Napačno zvijanje proteinov

Napačno zvijanje proteinov in njegove patogene posledice so postale pomembno vprašanje v zadnjih dveh desetletjih, saj naj bi po mnenju raziskovalcev prionov napačno zvijanje proteinov lahko vplivalo na skoraj polovico vseh človeških bolezni [45].

Že manjša sprememba v okolju, v katerem se nahaja protein, lahko poruši stabilizacijske interakcije znotraj polipeptidne verige, kar lahko vodi do nepravilno zvitih proteinov.

Z napačnim zvijanjem lahko zavzamejo proteini stabilno, alternativno, ne-nativno konformacijsko obliko, ki v večini primerov povzroči agregacijo proteinov in kopičenje agregata v tkivu. Predpostavljajo, da so agregati strupeni za celico, ker vplivajo na njene funkcije. Torej, če proteini ne uspejo obdržati svoje nativne konformacije, ne morejo več opravljati svoje biološke funkcije. V primeru podedovanih mutacij v proteinu, ki povzročajo napačno zvijanje le-tega, v celici ni aktivne oblike proteina, zato ta ne opravlja več svoje funkcije, kar vodi do bolezni, ker celica ni sposobna izvesti določenega dejanja, če ta protein ne deluje [46,47].

Obstaja več dobro znanih bolezni, ki so posledica nepravilnega zvitja proteinov. Te vrste bolezni lahko razdelimo v tri glavne kategorije: bolezni zaradi izgube funkcije, bolezni zaradi toksične funkcije ter nalezljive bolezni zaradi napačnega zvijanja [46].

Bolezni, ki so posledica izgube funkcije proteina, nastanejo navadno zaradi mutacij proteina ali zaradi prezgodnje prekinitve transkripcije [46,47]. To vodi do napačnega zvijanja, napačno zvit protein pa deluje kot antagonist funkcije, ki jo opravlja pravilno zvit, nativni protein.

Pogosto je potreben transport proteinov od mesta, kjer se sintetizirajo, do mesta, kjer opravljajo svojo funkcijo. Da bi se pravilno transportirali, večina proteinov za to potrebuje ustrezno konformacijo, zato lahko njihova napačna struktura vodi do napačne lokacije proteina v celici. Na ta način lahko napačno zvitje proteina povzroča bolezen na dva načina: z izgubo funkcije proteinov na njegovi matični lokaciji znotraj celice ali pridobivanje nove funkcije, potencialno patogene, če se protein akumulira na ne-matični lokaciji v celici. Poleg napačne lokalizacije, je toksičnost napačno zvitih proteinov lahko posledica spremembe konformacije proteina, ki vodi do nastanka prevladujočega fenotipa, tako da ima nova proteinska konformacija za organizem neugodne lastnosti [46,47].

26 V primeru bolezni zaradi toksičnih funkcij je situacija nekoliko drugačna. Mehanizem še ni popolnoma razumljen, obstaja pa več predlaganih modelov, kot je tvorjenje por v celični membrani oziroma aktivacija površinskih receptorjev. V zadnjih modelih se domneva, da napačno zviti proteini tvorijo topne oligomerne komplekse, ki imajo toksične učinke na celico [46].

Nalezljive bolezni kot posledica napačnega zvijanja so najmanjša skupina bolezni. Edini danes poznan protein, ki ima sposobnost prenosa infektivnosti, je prionski protein (okrajšano PrP). Njegova posebnost je, da obstaja v dveh strukturnih oblikah. Prva je pogosta, neškodljiva različica, zgrajena iz treh α-vijačnic in dveh kratkih β-ploskev.

Druga pa je narobe zvita, škodljiva oblika, v kateri prevladujejo β-ploskve, kjer bi morale biti α-vijačnice [46,48].

