프리온 단백질: 다양한 형태와 얼굴의 분자 1부

개요: 세포 프리온 단백질(PrPC)은 글리코실포스파티딜이노시톨(GPI) 고정 단백질로 뉴런의 외막에서 가장 많이 발견됩니다. 구조적 특성(유연한 테일랜드 구조의 코어)으로 인해 PrPC는 광범위한 파트너와 상호 작용합니다.

최근 몇 년 동안 많은 연구에서 세포 프리온 단백질이 동물 기억의 발달 및 유지와 중요한 관계가 있음이 밝혀졌습니다.

세포 프리온(단순 포진 바이러스, HSV)은 인간 집단에 널리 존재하는 바이러스이며 신경 질환 및 피부 질환의 가장 중요한 병원체 중 하나로 간주됩니다. HSV-1 및 HSV-2는 인간에게 가장 흔한 두 가지 바이러스 유형입니다.

최근 연구에 따르면 HSV-1 바이러스 단백질은 인간과 동물의 기억력 발달과 유지를 촉진할 수 있는 것으로 나타났습니다. 이번 연구 결과에 따르면 HSV-1 감염은 주로 인간 삶의 초기 단계에 발생하며, 바이러스 단백질은 인간 신경계에 축적되어 신경전달물질 방출과 시냅스 전달을 조절하는 것으로 나타났다. 이러한 조절 효과는 뇌 기억 기능을 향상시키고 공간 인지 및 주의력을 향상시키는 데 도움이 됩니다.

또한 HSV-1 바이러스 단백질은 신체의 면역 반응 및 항바이러스 반응과 일정한 관계가 있습니다. 연구에 따르면 HSV-1 바이러스 단백질의 영향으로 신체의 면역 반응이 활성화되고 체내 '기억 T 세포'에 적극적으로 작용하여 신체의 항바이러스 방어력이 강화되는 것으로 나타났습니다. 이 발견은 HSV-1와 동물 면역 사이의 관계를 탐구하는 데 광범위한 의미를 갖습니다.

즉, 세포 프리온 바이러스 단백질과 기억의 관계는 기억, 신경계 기능, 면역반응 등에 대한 향후 연구에 폭넓은 연구 공간을 제공하며, 관련 질병의 예방 및 치료에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 기억력 향상이 필요하다는 것을 알 수 있는데, 시스탄체는 기억력과 학습에 매우 중요한 아세틸콜린과 성장인자의 수치를 높이는 등 신경전달물질의 균형도 조절할 수 있기 때문에 기억력을 크게 향상시킬 수 있습니다. 또한 Cistanche는 혈류를 개선하고 산소 전달을 촉진하여 뇌가 충분한 영양과 에너지를 얻을 수 있도록 하여 뇌 활력과 지구력을 향상시킬 수 있습니다.

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기억력 향상을 위한 보충제 알아보기

PrPC는 많은 생리학적 기능에 관여하는 것으로 제안되었지만 지금까지 말초 신경 수초화 항상성만이 진정한 기능으로 확인되었습니다.

PrPC의 잘못된 폴딩은 프리온 질환을 유발하며 PrPChas는 허혈의 신경 보호뿐만 아니라 알츠하이머병 및 파킨슨병의 풍부한 올리고머 유발 신경독성을 매개하는 것으로 나타났습니다.

단백질 분해 절단 시 PrPC는 PrPC의 포함된 구조적 특성에 따라 보호 또는 독성 특성을 표시할 수 있는 방출 및 부착 형태의 PrP로 변형됩니다.

이 리뷰에서 우리는 프리온 단백질과 프리온 단백질 단편의 특성을 개괄적으로 설명할 뿐만 아니라 수초화, 신경 보호 및 신경퇴행성 질환에서 상호 작용 파트너 및 신호 경로와의 관련성을 개관할 것입니다.

키워드: 프리온 단백질; 프리온 단백질 단편; 신경보호; 수초화; 허혈성 뇌졸중, 신경퇴행성 질환.

1. 소개

프리온 단백질(PrP)은 고도로 보존된 유비쿼터스 당단백질입니다. 두 가지 형태로 존재합니다. 정상 또는 세포 이소형인 PrPC 및 질병 관련 감염성 이소형 스크래피 PrP, PrPSc.

PrPSc의 병리학적 역할은 프리온질환에서 광범위하게 연구되었으며 여러 논문에서 검토되었습니다[1-3]. PrPC는 중추 및 말초신경계에서 높은 발현 수준으로 다양한 기관 및 조직에서 발현됩니다.

