PRNP ili prionski protein je ljudski gen koji kodira glavni prionski protein PrP (proteaza-rezistentni-protein, Pr od prion, + P od protein), znan i kao CD230 (klaster diferencijacije 230). Ekspresija proteina je najdominantnija u nervnom sistemu, ali se javlja i u mnogim drugim tkivima u tijelu.
Protein može postojati u više izoformi, normalni PrPC i proteaza rezistentnim oblicima označenim kao PrPRes, poput obrasca bolesti PrPSc (scrapie) i izoforma koja se nalazi u mitohondrijama. Pogrešno savijena verzija PrPSc povezana je sa raznim kognitivnim poremećajima i neurodegenerativnim bolestima, kao što su životinje: ovca grebanje, goveđa spongiformna encefalopatija (BSE, bolest ludih krava), mačja spongiformna encefalopatija, transmisivna encefalopatija nerca (TME), egzotično kopitarska encefalopatija, hronična bolest rasipanja (CWD) koja pogađa Cervidae; i kod ljudi: Creutzfeldt-Jakobova bolest (CJD), fatalna porodična nesanica (FFI), Gerstmann-Sträussler-Scheinkerov sindrom (GSS), kuru i varijantna Creutzfeldt-Jakobova bolest (vCJD). Postoje sličnosti između kurua, za koji se smatra da je prouzrokovan ljudožderstvom dijelova oboljelih osoba, i vCJD-a, za koji se smatra da je posljedica ljudskog unosa goveđih proizvoda obojenih od BSE.
Gen thumbnail|left|170px| Hromosom 20 Ljudski gen PRNP nalazi se na kratkom (p) kraku hromosoma 20, između kraja (završetka) kraka i položaja 13, iza baznog para 4,615.068 prema osnovnom paru 4,630.233.
Struktura PrP je visoko konzerviran kod sisara, što daje vjerodostojnost primjeni zaključaka na test životinjama, poput miševa. Razlika između primata je posebno mala, u rasponu od 92,9-99,6% sličnosti u sekvenci aminokiselina. Struktura ljudskog proteina sastoji se od domena loptastih proteina. s tri α-heliksa i dvolančanog antiparalelnog β-lista, NH2 – završni rep, a kratki COOH-završni rep. Membrana se sidri za glikofosfatidilinozitol (GPI) na COOH-terminalnim vezicama PrP do ćelijske membrane, i to se pokazuje kao sastavni dio prenošenja konformacijske promjene; na izlučeni PrP kojem nedostaje sidrena komponenta ne utiče zarazna izoforma.
Primarna sekvenca PrP ima 253 aminokiseline s mnogo posttranslacijska modifikacija. Signalne sekvence na amino – i karboksi – terminalnim krajevima uklanjaju se posttranslacijski, što rezultira zrelom dužinom od 208 aminokiselina. Za PrP ljudi i zlatnog hrčka postoje dva glikozilirana položaja na spiralama 2 i 3 kod Asn 181 i Asn197. Mišji PrP ima mjesta glikozilacije kao Asn180 i Asn196. Postoji disulfidna veza između Cys 179 druge i Cys214 treće zavojnice (ljudsko numeriranje PrPC).
PrP iRNK sadrži pseudoknotnu strukturu (prion pseudoknot), za koju se smatra da je uključena u regulaciju PrP proteina.
Vezanje liganda Pretpostavlja se da je mehanizam konformacijske konverzije u scrapie izoformu nedostižni ligand-protein, ali do sada nije identificiran takav spoj. Međutim, razvilo se veliko istraživanje o kandidatima i njihovoj interakciji s PrPC.
Potvrđeni ligandi PrP-a su bakar, cink, mangan i nikl, koji se vežu za njegovo oktoponavljajuće područje. Vezanje liganda uzrokuje konformacijsku promjenu s nepoznatim učinkom. Vezsanje teških metala na PrP povezano je s otpornošću na oksidativni stres koji proizlazi iz toksičnosti teških metala.
Normalna ćelijska izoforma PrPC Iako precizna funkcija PrP još nije poznata, možda je uključen u transport ionskog bakra u ćelije iz okolnog okruženja. Istraživači su takođe predložili uloge PrP-a u ćelijskoj signalizaciji ili u formiranju sinapsi. PrPC pričvršćuje se za vanjsku površinu ćelijske membrane sidrom glikozilfosfatidilinozitola na njegovom Ser 231 C-kraju.
