Prion

Tanım

Prionlar, yanlış katlanmış şekilleri ile aynı proteinin normal formlarını enfekte etme kabiliyetine sahip yanlış katlanmış proteinlerdir. İnsanları ve çeşitli diğer türleri etkileyen bir dizi ölümcül ve bulaşıcı nörodejeneratif hastalığın ayırt edici özellikleridir. Normal protein yanlış katlanmasının nedeni bilinmemektedir, ancak anormal üç boyutlu yapının, çevreleyen protein moleküllerini aynı şekle sokarak bulaşıcı nitelikler kazandırdığı düşünülmektedir. “Proteinli bulaşıcı parçacık” terimi, prionu tanımlamak için türetilmiştir. Enfeksiyöz bir ajan olarak bir proteinin önerilen rolü, tümü viroidler, virüsler, bakteriler, mantarlar ve parazitler gibi nükleik asitler içeren bilinen tüm diğer enfeksiyöz ajanlarla çelişmektedir.

Koyunlarda scrapie, geyiklerde kronik zayıflama hastalığı, sığırlarda sığır süngerimsi ensefalopati ve insanlarda Creutzfeldt-Jakob hastalığı gibi bulaşıcı süngerimsi ensefalopatilerin kaynağının, özel işlevi bilinmeyen prion proteininin prion izoformları olduğu düşünülmektedir. Memelilerde, bilinen tüm prion bozuklukları, beynin veya diğer nöral dokuların yapısına zarar verir; hepsi ölümcül, ilerleyicidir ve bilinen etkili bir tedavisi yoktur. Bilinen tüm memeli prion hastalıklarının, alfa-sinükleinin bir prion formunun çoklu sistem atrofisinin nedeni olduğuna inanılan 2015 yılına kadar prion proteininin neden olduğu düşünülüyordu.

Prionlar, enfekte dokuda biriken ve doku hasarına ve hücre ölümüne neden olan amiloidler olarak bilinen anormal protein kümeleri üretir. Amiloidler ayrıca Alzheimer ve Parkinson dahil olmak üzere bir dizi başka nörodejeneratif hastalıkla bağlantılıdır. Prion agregaları yapısal olarak stabildir, yani prionlar kimyasal ve fiziksel ajanlar tarafından denatürasyona karşı dirençlidir: basit dezenfeksiyon veya kaynatma ile öldürülemezler. Bu, bu parçacıkların atılmasını ve muhafaza edilmesini zorlaştırır.

Prion hastalığı, yapısal olarak anormal proteinlerle karakterize edilen bir tür proteopati veya protein hastalığıdır. Prionların Creutzfeldt-Jakob hastalığına, Gerstmann-Sträussler-Scheinker sendromuna, ölümcül ailevi uykusuzluk ve insanlarda kurumaya neden olduğu düşünülmektedir. Prionların alzheimer hastalığı, parkinson hastalığı ve amyotrofik lateral skleroz gibi prion benzeri bozuklukların gelişiminde rolü olabileceğine dair ek kanıtlar vardır. Hafıza oluşumu sırasında sinapsların yeniden şekillenmesinde rol oynayan bir proteinin yanı sıra birkaç maya proteini prionojenik olarak tanımlanmıştır. Prion replikasyonu, diğer replikasyon türleri gibi, epimutasyona ve doğal seçilime karşı savunmasızdır ve yapısı türler arasında biraz farklılık gösterir.

Prionlar, başka bir protein gibi belirli bir eşe bağlanmadıkça şeklini değiştirmeyen, özünde düzensiz bir protein türüdür. İki protein zinciri, biri diğerine aynı konfigürasyonda bağlanırsa, bir prion ile stabilize edilir. Bunun olma olasılığı zayıftır, ancak gerçekleşirse, ortaya çıkan kombinasyon son derece kararlıdır. Daha sonra bir “fibril” oluşturmak için daha fazla birim birleştirilebilir.

