Поделиться статьей

Прионные заболевания центральной нервной системы

10.09.2024
Введение
  • Прионные заболевания — это нейродегенеративные заболевания, которые имеют длительный инкубационный период и неуклонно прогрессируют после появления клинических симптомов.
  • Эффективное лечение прионных заболеваний человека не выявлено, и они неизбежно приводят к летальному исходу.
  • В настоящее время признаны несколько прионных заболеваний у человека: куру, болезнь Крейцфельдта-Якоба (БКЯ), вариантная болезнь Крейцфельдта-Якоба (вБКЯ; изначально сообщалась как новая вариантная БКЯ), синдром Герстманна-Страусслера-Шейнкера (ГСС), фатальная семейная бессонница (ФСБ) и вариабальная протеазочувствительная прионопатия.
  • Эти заболевания имеют нейропатологические особенности, включая накопление протеаза-устойчивого прионного белка, потерю нейронов, пролиферацию глиальных клеток, отсутствие классической воспалительной реакции и наличие мелких вакуолей в нейропиле, что создает губчатый вид.
  • Прионные заболевания связаны с накоплением аномальной формы белка клеток хозяина; нормальная форма обозначается как "PrPC", а аномальная форма — как "PrPSc" (от английского scrapie).
Патогенез прионных заболеваний

Биология прионов
Общая информация
  • Термин «прион» был введен в 1982 году для обозначения небольшого инфекционного возбудителя, содержащего белок, но не имеющего нуклеиновой кислоты
  • Прионный белок (PrP) является важнейшим патогенным компонентом и, вероятно, его единственной составляющей, т.е. является единственным компонентом, способствующим болезни.
  • Scrapie, нечеловеческая прионная болезнь, служит моделью для человеческих прионных заболеваний.

