4.7 proteinvikning och associerade sjukdomar

proteiner syntetiseras på ribosomer som växande polypeptider i lumen i endoplasmatisk retikulum (ER). Aminosyrasekvensen av proteiner som bestämmer sekundära och tertiära strukturer dikteras av nukleotidsekvensen av mRNA. I sin tur bestäms mRNA-sekvenser av DNA-sekvenser (Kapitel 23-25232425). Som diskuterats tidigare ledde de klassiska experimenten av Pauling och Anfinsen till begreppen att vissa viktiga aminosyror vid rätt positioner är väsentliga för vikning av proteiner till en tredimensionell, funktionell, unik konformation. Det är fantastiskt att av hundratals miljoner konformationsmöjligheter är endast en enda konformationsform associerad med ett funktionellt protein. Processen att rikta och rikta vikningen av mellanliggande polypeptider till de helt vikta strukturerna stöds i vissa fall av proteiner som kallas molekylära chaperoner (även kallade chaperoniner) (figur 4-13).

figur 4-13. Vägen för proteinvikning. Normal vikning sker med hjälp av chaperoner och andra faktorer. Misfolding av polypeptider kan leda till inriktning på olämpliga cellulära platser, eller till nedbrytning som en del av kvalitetskontrollprocessen eller till aggregering. Den aggregerade produkten är ofta resistent mot proteolys och bildar aggregat, såsom amyloidplakor.

chaperoner binder reversibelt till utfällda polypeptidsegment och förhindrar deras felveckning och för tidig aggregering. Denna process innefattar energiförbrukning som tillhandahålls av hydrolys av ATP. En stor klass av chaper-ones är värmechockproteiner (hsp), som syntetiseras i både prokaryota och eukaryota celler som svar på värmechock eller andra påfrestningar (t.ex. friradikal exponering). Det finns många klasser av värmechockkaperoner (HSP-60, HSP-70 och HSP-90) som finns i olika organeller i cellen. HSP-70 chaperoner innehåller två domäner: en ATPase-domän och en peptidbindningsdomän. De stabiliserar växande polypeptider och kan också omforma denaturerade former av polypeptider. HSP-70-familjen av chaperoner visar en hög grad av sekvenshomologi bland olika arter (t.ex. E. coli och humana HSP-70-proteiner visar 50% sekvenshomologi).

en annan chaperone, calnexin, är ett 90 kDa Ca2 + – bindande protein och är ett integrerat membranfosfoprotein av ER. Calnexin övervakar exporten av nyligen syntetiserade glykoproteiner genom komplexbildning med felveckade glykoproteiner som har genomgått glykosylering (Kapitel 16). Om ett protein inte kan vikas in i sin rätta konformation, hjälper chaperoner till förstörelse. Vikningsprocessen underlättas också av den joniska miljön, kofaktorer och enzymer. Exempelvis påverkas vikning av proteindisulfidisomeras, vilket katalyserar bildandet av korrekta disulfidbindningar och genom peptidyl prolyl-isomeraser som katalyserar cis-trans-isomeriseringen av specifika aminosyra-prolinpeptidbindningar.

ett demenssyndrom som kännetecknas av en Lumsk progressiv nedgång i minne, kognition, beteendestabilitet och oberoende funktion beskrevs av Alois Alzheimer och är känd som Alzheimers sjukdom (AD). Ålder är en viktig riskfaktor för AD; det drabbar 10% av personer över 65 år och cirka 40% av dem över 85 år. De karakteristiska neuropatologiska förändringarna innefattar bildning av extracellulära neuritiska plack och intraneuronala trassel med tillhörande neuronal förlust i hippocampus och neocortex (figur 4-14).

figur 4-14. Avsnitt av hjärnbarken från en patient med Alzheimers sjukdom som innehåller neurofibrillär tangle (a) och neuritisk plack (B). Sektionen bearbetades med bielsehowskys fläck. (Med tillstånd av John M. Hardman.)