이는 뉴런의 세포 표면에 풍부하게 존재하며 [4-6] 많은 생리적 메커니즘에 관여합니다. 단백질의 기능은 아직 밝혀지지 않았습니다. 그럼에도 불구하고 집중적인 연구에서는 PrPC를 미엘린 항상성[7], 신경 보호[8,9], 일주기 리듬[10,11], 금속 이온 항상성[12,13], 미토콘드리아 항상성[14] 및 세포간 신호 전달과 연관시킵니다. ,16].

뉴런에서 PrPC는 축삭 말단의 시냅스전 및 시냅스후 구획에 존재하며, 여기서 전행성 및 역행성 축삭 수송에 관여합니다[17-20]. PrPC는 프로테아제에 의해 세포막에서 절단되어 방출된 형태와 부착된 형태를 형성합니다.

최근에는 프리온단백질과 프리온 단백질 방출 형태가 신경퇴행성 질환의 신경보호와 상관관계가 있어 주목을 받고 있습니다.

이 리뷰에서는 프리온 단백질과 프리온 단백질 방출 형태를 제시하고, 수초화, 신경 보호 및 신경변성 질환에 대한 이들의 관련성을 요약하고, 이 분야의 가장 최근 발견에 대해 논의합니다.

2. 프리온 단백질

성숙한 인간 PrPC는 유연한 구조화되지 않은 N 말단 도메인(아미노산 잔기 23~120)과 구조화된 C 말단 도메인(아미노산 잔기 121~231)으로 구성됩니다.

이는 글리코실포스파티딜이노시톨(GPI) 앵커를 사용하여 세포막에 고정됩니다[21,22]. 유연한 N 말단 도메인은 옥타반복 영역을 포함하는 반면 구조화된 도메인은 3개의 나선, 2개의 시트, 시스테인 179 및 214를 연결하는 이황화 결합으로 구성됩니다. 및 아미노산 잔기 181 및 197에 2개의 N-글리칸이 있습니다[23,24](그림 1).

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PrPC는 시트가 풍부한 isoform PrPSc로 변환될 수 있으며, 이는 자동 촉매 변환 및 불용성 응집체로의 응집이 발생하기 쉽습니다[22,25,26]. 뇌에 병리학적 단백질이 비정상적으로 축적되면 프리온 질환으로도 알려진 전염성해면상뇌병증(TSE)이 발생할 수 있습니다.

프리온 질환에는 크로이츠펠트-야콥병(CJD), 게르스트만-슈트로이슬러-샤인커 증후군(GSS), 인간의 치명적 가족성 불면증(FFI) 및 쿠루, 소의 소 해면상 뇌병증, 염소와 양의 스크래피, 경추의 만성 소모성 질환이 포함됩니다.

모든 프리온 질환은 치명적인 신경퇴행성 질환이 아닙니다. 인간의 프리온 질환의 임상적, 신경병리학적 특징은 급속한 기억 상실 및 뇌 기능의 상실뿐만 아니라 치매, 뇌의 해면상 변형, 성격 변화, 운동 장애 등 알츠하이머병(AD)과 유사합니다[15,27] .

프리온 질환은 뇌에 독성 PrPSc 집합체가 축적되어 발생하지만 PrPC가 PrPSc로 전환되고 프리온 질환이 발생하는 기전은 아직 알려지지 않았습니다.

프리온 질환 발병의 기질이 되는 것 외에도, PrPC는 세포독성 아밀로이드-(A) 올리고머[20,28] 및 AD 및 기타 타우병증에서 타우 단백질의 독성 용해성 응집체에 대한 수용체 역할을 할 수 있습니다[29,30].

또한 파킨슨병(PD) 및 기타 시누클레인병증에서 α-synuclein(-syn) 올리고머의 PrPC 결합에 대한 반대 연구도 있어 α-synuclein의 독성에서 PrPC의 역할에 대한 논쟁이 시작되었습니다[30-33].

3. 프리온 단백질 단편

PrPC는 4개의 번역 후 절단을 거쳐 PrP 단편을 형성할 수 있습니다(그림 1). -절단 및 -절단은 구조화되지 않은 N 말단 도메인 내에서 발생하는 반면, -절단 및 PrP 발산은 구조화된 C 말단 도메인 내에서 발생합니다.