Prion Proteini 

Yapı

Prionlar, sağlıklı insanlarda ve hayvanlarda bile vücudun her yerinde bulunabilen bir proteinden oluşur. Enfeksiyöz materyalde bulunan PrP ise belirgin bir yapıya sahiptir ve normalde proteinleri parçalayan vücut enzimleri olan proteazlara dirençlidir. PrPC, proteinin normal versiyonu iken, PrPSc bulaşıcı formdur – C, ‘hücresel’ PrP anlamına gelirken, Sc, koyunları etkileyen prototipik prion hastalığı olan ‘scrapie’ anlamına gelir. PrPC yapısal olarak iyi tanımlanmış olsa da, PrPSc tartışmasız çoklu dağılmış ve zayıf tanımlanmıştır. In vitro, PrP, az çok iyi tanımlanmış birkaç izoforma katlanacak şekilde yapılabilir, ancak bunların patojenik form(lar)la in vivo bağlantıları bilinmemektedir.

PrPC

PrPC, hücre zarlarında bulunan ve “en büyük rezervuarı insanlarda trombositler olan çeşitli kan bileşenlerini içeren” yaygın bir proteindir. Esas olarak alfa sarmal bir yapıya, 209 amino asit, bir disülfid bağı, 35-36 kDa moleküler kütle ve 35-36 kDa moleküler kütleye sahiptir. Üç topolojik tip vardır: glikolipid sabitlemeli bir hücre yüzeyi formu ve iki transmembran formu. Tipik protein çökeltilemez, yani santrifüjleme ile ayrılamaz. İşlevi halen araştırılmakta olan karmaşık bir konudur. PrPC, bakır iyonları için güçlü bir afiniteye sahiptir. Bu keşfin önemi bilinmiyor ancak PrP yapısı veya işlevi ile ilgili olduğu düşünülüyor. PrPC, proteinaz K tarafından kolayca sindirilir ve glikofosfatidilinositol glikolipid ankorunu parçalayan enzim fosfoinositid fosfolipaz C, onu hücre yüzeyinden in vitro olarak serbest bırakabilir. PrP’nin hücre-hücre yapışmasında ve hücre içi sinyalleşmede in vivo olarak bir işlev oynadığı gösterilmiştir, bu da beyin hücresi iletişiminde rol oynayabileceğini düşündürmektedir.

PrPres

Proteaz-dirençli Yapısal olarak değiştirilen ve in vitro olarak yanlış katlanmış bir proteinaz K’ye dirençli forma dönüşen herhangi bir PrPc izoformu, PrPSc-benzeri protein olarak adlandırılır. Saborio et al. PrPC’nin in vitro olarak PrPSc’ye dönüşümünü modellemek için PrPC’yi hızlı bir şekilde bir PrPres’e dönüştürmek için protein yanlış katlanmasının döngüsel amplifikasyonunu kullandı. “PrPres” adı, bulaşıcı dokudan izole edilen ve bulaşıcı süngerimsi ensefalopati ajanına bağlanan PrPSc ile bulaşıcı süngerimsi ensefalopati ajanı ile ilgili olan PrPres’i ayırt etmek için türetilmiştir. PrPres, PrPSc’nin aksine bulaşıcı olabilir veya olmayabilir.

PrPSc

PrPSc veya basitçe prion, normal PrPC proteinlerini, proteinlerin birbirine bağlanma şeklini değiştiren konformasyonlarını veya şeklini değiştirerek bulaşıcı izoforma dönüştürebilen bulaşıcı bir PrP varyantıdır. Prion hastalığına genellikle PrPSc neden olur. PrPSc, kesin 3D yapısının bilinmemesine rağmen, normal sarmal yapısından daha büyük bir yaprak yapısına sahiptir. Bu anormal izoformlar, bir araya toplanarak plaklar oluşturan yüksek düzeyde organize olmuş amiloid lifleri üretir. Her bir lifin ucu, serbest protein moleküllerinin bağlanması için bir şablon görevi görür ve lifin genişlemesine izin verir. Sadece enfeksiyöz PrPSc ile aynı amino asit dizisine sahip PrP molekülleri, çoğu durumda gelişen fibere emilir. Nadir olmasına rağmen, türler arası bulaşma mümkündür.

