بروتين البريون: الجزيء ذو الأشكال والوجوه المتعددة، الجزء الأول

ملخص: بروتين البريون الخلوي (PrPC) هو بروتين غليكوزيل فوسفاتيديلينوسيتول (GPI) ويوجد بكثرة في الغشاء الخارجي للخلايا العصبية. نظرًا للخصائص الهيكلية (النواة المرنة والمنظمة)، تتفاعل PrPC مع مجموعة واسعة من الشركاء.

في السنوات الأخيرة، أظهرت العديد من الدراسات أن بروتينات البريون الخلوية لها علاقة مهمة مع تطور وصيانة ذاكرة الحيوان.

البريون الخلوي (فيروس الهربس البسيط، HSV) هو فيروس موجود على نطاق واسع بين البشر ويعتبر أحد أهم مسببات الأمراض العصبية والأمراض الجلدية. يعد فيروس HSV-1 وHSV-2 أكثر أنواع الفيروسات شيوعًا بين البشر.

أظهرت دراسة حديثة أن البروتين الفيروسي HSV-1 يمكن أن يعزز تطور الذاكرة والحفاظ عليها لدى البشر والحيوانات. أظهرت نتائج هذه الدراسة أن الإصابة بفيروس الهربس البسيط-1 تحدث بشكل رئيسي في المراحل المبكرة جدًا من حياة الإنسان، وتتراكم البروتينات الفيروسية في الجهاز العصبي البشري وتنظم إطلاق الناقلات العصبية والانتقال التشابكي. تساعد هذه التأثيرات التنظيمية على تعزيز وظيفة ذاكرة الدماغ وتحسين الإدراك المكاني والانتباه.

بالإضافة إلى ذلك، فإن البروتين الفيروسي HSV-1 له أيضًا علاقة معينة مع الاستجابة المناعية للجسم والاستجابة المضادة للفيروسات. أظهرت الدراسات أن تأثير البروتين الفيروسي HSV-1 ينشط الاستجابة المناعية للجسم ويعمل بشكل فعال على "خلايا الذاكرة التائية" في الجسم، وبالتالي تقوية دفاع الجسم المضاد للفيروسات. هذا الاكتشاف له أهمية بعيدة المدى لاستكشاف العلاقة بين فيروس الهربس البسيط -1 ومناعة الحيوان.

باختصار، توفر العلاقة بين بروتين فيروس البريون الخلوي والذاكرة مساحة بحثية واسعة للأبحاث المستقبلية حول الذاكرة ووظيفة الجهاز العصبي والاستجابة المناعية، ومن المتوقع أن تلعب دورًا مهمًا في الوقاية من الأمراض ذات الصلة وعلاجها. يمكن ملاحظة أننا بحاجة إلى تحسين الذاكرة، ويمكن لـ Cistanche تحسين الذاكرة بشكل كبير لأن Cistanche يمكنه أيضًا تنظيم توازن الناقلات العصبية، مثل زيادة مستويات الأسيتيل كولين وعوامل النمو، وهي مهمة جدًا للذاكرة والتعلم. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لـ Cistanche أيضًا تحسين تدفق الدم وتعزيز توصيل الأكسجين، مما يضمن حصول الدماغ على التغذية والطاقة الكافية، وبالتالي تحسين حيوية الدماغ والقدرة على التحمل.

انقر فوق معرفة المكملات الغذائية لتحسين الذاكرة

على الرغم من أنه قد تم اقتراح مشاركة PRP في العديد من الوظائف الفسيولوجية، إلا أنه تم تأكيد توازن تكوين الميالين العصبي المحيطي فقط كوظيفة حسنة النية حتى الآن.

يسبب اختلال الطي لـ PrPC أمراض البريون، وقد ثبت أن PrPC يتوسط السمية العصبية الناجمة عن القلة الغنية في مرض الزهايمر ومرض باركنسون وكذلك الحماية العصبية في نقص التروية.

عند الانقسام المحلل للبروتين، يتحول PrPC إلى أشكال محررة ومرفقة من PrP يمكنها، اعتمادًا على الخصائص الهيكلية الموجودة في PrPC، عرض خصائص وقائية أو سامة.