3.5.1. Vloga napačno zvitih proteinov pri razvoju nevrodegerativnih bolezni Bolezni, povezane z napačnim zvijanjem proteinov (engl. protein conformational diseases), vključujejo skupino bolezni, pri katerih je ključni dogodek napačno zvijanje in akumulacija proteinov ter kopičenje agregatov v tkivu. V to skupino najpogosteje spadajo oblike nevrodegenerativnih bolezni, pa tudi nekatere redke dedne motnje [47].

Nevrodegenerativne bolezni so bolezni, ki prizadenejo predvsem živčne celice – nevrone v osrednjem živčnem sistemu. Do danes ni niti ena nevrodegenerativna bolezen ozdravljiva in ima za posledico postopno degeneracijo in/ali smrt nevronov. Vplivajo lahko tudi na razmišljanje, gibanje, čustva, spomin itd. Prvi znaki, da so napačno zviti proteini in njihova agregacija povezani z nevrodegenerativnimi boleznimi, izhajajo iz nevropatoloških raziskav mrtvih, ki so v življenju trpeli za nevrodegenerativno boleznijo [47].

Med nevrodegenerativne bolezni spadadajo Alzheimerjeva bolezen (AD), Parkinsonova bolezen (PD), Huntingtonova bolezen (HD), prenosljiva spongioformna encefalopatija (TSE), amiotrofična lateralna skleroza (ALS), cistična fibroza, Gaucherjeva bolezen, Creutzfeldt-Jakobova bolezen ter nekatere vrste raka. Vzroki za različne nevrodegenerativne bolezni so raznolike: nastanek AD je predvsem posledica nevrotoksičnih procesov, ki so prisotni pri vseh ljudeh ali so posledica podedovanih mutacij. PD se pojavlja občasno (vzrok ni znan), vendar kaže povezavo z nekaterimi dejavniki življenjskega tveganja, kot je izpostavljenost nekaterim toksinom. Pri ALS, pa tudi pri AD in PD, je približno 10 % primerov dednega značaja, medtem ko je ostalih 90 % primerov neznanega izvora. Vsi primeri HD imajo dedni značaj, TSE pa se lahko deduje ali pa se dobi z izpostavljenostjo prionskemu proteinu (PrP) [47].

27 Kljub različnim kliničnim nevrološkim simptomom in napredovanju vseh teh bolezni, imajo nekatere od njih skupne značilnosti: večina jih lahko ima dedni značaj, pojavijo se kasneje v življenju in njihovo patologijo karakterizira izguba nevronov in nepravilnosti delovanja sinapse. Ena nedavno opažena skupna značilnost vseh nevrodegenerativnih bolezni, za katero se domneva, da je skupni molekularni mehanizem patologije, je kopičenje napačno zvitih proteinov v agregatih znotraj ali zunaj nevronov ali glijskih celic, ki tvorijo centralni živčni sistem [49]. Zagotavlja tudi skupen molekularni mehanizem za različne bolezni, ki so lahko podedovane ali povzročene z okužbo. Stalno prisotno počasno odlaganje agregatov lahko povzroči, da se nakopiči dovolj materiala, da pride do nevrotoksičnosti (v daljšem časovnem obdobju). Po drugi strani pa nastale nevrodegenerativne bolezni, ki so rezultat dednosti, na splošno vključujejo genetske mutacije, ki spodbujajo agregacijo proteinskega mutiranega gena [47].

3.4.2. Proteinski agregati

Proteinski agregat nastane kot posledica destabilizacije α-vijačne strukture in sočasne tvorbe β-ploskev (slika 8). Agregacija proteinov je neizogibna posledica celičnega obstoja in ti agregati so oligomerni kompleksi tujerodnih konformerjev, ki nastanejo zaradi medmolekularnih interakcij med zvijanjem proteinov [45,47].

Slika 8: Shematski prikaz tvorbe agregata, kot posledica intermolekularnih povezav v proteinu. Povzeto po [32].