PrP’nin Normal İşlevi

Prion proteininin vücuttaki işlevi hala bilinmemektedir. In vitro deneylerden elde edilen veriler, çeşitli farklı aktiviteler önerirken, PrP nakavt fareler üzerinde yapılan çalışmalar, hayvanların mütevazı kusurları nedeniyle sınırlı sonuçlar vermiştir. Farelerde yapılan bir araştırmaya göre, periferik sinirlerdeki PrP proteinlerinin bölünmesi, Schwann hücrelerinde miyelin onarımını aktive eder ve PrP proteinlerinin eksikliği bu hücrelerde demiyelinizasyonu destekler.

PrP ve Düzenlenmiş Hücre Ölümü

Prion benzeri proteinler MAVS, RIP1 ve RIP3 vücudun diğer bölgelerinde keşfedilir. Ayrıca, viryonların diğer hücrelere yayılmasını önlemek için viral bir enfeksiyon durumunda kontrollü hücre ölümünü tetikleyen filamentli amiloid liflerine polimerize olurlar.

PrP ve Uzun Süreli Hafıza

2005 yılında, kanıtların gözden geçirilmesi, PrP’nin uzun süreli bellek bakımında tipik bir rol oynayabileceğini ortaya koydu. Ek olarak, bir 2004 çalışmasına göre, normal hücresel PrP proteini için genleri olmayan farelerde anormal hipokampus uzun süreli güçlenmesi vardı. Yakın zamanda yapılan bir araştırma, nöronal protein CPEB’nin, maya prion proteinlerine benzer bir genetik sekansa sahip olduğunu keşfetti ve bunun nedenini açıklayabilir. CPEB’nin prion benzeri yaratımı, uzun süreli hafıza oluşumuyla bağlantılı uzun süreli sinaptik değişikliklerin sürdürülmesi için gereklidir.

PrP ve Kök Hücre Yenileme

Whitehead Biyomedikal Araştırma Enstitüsü’nün 2006 tarihli bir makalesine göre, bir organizmanın kemik iliğini yenilemesi için kök hücreler üzerinde PrP ekspresyonu gereklidir. Çalışmaya göre, tüm uzun vadeli hematopoietik kök hücreler, hücre zarlarında PrP eksprese eder ve PrP-null kök hücreleri içeren hematopoietik dokular, hücre tükenmesine karşı daha duyarlıdır.

PrP ve Doğuştan Gelen Bağışıklık

PrP geni olan PRNP’nin ekspresyonu birçok viral enfeksiyonda yükseldiği ve PrP’nin HIV de dahil olmak üzere çok sayıda virüse karşı antiviral yetenekleri olduğu için, PrP’nin doğuştan gelen bağışıklıkta bir rol oynayabileceğine dair bazı kanıtlar vardır.

Prion Replikasyonu

Heterodimer modeli, prionların sadece protein şeklinde nasıl çoğaldığını açıklamaya yönelik ilk girişimdi. Tek bir PrPSc molekülü, tek bir PrPC molekülüne bağlanır ve bu hipoteze göre PrPC’nin PrPSc’ye dönüşümünü katalize eder. Bundan sonra, iki PrPSc molekülü ayrılır ve potansiyel olarak daha fazla PrPC’yi dönüştürür. Öte yandan bir prion replikasyonu modeli, hem prionların nasıl yayıldığını hem de neden bu kadar nadir olduklarını açıklamalıdır. Manfred Eigen, heterodimer modelinin PrPSc’nin çok verimli bir katalizör olmasını gerektirdiğini ve dönüşüm reaksiyonunun hızını 1015 kat artırdığını gösterdi. PrPSc yalnızca amiloid gibi kümelenmiş formlarda ortaya çıkıyorsa, burada işbirliği kendiliğinden dönüşüme engel olabilir, bu sorun mevcut değildir. Ayrıca, bulaşıcı monomerik PrPSc, büyük çabalara rağmen hiçbir zaman izole edilmemiştir.