في هذه المراجعة، سنحدد خصائص بروتين البريون وبروتين البريون بالإضافة إلى نظرة عامة على مشاركتهم مع الشركاء المتفاعلين ومسارات الإشارة في الميالين، والوقاية العصبية، والأمراض التنكسية العصبية.

الكلمات المفتاحية: بروتين البريون. شظايا بروتين البريون. الحماية العصبية. الميالين. السكتة الدماغية؛ مرض التنكس العصبي.

1. مقدمة

بروتين البريون (PrP) هو بروتين سكري موجود في كل مكان ومحفوظ للغاية. إنه موجود في شكلين؛ الشكل الإسوي الطبيعي أو الخلوي، PrPC، والإسوفورم المعدي المرتبط بالمرض Scrapie PrP، PrPSc.

تمت دراسة الدور المرضي لـ PrPSc على نطاق واسع في مرض البريونيز وتمت مراجعته في العديد من الأوراق البحثية [1-3]. يتم التعبير عن PRP في مجموعة متنوعة من الأعضاء والأنسجة المختلفة ذات مستويات التعبير العالية في الجهاز العصبي المركزي والمحيطي.

إنه موجود بكثرة على سطح الخلايا العصبية [4-6] ويشارك في العديد من الآليات الفسيولوجية. وظيفة البروتين لا تزال بحاجة إلى توضيح؛ ومع ذلك، فإن الدراسات المكثفة تربط PRPC بتوازن المايلين [7]، والوقاية العصبية [8،9]، وإيقاع الساعة البيولوجية [10،11]، وتوازن الأيونات المعدنية [12،13]، وتوازن الميتوكوندريا [14] والإشارات بين الخلايا [6،15] ،16].

في الخلايا العصبية، يوجد PrPC في الأجزاء قبل المشبكي وبعد المشبكي في أطراف المحور العصبي حيث يشارك في النقل المحوري التقدمي والرجعي [17-20]. يتم شق PrPC في غشاء الخلية بواسطة البروتياز، وتشكيل أشكال محررة وملتصقة.

في السنوات الأخيرة، حظيت أشكال بروتين البريون وبروتين البريون بالاهتمام فيما يتعلق بالحماية العصبية في الأمراض التنكسية العصبية.

في هذه المراجعة، نقدم أشكال بروتين البريون وبروتين البريون المنطلقين، ونلخص مشاركتهما في تكون الميالين، والوقاية العصبية، والأمراض التنكسية العصبية، ونناقش أحدث الاكتشافات في هذا المجال.

2. بروتين البريون

يتكون PrPC البشري الناضج من مجال طرفي N مرن غير منظم (بقايا الأحماض الأمينية 23-120) ومجال طرفي C منظم (بقايا الأحماض الأمينية 121-231).

يتم تثبيته على غشاء الخلية باستخدام مرساة جليكوسيل فوسفاتيديلينوسيتول (GPI) [21،22]. يحتوي المجال الطرفي المرن على منطقة ثماني مرات بينما يتكون المجال الهيكلي من ثلاث حلزونات، ورقتين، ورابطة ثاني كبريتيد تربط السيستين 179 و 214، واثنين من N-glycans على بقايا الأحماض الأمينية 181 و197 [23،24] (الشكل 1).

يمكن أن يتحول PrPC إلى شكل إسوي PrPSc غني بالصفائح، وهو عرضة للتحويل التحفيزي التلقائي والتجميع إلى مجاميع غير قابلة للذوبان [22،25،26]. يمكن أن يؤدي التراكم غير الطبيعي للبروتين المرضي في الدماغ إلى تطور اعتلالات الدماغ الإسفنجية القابلة للانتقال (TSEs)، والمعروفة أيضًا باسم أمراض البريون.

تشمل أمراض البريون مرض كروتزفيلد جاكوب (CJD)، ومتلازمة جيرستمان ستروسلر شينكر (GSS)، والأرق العائلي المميت (FFI) والكورو في البشر، واعتلال الدماغ الإسفنجي البقري في الماشية، والخدش في الماعز والأغنام ومرض الهزال المزمن في أعناق الرحم.

