Biochemie neurodegenerativních chorob a

prionů

Alice Skoumalová

Neurodegenerativní choroba Patologický protein (amyloid)

Alzheimerova choroba β-amyloid

Parkinsonova choroba α-synuclein

Frontotemporální demence Tau

Hungtingtonova choroba Huntingtin

Creutzfeldt-Jakobova nemoc Prion

α-helix β-skládaný list

Normální protein (nativní struktura) Protein způsobující onemocnění

(patologická konformace)

konformační změna

Agregace

Toxická aktivita Ztráta funkce

Neurodegenerativní choroby

Nemoci způsobené patologickou konformací proteinůZpůsobené abnormální terciální strukturou (konformací) specifických

proteinů

DNA

RNA Ribosom

Nativní protein Protein s patologickou konformací

Chaperony

Ubikvitin

ATP

Degradovaný protein

Ztráta funkce (Cystická fibrosa)

Proteasom

Agregát/fibrilární amyloidChaperony

Toxická bílkovina (Alzheimerova choroba)

Ukládání (Amyloidosy)

Struktura amyloidních fibril

Rovné, nerozvětvené, velikost 8-16nm Složeny ze 2 až 6 protofilament (3-4 nm) Bohaté na struktury β-struktury (vzájemně spojeny vodíkovými můstky)

Molekulární faktory tvorby amyloidu

Abnormální zavinutí proteinu je klíčové pro tvorbu amyloidu Stabilita proteinu (stálost nativní konformace proti abnormální) je důležitý

faktor pro náchylnost k tvorbě amyloidu

Destabilizační faktory:

1. Extrémní podmínky prostředí (např. kyselé buněčné kompartmenty)

2. Proteolytické štěpení proteinů (endogenní proteasy)

3. Mutace, které pozmění primární strukturu (mnoho amyloidos má familiární formu způsobenou mutací proteinovém prekursoru amyloidu)

4. Kontakt s lipidovou dvojvrstvou membrán (Aβ)

Kontrola kvality proteinů

Základní patologické znaky provázející Alzheimerovu chorobu

Neurofibrilární tangly

hyperfosforylovaný tau protein

Amyloidní (senilní) plaky

fibrily proteinu β-amyloidu (Aβ)

abnormální zpracování APP (amyloid prekurzor protein)

Štěpení APP a vznik Aβ

Amyloidní kaskáda - patologie Alzheimerovy choroby

Mutace APP, PS1 a PS2 genů

Zvýšená produkce a kumulace Aβ42

Oligomerizace Aβ42 a depozice v senilních placích

Ovlivnění synapsí oligomery Aβ42

Aktivace mikroglií a astrocytů (komplement faktory, cytokiny)

Progresivní poškození synapsí a neuritů

Poškození iontové rovnováhy neuronů, oxidační poškození

Ovlivnění signálních drah kináz a fosfatáz tvorba tanglů

Poškození funkce neuronů a buněčná smrt s deficitem transmiterů

Demence

Definice prionů

proteinové přenosné patogeny způsobující některé fatální neurodegenerativní choroby (např. u lidí Creutzfeld-Jakobovu nemoc, kuru, u zvířat bovinní spongioformní encefalopatii)

zkratka pro proteinaceous infectious particle (analogie virion); jde o infekční agens, které nenese genetickou informaci uloženou v nukleové kyselině!

proteiny s patologickou konformací, které jsou schopny dále propagovat konformační změny nativních proteinů na abnormální struktury

Nemoc Hostitel PrP isoforma

Scrapie Ovce, koza OvPrPSc

Transmissible mink encephalopathy (TME)

Norek MkPrPSc

Chronic wasting disease (CWD)

Jelen, los MDePrPSc

Bovine spongioform encephalopathy (BSE)

Skot BovPrPSc

Feline spongioform encephalopathy (FSE)

Kočky FePrPSc

Exotic unguale encephalopathy (EUE)

Antilopa NyaPrPSc

Kuru Člověk HuPrPSc

Creutzfeldt-Jakob disease (CJD)

Člověk HuPrPSc

Gerstmann-Straussler-Scheinker syndrome (GSS)

Člověk HuPrPSc

Fatal familial insomnia (FFI)

Člověk HuPrPSc

PrPC

Název PrPC (cellular)

Normální protein

Transmembránový glykoprotein (neurony, lymfocyty); funkce není známá; váže Cu2+ (homeostasa těchto iontů)

Dominantní sekundární struktura α-helix

Dobře rozpustný ve vodě

Monomerní, snadno štěpen proteasami

Kódován genem zvaným PRNP na chromosomu 20

PrPSc

Název PrPSc (scrapie)

Abnormální protein způsobující nemoc

Stejná sekvence aminokyselin (primární struktura)

Dominantní sekundární struktura β-skládaný list

Nerozpustný ve vodě

Multimerní, rezistentní k působení proteas

Když je v kontaktu s normálním proteinem PrPC, konvertuje ho na abnormální PrPSc

Tvoří agregáty (způsobují onemocnění a/nebo vznikají jako vedlejší efekt)

Molekulární model struktury:

PrPC PrPSc

Převažuje α-helix (3x) β-skládaný list (40%), α-helix (30%)

Prionové agregáty (snímek z elektronového mikroskopu)

Replikační cyklusPřítomnost iniciálního PrPSc: exogenní (infekce) nebo endogenní (vrozenáči sporadická forma)Abnormální protein PrPSc konverguje nativní protein PrPC na PrPSc v replikačním cykluPatologické PrPSc agregují

Mechanismus progrese prionů

Prionové choroby: vzácné neurodegeneratvní onemocnění (1 nemocný/milion)

