Nydefinert struktur foreslår hvordan smittsomme prioner replikerer

Anonim

Infeksiøse prioner eller PrPSc-misfolded versjoner av det normale cellulære prionproteinet PrPC-konvertere deres normale motparter til kopier av seg selv og derved forårsake dødelig sykdom. Hvordan denne konvertering fungerer på molekylivå har forblir stort sett et mysterium. En studie publisert 8. september i PLOS Pathogens rapporterer den tredimensjonale strukturen til en stor del av PrPSc. Strukturen argumenterer mot eksisterende konverteringsteorier og foreslår hvordan prosessen kan fungere.

Oppdagelsen av DNA-strukturen i 1953 gjorde det umiddelbart åpenbart hvordan DNA kunne kopieres eller kopieres. Den tredimensjonale strukturen til PrPSc har vært unnvikende, men håp er at dens funn også vil fremme forståelsen av prionreplikasjon, samt føre til utvikling av strukturbaserte terapeutiske inngrep. Overbevist om at strukturen av det de kaller "smittsomme conformers" -prPSc fra hjernen til syke dyr - vil være mest informativ, et team ledet av Holger Wille og Howard Young fra University of Alberta i Edmonton, Canada, og Jesús Requena fra Universitetet i Santiago de Compostela, Spania, bruker elektronkryomikroskopi (cryo-EM) til problemet.

I denne studien brukte de cryo-EM til å registrere og analysere strukturen av PrPSc isolert fra hjernen av infiserte mus. Prion-infiserte mus og menneskelige hjerner inneholder en blanding av forskjellige versjoner av PrPSc fordi ulike typer molekyler som lipider og sukker er festet til kjerneproteinet. Heterogeniteten av disse modifiserte hjernenavledede PrPSc gjør det vanskelig å analysere strukturen. For å unngå denne vanskeligheten, begynte forskerne med PrPSc-molekyler som ble avkortet for å slette vedlegget til en type modifikasjon, det såkalte GPI-lipidankeret. Ved å bruke som kilde var hjernene til transgene mus som uttrykte en GPI-ankerfri form av prionproteinet, i stand til å analysere en mer homogen versjon av PrPSc som likevel beholdt sin evne til å forårsake sykdom og konvertere normale cellulære prionproteiner.

I den syke hjernen arrangeres PrPSc-molekyler ofte i fibriller. Cryo-EM-bildene av mus GPI-ankerfrie PrPSc-fibriller, og deres påfølgende analyse, viste at de består av to sammenflettede protofilamenter med definert volum. Som cryo-EM opprettholder den opprinnelige strukturen av prøver, stiller denne informasjonen en strukturell begrensning for konformasjonen av GPI-ankerfri PrPSc, med implikasjonen at PrPSc-molekyler kun kan danne protofilamenter med de observerte dimensjonene bare hvis de foldes opp på seg selv.

Basert på egne analyser (og i samsvar med data fra relaterte studier) konkluderer forskerne at cryo-EM-dataene avslører en fire-ringet ß-solenoidarkitektur som det grunnleggende elementet for strukturen av pattedyrprion GPI-ankerfri PrPSc. ß-solenoider er proteinstrukturer som består av en rekke repeterende elementer med sekundære strukturer som hovedsakelig er beta-ark. Disse PrPSc-betongringene, forskerne foreslår, fungerer som maler for nye utfoldede PrPSc-molekyler.

Hva de har lært om strukturen av GPI-anchorless PrPSc og dens fire-rung ß solenoidarkitektur, sier forskerne, tillater dem å utelukke alle tidligere foreslåtte templeringsmekanismer for replikering av smittsomme prioner in vivo. Diskuterer deres ideer for omdannelse av PrPC til PrPSc, forskerne bemerker at molekylære krefter ansvarlig for templering er fundamentalt lik de som opererer under replikering av DNA. "Fordi den utsøkte spesifisiteten til A: T og G: C-paringen mangler", konkluderer de at "et mye mer komplekst utvalg av styrker styrer sammenkoblingen av eksisterende og nascent ß-rungs".

"Templering basert på en fire-rung ß-solenoid arkitektur", sier de, "må involvere de øvre og nederste ß-solenoid rungs (hvilke) er iboende aggregering-tilbøyelige". "Når en ekstra ß-rung har dannet", foreslår de, "det skaper en fersk" klebrig "kant klar til å fortsette templering inntil det innkommende utfoldede PrP-molekylet er blitt omgjort til en annen kopi av den smittsomme konformeren".

Forskerne anerkjenner at høyere oppløsning strukturer og oppløsning av strukturer av andre PrPSc molekyler vil være nødvendig. Ikke desto mindre konkluderer de, "presenterer vi data basert på cryo-EM analyse som sterkt støtter ideen om at GPI-ankerfrie PrPSc fibriller består av stabler av fire-rung ß-solenoider. To av slike protofilaminer knytter seg til å danne dobbeltfibriller (…). Den fire-ringede ß-solenoidarkitekturen av GPI-ankerfri PrPSc gir unikt og nytt innblikk i den molekylære mekanismen som pattedyrprøver replikerer ".

menu
menu