close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

priony._prionnaya_nasledstvennost._prionnye_bolezni

код для вставкиСкачать
Конформационные
(пространственные) матрицы,
или феномен белковой
наследственности
Центральная догма молекулярной биологии
по Crick, 1958 с дополнением (Бондарев и др., неопубл.)
Полимеризационная модель образования амилоида
а
Белок в нативной
конформации
Белок в прионной
конформации
(«затравка»)
Белок в
прионной
конформации
фибрилла
б
Белок в нативной
конформации
Белки в
нативной
конформации
фибрилла
по Shkundina et al., 2007
Неинфекционные амилоиды:
-болезнь Паркинсона, Альцгеймера, Хантингтона, диабет 2-го типа и т.д.
- «функциональные амилоиды» (стресс-гранулы, долговременная
память, противовирусный иммунный ответ и т.д.)
Инфекционные амилоиды - прионы:
-куру,болезнь Крейтцфельдта-Якоба (БКЯ),фатальная семейная
бессонница, скрепи, или почесуха, овец, губчатая энцефалопатия
крупного рогатого скота
- прионы низших грибов
Неинфекционные амилоиды
Белок α-синуклеин (ген SNCA), участвует в формировании
синаптических везикул для секреции дофамина
образует амилоиды – тельца Леви при болезни Паркинсона
Неинфекционные амилоиды
Пептид Aβ (ген APP, картирован в 21-й хромосоме) – функция неизвестна
Белок tau (ген MAPT) – поддерживает стабильность цитоскелета нейронов
Накопление агрегатов белка Aβ и tau характерно при болезни Альцгеймера
Неинфекционные амилоиды
Белок хантингтин (ген HTT), функция неизвестна, ассоциирован с
микротрубочками и везикулами
Накопление агрегатов хантингтина характерно для болезни Хантингтона
Пептид амилин (ген IAPP), секретируется вместе с инсулином, участвует
в метаболизме сахаров
Образование агрегатов амилина приводит к апоптозу β-клеток
поджелудочной железы и развитию диабета 2-го типа
Инфекционные амилоиды - прионы
Прионы – инфекционные агенты, способные передаваться от
больного организма здоровому
Причина прионных заболеваний человека и животных –
прионизация белка PrP (от Prion Protein). PrP – трансмембранный
белок, поддерживает миелиновую оболочку аксонов
Различные заболевания связаны с различными изоформами PrP
Прионные заболевания
-Куру
- Болезнь Крейтцфельдта-Якоба
-Фатальная семейная бессонница
-Губчатая энцефалопатия крупного
рогатого скота («бешенство коров»)
-Скрепи, или «почесуха», овец
-Трансмиссивная энцефалопатия
норок
-Хроническая изнуряющая болезнь
(олени и лоси)
Прионы низших грибов – цитоплазматические детерминанты
Прион
Фенотипическое
проявление
Структурный ген (его функция)
Источник
[PSI+]
Нонсенссупрессия
SUP35 (фактор
Cox, 1965;
Wickner, 1994
[URE3]
Усвоение
уреидосукцината
на средах, богатых
соединениями
азота
URE2 (репрессор генов,
[PIN+]
Иницация [PSI+] de novo
RNQ1 (функция
неизвестна)
Derkatch et al., 2001
[ISP+]
Подавление
нонсенссупрессии,
вызванной
мутациями SUP35
SFP1
Rogoza et al., 2010
[SWI+]
Угнетение роста
на средах, не
содержащих
глюкозу в
качестве
источника
углерода
SWI1/SNF5
Способность
использовать
лактат в качестве
единственного
источника
углерода на фоне о
CYC8 (SSN6)
[OCT+]
терминации
трансляции)
контролирующих
усвоение бедных
источников азота, в
присутствии богатых)
Lacroute, 1971;
Wickner, 1994
(транскрипционный
фактор)
Du et al., 2008
(ремоделирование
хроматина)
(транскрипционный
фактор)
Patel et al., 2009
Критерии прионного наследования
1. Обратимая излечиваемость
Если под воздействием некоторых агентов возможно излечивание клеток
от приона, то он может возникнуть вновь в «излеченном» штамме
2. Сверхпродукция нормального клеточного белка увеличивает частоту
появления приона
В результате сверхпродукции нормального клеточного белка появляется
больше молекул, способных спонтанно перейти в прионную форму. Это
увеличивает частоту спонтанного возникновения прионной формы
3. Для поддержания приона необходимо присутствие нормального
клеточного белка.
