Priony, z ang. Prion-related Protein, czyli PrP, są to białkowe cząsteczki zakaźne. Powstają one z występujących powszechnie w każdym organizmie i całkowicie niegroźnych białek, które stają się białkami prionowymi infekcyjnymi dopiero w momencie, kiedy zmienią swoją naturalna konformację. Są to sialoglikoproteiny, a zostały wykryte w 1982r.
Koncepcja prionów jako czynników etiologicznych zbudowanych wyłącznie z białka wymaga przyjęcia całkowicie odmiennego sposobu ich powielania, gdyż nie zawierają one informacji genetycznej. Odkrycie genu PRNP u człowieka, znajdującego się na 20 chromosomie i analogicznych genów (Prn-p) u większości zwierząt wyższych doprowadziło do wniosku, że białko kodowane przez ten gen jest niezbędne w procesach fizjologicznych tych organizmów.
Priony powodują choroby układu nerwowego zwierząt (m.in. scrapie u owiec i bydła) oraz człowieka (m.in. chorobę Creutzfeldta-Jakoba i kuru). Porównanie cząsteczek białek PrP obecnych w tkankach w warunkach fizjologii i w patologiach, takich jak scrapie, dowiodło, że mają one identyczną strukturę pierwszorzędową, ale różnią się strukturą drugorzędową. Białko PrP nie wywołujące choroby, oznaczane jako PrPC – komórkowe, posiada trzy α-helisy i dwie tzw. β-nici, natomiast białko PrP o patogennym charakterze, oznaczane jako PrPSc od scrapie, zawiera przewagę struktury harmonijki β. PrPC jest całkowicie rozpuszczalne w wodzie i denaturujących detergentach, natomiast PrPSc jest nierozpuszczalne w wodzie. Istotny jest fakt, iż białko PrPSc wpływa na cząsteczki białka PrPC, zmieniając ich konformację i zaburzając niepoznane jeszcze procesy, w których priony fizjologicznie biorą udział.
PrPC jest zbudowane z 253 aminokwasów. Występuje w wielu tkankach organizmu. Jego 22aminokwasowy N-koniec stanowi sygnał peptydowy do translokacji białka przez błonę, natomiast fragment C-końcowy tworzy 3 helisy α i 2 krótkie przeciwrównoległe nici β. PrPC jest przyczepione do powierzchni komórki za pomocą kotwicy glikozylofosfatydyloinozytolowej, czyli GPI, znajdującej się na końcu C łańcucha. Jest produkowane w siateczce śródplazmatycznej szorstkiej, następnie przechodzi przez aparat Golgiego, w którym zachodzą modyfikacje potranslacyjne. Ostatecznie za pomocą GPI przyczepia się na zewnętrznej powierzchni komórki. Niektóre cząsteczki stale krążą między powierzchnią komórki a szlakiem endocytozy. Jest to miejsce konwersji do PrPSc. Mniej niż 10% cząsteczek lokalizuje się przezbłonowo wystając na zewnątrz N-końcem, czyli NtmPrP oraz C-końcem, czyli CtmPrP.
Mutacje przezbłonowego odcinka u myszy transgenicznych powodują wzrost odsetka CtmPrP nawet do 20-30%. Co ciekawsze powoduje to rozwój choroby neurodegeneracyjnej podobnej do scrapie bez obecności PrPSc. Dlatego niektórzy biochemicy mają wątpliwości, czy cząsteczki białek PrPSc rzeczywiście są jedynym czynnikiem wywołującym choroby prionowe.
Okres półtrwania PrPC wynosi 5h. 10% nowo utworzonych cząsteczek ulega degradacji w cytozolu, przez co podejrzewa się je o udział w patogenezie PrPSc. Prowadzi to do zaburzeń proteasomów, co przyczynia się do akumulacji zagregowanych, nie glikolizowanych postaci PrP, wykazujących cechy PrPSc.
Podejrzewa się, że do funkcji PrPC zalicza się: homeostaza wapnia, regulacja presynaptycznych stężeń miedzi, aktywność i lokalizacja neuronalnej syntazy NO, czyli nNOS, transmisja sygnałów na powierzchni komórki oraz adhezja komórek.
PrPSc 33-35 ma identyczną z PrPC 33-35 sekwencję aminokwasową, kotwicę fosfatydyloinozytolową i ulega identycznym modyfikacjom potranslacyjnym. Różni się natomiast właściwościami fizyko-chemicznymi jako, że jest częściowo oporne na działanie proteinazy K – z PrP33-35Sc powstaje „rdzeń” = PrP27-30, który tworzy SAP (scrapie-associated fibrills) lub inaczej „prion rods” oraz dlatego, że ma konformację głównie β-kartki.