Prion protein sadrži pet oktapeptidnih ponavljanja sa sekvencom PHGGGWGQ (iako prvo ponavljanje ima malo modificiranu, histidin – deficijentnu sekvencu PQGGGGWGQ). Smatra se da ovo stvara bakar-vezujuću domen putem atoma dušika u histidinskom imidazolu bočnih lanaca i deprotoniranim amidnim dušicima iz drugog i trećeg glicina u ponavljanju. Sposobnost vezanja bakra, prema tome, ovisi o pH. NMR pokazuje rezultate vezanja bakra u promjeni konformacija na N-kraju.
Izoforma PrPSc(scrapie)
PrPSc je konformacijska izoforma PrPC, ali ova orijentacija ima tendenciju da se akumulira u kompaktnim, proteaza-rezistentnim agregatima unutar neuronskog tkiva. Nenormalna izoforma PrPSc ima drugačiju sekundarnu i tercijarnu strukturu PrPC, ali identičnu primarnu sekvencu. Kružni dikroizam pokazuje da normalni PrPC ima 43% alfa-heliksa i 30% beta listova, dok PrPSc sadrži samo 30% alfa-heliksa i 43% beta listova. However, the presence of alpha helices in infectious PrPSc has come into question, with current models proposing a lack of alpha helices altogether, replaced instead with a total beta sheet composition. Ovo presavijanje čini izoformu PrPSc izuzetno otpornom na proteolizu.
Umnožavanje PrPSc tema je od velikog interesa, jer je njegovo nakupljanje patološki uzrok neurodegeneracija. Na osnovu progresivne prirode spužvastih encefalopatija, pretežna hipoteza smatra da je promjena u odnosu na normalni PrPC uzrokovanu prisustvom i interakcijom sa PrPSc. Snažna podrška ovome dolazi iz studija u kojima su PRNP-nokautirani miševi otporni na uvođenje PrPSc. Uprkos širokom prihvatanju hipoteze o konverziji konformacije, neke studije ublažavaju tvrdnje o direktnoj vezi između PrPSc i citotoksičnosti.
Polimorfizmi na mjestima 136, 154 i 171 povezani su s različitom osjetljivošću ovaca na češanje. (Ova ovčja mjesta odgovaraju ljudskim pozicijama 133, 151 i 168.) Polimorfizmi oblika PrP-VRQ i PrP-ARQ povezani su s povećanom osjetljivošću, dok je PrP-ARR povezan s rezistencijom. Nacionalni plan za češanje ima za cilj umnožavanje ovih polimorfizama, povećavajući učestalost rezistentnog alela. Međutim, PrP-ARR polimorfizmi su osjetljivi na atipske grebene, pa se ovo može pokazati besplodnim.
Funkcija
Nervni sistem Snažna povezanost sa neurodegenerativnim bolestima otvara mnoga pitanja o funkciji PrP u mozgu. Uobičajeni pristup je korištenje PrP-nokauta i transgenih miševa za istraživanje nedostataka i razlika. Početni pokušaji proizveli su dva soja PrP-null miševa koji ne pokazuju fiziološke ili razvojne razlike, kada su podvrgnuti nizu testova. Međutim, noviji sojevi pokazali su značajne kognitivne abnormalnosti.
Kako nulti miševi stare, izraziti gubitak Purkinjeovih ćelija u malom mozgu rezultira smanjenom motornom koordinacijom. Međutim, ovaj efekt nije izravan rezultat odsutnosti PrP, već proizlazi iz povećane ekspresije gena Doppel. Ostale uočene razlike uključuju smanjeni odgovor na stres i pojačano istraživanje novih sredina.
Kod nultih miševa promijenjen je Cirkadijski ritam. Smatra se da je fatalna porodična nesanica rezultat tačkaste mutacije u PRNP kodonu 178, što potvrđuje uključenost PrP-a u ciklusima spavanja i buđenja. Pored toga, pokazana je i cirkadijska regulacija u iRNK PrP-a, koja ima redovne ciklira i dnevno-noćne cikluse.
Memorija Iako nulti miševi pokazuju normalnu sposobnost učenja i kratkotrajno pamćenje, demonstrirani su nedostaci konsolidacije dugoročnog pamćenja. Međutim, kao i kod ataksija, to se može pripisati ekspresiji Doppel gena. Ipak, prostorno učenje, pretežno hipokampusna funkcija, smanjuje se kod nultih miševa i može se oporaviti ponovnim uspostavljanjem PrP u neuronima; to ukazuje da je uzrok gubitak PrP funkcije. Interakcija hipokampusnog PrP-a sa lamininom (LN) presudna je u obradi memorije i vjerovatno je modulirana od kinaza PKA i ERK1/2.