huvudbeståndsdelen av de extracellulära plackarna är amyloid-Kubi-protein (A-C), som aggregerar i 8 nm filament. En Kubi är en peptid av 40 eller 42 aminosyrarester och är proteolytiskt härledd från ett transmembranglykoprotein som är känt som uregi-amyloidprekursorprotein (app). Enzymerna som klyver asicapp till en ASIC är kända som sekretaser. sai app uttrycks i stor utsträckning, särskilt i hjärnan, och dess gen har lokaliserats till kromosom 21Q. två stora observationer har hjälpt till att förstå rollen av en Sai peptider i patologin av Alzheimers sjukdom. Den första är att patienter med Downs syndrom har trisomi 21 (dvs., tre kromosom 21 i stället för två), uppvisar en Megapixelfyndigheter och utvecklar klassiska egenskaper hos Alzheimers sjukdom vid 40 års ålder eller tidigare. För det andra har flera missense-mutationer i bicapp identifierats i fall av autosomal dominant Alzheimers sjukdom. Dessa dominerande mutationer i CI app påverkar sekretasernas verkan negativt antingen genom att öka den absoluta hastigheten för en utsöndring av ci (N-terminala mutationer) eller genom att öka förhållandet A ci 42 till en C-terminala mutationer).

ärftliga sjukdomar i Alzheimers sjukdom representerar mindre än 1% av alla fall. A-A-peptiderna aggregeras för att bilda-strukturer som leder till fibriller. A-peptiderna på 42 är mer neurotoxiska och ger toxiska effekter av många sammankopplade mekanismer. Dessa kan innebära oxidativ skada, förändringar i intracellulär Ca2 + homeostas, cytoskeletal omorganisation och åtgärder av cytokiner.

de intraneuronala tanglarna är buntar av långa Parade spiralformade filament som består av det mikrotubuli-associerade proteinet tau. Den normala funktionen av tau-protein är att stabilisera mikrotubuli i neuroner genom att förbättra polymerisationen av tubulin. Normalt är tau-protein lösligt; men när det är alltför fosforylerat blir det en olöslig filamentös polymer. Dysreguleringen av fosforylerings – / defosforyleringshändelser har tillskrivits en ökad aktivitet av vissa kinaser och en minskad aktivitet av vissa fosfataser. Medan plack är patognomoniska för AD, finns trassel i etiologiskt olika neurologiska sjukdomar. Störningar av onormal hyperfosforylering och avvikande aggregering av tau-protein i fibrillära polymerer är kända som taupatier. Exempel på taupatier förutom AD är Progressiv Supranukleär Pares, Picks sjukdom, kortikobasal degeneration ochfrontotemporal demens.

två andra gener förutom ci app har varit inblandade i början av autosomala dominerande former av Alzheimers sjukdom. De andra två orsakande generna finns på kromosomerna 14 och 1 och kod för transmembranproteinspresenilin 1 (bestående av 467 aminosyrarester) och presenilin 2 (bestående av 448 aminosyrarester). Dessa proteiner syntetiseras i neuroner men deras funktioner är inte kända. Mutationer i presenilingenerna leder emellertid till överdriven produktion av en Sug42-peptider.

sporadiska former av Alzheimers sjukdom, som är ansvariga för 90% av alla fall, är komplexa sjukdomar och kan representera den kombinerade verkan av både miljöfaktorer och genetiska egenskaper som manifesterar sig över långa tidsintervall. Olika former av en polymorf gen för apolipoprotein E (apo E) som är på kromosom 19 har visat sig förekomma i högre frekvens hos personer med Alzheimers sjukdom. Det finn tre alleler av apo e-genen med sex kombinationer: ε2/ε2, ε3/ε3, ε4/ε4, ε2/ε3, ε2/ε4 och ε3/ε4. Apo e är ett lipidbärarprotein som primärt syntetiseras i levern; men det syntetiseras också i astrocyter och neuroner. Funktionen av apo e proteiner i lipoproteinmetabolism och deras förhållande till för tidig ateroskleros diskuteras i kapitel 20.

