¿Cómo son los priones?
Li Mengdong Nie Qinghe
Enfermedades infecciosas y familiares del sistema nervioso central humano caracterizadas por degeneración espongiforme crónica, como la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob (CJD), Guinea- Se cree que el síndrome de Staff, los patógenos GSS, el insomnio familiar fatal (FFI) y la enfermedad de kuru son causados por infecciones virales crónicas, pero los virus nunca han sido aislados. En 1982, Prusiner et al. [1] propusieron formalmente que el agente causante de tales enfermedades puede ser una partícula proteica infecciosa, y el término proteína priónica (PrP) representa este factor. Alguien alguna vez lo tradujo en prión o vio proteína, pero como parece inapropiado llamarlo virus debido a la falta de ácido nucleico, parece más apropiado traducirlo en prión. Aunque existen muchas hipótesis sobre los agentes causantes de estas enfermedades, la teoría de los priones ha sido intensamente estudiada y comprendida cada vez más.
La proteína también es el agente causante de muchas enfermedades similares a las de los animales, como la encefalopatía espongiforme bovina (EEB), la tembladera en ovejas, gatos u otros animales, la encefalopatía transmisible del visón y la emaciación crónica del venado de cola negra. y alces en América del Norte Enfermedades, etc. Muchos estudiosos creen que comer carne o despojos de animales que sufren de prurito o añadirlos a aditivos alimentarios puede infectar y enfermar a los animales, al igual que comerse los cerebros de personas muertas en las tierras altas de Papua Nueva Guinea como señal de sacrificio, con lo que contrayendo kuru. La enfermedad de las vacas locas también se conoce como enfermedad de las vacas locas. Desde 1986, al menos 150.000 cabezas de ganado en el Reino Unido han padecido la enfermedad, y más de 28.500 cabezas de ganado han muerto a causa de la enfermedad de las vacas locas, causando enormes pérdidas a las exportaciones británicas de carne vacuna y de productos biológicos y médicos bovinos relacionados [2]. Se sospecha que la enfermedad de las vacas locas puede transmitirse a los humanos, lo que representa una gran amenaza y temor para los humanos. El gobierno británico tiene que sacrificar todo el ganado mayor de 30 meses a un ritmo de 30.000 cabezas por semana.
En primer lugar, la formación de la teoría de los priones
Ya en la década de 1950, Alper y otros propusieron que el agente infeccioso del picor en los animales podría carecer de ácido nucleico. En 1967, Griffith et al. [3] enfatizaron una vez más que la replicación de este agente patógeno puede no requerir una plantilla de ácido nucleico. Durante este período, muchos experimentos demostraron que la infectividad del extracto de cerebro de oveja scrapie podía ser filtrada por bacterias, por lo que se sospechaba que era causada por un virus. Sin embargo, el extracto se trata mediante inactivación de ácidos nucleicos, como ebullición, radiación UV o ionizante, y en el tratamiento se utilizan agentes que alteran o destruyen específicamente los ácidos nucleicos, como nucleasas, psoralenos, hidroxilamina o iones de zinc. , fracciones microsomales y columnas de preparación de priones purificadas de animales pruriginosos. Al no poder cambiar su infectividad, Prusiner et al. [1, 2] se embarcaron en una investigación en profundidad, realizaron una gran cantidad de experimentos con topillos dorados sirios y obtuvieron muchos datos importantes.
Se inoculó PrP purificada procedente de animales que pican en ratones de campo, y las fracciones subcelulares obtenidas del tejido cerebral (Ha) de ratones de campo ricos en factores infecciosos demostraron la existencia de una proteína PrPC sensible a proteasas con una masa molecular relativa. de 33 000 ~ 35 000, mientras que la proteína PrPSC, que es resistente a las proteasas, tiene una masa molecular relativa de 27 000 ~ 30 000. Este último es un componente importante de la especificidad patogénica del primero. Después de purificar aún más PrP 27 000 ~ 30 000 en un solo componente, se infectaron ratones de campo y ratones (Mo), y se aisló el ARNm de PrP de los cerebros de animales infectados para construir una biblioteca de ADNc. La secuenciación del producto de expresión de ADNc mostró que la proteína codificada por ADNc de Ha y Mo PrP tenía 254 aminoácidos, mientras que la proteína codificada por ADNc de PrP humana tenía 253 aminoácidos, con el péptido señal (SP) ubicado en el extremo NH2. Hay 22 tipos de aminoácidos. Cuando la PrPC se sintetiza en el retículo endoplásmico rugoso, es modificada por el aparato de Golgi y luego transportada a la superficie interna de la membrana celular, donde se combina con el glicofosfatidilinositol (GPI) como punto de apoyo. En este momento, se pueden eliminar 23 aminoácidos del extremo COOH de PrP y se escinde el péptido señal [1, 4]. La investigación en profundidad sobre la biología molecular y la estructura de los priones puede abrir un nuevo campo en los mecanismos de autorregulación y homeostasis celular.