Прионный белок
  • Нормальный (клеточный) прионный белок, PrPC, является мембранным белком, прикрепленным к мембране клеток с помощью гликозилфосфатидилинозитола, который встречается как на нейронных, так и на не нейронных клетках в человеческом мозге здоровых людей.
  • PrPC может быть обнаружен прикрепленным к плазматической мембране нейронов и может быть сконцентрирован на синаптических мембранах
  • PrPC имеет трансмембранные домены, что указывает на то, что он выходит за пределы клеточной цитоплазматической мембраны.
  • Присутствующий на поверхности PrPC разрушается после эндоцитоза в кислых пузырьках, хотя часть белка может повторно поступать на поверхность клетки.
  • Также существуют секретируемые формы PrPC.
  • Ключевой этап в биосинтезе PrPC включает модификацию как аминоконцевого, так и карбокси-концевого участков, включая добавление фосфатидилинозитола, который служит для якоря белка к поверхности клетки.
  • PrPC существует в основном в альфа-спиральной конформации.
  • Считается, что PrPC участвует в различных физиологических функциях, однако они еще не полностью выяснены.
  • Ряд исследований показал, что PrPC способен обратимо связываться с ионами меди, что предполагает его роль в поддержании баланса меди, что, в свою очередь, влияет на эндоцитоз и нейротрансмиссию.
  • PrPC также действует как посредник супероксиддисмутазы меди, участвующий в клеточном ответе на окислительный стресс и может играть роль в регуляции апоптоза.
  • PrPC также экспрессируется в иммунных клетках, эритроцитах и тромбоцитах.
  • Одно исследование показало, что PrP был увеличен во время активации Т-клеток и что перекрестное связывание антител с поверхностным PrPC приводило к увеличению фосфорилирования сигнальных белков, что предполагает роль PrPC в иммунной функции.
Преобразование PrPC в PrPSc
  • Аномальный прионный белок, PrPSc (названный так по аналогии со скрепи), представляет собой конформационный изомер PrPC.
  • PrPSc существует преимущественно в виде бета-складчатой структуры, что является результатом ещё не полностью изученного конформационного изменения.
  • Рекомбинантные формы PrP демонстрируют крупный неструктурированный белковый мотив, который может легче преобразовываться в бета-складчатую структуру.
  • Молекулы PrPSc формируют амилоидные фибриллы, состоящие из непрерывного массива бета-складок, ориентированных перпендикулярно к оси фибриллы.
  • Устойчивость PrPSc к перевариванию протеазами и его склонность к полимеризации в фибриллы, ассоциированные со скрепи, или прионные палочки отличают PrPSc от PrPC.
  • Гидрофобность этого белка, которая может в свою очередь влиять на агрегирование, и его бета-складчатая конформация могут играть роль в нейротоксичности.
  • Пептид iPrP13, способный разрушать бета-складчатые конформации, был показан как средство, снижающее устойчивость PrPSc к протеазам и задерживающее начало симптомов у мышей.
  • В отличие от PrPC, PrPSc накапливается внутри клеток и обычно не обнаруживается на поверхности клеток.
  • PrPSc находится преимущественно в цитоплазматических вакуолях и вторичных лизосомах.
  • Преобразование PrPC в PrPSc может происходить в мембранных областях, напоминающих кавеолы.
  • Экспериментальные исследования показали, что PrPC хозяина необходим для развития прионной болезни, так как накопление аномальных изоформ PrP зависит от преобразования нормального PrPC в PrPSc.
  • В частности, мембранный якорь PrP оказывается необходимым для развития прионной болезни.
  • Когда трансгенные мыши с аномальной формой PrPC, не содержащей гликозилфосфатидилинозитольный якорь клеточной мембраны, были заражены PrPSc, они накапливали аномальный PrP в большом количестве амилоидных бляшек, но оставались бессимптомными и не накапливали PrPSc или не развивали способность передавать заболевание с такой же скоростью, как и дикие мыши.
