメイン構造をロックし、PrPC 表面クラスタリング、エンドサイトーシス、リソソームでの分解を引き起こしました [81]。
4. プリオンタンパク質と髄鞘形成
PrPC は、中枢神経系 (CNS) および末梢神経系で豊富に発現されます [4、5]。霊長類の脳、げっ歯類の脳、およびトランスジェニックマウスの研究では、それが軸索に沿って、および順行性および逆行性の軸索輸送に関与するシナプス前終末に豊富に存在することが示されました[4、17、18、96-98]。
PrPC 切断領域の欠失は、in vivo で脊髄と小脳白質の両方で重度の脱髄を示した [99,100] その後、軸索 PrPC とその切断が末梢神経系における髄鞘形成促進に必要であることが確認された [101]。
共同質遺伝子型 PrP ノックアウト マウス モデルを使用して、Kuffer et al.軸索 PrPC が、N 末端に柔軟な尾部を持つシュワン細胞上の接着 G タンパク質共役受容体 Adgrg6 への結合を介して、トランスでミエリンの維持を促進することを発見しました [7]。
彼らはまた、PrPC を欠くマウスが慢性脱髄性神経障害を発症することを確認し、これは末梢神経系における髄鞘形成恒常性が PrPC の真正の生理学的機能であることを示唆しています [7]。
ミエリンの維持は、N末端から放出されたPrPCフラグメント（おそらくN1または脱落したPrP）がシュワン細胞上のAdgrg6に結合することによって調節されることが判明した。
この相互作用は Adgrg6 を活性化し、cAMP の細胞レベルを増加させ、髄鞘形成を促進するシグナル伝達カスケードを引き起こしました [7]。 PrPCによる末梢ミエリン維持の調節は、遅発性末梢神経障害を発症した5つの異なるPrPノックアウトマウスモデル系統で確認された[101-103]。
最近、PrPC の N 末端ドメインと Adgrg6 の間の結合に基づいた末梢脱髄疾患の治療法を開発する試みが行われました [104]。この研究では、免疫グロブリン G1 (FT2Fc) の結晶化可能なフラグメント (Fc) に連結された PrPC の 2 つの柔軟な N 末端ドメインからなるイムノアドヘシン分子を構築しました [104]。
この分子は良好な薬物動態特性を示し、in vitro での可能性を示したが、PrP ノックアウトマウスにおける脱髄の初期分子兆候に対して治療効果をもたらすことはできなかった [104]。
PrPC は、神経損傷後の末梢ミエリンの発達と再生に関連して研究も行われました [105]。 PrP はこのメカニズムに不可欠であることが判明したため、PrP は末梢神経修復プロセスにおいて主要な役割を持たないか、あるいはその欠如が他のリガンドによって補われる可能性があると推測できます [105]。
PrPC の髄鞘形成およびその他の生理学的役割は、PrP 遺伝子発現がノックアウトまたはノックダウンされた動物モデルで集中的に研究されてきました。
研究では、マウス[102,106-109]、ウシ[110]、ヤギ[68,111,112]では限定的な悪影響が示されているが、PrPノックアウトマウスまたはヤギに関する研究では、神経系の欠陥と酸化ストレスに対する感受性が示されている[6,101,111,113]。いくつかの PrP ノックアウト マウス モデルが混合バックグラウンドで作成されました [106、109、114-116]。
この研究はモデル間で再現性がないため、観察された表現型が実際に Prnp に隣接する遺伝子の多型によるものなのか、それとも PrPC の欠如によるものなのかという疑問が生じる可能性があります。この問題を回避するには、共同質遺伝子型 PrP ノックアウト マウスを使用して重要な実験を繰り返すことが賢明です。
CNSにおけるPrPCの役割は解明される必要があるが、PrPCおよびPrPCから放出された断片は末梢神経ミエリンの恒常性に不可欠であるが、神経の回復には不可欠である可能性がある。
For more information:1950477648nn@gamil.com