2. Estructura y características de los priones
La tecnología de sondas moleculares ha demostrado que el gen PrP humano normal se encuentra en el brazo corto del cromosoma 20, y el PrPC es un componente normal en el ser humano. y células animales. El análisis de secuencia muestra que no hay diferencia entre PrPC y PrPSC. Pertenecen a la misma proteína pero tienen dos configuraciones.
Ambos isómeros se purificaron sin desnaturalización y sus estructuras secundarias se determinaron mediante espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier y espectroscopia de dicroísmo circular. Se encontró que PRPC tiene una hélice α de hasta un 42% y una lámina β de solo un 3%, mientras que la columna vertebral proteica de PrPSC está completamente extendida, formando una lámina β de hasta un 43% y una hélice α. de sólo el 30% [5].
En células cultivadas, la conversión de PrPC a PrPSC se produce dentro de las neuronas, y luego la PrPSC se deposita en los lisosomas. Los lisosomas en el cerebro llenos de PrPSC y los gránulos amiloides que las acompañan explotan repentinamente, dañando las células. Cuando las células nerviosas del huésped mueren, quedarán muchos poros en el tejido cerebral, como esponjas, y las PrPSC liberadas atacarán a otras células. Esta es una característica importante de los priones [5, 6].
Aproximadamente el 15% de los pacientes con enfermedades priónicas humanas son hereditarios, todos son autosómicos dominantes y el resto son casos infecciosos, incluidos casos iatrogénicos y esporádicos. Se ha demostrado que existen mutaciones en el gen PrP en familias con pacientes hereditarios (designación humana PRNP) [7]. Los individuos con mutaciones en el gen PrP son particularmente sensibles a la transición de hélices alfa a láminas beta. Cuando se encuentran factores patógenos exógenos (como PrPSC), aproximadamente la mitad de los miembros enfermarán y el período de incubación está estrechamente relacionado con la dosis de exposición y la cepa. Dado que la PrP carece de ácido nucleico, la diferencia en el tipo de cepa radica en la diferencia en la configuración. Un PrP puede convertir el PrPC en patógeno con una latencia corta, mientras que otro método de plegado puede ser ineficaz pero tener una latencia larga. Incluso la misma configuración puede depositarse en diferentes poblaciones neuronales del cerebro, dando lugar a diferentes manifestaciones clínicas.
En tercer lugar, la replicación de priones
Los experimentos de persecución de pulsos en células cultivadas infectadas con agentes infecciosos que causan prurito muestran que la conversión de PrPC es una reacción postraduccional [1]. Después de que la proteína del prurito entra en contacto con las moléculas de PrPC, la PrPC sufrirá cambios estructurales y se convertirá en PrPSC patógena. Esta reacción es similar a una cascada y las moléculas transformadas pueden transformar otras moléculas normales. En individuos con mutaciones puntuales o mutaciones de inserción en el gen PrP, las moléculas de PrPC mutadas pueden transformarse espontáneamente en PrPSC. Aunque es posible que la reacción aleatoria inicialmente no logre un efecto patogénico, una vez que se produce dicha transformación, se produce un evento autocatalítico que provoca un aumento exponencial de PrPSC. Este mecanismo podría explicar que algunas personas albergan mutaciones durante la vida embrionaria, pero la degeneración del sistema nervioso central no ocurre durante décadas porque la acumulación de PrPSC en el cerebro es lenta [1, 5]. PrPC se ha acumulado en el cerebro, pero el ARNm de PrPC permanece sin cambios, lo que también indica que esta conversión es una reacción postraduccional de la proteína.
La conversión y replicación de priones desde PrPC o sus precursores a PrPSC no parece requerir ninguna modificación química. Las moléculas de PrPC se combinan con las moléculas de PrPSC para formar heterodímeros o posiblemente trímeros, que se convertirán en dos moléculas de PrPSC y luego se multiplicarán exponencialmente. Este dímero es un intermediario de replicación. Estos resultados han sido confirmados en ratones transgénicos.