جميع أمراض البريون هي اضطرابات تنكس عصبية مميتة ونادرة. تشبه المظاهر السريرية والأمراض العصبية لأمراض البريون لدى البشر تلك الخاصة بمرض الزهايمر (AD) مثل فقدان الذاكرة السريعة وفقدان وظائف المخ وكذلك الخرف والتشوه الإسفنجي للدماغ وتغيرات الشخصية وصعوبات الحركة [15،27] .

على الرغم من أن أمراض البريون تحدث بسبب تراكم مجاميع PrPSc السامة في الدماغ، إلا أن الآلية التي تكمن وراء تحويل PrPC إلى PrPSc وتطور مرض البريون لا تزال مجهولة.

بصرف النظر عن كونه ركيزة لتطور أمراض البريون، يمكن لـ PrPC أن يعمل كمستقبل لأوليجومرات الأميلويد (A) السامة للخلايا [20،28] والركام السام القابل للذوبان من بروتين تاو في مرض الزهايمر وغيره من أمراض التاووباثي [29،30].

هناك أيضًا دراسات متعارضة حول ارتباط PrPC بأوليجومرات -synuclein ( -syn) في مرض باركنسون (PD) وغيره من اعتلالات السينوكلين، مما يفتح النقاش حول دور PrPC في سمية -synuclein [30-33].

3. شظايا بروتين البريون

يمكن أن يخضع PrPC لأربعة انقسامات ما بعد الترجمة، مما يشكل شظايا PrP (الشكل 1). يحدث الانقسام والانقسام داخل مجال N-terminal غير المنظم بينما يحدث تساقط PrP داخل مجال C-terminal المنظم.

بصرف النظر عن الانقسامات المذكورة، تم شق PrPC في ظل ظروف تجريبية باستخدام فسفوليباز C، الذي شق PrPC داخل مرساة GPI [34،35]. موقع الانقسام، وطول الشظية، ومرفق الغشاء يسمح للشظايا بالمشاركة في آليات مختلفة.

3.1. -الانقسام

إن الانقسام هو الانقسام الأكثر دراسة لـ PrPC. ويحدث في ظل الظروف الفسيولوجية في المنطقة المركزية الكارهة للماء من PrPC الناضج (بقايا الأحماض الأمينية 105-120 في التسلسل البشري 111/112) [36-38] (الشكل 1).

يطلق الانقسام جزءًا ~ 11 كيلو دالتون N1 بينما يظل الجزء C1 ~ 18 كيلو دالتون مرتبطًا بغشاء الخلية بواسطة GPIanchor [36،39]. في الوقت الحالي، لا يوجد إنزيم فريد مسؤول عن الانقسام [24،40].

على الرغم من تحديد مواقع الانقسام فيما يتعلق بالأنواع، إلا أن الانقسام غير متسامح مع تباين التسلسل في هذه المنطقة طالما ظلت كارهة الماء محفوظة [38].

أظهرت الدراسات أن الانقسام في الدماغ البشري ونماذج الفأر والثقافات العصبية يحدث في وجود الإنزيمات ADAM10 وADAM17 [41–43]. يساهم ADAM10 في إنتاج N1 التأسيسي بينما يشارك ADAM17 بشكل رئيسي في تكوين N1 عند التحفيز [44 ، 45]. وقد تبين أيضًا أن ADAM8 يلتصق بـ PrPC ليشكل N1 وC1 في العضلات [46].

تم أيضًا دعم دور ADAM8 وADAM10 وADAM17 في الانقسام في دراسة فيزيائية حيوية [47]. يتمتع الجزء N1 بثبات منخفض نسبيًا؛ ومع ذلك، فقد وجد أنه موجود في سوائل الجسم، أو متجانسات الأنسجة، أو طاف زراعة الخلايا [39،48،49].

كان يُعتقد في البداية أن الانقسام يحدث في الأجزاء الاندوسومية الحمضية [50،51] لكن الدراسات اللاحقة أظهرت أن الانقسام يحدث أثناء النقل الحويصلي للـ PRP على طول المسار الإفرازي [52،53].