Diğer bir hipotez ise, PrPSc’nin sadece fibriller olarak var olduğu ve fibril uçlarının PrPC’ye bağlanarak onu PrPSc’ye dönüştürdüğüdür. Durum böyle olsaydı, prionların sayısı lineer bir biçimde artacak ve daha uzun fibriller üretecekti. Ancak prion hastalığı sırasında hem PrPSc hem de bulaşıcı parçacıkların sayısı katlanarak artar. Fibril kırılması dikkate alındığında bu açıklanabilir. Fibril büyümesi ve fibril kırılmasının birleşiminden kaynaklanan üstel büyüme hızı matematiksel olarak çözülmüştür. PrPC konsantrasyonunun karekökü üstel büyüme oranını belirler. Üstel büyüme hızı, kuluçka dönemini belirler ve transgenik farelerde prion bozuklukları üzerine yapılan in vivo araştırmalar bu varsayımı desteklemektedir. Bir dizi başka amiloid proteini ile yapılan in vitro testler, aynı karekök bağımlılığını ortaya koymaktadır.

Prion replikasyon mekanizmasının ilaç gelişimi için sonuçları vardır. Prion hastalıklarının kuluçka süresi çok uzun olduğundan, etkili bir ilacın tüm prionları yok etmesi gerekmez; bunun yerine, sadece üstel gelişme oranını düşürmesi gerekiyor. Modeller, fibril uçlarına bağlanan ve onların daha fazla gelişmesini engelleyen bir ilaç bulmanın, mümkün olan en küçük dozu kullanarak bunu başarmak için en etkili yaklaşım olduğunu öne sürüyor.

Dartmouth College araştırmacılarına göre, fosfolipid molekülü ve polianyonlar gibi endojen konakçı kofaktör moleküllerinin in vitro olarak yüksek düzeyde spesifik enfektiviteye sahip PrPSc molekülleri oluşturması gerekirken, yalnızca protein içeren PrPSc moleküllerinin önemli düzeyde biyolojik enfektiviteden yoksun olduğu görülüyor.

Bulaşıcı Süngerimsi Ensefalopatiler

Prionlar, normal doku yapısını bozan amiloid plakları oluşturmak için hücre dışı olarak merkezi sinir sistemi içinde toplanarak nörodejeneratif hastalığı indükler. Nöronlarda vakuollerin oluşması nedeniyle, bu bozulma, dokuda süngerimsi bir mimariye sahip “delikler” ile karakterize edilir. Astrogliosis ve bir inflamatuar yanıtın yokluğu, diğer iki histolojik değişikliktir. Prion hastalıklarının kuluçka süresi uzun olsa da, semptomlar geliştiğinde hastalık hızla ilerleyerek beyin hasarına ve ölüme neden olur. Konvülsiyonlar, demans, ataksi ve davranışsal veya kişilik anormallikleri, nörodejeneratif semptomların örnekleridir.

Prion proteini tüm memelilerde son derece benzer olduğundan, prion bozuklukları çok çeşitli memeli türlerini etkileyebilir. Türler arasında PrP’deki küçük değişiklikler nedeniyle bir prion hastalığının bir türden diğerine yayılması alışılmadık bir durumdur. İnsan prion hastalığı varyasyonu Creutzfeldt-Jakob hastalığının ise sığırları enfekte eden ve sığır süngerimsi ensefalopatisine neden olan bir prion tarafından üretildiği ve kontamine et yoluyla yayıldığı düşünülmektedir.