Daljnja podrška ulozi PrP u formiranju memorije izvedena je iz nekoliko populacijskih studija. Test zdravih mladih ljudi pokazao je povećanu sposobnost dugoročnog pamćenja povezanu sa MM ili MV genotipom u odnosu na VV. Pacijenti koji imaju Downov sindrom sa jednostrukom supstitucijom valina povezani su s ranijim kognitivnim padom. Nekoliko polimorfizama u PRNP povezano je sa kognitivnim oštećenjima starijih osoba, kao i ranijim kognitivnim padom. Sve ove studije istraživale su razlike u kodonu 129, ukazujući na njegovu važnost u ukupnoj funkcionalnosti PrP-a, posebno u pogledu memorije.
Neuroni i sinapse PrP je prisutan u pred– i post-sinapsnom odjeljku, s najvećom koncentracijom u pred-sinapsnom dijelu. Uzimajući u obzir ovo i PrP-ov niz utjecaja na ponašanje, funkcije i interakcije neuronskih ćelija su od posebnog interesa. Na osnovu bakarnog liganda, jedna predložena funkcija uključuje PrP kao bakarni pufer za sinapsnu pukotinu. U ovoj ulozi protein može služiti ili kao mehanizam homeostaze bakra. modulator kalcija ili senzor za bakar ili oksidativni stres. Gubitak PrP funkcije povezan je s dugoročnim potenciranjem (LTP). Ovaj efekt može biti pozitivan ili negativan, a posljedica je promjena u neuronskoj ekscitabilnosti i sinapsnom prijenosu u hipokampusu.
Neka istraživanja pokazuju da je PrP uključen u razvoj, diferencijaciju i neurite neurona. Put transdukcije signala aktiviran PrP-om povezan je s aksonskim i dendritskim izraštajem sa sekvencom kinaza.
Imunski sistem Iako je najviše pažnje usredotočeno na prisustvo PrP-a u nervnom sistemu, obilan je i u tkivima imunskog sistema. Imunske ćelije PrP-a uključuju hematopoetske matične ćelije, zrele limfoidne i mijeloidne odjeljke i određene limfocite; također je otkriven u ćelijama prirodnim ubicama, trombocitima i monocitima. Aktivacija T-ćelija praćena je snažnom regulacijom PrP-a, iako nije potrebna. Nedostatak imuno odgovora na transmisivnu spongiformnu encefalopatiju (TSE), neurodegenerativne bolesti uzrokovane prionima, može proizaći i iz tolerancije na PrPSc.
Mišići, jetra i hipofiza PrP-null miševi daju naznake uloge u mišićnoj fiziologiji kada su podvrgnuti testu prisilnog plivanja, koji je pokazao smanjenu lokomotornu aktivnost. Stareći, miševi s prekomjernom ekspresijom PRNP-a pokazali su značajnu degradaciju mišićnog tkiva.
Iako prisutni, vrlo niskim nivoima, PrP postoje u jetri i mogu biti povezani sa fibrozom jetre. Dokazano je da prisustvo u hipofizi utiče na neuroendrokrinsku funkciju vodozemaca, ali malo se zna o PrP sisarske hipofize.
Ćelijski Variranje ekspresije PrP-a kroz ćelijski ciklus dovelo je do spekulacija o uključenosti u razvoj. Izveden je širok spektar studija koji istražuju ulogu u proliferaciji ćelija, diferencijaciji, smrti i preživljavanju. Angažman PrP-a povezan je s aktivacijom transdukcije signala.
Pokazana je modulacija puteva prenosa signala u unakrsnom povezivanju s antitijelima i vezanjem liganda (hmelj/ STI1 ili bakar). S obzirom na raznolikost interakcija, efekata i distribucije, predložen je PrP kao faktor dinamičkog površinskog funkcioniranja proteina u signalnim putevima. Određena mjesta duž proteina vežu druge proteine, biomolekule i metale. Ova sučelja omogućavaju komunikaciju određenih skupova ćelija na osnovu nivoa ekspresije i okolnog mikrookruženja. Sidrenje na GPI splav u lipidni dvosloj podržava tvrdnje o funkciji vanćelijske skele.
Bolesti pogrešnog savijanja PrP-a
Identifikovano je više od 20 mutacija gena PRNP, kod ljudi sa nasljednom prionskom bolešću, što uključuje sledeće:
Creutzfeldt–Jakobova bolest – glutaminska kiselina - 200 zamjenjuje se lizinom, dok je valin prisutan u aminokiselini broj 129 Gerstmann – Sträussler – Scheinkerov sindrom – obično promjena u kodonu 102 iz prolina u leucin Fatalna porodična isnomija – asparaginska kiselina – 178 zamjenjuje se asparaginom, dok je metionin prisutan u aminokiselini 129