1. Sporadické (85 %)

U starších lidí, rychlá progrese (1 rok)

Př. Creutzfeldt-Jakob disease (CJD)

2. Familiární (vrozené-15%)

Mutace PrP genu způsobí změnu nativní konformace na patologickou PrPSc

Př. Gerstmann-Straussler-Scheinkerova nemoc (GSS),fatální familiární insomnie (FFI)

3. Přenosné (velice vzácné, ale mediálně známé)

V laboratoři přenosné na myši intrakraniální injekcí mozkového homogenátu nakažených zvířat

Přenos nemoci kuru u lidí (domorodci na Nové Guinei-kanibalismus)

Nedávno zjištěn přenos BSE na člověka v Evropě po požití infekčního hovězího masa (varianta CJD)

Přenosné spongioformní encefalopatie (TSE)=prionové onemocnění

Skupina progresivních chorob, které atakují mozek a nervový systém lidí a zvířat a jsou přenosné priony

Patologie: Vakuolární degenerace, ztráta neuronů bez zánětlivé odpovědi, astrocytosa, deposita amyloidů

Klinika: ztráta motorických funkcí (poruchy koordinace, ataxie, nechtěné trhavé pohyby), změny osobnosti, deprese, nespavost, zmatenost, poruchy paměti, demence, progresivní svalová paralysa, smrt

Definitivní diagnosa: post mortem histologicky

Neléčitelné

Přenos prionů

1. Přímý kontakt s infikovanou tkání: např. iatrogenní přenos CJD u pacientů, kterým byl aplikován růstový hormon získávaný z lidské hypofýzy, z instrumentů u mozkové chirurgie (priony přežijí běžnou sterilizaci), rohovkové transplantáty, elektrodové implantáty

2. Konsumpce infekčního masa: např. byl prokázán přenos prionů u nemoci kuru (kanibalismus u domorodců z Nové Guinei) a vCJD (požití

masa z krav s BSE)

Není znám mechanismus jak se priony dostanou z trávicího traktu do mozku (normálně jsou proteiny tráveny a vstřebávány jako aminokyseliny)

Hypotesa: Nejsou tráveny (rezistence k proteasam), jsou transportovány přes lymfatickou tkáň střeva (gut-associated lymphoid tissue GALT)

Typy prionů

=subklasifikace prionů na základě strukturálních charakteristik, které definují jejich patologický profil

Liší se inkubační dobou a neuropatologickými znaky, i když jsou způsobeny stejným proteinem (PrPSc)

Existence různých typů prionů: jsou chemicky identické, ale nemají přesně stejnou konformaci

Strukturální charakteristiky jednotlivých prionových typů jsou propagovány přes replikační cyklus

Jednotlivé typy prionů mají specifické cílové tkáně, inkubační dobu a patogenezi

Různá inkubační doba a neuropatologie typů prionů

-různé biochemické charakteristiky

-odlišnosti jsou zachovány po opakovaném přenosu

Charakteristiky jednotlivých typů prionů jsou zachovány po přenosu na jiné druhy

-po re-izolaci v původním hostitely

Konsumpce BSE-nakaženého masa Prion BSE

Varianta CJD: u mladších, jiný klinický průběh

Prion vCJD je identický s prionem BSE

Klasická CJD: u starších

Prion CJD se liší

Charakteristika Klasická CJD Varianta CJD

Věk úmrtí 68 let 28 let

Doba trvání nemoci 4-5 měsíců 13-14 měsíců

Klinické symptomy Demence, časné neurologické projevy

Psychiatrické projevy, pozdější neurologické poruchy, senzorické halucinace

Specifický nález na MRI Přítomen Přítomen

Specifický nález na EEG Přítomen Nepřítomen

Imunohistochemie mozkové tkáně

Variabilní akumulace PrPSc

Významná akumulace PrPSc

Nález prionů v lymfatické tkáni

Nesnadno detekovaný Snadno detekovaný

Přítomnost amyloidních plaků v mozku

Přítomny Přítomny

Konformační selekce a druhová bariéra

Široká škála možných konformací PrPSc

Pro jednotlivé druhy termodynamicky možné pouze některé z nich

Stejné konformace - možný přenos

Terapeutické strategie

1. Léky, které přeruší replikační cyklus PrPSc

Takové léky byly testovány na buněčných modelech, musí být ověřeny na zvířecích modelech a testovány v klinických studiích

2. Vývoj vakcíny: abnormální protein, na rozdíl od nativní formy, exponuje specifické aminokyselinové zbytky; protilátky proti této specifické sekvenci stimulují imunitní reakci proti patologickému prionu

3. Vývoj peptidů rozrušující struktury β-skládaného listu

4. Genová terapie: úprava genu kódujícího priony

Genetické inženýrství: kráva s chybějícím genem pro produkci prionů; teoreticky imunní k BSE (prosinec 2006)

Závěr

Konformační defekt proteinů - nemoci způsobené patologickou konformací proteinů - neurodegenerativní nemoci

Oligomerní agregáty patologických proteinů - neurotoxické

Priony jsou proteiny, které nesou informaci pro vlastní reprodukci (vyvrácení dogmatu moderní biologie)

Priony se nacházejí v membránách u zdravých lidí a zvířat, ale jejich abnormální konformace (PrPSc) jsou nerozpustné, nedají se štěpit a agregují

PrPSc atakuje nativní prion PrPC, změní jeho konformaci na abnormální, způsobí exponenciální nárůst nerozpustných proteinů, které agregují a tvoří fibrilární struktury

Prionové choroby jsou vzácné neléčitelné degenerativní poruchy, některé z nich jsou přenosné, ale mechanismus není úplně jasný (např. přenos BSE na člověka)