[논문 리뷰] The nature of the infectious agents: PrP models of resistant species to prion diseases (dog, rabbit and horses)

Jiapu Zhang|arXiv (Cornell University)|2011. 06. 23.

Prion Diseases and Protein Misfolding참고 문헌 19인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 분자 동역학 시뮬레이션을 사용하여 산성도 조건이 다양한 경우에 저항성 종인 토끼, 개, 말의 프리온 단백질(PrP)의 구조적 안정성을 조사한다. 연구는 토끼 PrP의 D177-R163 이온 결합과 개 및 말 PrP의 해당 구조인 D178-R164를 중심으로 C-말단의 구조적 안정성을 유지하는 데 핵심적인 역할을 하며, 특히 저pH 조건에서 중요한 역할을 한다고 밝히며, 이 상호작용이 저항성의 핵심 요인일 뿐 아니라 프리온 질환의 잠재적 약물 타겟이 될 수 있음을 제시한다.

ABSTRACT

Prion diseases are invariably fatal and highly infectious neurodegenerative diseases affecting humans and animals. By now there have not been some effective therapeutic approaches to treat all these prion diseases. In 2008, canine mammals including dogs (canis familials) were the first time academically reported to be resistant to prion diseases (Vaccine 26: 2601--2614 (2008)). Rabbits are the mammalian species known to be resistant to infection from prion diseases from other species (Journal of Virology 77: 2003--2009 (2003)). Horses were reported to be resistant to prion diseases too (Proceedings of the National Academy of Sciences USA 107: 19808--19813 (2010)). By now all the NMR structures of dog, rabbit and horse prion proteins had been released into protein data bank respectively in 2005, 2007 and 2010 (Proceedings of the National Academy of Sciences USA 102: 640--645 (2005), Journal of Biomolecular NMR 38:181 (2007), Journal of Molecular Biology 400: 121--128 (2010)). Thus, at this moment it is very worth studying the NMR molecular structures of horse, dog and rabbit prion proteins to obtain insights into their immunity prion diseases. This article reports the findings of the molecular structural dynamics of wild-type horse, dog, and rabbit prion proteins. The dog and horse prion proteins have stable molecular structures whether under neutral or low pH environments. Rabbit prion protein has been found having stable molecular structures under neutral pH environment, but without structural stability under low pH environment. Under low pH environment, the salt bridges such as D177--R163 were broken and caused the collapse of the stable $α$-helical molecular structures.

연구 동기 및 목표

• 토끼, 개, 말과 같이 감수성 종이 아닌 종에서의 프리온 질환 저항성의 분자 기반을 이해하기 위해.
• 이 종들의 프리온 단백질(PrP)이 중성 및 저pH 조건에서 어떻게 구조적 안정성이 다른지 조사하기 위해.
• 특히 이온 결합과 같은 특정 구조적 특징이 병원성 PrPSc 형태로의 변형에 대한 저항성에 기여하는지 규명하기 위해.
• 개, 말, 토끼 PrP 간의 서열 및 구조적 유사성을 비교하여 스트레스 조건 하에서의 안정성 차이를 설명하기 위해.
• D177-R163/D178-R164 이온 결합이 프리온 질환 치료 타겟으로서의 잠재성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 토끼, 개, 말의 원형 PrP에 대해 실험적으로 확정된 NMR 구조(PDB ID: 2FJ3, 1XYK, 2KU4)를 기반으로 300 K, 350 K, 450 K에서 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 수행하였다.
• 중성(pH 7) 및 저pH(pH 3) 조건에서 시스템을 시뮬레이션하여 pH 의존적 구조적 안정성을 평가하였다.
• 시간에 따른 2차 구조 변화, 특히 토끼의 D177-R163 및 개/말의 D178-R164 이온 결합 형성, 수소 결합 네트워크 변화를 추적하였다.
• 구조적 안정성과 동역학을 정량화하기 위해 루트 평균 제곱편차(RMSD) 및 루트 평균 제곱변동(RMSF)을 사용하였다.
• 진화적 및 구조적 유사성 관계를 비교하기 위해 서열 및 구조 정렬(needlemann-wunsch, smith-waterman, jCE 알고리즘)을 수행하였다.
• 저pH 조건에서 이온 결합 파손과 관련된 자유 에너지 변화를 분석하여 열역학적 안정성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 토끼, 개, 말의 프리온 단백질은 병원성 PrPSc 형태로의 변형에 저항하는가?
• RQ2 토끼 PrP의 D177-R163 이온 결합과 개 및 말 PrP의 해당 구조인 D178-R164 이온 결합이 저pH 조건에서 구조적 안정성에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 저pH 조건에서 토끼 PrP와 개/말 PrP 간의 2차 구조 안정성에 어떤 차이가 있는가?
• RQ4 개, 말, 토끼 PrP 간의 서열 및 구조적 유사성이 그들의 저항 표현형과 어느 정도 관련이 있는가?
• RQ5 D177-R163/D178-R164 이온 결합은 프리온 질환의 치료적 개입을 위한 타당한 타겟이 될 수 있는가?

주요 결과

• 토끼 프리온 단백질의 D177-R163 이온 결합은 중성 pH 조건에서 구조적 안정성 유지를 위해 필수적이지만, 저pH 조건에서는 핵심 이온 상호작용이 파괴되어 붕괴된다.
• 저pH 조건에서 토끼 PrP는 α-나선이 완전히 펴지고 부분적으로 β-시트로 전환되어 구조적 정합성의 손실을 보인다.
• 개 및 말 PrP는 중성 및 저pH 조건 모두에서 안정적인 α-나선 구조를 유지하며, D178-R164 이온 결합이 중심적인 안정화 역할을 한다.
• 토끼 PrP의 D177-R163 이온 결합은 개 및 말 PrP의 D178-R164 이온 결합보다 pH 유도 파손에 더 민감하여 안정성의 차이를 설명한다.
• 서열 및 구조 정렬 분석 결과, 개와 말 PrP 간의 유사도(89.38%)와 유사성(93.81%)이 토끼-개(90.09% 유사도, 95.95% 유사성) 또는 토끼-말(87.61% 유사도, 93.81% 유사성)보다 높으며, 이는 구조적 안정성 패턴과 상관이 있다.
• D177-R163/D178-R164 이온 결합에 의해 안정화되는 β2–α2 루프 영역은 프리온 질환 치료제의 잠재적 타겟으로 식별되었다.