Лізомальні ферменти та їх роль у розкладанні білків

Механізм шаблонування

Прионний білок PrP-C є нормальним білком клітинної поверхні, який зустрічається в великих кількостях у нейронах та, в меншій мірі, інших типах клітин. У своїй природній конформації він багатий на альфа-спіральну структуру – спіралеподібну форму, яка розчинна та легко руйнується клітинними ферментами. Шкідлива форма, PrP-Sc, побудована з тієї ж самої послідовності амінокислот, але складається замість цього з бета-листкової структури. Це критичний момент: для створення PrP-Sc не потрібні зміни в генетичному коді або послідовності амінокислот, лише зміна тривимірної форми. Бета-листкові білки схильні ефективно утворювати стовпчики один до одного, і PrP-Sc використовує цю властивість, безпосередньо зв’язуючись з нормальними молекулами PrP-C на їх поверхні. Після зв’язування спотворена конформація знижує енергетичний бар’єр для нормального білка, щоб він розгорнувся, по суті, тягнучи його в ту ж аномальну конфігурацію. Новий перетворений молекулу відділяється або залишається частиною зростаючого фібрилу, і тепер вона також може перетворювати додаткові молекули PrP-C. Це пояснює, чому передача прионів описується як аутокаталітична: продукт реакції є також її каталізатором. Біологія структур вивчає цей процес, використовуючи мову

Від випадкових виникнень до інфекційного поширення

Хвороби на основі прионів виникають через три різні шляхи, і ця різноманітність була частиною того, що робило їх такими загадковими для ранніх дослідників. Випадкова форма, наприклад, класична хвороба Крейтцфельда-Джакоба, здається, починається з рідкісного випадкового неправильного згортання: випадково окрема молекула PrP-C у мозку переходить у конформацію PrP-Sc і, незважаючи на великі труднощі, формує стабільне ядро замість того, щоб бути розкладеною. Спадкова форма виникає тоді, коли мутація в гені PRNP змінює послідовність білка таким чином, що він робить альфа-зкрутку менш стійкою, а бета-згортку – більш енергетично сприятливою, значно підвищуючи ймовірність випадкового перетворення. Отриманий, або інфекційний, форма – це та, яка привернула найбільшу увагу під час спалаху бової спонгіоформної енцефалопатії (так званого «білоговрогового хвороби») у 1980-х і 1990-х роках, коли корм для корів, забруднений тканиною, інфікованою піронами, передавав хворобу всередині стад, а в невеликій кількості випадків – і людям, які споживали заражену яловичину, викликаючи варіант хвороби Крейтцфельда-Джакоба. Те, що об'єднує всі три шляхи, полягає в тому, що кожне раз, коли існує ядро, незалежно від того, як воно виникло, механізм подальшого розповсюдження є однаковим: шаблонова конверсія, ланцюгова реакція та прогресивна накопичення неправильно скручених агрегатів у нервовій тканині. Цей спільний кінець і пояснює, чому хвороби на основі прионів класифікують разом, незважаючи на їх дуже різні походження, і чому дослідники тепер використовують термін «прионно-подібний» для опису поведінки інших агрегуючих білків, які поширюються в мозку за схожим механізмом з утворенням ядер, навіть якщо ці білки не є класично заразними між людьми.

Чому пріони стійкі до руйнування

Одна з найбільш тривожних властивостей PrP-Sc – її надзвичайна стійкість до методів, які зазвичай нейтралізують інфекційні агенти. Зазвичай бактерії та віруси несуть генетичні нуклеїнові кислотні геноми, які можна знищити шляхом нагрівання, радіації або хімічної обробки, роблячи їх нешкідливими навіть якщо деяка структура білка виживе. Пріони не містять генетичного матеріалу – інфекційний агент сам по собі є згорнутим білком, і ця білкового щільна, щільно упакована бета-спіраль має значну стабільність. Стандартна стерилізація автокладом, яка надійно знищує бактерії, грибки та більшість вірусів, може не повністю нейтралізувати пріони, а стандартні хімічні дезінфікуючі засоби, такі як спирт і формальдегід, в основному неефективні проти них. Ця стійкість має наслідки для медицини: вона призвела до змін у протоколах стерилізації хірургічних інструментів, особливо нейрохірургії, і обмежує деякі практики щодо донорства тканин та крові. Структурне підґрунтя цієї стійкості полягає в тому, як протеази – ферменти, які зазвичай розщеплюють згорнуті або пошкоджені білки для переробки – взаємодіють із PrP-Sc. Зазвичай протеази повинні захопити відкриту, гнучку ділянку білка, щоб почати його розрізати, але щільна, стовщена бета-спіральна архітектура PrP-Sc агрегатів залишає мало таких вразливих областей відкритою. В результаті утворюється фрагмент білка, який називається PrP 27-30 після часткового протеолізу, який залишається інфекційним і стабільним навіть після обробки, яка знищила б майже будь-яку іншу біологічну молекулу. Для цього потрібні лише екстремальні заходи, такі як тривале вплив концентрованого гідроксиду натрію або автоклавування при дуже високих температурах, що перевищує стандартні параметри, щоб надійно нейтралізувати його.