Wickner, 1996
Дрожжевой прион [PSI+]
супрессия
Функциональный
белок Sup35
узнает стопкодон, возникший
на месте
значащего
Синтезируется укороченный нефункциональный
белок Ade1 и дрожжи не растут на среде без
аденина
Прионные
агрегаты Sup35 не
узнают стопкодон, и он
прочитывается как
значащий
Синтезируется полный
функциональный белок Ade1 и дрожжи
растут на среде без аденина
Дрожжевой прион [PSI+]
Liebman S W , Chernoff Y O Genetics 2012;191:1041-1072
Copyright © 2012 by the Genetics Society of America
Структура белка Sup35
Дрожжевой прион [PSI+]
Прион [PIN+]. Прионные сети
[PIN+] – прион, необходимый для возникновения приона [PSI+]
Прионизация Sup35 невозможна без
взаимодействия этого белка с прионными
агрегатами [PIN+] или [PSI+]. Поэтому в штаммах
[psi-] прионные агрегаты [PIN+] играют роль
затравки для прионизации Sup35
Агрегаты Rnq1 в клетках [PIN+]
Прионные сети или каскад прионизации,
- это отражение реальности системы
протеома в клетке, когда изменения
одного белка сказываются на структуре и
функциях других белков. Следовательно,
прионизация - это взаимодействие не
только гомологичных, но и
гетерологичных полипептидов.
Прионы низших грибов – цитоплазматические детерминанты
Прион
Фенотипическое
проявление
Структурный ген (его функция)
Источник
[PSI+]
Нонсенссупрессия
SUP35 (фактор
Cox, 1965;
Wickner, 1994
[URE3]
Усвоение
уреидосукцината
на средах, богатых
соединениями
азота
URE2 (репрессор генов,
[PIN+]
Иницация [PSI+] de novo
RNQ1 (функция
неизвестна)
Derkatch et al., 2001
[ISP+]
Подавление
нонсенссупрессии,
вызванной
мутациями SUP35
SFP1
Rogoza et al., 2010
[SWI+]
Угнетение роста
на средах, не
содержащих
глюкозу в
качестве
источника
углерода
SWI1/SNF5
Способность
использовать
лактат в качестве
единственного
источника
углерода на фоне о
CYC8 (SSN6)
[OCT+]
терминации
трансляции)
контролирующих
усвоение бедных
источников азота, в
присутствии богатых)
Lacroute, 1971;
Wickner, 1994
(транскрипционный
фактор)
Du et al., 2008
(ремоделирование
хроматина)
(транскрипционный
фактор)
Patel et al., 2009
Прионы дрожжей и шапероны
Шапероны – белки, обеспечивающие правильную третичную укладку белков
Hsp104 – основная дезагрегаза в клетках дрожжей, необходим для поддержания
прионов. Делеция или сверхэкспрессия гена HSP104 приводит к потере [PSI+]
Hsp70 (Ssa и Ssb) – Ssa связываются с агрегатами в соотношении 1:2 и экранируют их
от действия Hsp104
Ssb – стабилизируют неприонную форму мономеров Sup35
Кошапероны семейств Hsp40, Hsp90, Hsp110 – осуществляют тонкую настройку
функций шаперонов семейства Hsp70, а также являются амилоидными «сенсорами»
Модель организации
агрегатов белка Sup35 в
[PSI+] клетках (по
Bagriantsev et al., 2008).