Brown et al [6] y Goldfarb et al [7] demostraron que el codón 129 del gen PrP humano es polimórfico. Entre los caucásicos, aproximadamente el 38% son homocigotos para el alelo M (metionina), el 51% son heterocigotos y el 11% son homocigotos para el alelo V (valina). La ECJ más esporádica ocurre en individuos homocigotos para esta afección, y aquellos que son heterocigotos en el codón 129 tienen el riesgo más bajo de desarrollar enfermedades priónicas [7,8]. La CJD familiar y la FFI son subtipos clínica y patológicamente distintos, pero ambos tienen mutaciones del codón 178 del aspartato (ASP178) a la asparagina (ASN178) en el gen PrP, y solo el codón 129 Los polimorfismos son diferentes. Los 15 pacientes con FFI en 5 familias tenían el alelo ASN178 y el alelo M129, mientras que los 15 pacientes con subtipo CJD en 6 familias tenían el alelo ASN178 y el alelo V129 [6]. Otras mutaciones genéticas en pacientes con enfermedades priónicas también se encuentran en los codones 102, 200, 117, 198, etc.
Cuatro. Transmisión de priones y barrera entre especies
Brown et al. [9] recopilaron datos de los Institutos Nacionales de Salud (NIH) de Estados Unidos (principalmente Estados Unidos y Europa) de 1963 a 1993, y utilizaron cerebros. Infusión de tejido para inocular primates 300 casos de diversas enfermedades neurológicas.
Los 300 casos de encefalopatía espongiforme incluyeron 278 casos de ECJ, incluidos 234 casos esporádicos, 36 casos familiares y 8 casos iatrogénicos (como trasplante de córnea u otras cirugías), 65.438 ± 08 casos de enfermedad de kuru y 4 casos de síndrome GSS; Los resultados muestran que la tasa de transmisión de la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob iatrogénica es la más alta (100%), seguida de la enfermedad de kuru (95%), la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob esporádica también es mayor (90%) y la tasa de transmisión de la mayoría de las enfermedades familiares. enfermedades es La tasa es baja (68%).
Actualmente, a la gente le preocupa en general si la enfermedad de las vacas locas puede transmitirse a los humanos. Esta pregunta es difícil de responder directamente, porque es imposible inocular a los humanos con infusiones de cerebro animal y el período de incubación de la observación es muy largo antes de que se puedan sacar conclusiones. Hay mucha investigación sobre las barreras entre especies. Los resultados experimentales muestran que 16 de los 254 aminoácidos del gen PrP de ratón son diferentes del gen del campañol. Los ratones transgénicos inoculados con PrPSC de ratón producirán más PrPSC de ratón, y los inoculados con PrPSC de campañol también producirán PrPSC de campañol. Sin embargo, prefiere interactuar con PrPC de la misma especie o de secuencia similar, lo que indica que la barrera entre especies no es estricta [2]. Sólo hay 7 diferencias de codones entre los genes PrP de ovejas y bovinos, por lo que la tembladera ovina se transmite fácilmente al ganado, mientras que Los genes PrP humanos y bovinos tienen más de 30. Debido a las diferencias de codones, algunos estudiosos creen que es menos probable que el ganado lo transmita a los humanos, pero se ha confirmado que la PrPSC humana se puede transmitir a los ratones de campo [2]. Hay 28 diferencias de codones entre los genes PrP humanos y de ratón. Cuando se inoculó tejido cerebral de pacientes con enfermedad de Creutzfeldt-Jakob o síndrome GSS en ratones con parte del gen PrP humano, se descubrió que la enfermedad se desarrollaba más rápidamente y con mayor frecuencia que en ratones con todo el gen PrP humano, lo que sugiere que la La molécula de PrP es fundamental para la enfermedad. La similitud de los ingredientes es más importante para promover la enfermedad [2].
Antes se pensaba que las enfermedades priónicas se presentaban mayoritariamente en personas mayores de 60 años. Entre los pacientes con enfermedad de Creutzfeldt-Jakob esporádica notificados en el Reino Unido, sólo dos eran jóvenes (16 y 18 años) [10,11]. Recientemente, Howard et al [8] informaron de un caso de ECJ atípica en una mujer de 28 años, que fue confirmado mediante biopsia del lóbulo frontal y autopsia. Después de que Will et al. [12] informaran de 10 casos de la variante de la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob en jóvenes británicos, Chazot et al. [13] informaron de un caso de la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob en un hombre francés de 26 años. Creen que aunque estos pacientes no tenían antecedentes de contacto con ganado vacuno, su contacto con carne vacuna o consumo de carne loca puede ser la causa de la enfermedad. Se cree que incluso si existe una barrera de especies eficaz entre el ganado y los humanos, no se puede descartar la posibilidad de que un pequeño número de personas susceptibles se infecten entre un gran número de personas que han estado expuestas a la enfermedad de las vacas locas [8]. . Recientemente ha surgido preocupación por el hecho de que dos criadores de un rebaño de ganado bovino afectado por la EEB en el Reino Unido murieron a causa de la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob [2].