언급된 절단 외에도 PrPC는 GPI 앵커 내에서 PrPC를 절단하는 포스포리파제 C를 사용한 실험 조건에서 절단되었습니다[34,35]. 절단 부위, 단편의 길이 및 막 부착을 통해 단편이 다양한 메커니즘에 참여할 수 있습니다.

3.1. -분열

-절단은 PrPC의 가장 많이 연구된 절단입니다. 이는 성숙한 PrPC의 중앙 소수성 영역(인간 서열 111/112의 아미노산 잔기 105-120)의 생리학적 조건에서 발생합니다[36-38](그림 1).

절단은 ~11 kDa 단편 N1을 방출하는 반면 ~18 kDa 부분 C1은 GPIanchor에 의해 세포막에 부착된 상태로 유지됩니다[36,39]. 현재로서는 α-절단을 담당하는 고유한 효소가 없습니다[24,40].

종에 관한 절단 부위가 결정되었지만, α-절단은 소수성이 보존되는 한 이 부위의 서열 변화에 내성을 가집니다[38].

연구에 따르면 인간 뇌, 마우스 모델 및 신경 세포 배양에서 효소 ADAM10 및 ADAM17이 있을 때 절단이 발생하는 것으로 나타났습니다[41-43]. ADAM10은 구성적 N1 생산에 기여하는 반면 ADAM17은 주로 자극 시 N1 형성에 참여합니다[44 ,45]. ADAM8은 또한 PrPC를 절단하여 근육에서 N1과 C1을 형성하는 것으로 나타났습니다[46].

α-절단에서 ADAM8, ADAM10 및 ADAM17의 역할은 생물물리학적 연구에서도 뒷받침되었습니다[47]. 조각 N1은 상대적으로 안정성이 낮습니다. 그럼에도 불구하고 체액, 조직 균질액 또는 세포 배양 상층액에 존재하는 것으로 밝혀졌습니다[39,48,49].

절단은 처음에는 산성 엔도솜 구획에서 일어나는 것으로 생각되었지만[50,51] 이후 연구에서는 분비 경로를 따라 PrPC의 소포 이동 중에 절단이 발생한다는 것이 입증되었습니다[52,53].

-절단은 PrPC를 기질로 사용하여 세포 표면을 감소시킵니다. PrPC는 또한 프리온 복제의 기질이자 프리온 질환, AD 및 기타 신경변성 질환의 독성의 주요 매개자이므로 절단은 긍정적인 생물학적 효과를 갖습니다.

PrPC의 유연한 N-말단 부분은 밀매에서 PrPC 흡수를 조절하는 결합 파트너와 단백질의 상호작용에 필수적입니다[54,55]. N1이 부족하면 C1은 세포막에 복합체를 형성하고[56] PrPC보다 세포 표면에서 더 안정적이고 지속적입니다[50].

단편 C1은 세포 표면에서 절단되어 세포외 공간으로 방출될 수 있습니다[57]. C1은 생쥐에서 프리온 복제를 억제하는 것으로 밝혀졌지만[58,59] 단편 N1은 신경 보호 효과가 있습니다[60,61]. α-절단이 없으면 세포와 생쥐 모두에게 독성이 있습니다[47,62].

3.2. -분열

α-절단은 α-절단 부위의 옥타펩타이드 반복 영역 N-말단의 끝에서 발생합니다. -절단은 대부분 병리학적 조건에서 관찰되며 -절단과 유사합니다. 보호작용을 하는 것 같습니다.

이는 아미노산 잔기 90 주변에서 발생하여 단편 N2(~9 kDa)와 단편 C2(~20 kDa)를 형성합니다[36,37,48,63](그림 1). PrPC의 절단은 활성산소종(ROS)에 의해 매개됩니다[37,63-66].

ROS를 제거함으로써 절단은 산화 스트레스로부터 세포를 보호합니다. ROS 외에도 α-절단은 칼페인[67], 리소좀 프로테아제[68,69] 또는 심지어 ADAM8[47]에 의해 유도됩니다.

Proteinase K는 위치 90 근처에서 PrPSc(PrP27-30)의 단백질 분해효소 저항성 코어를 절단하여 C2와 비슷한 길이의 단편을 생성합니다. 단편 C1과 유사하게 단편 C2도 세포 표면에서 떨어져 나갈 수 있습니다[70].

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이러한 단편의 형성은 α-절단에 관여하는 프로테아제가 PrPSc를 분해하려는 세포의 시도에도 관여할 수 있음을 나타냅니다[71,72].