يستخدم الانقسام PrPC كركيزة، مما يؤدي إلى تقليل سطح الخلية. نظرًا لأن PrPC هو أيضًا ركيزة لتكاثر البريون ووسيط رئيسي للتسمم في أمراض البريون، ومرض الزهايمر، وأمراض التنكس العصبي الأخرى، فإن الانقسام له تأثير بيولوجي إيجابي.

يعد الجزء N المرن من PrPC ضروريًا لتفاعل البروتين مع الشركاء الملزمين الذين ينظمون امتصاص PrPC في الاتجار [54،55]. نظرًا لافتقاره إلى N1، يشكل C1 مجمعات على غشاء الخلية [56] وهو أكثر استقرارًا وثباتًا على سطح الخلية من PrPC [50].

يمكن شق الجزء C1 على سطح الخلية وإطلاقه في الفضاء خارج الخلية [57]. تم العثور على C1 لمنع تكرار البريون في الفئران [58،59] في حين أن الجزء N1 وقائي للأعصاب [60،61]؛ يعد غياب الانقسام سامًا لكل من الخلايا والفئران [47،62].

3.2. -الانقسام

يحدث الانقسام في نهاية منطقة تكرار الأوكتاببتيد N- الطرفية لموقع الانقسام. يتم ملاحظة الانقسام في الغالب في ظل ظروف مرضية ويشبه الانقسام. يبدو أنه يتصرف بشكل وقائي.

يحدث حول بقايا الأحماض الأمينية 90، مكونًا الجزء N2 (~ 9 كيلو دالتون) والجزء C2 (~ 20 كيلو دالتون) [36،37،48،63] (الشكل 1). يتم التوسط في انقسام PrPC بواسطة أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) [37،63–66].

عن طريق إزالة ROS، يحمي الانقسام الخلايا من الإجهاد التأكسدي [65]. وبصرف النظر عن ROS، يتم إحداث الانقسام بواسطة الكالبينات [67]، أو البروتياز الليزوزومي [68،69]، أو حتى ADAM8 [47].

يشق بروتيناز K نواة PrPSc (PrP27–30) المقاومة للبروتياز بالقرب من الموضع 90، مما يؤدي إلى إنشاء جزء بطول مماثل لـ C2. على غرار الجزء C1، يمكن أيضًا فصل الجزء C2 من سطح الخلية [70].

يشير تكوين مثل هذه القطعة إلى أن البروتياز المتضمن في الانقسام يمكن أيضًا أن يكون مشاركًا في المحاولات الخلوية لتكسير PrPSc [71،72].

3.3. -الانقسام

أحدث انقسام الأنزيم البروتيني المكتشف مؤخرًا لـ PrPC هو الانقسام. لا يزال يتعين تحديد موقع الانقسام في PrPC ولكن أحجام الجزء الذي تم إصداره N3 (~ 20 كيلو دالتون) والجزء C3 المثبت على GPI (~ 5 كيلو دالتون) تشير إلى أن انقسام البروتين يحدث في المنطقة بين بقايا الأحماض الأمينية 170 و 200 [73، 74] (الشكل 1).

تشير الدراسات إلى أن الانقسام يحدث متأخرًا في المسار الإفرازي على البروتين غير الغليكوزيلي في وجود أعضاء من عائلة البروتينات المعدنية المصفوفية (MMP) [73].

يُقترح أن سبب حدوث الانقسام فقط على PRPPC غير الغليكوزيلاتي يرجع إلى العائق الجامد للبروتياز بواسطة الجليكانات بالقرب من موقع الانقسام المقترح [40،75].

تم العثور على الانقسام في الأنواع والأنسجة ونماذج زراعة الخلايا المختلفة. يتطلب تحديد دوره مزيدًا من الدراسة على الرغم من أن الإشارة إلى زيادة كميات الجزء C3 في دماغ مرض كروتزفيلد جاكوب قد تؤدي إلى أهمية مسببة للأمراض [73].

3.4. التخلص من بروتين البريون

يوجد أيضًا انقسام مهم لـ PrP بالقرب من الطرف C. يلقي الانقسام PRP في الفضاء خارج الخلية، تاركًا عددًا صغيرًا من بقايا الأحماض الأمينية على سطح الخلية.