Tüm prion hastalıkları tedavi edilemez ve ölümcüldür. Farelerde oluşturulan bir aşı ise insanları prion enfeksiyonlarından korumak için bir aşı geliştirme konusunda fikir verebilir. Ayrıca, bilim adamları 2006 yılında, doğal olarak oluşan prion proteininden yoksun farelerin, scrapie prion proteini tarafından enfeksiyona dirençli olduğunu gösteren araştırmalara dayanarak, prion üretimi için gerekli bir gene sahip olmayan genetik olarak işlenmiş sığırlara sahip olduklarını ve teorik olarak onları BSE’ye karşı bağışıklık kazandıklarını açıkladılar. 2013 yılında yayınlanan bir araştırmaya göre, Birleşik Krallık’taki her 2.000 kişiden biri vCJD’ye neden olan bulaşıcı prion proteini ile enfekte olabilir.

Bilinen tüm memeli prion hastalıklarının, 2015 yılında çoklu sistem atrofisinin bulaşıcı olduğu keşfedilene kadar prion proteini PrP’den kaynaklandığı düşünülüyordu ve yeni bir priondan kaynaklandığı varsayıldı. sinüklein. PrPC, prion proteininin endojen, uygun şekilde katlanmış versiyonunu temsil ederken, PrPSc, prionlar ve nörodejenerasyon ile ilişkili ilk bozukluklardan birinin adını taşıyan hastalığa bağlı, yanlış katlanmış formu temsil eder. Prionun tam yapısı bilinmemektedir, ancak önceden var olan bulaşıcı prionların yokluğunda, bir protein yanlış katlama döngüsel amplifikasyon döngüsünde PrPC, homopolimerik poliadenilik asit ve lipidlerin karıştırılmasıyla kendiliğinden oluşturulabilir. Bu bulgu, prion replikasyonunun genetik bilgiye bağlı olmadığına dair artan veri gövdesine katkıda bulunuyor.

Tedaviler 

Prion hastalıkları için geçerli bir tedavi yoktur. İnsanlarda yapılan klinik deneyler başarılı olmadı ve prion hastalıklarının nadir görülmesi ilerlemeyi engelledi. Bazı prospektif tedaviler laboratuvarda umut vaat etmiş olsa da, hastalık başladıktan sonra hiçbirinin başarılı olduğu kanıtlanmadı.

Kaynaklar:

• AIKEN, J.M., EVIDENCE OF MITOCHONDRIAL INVOLVEMENT IN SCRAPIE INFECTION, JOURNAL OF VIROLOGY 63: 1686 (1989).
• AIKEN, J.M., PRESENCE OF MITOCHONDRIAL D-LOOP DNA IN SCRAPIE-INFECTED BRAIN PREPARATIONS ENRICHED FOR THE PRION PROTEIN, JOURNAL OF VIROLOGY 64: 3265 (1990).
• AIKEN, J.M., THE SEARCH FOR SCRAPIE AGENT NUCLEIC-ACID, MICROBIOLOGICAL REVIEWS 54: 242 (1990).
• AKOWITZ, A, NUCLEASE-RESISTANT POLYADENYLATED RNAS OF SIGNIFICANT SIZE ARE DETECTED BY PCR IN HIGHLY PURIFIED CREUTZFELDT-JAKOB DISEASE PREPARATIONS, MICROBIAL PATHOGENESIS 9: 33 (1990).
• ALPER, T, EXCEPTIONALLY SMALL SIZE OF SCRAPIE AGENT, BIOCHEMICAL AND BIOPHYSICAL RESEARCH COMMUNICATIONS 22: 278 (1966).
• Ross CA, Poirier MA. (2004) Protein aggregation and neurodegenerative disease. Nat. Med. 10(Suppl):S10–7.
• Dobson CM. (2004) Protein chemistry: in the footsteps of alchemists. Science 304:1259–62.
• Kelly JW. (2006) Structural biology: proteins downhill all the way. Nature 442:255–6.
• Alzheimer A. (1906) Über einen eigenartigen schweren Erkrankungsprozeβ der Hirnrinde. Neurologisches Zentralblatt 23:1129–36.
• Ferri CP, et al. (2005) Global prevalence of dementia: a Delphi consensus study. Lancet 366:2112–7.

Görsel Kaynak: https://www.rcsb.org/3d-view/2KU4

Editör: Ecem Bolat