av de flera genotyperna för apo E kan förvärvet av två apo e aug 4-alleler öka risken för Alzheimers sjukdom upp till åtta gånger. Varje kopia av apo e-genen ökar risken och skiftar början till lägre åldrar. Den biokemiska mekanismen genom vilken apo e jacob4-protein deltar i bildandet av trassel och plack är oklart. Flera mekanismer har föreslagits, nämligen interaktion med tau-protein och generering, och clearance av en Megapixelpeptider.

farmakologisk terapi för Alzheimers sjukdom består i att korrigera det kolinerga underskottet genom att administrera acetylkolinesterashämmare (t.ex. takrin, donepezil). Östrogenbehandling hos kvinnor med Alzheimers sjukdom har förknippats med förbättrad kognitiv prestanda. Östrogenens fördelaktiga effekt kan bero på kolinerga och neurotrofiska åtgärder. Andra terapeutiska strategier syftar till att hämma eller minska bildningen av neurotoxiska peptider. Dessutom kan läkemedel som selektivt smälter de aggregerade peptiderna vara användbara. Ett experimentellt vaccin som innehåller AP-peptid administrerad till plackproducerande möss leder till mindre plackbildning hos yngre möss och försvinnandet av plack hos de äldre mössen. Förändringarna i plackbildningen hos möss var förknippade med bevarande av minne och inlärningsförmåga. Vaccinationen utlöste inte ett autoimmunt svar eller en toxisk reaktion hos försöksdjuren. Således har dessa studier gett drivkraft för utvecklingen av ett humant vaccin.

vid utvärdering av en patient för Alzheimers sjukdom är det viktigt att andra behandlingsbara orsaker till demens utesluts genom att bestämma kritiska biokemiska och kliniska parametrar. Några av de behandlingsbara, relativt vanliga abnormiteterna som producerar demens inkluderar drogmissbruk, elektrolytobalans, sköldkörtelavvikelser och vitamin B12-brist; mindre vanliga abnormiteter är tumör, stroke och Wernickes encefalopati.

Transthyretinamyloidos (även kallad familjär amyloid polyneuropati) är ett autosomalt dominerande syndrom som kännetecknas av perifer neuropati. Denna sjukdom är resultatet av en av fem mutationer som hittills identifierats i genen för transthyretin. Transthyretin kallas också prealbumin (även om det inte har något strukturellt förhållande till albumin) eftersom det migrerar före albumin i standardelektrofores vid pH 8,6. Transtyretin syntetiseras i levern och är ett normalt plasmaprotein med en koncentration av 20-40 mg/dL. Det transporterar tyroxin och retinolbindande protein (Kapitel 38). Koncentrationen av transthyretin minskas signifikant vid undernäring och plasmanivåerna är diagnostiska för störningar i undernäring (Kapitel 17).

genen för transthyretin finns på kromosom 18 och den uttrycks på ett konstitutivt sätt. Den primära strukturen för transthyretin består av 127 aminosyrarester och åtta strukturer av arket med en antiparallell konformation på parallella plan (figur 4-15).

figur 4-15. Strukturen av transthyretin. Molekylen innehåller åtta antiparallellabig-strängar (a-H) anordnade i två parallella plan. Den cirkulerande formen av transthyretin är en tetramer. Vissa mutationer i transtyretingenen är associerade med amyloidos och åtta av aminosyraförändringarna som orsakar denna sjukdom indikeras. I plasma är transtyretin en tetramer som består av identiska monomerer. Det verkar som om mutationer får den monomera utfällda intermediären av transthyretin att aggregeras till en olöslig bildning av fibril i form av Asia-amyloid.