تم وصف الانقسام في الأبحاث المبكرة [35،39،76،77] ولكنه تلقى المزيد من الاهتمام في السنوات الأخيرة بسبب تورط التسليط PRP في الأمراض [40،63،78-83].

على غرار الانقسام، يحدث تساقط PRP في وجود إنزيمات من عائلة ADAM. تشير التجارب في المختبر وفي الجسم الحي إلى أن ADAM9 وADAM10 متورطان في عملية الانقسام وتساقط PrP [47،84–86] حيث ADAM10 هو sheddase الأساسي لـ PrP وADAM9 هو المُعدِّل لنشاط ADAM10 [24 .تم تحديد Shed PrP لأول مرة في الهامستر.

في دماغ الهامستر المصاب بالبريون، يمثل shedPrP حوالي 15% من جزيئات PrPSc [76]. أظهر تحليل إضافي أن ADAM10 انشق سقيفة PrP بين Gly228 وArg229 وشكل سقيفة PrP انتهت عند Gly228 [84].

كشف تحليل يستكشف ملف تعريف موقع الانقسام لـ ADAM10 أن الانقسام لا يحدث بواسطة تسلسل فريد [87].

وبالتالي، يمكن أن ينتج إنزيم ADAM10protease أشكالًا مختلفة من الـ PRP اعتمادًا على تسلسل البروتين وشكله. وصف يانسن وزملاؤه وجود أشكال PRP غير مثبتة تنتهي بـ Tyr225 وTyr226 في المرضى الذين يعانون من مرض البريون [88].

قام المؤلفون بوصف مريضين مصابين بمرض البريون والذين حملوا طفرات التوقف في المواضع Y226X وQ227X وعبروا عن الأشكال المعنية. باستخدام الجسم المضاد وحيد النسيلة V5B2 [89] الذي يرتبط على وجه التحديد بجزء من PrP ينتهي بـ Tyr226، وصفنا بشكل متزامن وجود شكل حر من PrP يسمى PrP226* [90-94].

ارتبط توزيع PrP226* في الدماغ البشري بتوزيع PrPSc [90,94]. نظرًا لوجود أكثر من شكل سقيفة واحد، افترضنا أن موقع التحلل البروتيني في التسلسل البشري لا يقع بشكل حصري بين بقايا الأحماض الأمينية 228 و229 ولكنه يقع بالقرب من الطرف C [95] (الشكل 1).

في الآونة الأخيرة، لينسينماير وآخرون. نشرت دراسة شاملة عن آلية تحفيز تساقط بروتين PRP [81]. باستخدام النماذج الحيوانية والضوابط، أظهروا أن تساقط PrP يرتبط سلبًا بتحويل البريون، وأن تساقط PrP موجود بكثرة في لويحات الأميلويد.

كما قاموا بدراسة تأثير ارتباط الأجسام المضادة الموجهة لـ PrP بـ PrPC على ميل التساقط. ربط الأجسام المضادة الكاملة لـ PrP بالمجال الهيكلي للمحطة C لـ PrPC أو مشتقات الجسم المضاد أحادية السلسلة، الموجهة نحو الحواتم المتكررة داخل منطقة ثماني التكرارات من المجال الطرفي N، يحفز التساقط، عندما يرتبط ربط الأجسام المضادة الكاملة لـ PrP بالتكرار الثماني أغلقت منطقة المجال الطرفي N بنية المجال الطرفي N وأثارت التجمعات السطحية لـ PrPC والالتقام الخلوي والتدهور في الليزوزومات [81].

4. بروتين البريون والميالين

يتم التعبير عن PrPC بكثرة في الجهاز العصبي المركزي (CNS) والجهاز العصبي المحيطي [4،5]. أظهرت الدراسات التي أجريت على أدمغة الرئيسيات وأدمغة القوارض والفئران المعدلة وراثيا أنه يتم إثراؤه على طول المحاور العصبية وفي أطراف ما قبل المشبكي حيث يشارك في النقل المحوري التقدمي والرجعي [4،17،18،96-98].

أظهرت عمليات الحذف في منطقة انقسام PrPC إزالة الميالين الشديدة في كل من الحبل الشوكي والمادة البيضاء المخيخية في الجسم الحي [99,100] وفي وقت لاحق، تم التأكيد على أن PrPC المحوري وانقسامه ضروريان لتعزيز الميالين في الجهاز العصبي المحيطي [101].