Клінічна картина та спонгіозна сигнатура

Накопичення неправильно згорнутого PrP-Sc всередині нейронів і навколишнього нейропіклу зробить незворотне пошкодження клітин, що в кінцевому підсумку призведе до загибелі цих клітин. При мікроскопічному дослідженні мозкового ураження при спонжіальній енцефалопатії виявляється характерний малюнок: численні маленькі круглі вакуолі, розкидані по сірому мозку, що надає тканині

губчасту

спосіб, який дає цим захворюванням їх офіційну назву - транзитна спонжіальна енцефалопатія. Разом з вакуолізацією патологи зазвичай спостерігають реактивну астроцитоз, проліферацію підтримки клітин у відповідь на пошкодження нейронів, а в деяких формах - видимі плаки агрегованого PrP-Sc, схожі на амілоїдні плаки хвороби Альцгеймера. Клінічно це проявляється як швидко прогресуюча деменція, часто супроводжувана міоклонусом, або раптовими неконтрольованими спазмами м’язів, порушеннями зору та проблемами координації, коли залучено мозжечок. На відміну від більшості нейродегенеративних захворювань, які розгортаються протягом десятиліть або більше, спорадична хвороба Крейтцфельда-Якоба зазвичай вбиває протягом кількох місяців з моменту появи явних симптомів, що відображає експоненційний характер основної ланцюгової реакції після досягнення клінічно значущих рівнів. Діагностика на життєвому шляху історично була складною, базуючись на комбінації клінічної картини, характерних закономірностей на МРТ, елекроенцефалограми та, останнім часом, чутливому лабораторному тесті під назвою

кинення-індуковане перетворення в реальному часі

яке використовує механізм зародження, відповідальний за захворювання: він змішує спинномозкову рідину пацієнта з нормальним рекомбінантним PrP-C і спостерігає, у реальному часі, чи може будь-яка неправильно складена насіння, присутня в вибірку, створити виявлення агрегації.

Відкриття, яке переписало центральну догму біології

Напередодні двадцятого століття біологія функціонувала на основі припущення, яке рідко висловлювалося явно: інфекційні агенти реплікуються за допомогою нуклеїнової кислоти – ДНК або РНК, оскільки передача інформації потребує шаблону, що складається з нуклеотидів. Коли Стенлі Прусінер почав вивчати скрепі – таємничу дегенеративну хворобу овець, у 1970-х роках, інфекційний агент, якого він переслідував, вперто не піддавався руйнінню нуклеїнової кислоти жодними відомими методами, залишаючись при цьому таким самим заразним. У 1982 році Прусінер запропонував радикальне пояснення: інфекційний агент був «білковим» лише, без будь-якого компонента нуклеїнової кислоти, і він вжив термін «пріон», що означає «білкова інфекційна частинка», щоб описати його. Ідея зустріла глибоке скептицизм, навіть ворожість, з боку значної частини наукової спільноти, оскільки вона здавалося порушувати принцип, що біологічна інформація може передаватися лише за допомогою шаблонів нуклеїнової кислоти. Протягом наступних п’ятнадцяти років накопичення структурних, біохімічних та генетичних доказів – включаючи демонстрацію того, що миші, генетично змінені таким чином, щоб повністю позбутися гену PrP, не могли заразитися скрепією – поступово підкріплювали аргументи Прусінера. Йому було присуджено Нобелівську премію з фізіології або медицини в 1997 році за цю роботу, що визнало офіційно конформаційне моделювання на основі білків як законний механізм передачі біологічної інформації. Наслідки охопили не лише хвороби пріонів: дослідники тепер усвідомлюють, що само-моделювання помилки згортання білків, яке раніше вважалося біологічною цікависою, унікальною для пріонів, насправді є спільним механічним зв’язком, який проявляється в таких хворобах, як хвороба Альцгеймера, хвороба Паркінсона та кілька інших нейродегенеративних станів, хоча ці хвороби не передаються між людьми таким же чином, як хвороби пріонів.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Prion Misfolding and Propagation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.