28 Zdi se, da napačno zvitje proteinov vodi do površinske izpostavljenosti hidrofobnih aminokislin, ki so v nativni strukturi skrite znotraj proteinov. Te aminokisline sodelujejo pri interakcijah med proteini, ki ne obstajajo, ko je protein pravilno zvit. Tako napačno zvit protein s hidrofobnimi deli, izpostavljenimi vodnemu okolju, tvori agregat z drugim napačno zvitim proteinom za stabilizacijo svoje konformacije. Ti agregati v nobenem primeru niso topni in presnovno stabilni v fiziološkem okolju [45,47].

Proteinska agregacija je pomemben dejavnik pri številnih procesih, vključno z boleznimi, ki nastanejo kot posledica pretvorbe nativne strukture enega ali več proteinov v amiloidni fibril, kot tudi pri študijah proteinskega zvitja, stabilnosti bioloških zdravil in industrijski pripravi proteinov. Danes pa se tudi preučuje in preiskuje možnost, da bi lahko vključitev neproteinogenih aminokislin v proteine povzročila nevrodegenerativne bolezni, saj lahko povzroči nastanek proteinskega agregata [47,50].

Neto kopičenje toksičnih proteinskih agregatov v celici je odvisno od stabilnosti, kompaktnosti in hidrofobne izpostavljenosti agregatov ter od hitrosti sinteze proteinov v celici [45].

3.4.3. Amiloidni agregati

S spektroskopskimi metodami je bilo ugotovljeno, da so napačno zviti proteini znotraj amiloidnih agregatov zelo bogati z β-ploskvami, kar je značilna sekundarna struktura, ki jo najdemo v nativnih konformacijah proteina. Amiloidni agregati nastanejo postopoma. Kadar pride do napačnega zvijanja proteina, je ta nestabilen v vodnem okolju, saj amiloidi niso topni v vodi; lahko pa se stabilizirajo z interakcijami z drugimi molekulami, pri čemer nastajajo oligomeri, bogati z β-ploskvasmi [47].

Agregacija proteinov je vzrok številnih patoloških stanj v človeškem telesu, kar vodi k različnim obolenjem, ki jih s skupnim imenom imenujemo amiloidoze. Fibrile so po navadi široke 6–12 nm in sestavljene iz 2–6 protofilamentov, razporejenih v vijačno strukturo. Tvorba amiloidnih fibril izzove strukturno prerazporeditev nativnega proteina v konformacijo z velikim deležem β-ploskev. Sama tvorba ne poteka neposredno iz nativne proteinske molekule, temveč preko delno zvitega intermediata (slika 9). Prvi korak so konformacijske spremembe v nativni strukturi, kar omogoči specifične intermolekularne interakcije, ki so potrebne za proces oligomerizacije in fibrilacije.

Številni proteini v raztopinah ne zavzemajo stabilne sekundarne in/ali terciarne strukture, temveč se izrazijo kot dinamični skupki notranjih spreminjajočih se struktur [50].

29 Zaenkrat še ni znano, ali napačno zvijanje proteinov vodi do agregacije ali oligomerizacija povzroči spremembo konformacije proteinov, ki nato povzročijo agregacijo. Strukturna sprememba naravne konformacije proteina vodi do delnega napačno zvitega proteina, medtem ko je popolnoma napačno zvitje odvisno od oligomerizacije 15 delno napačnih zvitih proteinov. Mehanizem in vzrok tvorbe amiloidnih agregatov še ni povsem znan. Napačno zvitje je lahko posledica mutacij, interakcij s kovinskimi ioni, sprememb pH in oksidacije ter protolize [47,50].

Razumevanje zgodnjih dogodkov v procesu amiloidne agregacije je izrednega pomena, če želimo bolje razumeti oz. spoznati mehanizme, ki vodijo do tovrstne agregacije.

Pomaga tudi pri načrtovanju strategij za preprečitev procesov, ki vodijo v različne amilodoze [50]. Amiloidom podobno zvitje imajo lahko tudi nepatološki proteini.

Slika 9: Shematski prikaz nastanka amiloidnih fibril. Povzeto po [51].

30