[論文レビュー] The nature of the infectious agents: PrP models of resistant species to prion diseases (dog, rabbit and horses)

Jiapu Zhang|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2011

Prion Diseases and Protein Misfolding参考文献 19被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、分子動力学シミュレーションを用いて、pH 条件の変化に伴う耐性種（うさぎ、いヌート、馬）のプリオンタンパク質（PrP）の構造的安定性を調査した。特に、うさぎのPrPにおけるD177-R163塩橋およびイヌ・馬のPrPにおける同等のD178-R164塩橋が、低pH下でもC末端の構造的安定性を維持するために重要であることが特定された。これは、耐性の鍵要因であり、プリオン病の治療標的にもなる可能性がある。

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.

研究の動機と目的

• ウサギ、イヌ、馬などの感受性の低い種におけるプリオン病耐性の分子的基盤を理解すること。
• 中性および低pH条件下におけるこれらの種のプリオンタンパク質（PrP）の構造的安定性の違いを調査すること。
• 特に塩橋を含む、変性して病原性PrPSc形に変化するのを防ぐ構造的特徴を特定すること。
• イヌ、馬、ウサギのPrP間の配列および構造的類似性を比較し、ストレス下での安定性の違いを説明すること。
• D177-R163/D178-R164塩橋がプリオン病治療の標的になる可能性を評価すること。

提案手法

• 実験的に決定されたNMR構造（PDB ID: 2FJ3, 1XYK, 2KU4）を用い、ウサギ、イヌ、馬の野生型PrPについて、300 K、350 K、450 Kで分子動力学（MD）シミュレーションを実施した。
• 中性（pH 7）および低（pH 3）pH条件下での構造的安定性を評価するために、両条件でのシミュレーションを実施した。
• 時間経過に伴う二次構造の変化、特にウサギのD177-R163およびイヌ・馬のD178-R164の塩橋形成、水素結合ネットワークの変化を追跡した。
• 構造的安定性と動的挙動を定量化するために、平均二乗偏差（RMSD）および平均二乗揺らぎ（RMSF）を用いた。
• 系統的および構造的関係を比較するために、ペアワイズ配列および構造アラインメント（Needleman-Wunsch、Smith-Waterman、jCEアルゴリズム）を実施した。
• 低pH下での塩橋解離に伴う自由エネルギー変化を分析し、熱力学的安定性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜウサギ、イヌ、馬のプリオンタンパク質は、病原性PrPSc形に変性するのを防ぐのか？
• RQ2 低pH下で、ウサギPrPのD177-R163塩橋およびイヌ・馬PrPの同等塩橋が構造的安定性にどのように寄与しているのか？
• RQ3 低pH条件下におけるウサギPrPとイヌ・馬PrPの二次構造安定性の違いは何か？
• RQ4 イヌ、馬、ウサギのPrP間の配列および構造的類似性は、それらの耐性表現型とどの程度相関しているか？
• RQ5 D177-R163/D178-R164塩橋は、プリオン病治療における実現可能な標的になり得るか？

主な発見

• ウサギのプリオンタンパク質におけるD177-R163塩橋は、中性pH下で構造的安定性を維持するために重要であるが、低pH下では主要なイオン相互作用が破壊されることで崩壊する。
• 低pH下では、ウサギPrPがαヘリックスの完全なアンフォールディングと部分的なβシートへの変換を示し、構造的整合性の喪失を示している。
• イヌおよび馬PrPは、中性および低pH条件下でも安定したαヘリカル構造を維持しており、D178-R164塩橋が中心的な安定化役を果たしている。
• ウサギPrPのD177-R163塩橋は、イヌ・馬PrPのD178-R164塩橋よりもpH誘発の破壊に対して感受性が高く、安定性の差異を説明している。
• ペアワイズ配列および構造アラインメントにより、イヌと馬PrP間の同一性（89.38%）および類似性（93.81%）が、ウサギ-イヌ（90.09%同一性、95.95%類似性）やウサギ-馬（87.61%同一性、93.81%類似性）よりも高いことが判明し、構造的安定性のパターンと相関していた。
• D177-R163/D178-R164塩橋によって安定化されるβ2–α2ループ領域は、プリオン病治療の潜在的標的に同定された。