Prion

Priony jsou infekční proteiny. Otázka je, odkud se vzaly? Raný výzkum zjistil, že priony jsou běžné proteiny savčích buněk, přítomné zejména v nervové tkáni. To znamená, že každý člověk nosí prionový protein v mozku úplně přirozeně. Co je klíčové, je skutečnost, že tentýž protein může zaujímat různé konformace (prostorové uspořádání polypeptidového řetězce).

Normální forma: PrPᶜ

Normální, fyziologická forma se označuje PrPᶜ (z angl. cellular). Jedná se o glykoprotein ukotvený na vnější straně plazmatické membrány prostřednictvím tzv. GPI-kotvy (glycosylfosfatidylinositol). Jde tedy o povrchový membránový glykoprotein, nikoli volný extracelulární protein. Gen kódující PrPᶜ se u člověka jmenuje PRNP a nachází se na chromozomu 20.

I přes více než třicet let intenzivního výzkumu není fyziologická funkce PrPᶜ zcela objasněna. Diskutují se různé role: podpora přežití neuronů, účast na přenosu signálů v synaptické štěrbině, ochrana před oxidativním stresem a homeostáze iontů mědi — PrPᶜ totiž váže ionty Cu²⁺ na svém flexibilním N-terminálním konci. Skutečnost, že funkce tak hojně exprimovaného proteinu není dodnes jasná, je sama o sobě překvapivá.

Patologická forma: PrPˢᶜ a konformační změna 

Za určitých okolností může PrPᶜ získat patologicky odlišnou konformaci. Tato změněná forma se označuje PrPˢᶜ (Sc od scrapie, historicky prvního popsaného prionového onemocnění). A to je začátek konce.

Strukturálně je rozdíl zásadní: PrPᶜ je bohatý na α-helixy (tvoří asi 42 % sekundární struktury), zatímco PrPˢᶜ je naopak bohatý na β-skládané listy (přibližně 43 %). Přesný atomární mechanismus konformační přeměny dosud nebyl plně objasněn — krystalová struktura PrPˢᶜ nebyla získána, protože agreguje do amyloidových fibril nerozpustných v krystalograficky použitelné formě. Klíčová je však skutečnost, že PrPˢᶜ dokáže fyzickým kontaktem přesvědčit PrPᶜ ke stejné konformační změně. 

Agregace a nukleovaná polymerizace

Nově vzniklé molekuly PrPˢᶜ se vzájemně shlukují a vytvářejí rostoucí amyloidová vlákna. Tato vlákna se mechanicky lámou, přičemž nová volná zakončení opět katalyzují přeměnu dalších „zdravých“ molekul PrPᶜ. Tento proces se označuje jako nukleovaná polymerizace (nucleated polymerization model). Je důležité zdůraznit, že to je v tuto chvíli nejpřijímanější model, jehož detaily jsou stále předmětem výzkumu.

Z tohoto mechanismu také vyplývá charakteristicky dlouhá inkubační doba prionových onemocnění. Jakmile vznikne první molekula PrPˢᶜ, rozjíždí se zpočátku nesmírně pomalá řetězová reakce, která ale vždy skončí mozkem napěchovaným priony, jenž je funkčně zcela destruován.

Kmeny prionů: informace bez nukleové kyseliny

Jedním z nejúžasnějších aspektů prionové biologie je existence tzv. kmenů (strains). Různé kmeny PrPˢᶜ se vzájemně liší biologickými vlastnostmi: inkubační dobou, distribucí mozkových lézí, klinickými příznaky a spektrem hostitelů, které dokáží infikovat. Přitom jsou zakódovány ve stejném proteinu kódovaném stejným genem.

Jak je to možné? Kmenová informace je zakódována konformačně — různé kmeny odpovídají různým stabilním trojrozměrným uspořádáním PrPˢᶜ. Tato konformace se přenáší věrně při každém cyklu templátové přeměny PrPᶜ, přičemž si kmen udržuje svůj charakter i po pasážování na novém hostiteli. Priony tak zpochybňují centrální dogma molekulární biologie v jednom klíčovém bodě: informace nemusí být nutně uložena v sekvenci nukleotidů. Může být uložena v trojrozměrné struktuře proteinu.

Existence kmenů je také důvodem, proč se různá prionová onemocnění klinicky i neuropatologicky liší navzájem. Jsou totiž způsobena konformačně odlišnými formami téhož proteinu PrP.

Genetická citlivost: polymorfismus v kodonu 129

Ne všichni lidé jsou k prionovým onemocněním stejně náchylní. Klíčovou roli hraje polymorfismus v kodonu 129 genu PRNP, kde může být kódován buď methionin (Met), nebo valin (Val). Jedinci homozygotní pro Met/Met jsou výrazně náchylnější k rozvoji sporadické CJD i vCJD. Naopak heterozygoti (Met/Val) vykazují zvýšenou rezistenci, projevující se mimo jiné výrazně delší inkubační dobou — u kuru byla u heterozygotních jedinců prokázána inkubační doba přesahující 50 let. 

Shrnutí

Priony jsou změněné formy normálního savčího proteinu PrPᶜ, kódovaného genem PRNP. Normální PrPᶜ je GPI-ukotvený povrchový glykoprotein s dosud ne zcela objasněnou fyziologickou funkcí (vazba Cu²⁺, neuroprotekce). Patologická forma PrPˢᶜ má vyšší obsah β-skládaných listů, přičemž dokáže přeměnit PrPᶜ na další PrPˢᶜ, které agregují do amyloidových fibril a jsou mimořádně rezistentní vůči degradaci. Různé konformační varianty PrPˢᶜ představují různé prionové kmeny, jejichž biologické vlastnosti jsou zakódovány čistě konformačně — bez nukleové kyseliny. Polymorfismus v kodonu 129 genu PRNP zásadně ovlivňuje genetickou citlivost k prionovým onemocněním.