  • Предполагается, что другой, пока не идентифицированный фактор хозяина, обозначенный как "белок X", может способствовать преобразованию нормального PrP в PrPSc, связываясь с карбокси-концевым участком PrPC и взаимодействуя с участком рядом с N-концевым участком белка, чтобы вызвать конформационное изменение.
  • Исследования in vitro показали важность гликозилирования в образовании PrPSc.
  • Изменения в электрофоретической подвижности, обусловленные конформационными изменениями, уровнями гликозилирования и/или аминокислотной последовательностью, связаны с различными фенотипическими проявлениями болезни Крейцфельдта-Якоба (CJD).
  • Экспериментально было показано, что инфективность (способность передачи заболевания) через видовой барьер увеличивается при использовании не-гликозилированных форм PrP, и преобразование PrPC в PrPSc ингибируется гликозилированием.
  • Другие неконформные клеточные кофакторы также могут быть связаны с различными свойствами прионных штаммов.
  • Как появляется первая молекула PrPSc в хозяине остается загадкой, но начальное появление, вероятно, запускает репликацию PrPSc.
  • Предполагается, что инициирующая молекула PrPSc происходит из экзогенного источника в приобретенных прионных заболеваниях (например, ятрогенная CJD [яCJD], вариантная CJD [вCJD] и куру), в то время как мутации неизменно обнаруживаются в гене, кодирующем PrP, в семейных формах.
  • Эти мутации могут дестабилизировать PrPC, что может привести к спонтанному преобразованию в PrPSc.
  • Исследования дрожжевого приона Sup53 показали, что небольшие специфические элементы первичной аминокислотной последовательности ответственны за начальную нуклеацию, а также за специфические конформации приона.
  • Две доминирующие теории возникновения спорадической прионной болезни, которые не исключают друг друга, включают посттрансляционные модификации PrPC и соматические мутации гена прионного белка (PRNP).
Транспорт PrPSc в нервную систему и внутри неё
  • Транспорт PrPSc в нервную систему осуществляется через аксональный транспорт
  • Роль в этом процессе играют как медленный, так и быстрый, вероятно неоднородный, аксональный транспорт.
  • Прионы также могут распространяться через внеклеточные везикулы и/или туннелирующие нанотрубки
  • Обнаружение PrPC и PrPSc в обонятельных сенсорных нейронах предполагает, что обонятельная система может служить входным путем для инфекции, хотя эпидемиологических данных о заболевании через этот путь нет.
  • Лимфоретикуллярная система, вероятно, играет критическую роль в инициации и/или распространении некоторых прионных заболеваний, особенно для экзогенно приобретенных прионных заболеваний, таких как яCJD, куру и вCJD, в отличие от спорадических и генетических форм прионных заболеваний
  • Перед транспортировкой в нервную систему, фолликулярные дендритные клетки в зародышевых центрах лимфоидной ткани, по-видимому, действуют как резервуар для белка.
  • Некоторые исследования на животных предполагают, что комплемент играет роль в раннем патогенезе.
  • Другие исследования показали переменные иммунные ответы на различные экспериментальные конформации PrP.
Нейротоксичность PrPSc
  • PrPSc обладает нейротоксичными свойствами, поскольку накопление этого белка или его фрагментов в нейронах приводит к апоптозу и гибели клеток. Для этого эффекта необходимо присутствие PrPC.
  • Однако аномальный PrP, высвобождаемый астроцитами, всё же разрушает нейроны, лишенные PrP, у мышей, что указывает на то, что нейронное повреждение не связано с потерей функции нормального PrP или взаимодействием между нормальными и аномальными формами.
  • Неправильно свернутый PrP транспортируется в ретроградном направлении в цитозоль для деградации.
  • Даже небольшие количества этого белка в цитозоле обладают высокой нейротоксичностью, и это накопление может быть важным этапом в патогенезе прионных заболеваний.
  • Нахождение большого количества амилоидных бляшек у мышей, инфицированных PrPSc, но оставшихся бессимптомными, предполагает специфическую нейротоксичную роль PrPSc, помимо накопления амилоида.
Генетика прионных заболеваний