TSEs kan uppvisa ärftlig, infektiös och sporadiska presentationer. Dessutom kan den ärftliga sjukdomen också vara smittsam. CJD förekommer både som en ärftlig autosomal dominerande störning och i överförbar form. I hypotesen ”endast protein” påverkar det onormala prionproteinet, antingen infört från externa källor eller producerat av den muterade prionproteingenen, normal proteinvikning och förskjuter prionproteinvikningen mot bildandet av onormalt prionprotein. Omvandlingen av det normala prionproteinet, vars funktion är okänd, till en avvikande form involverar en konformationsförändring snarare än en kovalent modifiering. Det onormala prionproteinet fungerar som ett frö som inducerar det normala cellulära prionproteinet mot de onormala amyloidogena rika, bisexuella strukturproteiner som kan förökas och överföras till andra celler. Den aggregerade formen av prionproteinbildande amyloid är resistent mot proteolys.

omvandlingen av naturligt förekommande proteaskänsligt prionprotein till en proteasresistent form sker in vitro genom att blanda de två proteinerna. Dessa proteasresistenta prionproteiner är emellertid inte infektiösa. Således, i” protein-bara ” hypotesen om prioninfektion, är förvärvet av en abherrant konformation inte tillräcklig för spridning av smittsamhet. I jästsystemet (Saccharomyces cerevisiae) kan emellertid den onormala prionformen av jästproteinet, infört genom liposomfusion, frö en självförökande konformationsförändring av de normala proteinerna, som ackumuleras som aggregat. Aggregaten kan överföras till dotterjästceller tillsammans med förökning av onormal fenotyp.

nyligen har ett allvarligt folkhälsoproblem uppstått genom att visa att en prionsjukdom hos nötkreatur kan korsa artbarriärer och infektera människor. Detta inträffade när nötkreatur matades måltid gjord av får infekterade med scrapie. Boskapen utvecklade BSE (vanligtvis kallad ”galna ko-sjukdomen”). Därefter, när människor konsumerade prionförorenat nötkött, utvecklade ett litet antal, främst i Storbritannien, en variant av CJD (vCJD) ungefär fem år efteråt. Variantformen av CJD är en unik form av prionsjukdom som förekommer i en mycket yngre befolkning än vad som förväntas av ärftlig eller sporadisk CJD. Både BSE och vCJD delar många liknande patologiska egenskaper som tyder på en etiologisk koppling mellan mänsklig vCJD och nötkreatur BSE.

tumörsuppressorproteinet p53 ger ännu ett exempel på proteinfel som kan leda till patologiska effekter, i detta fall cancer (p är för protein och 53 är för dess ungefärliga molekylvikt på 53 000). Genen för p53 ligger på den korta armen av kromosom 17 (17 p) och kodar för ett 393-aminosyrafosfoprotein. I många cancerformer muteras p53-genen och bristen på normalt p53-protein har kopplats till utvecklingen av så många som 40% av mänskliga cancerformer.

Normal p53 fungerar som en tumörsuppressor och är en transkriptionsfaktor som normalt deltar i regleringen av flera gener som krävs för att kontrollera celltillväxt, DNA-reparation ochapoptos (programmerad celldöd). Normal p53 är en tetramer och binder till DNA på ett sekvensspecifikt sätt. En av de p53-reglerade generna producerar ett protein som kallas p21, vilket stör cellcykeln genom bindning till cyklinkinaser. Andra gener som regleras av p53 är MDM2 och BAX. Den tidigare genen kodar för ett protein som hämmar verkan av p53 genom att fungera som en del av en reglerande återkopplingsmekanism. Proteinet som tillverkas av BAX-genen tros spela en roll i p53-inducerad apoptos.

de flesta mutationer av p53-gener är somatiska missense-mutationer som involverar aminosyrasubstitutioner i DNA-bindningsdomänen. De mutanta formerna av p53 är felveckade proteiner med onormala konformationer och oförmågan att binda till DNA, eller de är mindre stabila. Individer med den sällsynta sjukdomen Li-Fraumeni syndrom, (ett autosomalt dominerande drag) har en muterad p53-gen och en normal p53-gen. Dessa individer har ökad mottaglighet för många cancerformer, såsom leukemi, bröstkarcinom, mjukvävnadssarkom, hjärntumörer och osteosarkom.

kliniska prövningar pågår för att undersöka om införandet av normal p53-gen i tumörceller med hjälp av genterapi (Kapitel 23) har fördelaktiga effekter vid behandling av cancer. Tidiga resultat med p53-genterapi indikerar att det kan krympa tumören genom att utlösa apoptos.