باستخدام نموذج الفئران بالضربة القاضية متساوي المنشأ، Kuffer et al. اكتشف أن PrPC المحوري يعزز صيانة الميالين عبر الارتباط بمستقبلات البروتين G المقترنة بالالتصاق Adgrg6 على خلايا شوان ذات الذيل المرن الطرفي N [7].

وأكدوا أيضًا أن الفئران التي تفتقر إلى PrPC طورت اعتلالًا عصبيًا مزمنًا مزيلًا للميالين، مما يشير إلى أن توازن الميالين في الجهاز العصبي المحيطي هو وظيفة فسيولوجية حقيقية لـ PrPC [7].

تم العثور على أن صيانة المايلين يتم تنظيمها من خلال ربط جزء N-terminal من PrPC (من المفترض N1 أو shed PrP) إلى Adgrg6 على خلايا Schwann.

أدى التفاعل إلى تنشيط Adgrg6، وزيادة المستويات الخلوية لـ cAMP، وتحفيز سلسلة الإحالة التي تعزز تكون الميالين [7]. تم تأكيد تنظيم صيانة الميالين المحيطي بواسطة PrPC في خمس سلالات مختلفة من نماذج الفأر ذات الـ PrP التي طورت اعتلال الأعصاب المحيطية المتأخر [101–103].

في الآونة الأخيرة، كانت هناك محاولة لتطوير علاج لأمراض إزالة الميالين المحيطية استنادًا إلى الارتباط بين المجال الطرفي N لـ PrPC وAdgrg6 [104]. في هذه الدراسة، قاموا ببناء جزيء لاصق مناعي يتكون من مجالين طرفيين مرنين من PrPC مرتبطين بجزء قابل للبلورة (Fc) من الغلوبولين المناعي G1 (FT2Fc) [104].

أظهر الجزيء خواص حركية دوائية مواتية وأظهر إمكانات في المختبر لكنه فشل في أن يكون له تأثير علاجي على العلامات الجزيئية المبكرة لإزالة الميالين في الفئران المعطلة لـ PrP [104].

تمت دراسة PRPC أيضًا فيما يتعلق بتطور المايلين المحيطي وتجديده بعد إصابات الأعصاب [105]. نظرًا لأنه وجد أنه يمكن الاستغناء عن PrP في هذه الآلية، فيمكن افتراض أن PrP ليس له دور رئيسي في عملية إصلاح العصب المحيطي أو يمكن تعويض غيابه برباطات أخرى [105].

تمت دراسة الميالين والأدوار الفسيولوجية الأخرى لـ PrP بشكل مكثف على نماذج حيوانية ذات تعبير جيني PrP معطل أو معطل.

أظهرت الدراسات تأثيرات سلبية محدودة في الفئران [102,106–109] والأبقار [110] والماعز [68,111,112] في حين أظهرت الدراسات التي أجريت على الفئران أو الماعز التي فقدت الـ PRP عيوبًا في الجهاز العصبي وحساسية للإجهاد التأكسدي [6,101,111,113]. تم إنشاء العديد من نماذج الفئران المعطلة لـ PRP بخلفية مختلطة [106،109،114–116].

نظرًا لأن الدراسات غير قابلة للتكرار بين النماذج، فقد يثير هذا سؤالًا حول ما إذا كانت أي أنماط ظاهرية ملحوظة كانت في الواقع بسبب تعدد الأشكال في الجينات المحيطة بـ Prnp أو نتيجة غياب PrPC. لتجنب هذه المشكلة، سيكون من المستحسن تكرار التجارب الرئيسية باستخدام الفئران PrPknockout المتجانسة.

على الرغم من أن دور PrPC في الجهاز العصبي المركزي يحتاج إلى توضيح، إلا أن الأجزاء المتحررة من PrPC وPrPC لا غنى عنها في توازن المايلين العصبي المحيطي ولكنها قد تكون قابلة للاستغناء عنها في تعافي الأعصاب.

For more information:1950477648nn@gamil.com