3.3. -분열

가장 최근에 발견된 PrPC의 프로테아제 절단은 α-절단입니다. PrPC의 절단 부위는 아직 결정되지 않았지만 방출된 단편 N3(~20kDa) 및 GPI 고정 단편 C3(~5kDa)의 크기는 단백질 절단이 아미노산 잔기 170과 200 사이의 영역에서 발생함을 시사합니다[73, 74] (그림 1).

연구에 따르면 α-절단은 매트릭스 메탈로프로테아제(MMP) 계열의 구성원이 있는 경우 비당화 단백질의 분비 경로 후반에 발생합니다[73].

α-절단이 글리코실화되지 않은 PrPC에서만 발생하는 이유는 제안된 절단 부위 부근에서 글리칸에 의한 프로테아제의 입체 장애 때문인 것으로 제안됩니다[40,75].

α-절단은 다양한 종, 조직 및 세포 배양 모델에 존재하는 것으로 밝혀졌습니다. CJD 뇌에서 단편 C3의 양이 증가하면 병원성 중요성이 발생할 수 있지만 그 역할을 결정하려면 추가 연구가 필요합니다[73].

3.4. 프리온 단백질의 배출

C-말단 근처에서 PrP의 중요한 절단도 있습니다. 절단으로 인해 PrP가 세포외 공간으로 떨어져 나가고 세포 표면에 소수의 아미노산 잔기가 남게 됩니다.

절단은 초기 연구에서 설명되었지만 [35,39,76,77] 질병에 흘려진 PrP가 관련되어 최근 몇 년 동안 더 많은 주목을 받았습니다 [40,63,78-83].

α-절단과 유사하게 PrP의 탈락은 ADAM 계열의 효소가 있을 때 발생합니다. 시험관 내 및 생체 내 실험은 ADAM9와 ADAM10이 PrP의 절단 및 배출 과정에 관여한다는 것을 시사합니다[47,84-86]. 여기서 ADAM10은 PrP의 주요 셰다제이고 ADAM9는 ADAM10 활성의 조절자입니다[24 ].Shed PrP는 햄스터에서 처음으로 결정되었습니다.

프리온에 감염된 햄스터의 뇌에서 shedPrP는 PrPSc 분자의 약 15%를 차지했습니다. 추가 분석에 따르면 ADAM10은 Gly228과 Arg229 사이에서 PrP를 절단하고 Gly228에서 종결되는 PrP를 형성했습니다[84].

ADAM10의 절단 부위 프로파일을 조사한 분석에서는 절단이 고유한 서열에 의해 유도되지 않는 것으로 나타났습니다[87].

결과적으로, ADAM10프로테아제는 단백질 서열과 구조에 따라 배출된 PrP의 변이체를 생성할 수 있습니다. Jansen과 동료들은 프리온 질환 환자에서 Tyr225 및 Tyr226으로 끝나는 고정되지 않은 PrP 형태의 존재를 설명했습니다[88].

저자는 Y226X 및 Q227X 위치에 정지 돌연변이가 있고 각각의 형태를 발현하는 프리온 질환 환자 두 명을 특성화했습니다. Tyr226으로 끝나는 PrP 단편에 특이적으로 결합하는 단클론 항체 V5B2[89]를 사용하여 우리는 PrP226*[90-94]라는 자유 형태의 PrP의 존재를 동시에 설명했습니다.

인간 뇌에서 PrP226*의 분포는 PrPSc의 분포와 연관되어 있습니다[90,94]. 하나 이상의 창고 형태가 존재하기 때문에 우리는 인간 서열의 단백질 분해 부위가 아미노산 잔기 228과 229 사이에만 위치하는 것이 아니라 C-말단 부근에 위치한다는 가설을 세웠습니다[95](그림 1).

최근 Linsenmeier et al. PrPC 단백질 분해 배출을 자극하는 메커니즘에 대한 포괄적인 연구를 발표했습니다[81]. 동물모델과 대조군을 사용하여 그들은 PrP 배출이 프리온전환과 음의 상관관계가 있으며, 배출된 PrP가 아밀로이드 플라크에 풍부하게 존재한다는 것을 보여주었습니다.

그들은 또한 PrPC에 대한 PrP 지시 항체의 결합이 탈락 성향에 미치는 영향을 연구했습니다. 전체 항-PrP 항체가 PrPC 또는 단일 사슬 항체 유도체의 C-말단 구조 도메인에 결합하면 N-말단 도메인의 옥타반복 영역 내의 반복적 에피토프를 향한 전체 항-PrP 항체가 옥타반복에 결합할 때 방출이 자극됩니다. N-말단 도메인의 영역은 N-말단 도메인 구조를 잠그고 PrPC 표면 클러스터링, 세포내이입 및 리소좀의 분해를 유발했습니다[81].