Агрегаты α-синуклеина и шапероны
Шапероны семейства Hsp 70 (Hsc70) и Hsp40 (Hdj) обеспечивают
медленную разборку агрегатов α-синуклеина
Hsp110 (Apg-2) и шаперон HspB5 усиливает действие шаперонов
семейств Hsp70 и Hsp40
HspB5 готовит фибриллы α-синуклеина к разборке остальными
шаперонами
Добавление in vitro в эту систему Hsp104, значительно интенсифицирует
процесс деполимеризации фибрилл
Поиск новых прионов in silico
Michelitsch and Weissman, 2000
Алгоритм DIANA (Defined Interval Amino acid Numerating Algoritm),
осуществляет поиск белков из дрожжевых баз данных, содержащих
последовательности, обогащенные аспарагином и глутамином (108
белков, в том числе Swi1, Cyc8)
Прионы низших грибов – цитоплазматические детерминанты
Прион
Фенотипическое
проявление
Структурный ген (его функция)
Источник
[PSI+]
Нонсенссупрессия
SUP35 (фактор
Cox, 1965;
Wickner, 1994
[URE3]
Усвоение
уреидосукцината
на средах, богатых
соединениями
азота
URE2 (репрессор генов,
[PIN+]
Иницация [PSI+] de novo
RNQ1 (функция
неизвестна)
Derkatch et al., 2001
[ISP+]
Подавление
нонсенссупрессии,
вызванной
мутациями SUP35
SFP1
Rogoza et al., 2010
[SWI+]
Угнетение роста
на средах, не
содержащих
глюкозу в
качестве
источника
углерода
SWI1/SNF5
Способность
использовать
лактат в качестве
единственного
источника
углерода на фоне о
CYC8 (SSN6)
[OCT+]
терминации
трансляции)
контролирующих
усвоение бедных
источников азота, в
присутствии богатых)
Lacroute, 1971;
Wickner, 1994
(транскрипционный
фактор)
Du et al., 2008
(ремоделирование
хроматина)
(транскрипционный
фактор)
Patel et al., 2009
Поиск новых прионов in silico
Harrison and Gerstein, 2003
Алгоритм LPS (Lowest-Probability Subsequences) оценивает сходство или
отличие белков от прионогенных доменов известных прионов (Sup35,
Ure2, Rnq1) (170 белков). Методика выделяет несколько мотивов:
QN – области обогащенные глутамином и аспарагином
DERK – области обогащенные заряженными аминокислотами
VILM – гидрофобный мотив
Поиск новых прионов in silico
Alberti et al., 2009
Алгоритм основывается на поиске последовательностей, богатых аспарагином и
глутамином, при этом длина таких последовательностей (ядер) должна быть не
менее 60 аминокислот.
Выявлено 200 потенциально прионогенных белков. Были получены химерные
конструкции, содержащие прионные домены этих белков, сшитые с геном YFP и
изучена способность этих конструкций к формированию агрегатов при
сверхэкспрессии
Получены конструкции состоящие из функционального демена белка Sup35С и
прионные домены потенциально прионогенных белков и проверена способность
таких конструкций к индукции [PSI+], подобно полноразмерной копии гена SUP35
Проверена способность белков-кандидатов образовывать прионы in vivo.
Выявлен новый прион [MOT3+]
Пространственные матрицы: патология или новый
тип регуляции?
Прионы – молекулярная патология?
- Амилоидозы млекопитающих
- Снижение скорости роста в 54% случаев при появлении [PSI+]
Адаптивная роль прионов?
-Нонсенс-супрессия в клетках [PSI+] (кратковременное появление приона может
приводить к прочтению нонсенс-мутаций, «запирающих» псевдогены, к прочтению
естественных стоп-кодонов, нейтрализация негативных последствий мутаций)
-N-домен Sup35 консервативен у разных организмов от дрожжей до млекопитающих
-Обнаружение [PSI+] и [MOT3+] в природных изолятах
-Swi1 является хроматин-ремодулирующим фактором, Sfp1, Mot3, Cyc8 – глобальные
транскрипционные факторы регулирующие 5-10% дрожжевого генома
-[MOD5] – прионизация белка Mot5 приводит к устойчивости к антимикотическим
препаратам
Стресс-гранулы в клетках млекопитающих
Стресс-гранулы –рибонуклеопротеиновые комплексы, образующиеся в
ответ на стресс для остановки трансляции (кроме мРНК шаперонов)
Сигнал к образованию стресс-гранул – инактивация фактора инициации
трансляции eIF2 (за счет фосфорилирования стресс-активируемыми
киназами). К преинициирующему комплексу присоединяются TIA-1 и TIAR,
которые связывают мРНК
Удаление прионизующего домена TIA-1 клетка теряет способность
образовывать соответствующие комплексы при стрессе. При этом
химерный белок TIA-1(PrdΔ)-Sup35N восстанавливает функцию TIA-1.
