Молекулярные модели прионного превращения
Для объяснения процесса прионного конформационного перехода белка PrPC были предложены две модели - "полимеризационная" модель и "гетеродимерная".
"Полимеризационная" модель ( Рис. 1 ; Jarett and Lansbury, 1993 ) предполагает, что процессы конформационной перестройки белка PrP и его агрегации неразрывно связаны, и превращение PrPC в форму PrPSc происходит во время его присоединения к олигомеру, состоящему из молекул PrPSc. Таким образом, процесс напоминает кристаллизацию, а олигомеры PrPSc - "ядра" кристаллизации. Наличие полимеров PrPSc ускоряет конверсию PrPC за счет присоединения молекул PrPC и стабилизации их конформации в составе упорядоченных PrPSc. "Узким местом" является образование "центра кристаллизации". Экспериментальным подтверждением этой модели считаются работы, показывающие, что способностью превращать PrPC в протеазоустойчивую форму обладают только те фракции PrPSc, молекулярная масса которых превышает 300 кДа ( Caughey et al., 1995 ; Silveira et al., 2005 ).
Вторая модель, объясняющая механизм прионного превращения, получила название "гетеродимерной" ( Prusiner, 1991 ; Cohen et al., 1994 ; рис. 2 ). Согласно этой модели прионное состояние присуще мономеру PrP , а конформационное превращение молекулы PrPC в PrPSC происходит во время ее связывания с мономером PrPSc. Сразу после превращения димер диссоциирует, и освободившиеся молекулы PrPSc участвуют в новых актах превращения. Агрегация прионной формы белка рассматривается как вторичное явление, не связанное с конформационной перестройкой.
Следует заметить, что эти две модели не являются взаимоисключающими. Поэтому возможен, в принципе, некоторый гибридный механизм прионного превращения, когда белок взаимодействует с полимерной фибриллой, а дальше происходит его переход согласно гетеродимерной модели. Основанием для такого предположения является некоторое несовпадение экспериментальных данных по кинетике прионного перехода с данными, рассчитанными для каждой из моделей ( Serio et al., 2000 ).
В результате исследования прионного белка Sup35 дрожжей была сформулирована и подтверждена in vitro еще одна модель, получившая название " конформационной конверсии с помощью нуклеации " ( Serio et al., 2000 ). Она заключается в том, что существуют две формы белка: растворенная S-форма и агрегированная A-форма (прионная конформация). Конформационные изменения происходят за счет присоединения S-формы к A-форме. При этом белок в S-форме может находиться как в мономерной, так и в олигомерной форме. Особое свойство мономерного белка заключается в том, что он конформационно нестабилен, поэтому он только с очень малой вероятностью может превращаться в более стабильную A-форму. Однако конформационный преход может сильно ускоряться при присоединении мономеров к готовым "семенам" - агрегатам. В отсутствии "семян" S/A переход может быть облегчен, если он происходит в олигомерных комплексах. Такие олигомеры все еще представляют собой S-форму, но их субъединицы имеют значительно меньший набор возможных конформаций. Олигомеры и мономеры находятся в равновесии и могут переходить друг в друга ( Serio et al., 2000 ). Эксперименты, проведенные in vitro с очищенным фрагментом дрожжевого прионного белка Sup35, подтверждают эту модель. Однако точный механизм этого процесса in vivo нуждается в прояснении. Насколько такая модель может быть распространена на прионы млекопитающих, пока не известно.
Согласно "гетеродимерной" модели прионное состояние присуще мономеру белка, а превращение происходит, когда молекула клеточного белка связывается с мономером приона [ Cohen ea 1994 ]. После того, как белок приобрел прионную конформацию, пара диссоциирует и две освободившиеся молекулы могут снова участвовать в инициации конформационных переходов. Агрегация при этом рассматривается как вторичное явление.
Полимеризационная модель предполагает, что агрегация прионного белка неразрывно связана с изменением конформации, и превращение происходит непосредственно при присоединении клеточной формы к агрегату [ Jarrett ea 1993 ]. Полимеризационная модель подтверждается опытами in vitro, которые показывают, что прионообразующими свойствами обладают не мономерные формы, а высокомолекулярные агрегаты [ Caughey ea 1995 ].