4. 프리온 단백질과 수초화

PrPC는 중추신경계(CNS)와 말초신경계에서 풍부하게 발현됩니다[4,5]. 영장류 뇌, 설치류 뇌 및 형질전환 쥐를 대상으로 한 연구에서는 이것이 축삭을 따라 그리고 전행성 및 역행성 축삭 수송에 관여하는 시냅스전 말단에서 풍부하다는 것을 보여주었습니다[4,17,18,96-98].

PrPC 절단 영역의 결실은 생체 내에서 척수와 소뇌 백색질 모두에서 심각한 탈수초화를 나타냈습니다. 나중에 축삭 PrPC와 그 절단이 말초 신경계의 전수초화에 필요하다는 것이 확인되었습니다[101].

공동 동종PrP-녹아웃 마우스 모델을 사용하여 Kuffer et al. 축삭 PrPC가 N 말단 유연한 꼬리를 가진 Schwann 세포의 접착 G 단백질 결합 수용체 Adgrg6에 결합하여 트랜스에서 수초 유지를 촉진한다는 사실을 발견했습니다 [7].

그들은 또한 PrPC가 결핍된 쥐가 만성 탈수초성 신경병증을 나타냈다는 것을 확인했는데, 이는 말초 신경계의 수초화 항상성이 PrPC의 진정한 생리적 기능임을 암시합니다[7].

미엘린 유지는 Schwann 세포의 Adgrg6에 대한 PrPC의 N 말단 방출 단편(아마도 N1 또는 방출된 PrP)의 결합을 통해 조절되는 것으로 밝혀졌습니다.

상호작용은 Adgrg6을 활성화하고, cAMP의 세포 수준을 증가시키며, 수초화를 촉진하는 무신호 연속반응을 촉발했습니다[7]. PrPC에 의한 말초 수초 유지 조절은 후기 발병 말초 신경병증이 발생한 5가지 다른 PrP-녹아웃 마우스 모델 계통에서 확인되었습니다[101-103].

최근에는 PrPC의 N-말단 도메인과 Adgrg6 사이의 결합을 기반으로 말초 탈수초 질환에 대한 치료법을 개발하려는 시도가 있었다[104]. 이 연구에서 그들은 면역글로불린 G1(FT2Fc)의 결정성 단편(Fc)에 연결된 PrPC의 두 개의 유연한 N 말단 도메인으로 구성된 면역부착소 분자를 구성했습니다[104].

이 분자는 유리한 약동학적 특성을 보였고 시험관 내에서 잠재력을 보였지만 PrP-녹아웃 마우스에서 탈수초화의 초기 분자 징후에 대한 치료 효과를 나타내지 못했습니다[104].

PrPC는 또한 신경 손상 후 말초 수초 발달 및 재생과 관련하여 연구되었습니다 [105]. PrP가 이 메커니즘에 필요하지 않은 것으로 밝혀졌기 때문에 PrP는 말초 신경 복구 과정에서 주요 역할을 하지 않거나 PrP의 부재가 다른 리간드에 의해 보상될 수 있다고 추정할 수 있습니다[105].

PrPC의 수초화 및 기타 생리학적 역할은 PrP 유전자 발현이 녹아웃되거나 다운된 동물 모델에서 집중적으로 연구되었습니다.

연구에 따르면 생쥐[102,106-109], 소[110] 및 염소[68,111,112]에서 부정적인 영향이 제한적인 것으로 나타났습니다. 반면 PrP가 녹아웃된 생쥐 또는 염소에 대한 연구에서는 신경계 결함과 산화 스트레스에 대한 민감성이 나타났습니다[6,101,111,113]. 여러 PrP 녹아웃 마우스 모델이 혼합된 배경으로 생성되었습니다[106,109,114-116].

연구는 모델들 사이에서 재현 가능하지 않기 때문에 관찰된 표현형이 실제로 Prnp 측면 유전자의 다형성 때문인지 또는 PrPC 부재의 결과인지에 대한 의문이 제기될 수 있습니다. 이 문제를 방지하려면 공동 동질체 PrPknockout 마우스를 사용하여 주요 실험을 반복하는 것이 좋습니다.

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