Долговременная память
Материальный носитель памяти должен длительно сохранять определенные
состояния, а молекулы РНК и белков - короткоживущие
Носителем памяти может служить продукт прионного превращения
клеточного белка, обеспечивающего синаптическую связь между
нейронами (стабилен и постоянно образуется из молекул того же белка)
Tompa et al., 1998
У Aplisia californica cохранение функционально активной
последовательности взаимодействия определенных нейронов связано с
активацией трансляции некоторых мРНК, накапливающихся в
синаптических окончаниях. Важную роль играет белок CPEB – регулятор
трансляции, стимулирующий полиаденилирование мРНК и активирующий
их трансляцию (в том числе мРНК белков, обеспечивающих стабилизацию
ионных каналов в синапсах)
N-домен СРЕВ богат аспарагином и глутамином (48%)
Агрегация СРЕВ активирует трансляцию «молчащей» мРНК
Долговременная память
Aplysia californica
Долговременная память
Drosophila melanogaster
Роль прионоподобных агрегатов в
противовирусном иммунном ответе
Белок MAVS локализован на поверхности митохондрий в клетках
млекопитающих и способен к прионизации, что запускает реакцию
врожденного иммунного ответа
Данный механизм является ярким примером «прионных сетей»
Роль прионоподобных агрегатов в
противовирусном иммунном ответе
При проникновении вируса в
клетку молекулы геликазы RIG-1
(компонент противовирусной
системы клетки) связываются с
РНК вируса. Происходит
убиквитинилирование CARDдоменов (caspase-recruitment
domain) RIG-1. Этот комплекс
является затравкой для MAVS,
имеющего сходные домены.
Агрегаты взаимодействуют с
сигнальными белками
цитоплазмы, запуская
последующий каскад и
активацию белков IRF (interferon
regulatory factors) и NF-kB, в
результате синтезируется
интерферон β
Onoguchi et al., 2010
Меланосомы
Меланосомы – органеллы меланоцитов человека – пигментных клеток, в
которых происходит образование меланина, содержат трансмембранный
белок Pmel17, в результате протеолиза образуется пептид Мα, который
связывает мономеры – предшественники меланина, выполняющие
функцию затравки. Полимеризация меланина приводит к образованию
фибрилл пигмента, сходных по свойствам с амилоидами – биополимера,
защищающего клетку от ультрафиолета.
Домен Pmel17, отвечающий за полимеризацию, богат пролином, серином
и треонином
Спидроины– белки основной нити паутины
Амилоиды прокариот
Образование биопленок, колонизация
новых субстратов, клеточная адгезия
Белок CsgA образуют фибриллы «кюрли»,
характеризуются высоким содержанием βслоев (домен ответственный за
образование фибрилл обогащен
глицином, глутамином, аспарагином)
Амилоидные фибриллы,
образующие матрикс вокруг клетки
E.сoli – «curli»
У Salmonella spp. показано образование
фибрилл «tafi», состоящих из мономера
белка AgfA (гомолог CsgA)
Еще два примера белков, обогащенных β-слоями, образующими
фибриллы:
1. Поверхность воздушных гиф и спор Sterptomyces coelicolor обладает
гидрофобными свойствами за счет 8-и белков ChpA-ChpH - чаплинов.
2. Патогенные свойства Xanthomonas spp. (патоген табака,
дестабилизирует клеточные мембраны) обусловлены белками –
харпинами (в том числе HpaG)
Распространение последовательностей, склонных к агрегации
Амилоидизация – широко распространенное явление
Исследования, проводимые in silico показывают, что практически все
белки имеют одинаковое количество регионов, склонных к агрегации
Все белки способны образовывать амилоиды в нефизиологических
условиях
Последовательности, способные к агрегации ограничены специальными
блокаторами полимеризации (привратниками) – все заряженные
аминокислоты. Такие аминокислоты распознаются шаперонами.
«Привратники» - специальный механизм регуляции адаптивной
белковой агрегации?
Структура амилоидов
Общие свойства амилоидов:
1. Формирование протяженных неразветвленных фибрилл (диаметр 3-10
нм)
2. Амилоиды обогащены β-слоями
3. Устойчивы к воздействиям денатурирующих агентов и протеаз
Модель суперскладчатой β-структуры (Kajava et al., 2004) – основная
роль в стабилизации структуры вносят межмолекулярные взаимодействия
β-слои отдельных мономеров
ориентированы перпендикулярно
оси фибриллы. Молекулы при этом
располагаются «в регистре» (точно
друг под другом)
Стабилизация за счет водородных
связей между гидрофорбными
остатками аминокислот
Строение фрагмента β-амилоида. Структура состоит из слоев двух
мономеров, между которыми формируется солевой мост (К28-D23)
Документ
Категория
Презентации по химии
Просмотров
13
Размер файла
5 608 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа