ساختار PrPSc: پروتئین پریون بدتاخورده چگونه با تغییر شکل PrPC باعث انسفالوپاتی‌های اسفنجی‌شکل قابل انتقال می‌شود؟

گام حیاتی در عفونت انسفالوپاتی اسفنجی‌شکل قابل انتقال (TSE) زمانی رخ نمی‌دهد که یک عامل بیماری‌زا وارد بدن شود، بلکه زمانی است که یک پروتئین طبیعی میزبان پس از برخورد با یک الگوی بدتاخورده، شکل فیزیکی خود را تغییر می‌دهد. این تغییر ساختاری از پروتئین سلولی پریون به ایزوفرم اسکرپی (scrapie)، رویداد قطعی است که سرنوشت بیماری را رقم می‌زند. از آنجا که این مرحله به یک پروتئین اجازه می‌دهد تا بدون اتکا به DNA یا RNA وضعیت بدتاخورده خود را تکثیر کند، مکانیسمی منحصربه‌فرد در زیست‌شناسی محسوب می‌شود؛ مکانیسمی که نحوه انتشار بیماری‌های عفونی را اساساً بازتعریف می‌کند. همان‌طور که در نشریه Annual Review of Neuroscience بیان شده است، این شرایط در اصل «اختلالات ساختار پروتئین» هستند که در آن‌ها عامل بیماری‌زا فاقد اسید نوکلئیک است.[7]

پروتئین طبیعی و سلولی پریون که توسط ژن PRNP کدگذاری می‌شود، در انسان از ۲۵۳ اسید آمینه تشکیل شده و عمدتاً متصل به غشای سلولی نورون‌ها یافت می‌شود. تحلیل‌های ساختاری ارائه‌شده در Topics in Current Chemistry نشان می‌دهد که پروتئین سلولی سالم پریون ساختاریافته است و تقریباً از ۴۲٪ مارپیچ‌های آلفا و تنها ۳٪ صفحات بتا تشکیل شده است. در این حالت طبیعی، پروتئین محلول است، به‌راحتی توسط پروتئازهای سلولی تجزیه می‌شود و نقش‌هایی در سیگنال‌دهی سلولی و اتصال به مس ایفا می‌کند که هنوز مورد بحث هستند.[4][10]

آسیب‌شناسی زمانی آغاز می‌شود که این ساختار بومی بی‌ثبات شده و دوباره به شکل اسکرپی تا می‌خورد. پروتئین بدتاخورده حاصل، دستخوش یک سازماندهی مجدد و عظیم ساختاری می‌شود؛ به‌طوری‌که محتوای مارپیچ آلفای آن به حدود ۳۰٪ کاهش می‌یابد، در حالی که نسبت صفحات بتای آن به ۴۳٪ جهش پیدا می‌کند. این معماری غنی از صفحات بتا، ویژگی فیزیکی بارز پریون است. این ساختار، پروتئین را در برابر تجزیه توسط پروتئازها بسیار مقاوم کرده، در محیط‌های فیزیولوژیک استاندارد نامحلول می‌سازد و آن را مستعد تجمع می‌کند.[8]

مکانیسمی که این تغییر را پیش می‌برد، یک خودتکثیریِ خودکاتالیزور (autocatalytic) است. وقتی یک مولکول بدتاخورده با یک مولکول طبیعی تماس پیدا می‌کند، به‌عنوان یک الگوی فیزیکی عمل کرده و پروتئین سالم را مجبور می‌کند تا ساختار بدتاخورده صفحات بتا را به خود بگیرد. همان‌طور که در Proceedings of the National Academy of Sciences توضیح داده شده است، این فرآیند یک واکنش زنجیره‌ای ایجاد می‌کند: یک پروتئین بدتاخورده دو پروتئین می‌سازد، آن دو به چهار پروتئین تبدیل می‌شوند و این روند به یک تجمع تصاعدی می‌انجامد.[9]

سینتیک این تبدیل شامل حالت‌های واسطه گذرا و بسیار ناپایدار است. پژوهشی که در eLife منتشر شده، از شبیه‌سازی‌های پیشرفته دینامیک مولکولی برای ردیابی حرکات زیردامنه‌ای در مقیاس میکروثانیه در پروتئین پریون موش استفاده کرده است. داده‌ها نشان دادند که باز شدن نواحی خاصی از مارپیچ آلفا در بازه زمانی ۱۰ تا ۱۰۰ میکروثانیه رخ می‌دهد؛ این امر پنجره‌ای کوتاه ایجاد می‌کند که در آن، پروتئین پیش از بازگشت به حالت طبیعی خود، در برابر بازتاخوردگیِ الگوبرداری‌شده آسیب‌پذیر است.[6]

این فرآیند الگوبرداری یکنواخت نیست؛ بلکه به‌شدت به سویه خاص پریون بستگی دارد. نشریه British Medical Bulletin خاطرنشان می‌کند که یک توالی اولیه و واحد از اسیدهای آمینه می‌تواند به چندین ساختار بدتاخورده متمایز تبدیل شود. هر ساختار منحصربه‌فرد یک «سویه» متفاوت از پریون را تشکیل می‌دهد که دوره نهفتگی، نواحی خاص هدف در مغز و علائم بالینی بیماری حاصل را تعیین می‌کند؛ خواه این بیماری کروتزفلد-جاکوب در انسان باشد یا انسفالوپاتی اسفنجی‌شکل گاوی (جنون گاوی) در گاوها.[1]

