Biochemie neurodegenerativních chorob a prionů

1. Biochemie neurodegenerativních chorob a prionů Alice Skoumalová

3. Nemoci způsobené patologickou konformací proteinů Způsobené abnormální terciální strukturou (konformací) specifických proteinů β-skládaný list α-helix konformační změna Normální protein (nativní struktura) Protein způsobující onemocnění (patologická konformace) Agregace Toxická aktivita Ztráta funkce Neurodegenerativní choroby

4. DNA Ubikvitin Ribosom RNA ATP Chaperony Nativní protein Protein s patologickou konformací Agregát/fibrilární amyloid Chaperony Proteasom Ukládání (Amyloidosy) Degradovaný protein Toxická bílkovina (Alzheimerova choroba) Ztráta funkce (Cystická fibrosa)

5. 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)

6. 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)

8. Kontrola kvality proteinů

9. 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)

10. Štěpení APP a vznik Aβ

11. 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

13. 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

15. 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)

16. Molekulární model struktury: PrPC PrPSc Převažuje α-helix (3x) β-skládaný list (40%), α-helix (30%)

17. Prionové agregáty (snímek z elektronového mikroskopu)

18. Replikační cyklus • Přítomnost iniciálního PrPSc: exogenní (infekce) nebo endogenní (vrozená či sporadická forma) • Abnormální protein PrPSc konverguje nativní protein PrPC na PrPSc v replikačním cyklu • Patologické PrPSc agregují

19. Mechanismus progrese prionů

20. 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)

21. 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

22. Přenos prionů • 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 • 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)

23. 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

24. 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

25. 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

27. Konformační selekce a druhová bariéra • Široká škála možných konformací PrPSc • Pro jednotlivé druhy termodynamicky možné pouze některé z nich • Stejné konformace - možný přenos

28. 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)

29. 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)