A finales de febrero de 1997, se había diagnosticado al menos a 17 pacientes con la nueva variante de la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob (abreviada nvCJD) [14].
Los estudios de Collinge et al. [15, 16] no solo demostraron que los ratones transgénicos que expresan PrP humana también pueden producir PrPSC humana y desarrollar enfermedad priónica, sino que también encontraron que las células PRP obtenidas de varios casos de ECJ después tratamiento con proteinasa K, se puede dividir en tipo 4 (cepa) mediante detección por transferencia Western. Sólo la banda electroforética de PrPSC de pacientes con nvCJD (tipo 4) es muy similar a la banda electroforética de la EEB transmitida naturalmente. que la enfermedad de las vacas locas puede ser una infección de origen humano nvCJD.
En el pasado, el diagnóstico de enfermedades priónicas se basaba principalmente en biopsias o autopsias cerebrales. Actualmente, los anticuerpos monoclonales contra la proteína 14-3-3 se pueden utilizar para el cribado inmunológico y el diagnóstico preliminar del líquido cefalorraquídeo de los pacientes [17], o el diagnóstico puede confirmarse mediante una biopsia de amígdalas [18]. Se han logrado muchos avances importantes en la investigación de priones. Además de los tradicionales microorganismos patógenos y parásitos de enfermedades infecciosas, se ha añadido un nuevo factor patógeno. Esta investigación ganó el Premio Nobel de Medicina en 1997.
Autor: Centro de Especialidades en Enfermedades Infecciosas, Hospital Suroeste de la Tercera Universidad Médica Militar, Chongqing 400038.
Referencia
Alguien, alguien. Biología molecular de las enfermedades priónicas. Ciencia, 1991, 252:1515-1521.
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3 Griffith JS. Autorreplicación y tembladera. Naturaleza, 1967, 215:1043-1044.
4 Hope J. Las ratas y la carne de vacuno y las enfermedades cerebrales. Naturaleza, 1995, 378:761-762.
5 Cohen FF, Pan KM, Huang Z, et al. Pistas estructurales para la replicación de priones. Ciencia, 1994, 264:530-531.
6 Brown P, Kenney K, Little B, et al. Distribución intracerebral de amiloide infeccioso en encefalopatías espongiformes. Ann Neurol, 1995, 38:245-253.
7 Goldfarb LG, Petersen RB, Tabaton M, et al. Insomnio familiar fatal y enfermedad de Creutzfeldt-Jakob familiar. Fenotipos de enfermedades determinados por polimorfismos del ADN. Ciencia, 1992, 258:806-808.
8 Howard RS, Collinge J, Rossor MN, et al. Enfermedad de Creutzfeldt-Jakob en mujeres jóvenes. Lanceta, 1996, 347:945-948.
9 Brown P, Gibbs CJ, Rodgers-Johnson P, et al., "Encefalopatías espongiformes humanas: Serie experimental de 300 enfermedades de transmisión sexual de los Institutos Nacionales de Salud". Ann Neurol, 1994, 35:513-529.
10 Bateman D, Hilton D, Love S, et al. Enfermedad esporádica de Creutzfeldt-Jakob en un hombre de 18 años en el Reino Unido. Lanceta, 1995, 346:1155-1156.
11 Britton TC, Al-Sarraj S, Shaw C, et al. Enfermedad de Creutzfeldt-Jakob en un hombre de 16 años en el Reino Unido. Lanceta, 1995, 346:1155.
12 Una nueva variante de la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob en el Reino Unido. Lanceta, 1996, 347:921-925.
13Chasotte G, Brussole E, Chenglong CI, et al
Un hombre francés de 26 años padecía la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob. Lanceta, 1996, 347:1181.
14 Connor S. Informes de casos distintos de ECJ en la prensa no especializada. Lanceta, 1997, 349:1704.
15 Collinge J, Palmer MS, Sidle KCL, et al. Transmisión de insomnio familiar fatal a animales de experimentación. Lanceta, 1995, 346:569-570.
Análisis molecular de mutaciones en cepas priónicas y la etiología de la “nueva variante” de la ECJ. Naturaleza, 1996, 383:685-690.
Proteínas cerebrales y encefalopatías espongiformes transmisibles. Revista de Medicina de Nueva Inglaterra, 1997, 336:873-874.
18Hill AF, Zeidel M, Elonside J, et al. Diagnóstico de la nueva variante de la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob mediante biopsia de amígdalas. Lanceta, 1997, 349:99-100.
(Este artículo fue editado por Li Xin)
(Recibido: 1997-11-14 Modificado: 1998-06-30)