سازگاری فیزیکی بین الگوی بدتاخورده و پروتئین طبیعی میزبان، سد انتقال بین گونه‌ها را تعیین می‌کند. اگر توالی اسیدهای آمینه پریون مهاجم تفاوت قابل‌توجهی با پروتئین طبیعی میزبان داشته باشد، سد ترمودینامیکی برای تبدیل بالا خواهد بود و عفونت بین‌گونه‌ای را نادر می‌سازد. با این حال، اگر تطابق ساختاری به‌اندازه کافی نزدیک باشد، الگوی بدتاخورده می‌تواند با موفقیت این تبدیل را کاتالیز کند؛ همان‌طور که در انتقال انسفالوپاتی اسفنجی‌شکل گاوی به انسان در دهه ۱۹۹۰ مشاهده شد.[1][7]

جهش‌های ژنتیکی در ژن PRNP می‌توانند سد ترمودینامیکی این تغییر ساختاری را کاهش داده و افراد را مستعد ابتلا به بیماری‌های پریون خانوادگی کنند. مطالعه‌ای در Proceedings of the National Academy of Sciences ساختارهای متصل به آنتی‌بادی در واریانت‌های پریون گوسفندی را بررسی کرد و نشان داد که جایگزینی‌های خاص اسید آمینه در گوسفندان مستعد به اسکرپی، انعطاف‌پذیری نواحی حلقوی پروتئین را تغییر می‌دهد. این تغییرات ساختاری ظریف، پروتئین بومی را بیشتر مستعد بدتاخوردگی خودبه‌خودی یا پذیراتر در برابر یک الگوی بدتاخورده خارجی می‌کند.[2]

عفونت‌های ویروسی و سایر عوامل استرس‌زای سلولی نیز ممکن است در تسهیل این تبدیل نقش داشته باشند. بر اساس تحقیقات منتشرشده در Viruses، محیط سلولی - از جمله حضور چپرون‌های مولکولی خاص، تغییر pH در محفظه‌های اندوزومی، یا پاسخ‌های التهابی ناشی از عفونت‌های همزمان ویروسی - می‌تواند شرایطی را ایجاد کند که از نظر ترمودینامیکی به نفع ساختار بدتاخورده باشد و سرعت بدتاخوردگی را تسریع کند.[3]

هنگامی که این تبدیل به یک آستانه بحرانی می‌رسد، مونومرهای بدتاخورده به شکل الیگومرها درآمده و در نهایت فیبریل‌های آمیلوئیدی بلندی را تشکیل می‌دهند. این فیبریل‌ها در فضای خارج سلولی سیستم عصبی مرکزی تجمع یافته و پلاک‌های متراکمی ایجاد می‌کنند. نشریه International Journal of Cell Biology تأکید می‌کند که لزوماً پلاک‌های بزرگ و بالغ نیستند که باعث سمیت عصبی می‌شوند، بلکه واسطه‌های الیگومری کوچک‌تر و بسیار واکنش‌پذیرند که عملکرد سیناپسی و یکپارچگی غشا را مختل می‌کنند.[5]

تجمع این توده‌ها باعث آغاز آبشاری از رویدادهای سمی برای اعصاب می‌شود. میکروگلیاها و آستروسیت‌ها که سلول‌های ایمنی مغز هستند، در تلاش برای پاکسازی این رسوبات پروتئینیِ تخریب‌ناپذیر، به‌طور مزمن فعال می‌شوند. این التهاب عصبی طولانی‌مدت، همراه با سمیت مستقیم الیگومرهای پریون، منجر به آپوپتوز (مرگ سلولی) گسترده نورون‌ها می‌شود و بافت مغز را با ظاهری اسفنجی و پر از حفره رها می‌کند؛ ویژگی بارزی که نام انسفالوپاتی‌های اسفنجی‌شکل قابل انتقال از آن گرفته شده است.[5][7]

با وجود دهه‌ها تحقیق از زمانی که استنلی پروزینر برای اولین بار در سال ۱۹۸۲ اصطلاح «پریون» را ابداع کرد، هنوز شکاف‌های قابل‌توجهی در شواهد وجود دارد. تعیین ساختار دقیق و در سطح اتمی این توده‌های عفونی با استفاده از بلورشناسی اشعه ایکس استاندارد یا طیف‌سنجی رزونانس مغناطیسی هسته‌ای، به دلیل ماهیت پلیمری و نامحلول آن‌ها، همواره بسیار دشوار بوده است. میکروسکوپ الکترونی کرایو (Cryo-EM) تنها در سال‌های اخیر توانسته مدل‌هایی با وضوح بالا از این فیبریل‌ها ارائه دهد.[4][10]

علاوه بر این، مکان دقیق سلولی که رویداد اولیه تبدیل در آن رخ می‌دهد هنوز مورد بحث است. در حالی که شواهد به دامنه‌های قایق لیپیدی (lipid raft) روی غشای پلاسمایی یا درون مسیر اندوسیتوزی اشاره دارند، جداسازی ریزمحیط دقیقی که در آن سد ترمودینامیکی شکسته می‌شود، همچنان یک چالش فنی بزرگ برای زیست‌شناسان ساختاری است.[8]

درک مکانیک این تبدیل صرفاً یک تمرین آکادمیک نیست؛ بلکه پیش‌نیازی برای توسعه روش‌های درمانی است. از آنجا که این بیماری کاملاً توسط یک تغییر ساختاری هدایت می‌شود، هرگونه مداخله موفق باید یا حالت بومی مارپیچ آلفا را تثبیت کند، یا رابط الگوبرداری را مسدود سازد، و یا پاکسازی سلولی توده‌های صفحات بتا را پیش از آنکه فاز رشد تصاعدی بر دفاع مغز غلبه کند، افزایش دهد.[1][10]