Мутации, вызывающие прионные заболевания
  • Генетические прионные заболевания (генетическая форма болезни Крейтцфельдта-Якоба [гБКЯ], синдром Герстманна-Штраусслера-Шейнкера [ГШШ], фатальная семейная бессонница [ФСБ) наследуются по аутосомно-доминантному типу, за исключением одним возможным исключением.
  • Ген PRNP у человека расположен на коротком плече 20-й хромосомы. Установлена тесная связь между мутациями в гене PRNP и генетическими формами прионных заболеваний.
  • Выявлено более 50 различных мутаций, включая точечные мутации, преждевременные стоп-кодоны, вставки повторов и делеции в области октапептидного участка.
  • Некоторые эксперты предлагают классифицировать прионные заболевания на основе ответственной мутации, а не на основе традиционных клинико-патологических классификаций, таких как гБКЯ или ГШШ, так как одна мутация может вызывать различные клинические фенотипы у разных людей или семей (то есть генетический плейотропизм).
  • Например, мутация D178N, при которой аспарагин замещает аспарагиновую кислоту в кодоне 178, встречается у семей с ФСБ и гБКЯ. Родословные с этой мутацией часто демонстрируют значительную изменчивость как в возрасте начала заболевания, так и в его фенотипе.
  • В большой английской и ирландской семье были клинически диагностированы различные состояния, включая БКЯ, вБКЯ и ГШШ, однако при исследовании гена PRNP у всех поражённых было обнаружено замещение аланина на валин в кодоне 117, независимо от клинического диагноза.
  • Точечные мутации PRNP могут влиять на соотношение гликоформ и конформацию PrPSc. Хотя эти параметры могут различаться у пациентов с одинаковыми наследственными мутациями, они отличаются от PrPSc, наблюдаемых при спорадической болезни Крейтцфельдта-Якоба (сБКЯ), яБКЯ и вБКЯ.
  • Это приводит к предположению, что вариация штаммов является результатом как аномальной конформации, так и гликозилирования.
Роль полиморфизма в кодоне 129
  • Наследственные прионные заболевания
    • Кодон 129 гена PRNP полиморфен; у людей без заболевания кодируется либо валин, либо метионин.
    • Ни V129, ни M129 не являются патогенными; однако генотип-фенотипические исследования показывают, что аллельный статус аминокислоты 129 изменяет эффект других патогенных мутаций PRNP.
    • Это модифицирующее влияние оказывается преимущественно цис-действующим, то есть влияние на фенотип обусловлено присутствием обоих вариантов в одном и том же белковом продукте. (прим Medvisement: имеется ввиду не сочетание валин + метионин, а сочетание мутация D178N + валин или мутация D178N + метионин)
    • Вероятно, совместное действие обоих вариантов (мутация + валин или метионин), обеспечивают уникальное конформационное изменение структуры белка, что приводит к изменению характера расщепления PRNP протеазами
    • Пациенты с мутацией D178N цис с валином в кодоне 129, склонны к развитию БКЯ, в то время как пациенты, у которых цис с метионином - склонны к развитию ФСБ.
  • Приобретённые и спорадические прионные заболевания
    • В отличие от гБКЯ, мутации в гене PRNP не связаны с сБКЯ, яБКЯ и вБКЯ.
    • Однако даже у таких пациентов полиморфизм в кодоне 129 влияет на восприимчивость и выраженность клинической картины заболевания.
Роль полиморфизма в кодоне 219
  • Полиморфизм в кодоне 219, встречающийся только у восточно- и южноазиатских популяций, оказывает защитное действие против сБКЯ.
Роль не-PRNP полиморфизмов
  • В крупном геномном исследовании, включавшем 5208 пациентов с сБКЯ, были выявлены два гена, не относящихся к PRNP, которые связаны с сБКЯ: синтаксин 6 (STX6) и галактозо-3-O-сульфотрансфераза 1 (GAL3ST1).
Обнаружение аномального прионного белка
  • Иммуноблоттинг
    • Анализ Western blot после обработки белка протеиназой K широко используется для выявления патогенного прионного белка (PrPSc) в мозговой ткани
    • Этот метод использует ограниченный протеолиз для гидролиза нормального прекурсора клеточного прионного белка (PrPC), что позволяет измерить устойчивое к протеазам ядро патологического PrPSc.
    • Позже был разработан конформационно-зависимый иммуноанализ (CDI), не требующий протеолиза для расщепления PrPSc, который показал, что PrPSc существует как в устойчивой, так и в чувствительной к протеазам формах
    • В отличие от других иммуноанализов, CDI может измерять обе формы PrPSc.
    • Этот метод показал более высокую чувствительность при диагностике спорадической болезни Крейтцфельдта-Якоба (сБКЯ) по сравнению с рутинным нейропатологическим исследованием и иммуногистохимией
    • Хотя этот метод представляется многообещающим, необходимы дальнейшие исследования для определения его специфичности и роли при других прионных заболеваниях человека, в частности при варианте болезни Крейцфельда-Якоба (вБКЯ), а также его возможной посмертной диагностики в биоптатах мозга и экстраневральных образцах тканей.
  • Циклическое усиление неправильного сворачивания белка (Циклическая амплификация неправильного фолдинга белков)
    • Обнадеживающим методом является усиление прионного белка (PrP) в различных тканях с помощью циклического усиления неправильного сворачивания белка (PMCA).
    • Этот метод использовался для обнаружения двухфазного появления PrPSc у зараженных хомяков.
    • PrPSc был обнаружен примерно у половины бессимптомных животных через три-шесть недель после инокуляции.
    • Впоследствии сигнал исчезал, но затем вновь появлялся через четыре месяца после инокуляции, когда хомяки становились симптоматичными.
  • Конверсия, вызванная встряхиванием в реальном времени
    • В аналогичном анализе, называемом «конверсия, вызванная встряхиванием в реальном времени» (RT-QuIC), вместо ультразвукового воздействия используется встряхивание для усиления минутных уровней PrP, вызывая патологическую активность посева.
    • RT-QuIC является предпочтительным методом амплификации белка для клинических исследований благодаря его легкости стандартизации, быстрому времени выполнения и отсутствию инфекционных побочных продуктов.
    • RT-QuIC может выявлять аномальную активность посева прионов в цереброспинальной жидкости (ЦСЖ), эпителии обонятельной системы, коже, глазных тканях, слезах и других видах тканей .
  • Другие тесты
    • Антитела, специфично реагирующие с PrPSc, могут быть использованы для диагностики прионных заболеваний.
    • Исследователи описали повторяющийся эпитоп Tyr-Tyr-Arg, который скрыт в PrPC, но становится доступным в PrPSc после процесса неправильного фолдинга.
    • Другие методы также находятся в стадии разработки.

Необходимость в высокочувствительных и специфичных тестах для выявления PrPSc будет возрастать, когда появится эффективное лечение прионных заболеваний человека.

Болезнь Крейцфельдта-Якоба (БКЯ)
Синдром Герстманна-Штрауслера-Шейнкера
Фатальная семейная бессонница
Куру
Вариабельная протеазочувствительная прионопатия
Другие прионные болезни
Резюме
Разделы:
Неврология