Konwersja PrPc do PrPSc następuje po ponownym wejściu cząsteczki do komórki poprzez jamkowte domeny lub wyłożone klatryną zagłębienia. Istnieje kilka modeli wyjaśniających mechanizm przekształcania PrPC do PrPSc. Pierwszy z nich to model heterodimeru lub inaczej heterodimeryczny mechanizm fałdowania, który zakłada, że PrPc wiąże się z PrPSc lub nieprawidłowo sfałdowaną PrP, która jest heterodimerem, zostaje przeksztcone do PrPSc i powstaje homodimer, który się rozłącza aby utworzyć kolejne heterodimery. Odwrotne założenia wynikają z modelu polimeryzacji, według którego agregacja jest niezbędna do stabilizacji formy PrPSc. Przemiana prionów i polimeryzacja są zatem procesami nierozerwalnymi. Etapem limitującym przejście PrPC w PrPSc jest formowanie się oligomerów PrPSc, czyli tzw. ziaren, stanowiących produkty pośrednie przemiany prionowej. Zaproponowano dwa rodzaje tego modelu. Wariant pierwszy zakłada, że zmiany konformacyjne monomerów PrPC i PrPSc mają miejsce jeszcze przed ich przyłączeniem się do oligomeru. Związanie z oligomerem pełni funkcje stabilizacyjne, a monomer PrPSc, który nie zwiąże się z ziarnem przemienia się w PrPC. Według drugiego schematu zmiany w strukturze monomerów zachodzą dopiero w momencie ich przyłączenia się do oligomeru PrPSc. Istnieje też model pośredni, który zakłada, że nieco zmienione cząsteczki tworzą niestabilną formę przejściową, która jest następnie stabilizowana poprzez interakcje międzycząsteczkowe.
Dokładna natura neurotoksyczności prionów pozostaje niejasna. Nie wiadomo, czy jest ona powodowana utratą funkcji PrPC, czy raczej toksycznymi właściwościami tworzącego się PrPSc. Jednym z mechanizmów neurotoksyczności prionów jest indukcja apoptozy. Pierwsza hipoteza zakłada utracenie funkcji przez PrPC, wg której akumulacja PrPSc jest pośrednio (np. aktywacja mikrogleju przez PrPSc) lub bezpośrednio (czyli tworzenie CtmPrP i zmiana właściwości błony) toksyczna dla neuronu. Druga hipoteza zakłada utracenie funkcji przez PrPC poprzez zamianę izoformy PrPc na PrPSc, co powoduje zmniejszenie ilości funkcjonalnego PrPc i spadek odporności na stres oksydacyjny. Inne mechanizmy neurotoksyczności to zaburzenie glikozylacji PrP oraz zaburzenia metabolizmu PrP, takie jak tworzenie się CtmPrP, nieprawidłowa aktywność chaperonów, cząsteczki RNA stymulujące amplifikację PrPres lub neurotoksyczny wpływ akumulacji cytosolowej formy PrP.
Ekspresja genu PrP (PRNP u człowieka) jest ściśle regulowana ,ale nie wzrasta znacznie w przypadku chorób prionowych. Obecność przynajmniej jednego allelu jest niezbędna dla możliwości zaistnienia choroby. Polimorfizm powoduje podatność na choroby prionowe. 16 kb za genem PRNP występuje gen PRND, kodujący białko Doppel. PRND także wykazuje polimorfizm i ma 25% sekwencji aminokwasów identycznych z PrPc. Jest regulatorem funkcji akrosomów i męskiej gametogenezy i nie ma właściwości wzmagania propagacji PrPSc. Innym białkiem podobnym do PrP jest Shadoo, zbudowane ze 130-150 aminokwasów. Jest kodowane przez gen SPRN. Na podstawie badań na myszach zasugerowano, że jest odpowiedzialne za maskowanie fenotypowe ablacji genu PRNP, poprzez przejmowanie funkcji PrP.
Choroby prionowe, czyli gąbczaste encefalopatie (ang. transmissible spongiform encephalopathies - TSE) dotykają średnio jednego człowieka na milion i mogą być dziedziczone (ok. 15%), nabyte (<1%) lub powstawać spontanicznie (85%). Jak dotąd uznawane są one za śmiertelne i niezależnie od pochodzenia wykazują właściwości zakaźne. Objawy kliniczne gąbczastych encefalopatii ujawniają się po dość długim okresie inkubacji i obejmują różnego rodzaju zaburzenia ruchowe oraz poznawcze. W mózgach zakażonych osobników obserwuje zmiany mikrotorbielkowate albo zlewające się wakuole w pilśni nerwowej, zmiany mogą być rozlane lub ogniskowe, głównie w strukturach korowych i podkorowych, w mniejszym stopniu w pniu mózgu, w móżdżku występują typowe zmiany w warstwie drobinowej, polegające na utracie neuronów w warstwie ziarnistej. W przypadku utraty neuronów najbardziej narażona jest podgrupa neuronów GABA ergicznych, a względnie niezmienione pozostają hipokamp i zakręt zębaty. O chorobie może też świadczyć mikro – i astroglioza oraz złogi PrPSc. Złogi wykrywane są immunohistochemicznie lub za pomocą Western-blott, w postaci: nieregularnych/periwakuolarnych otaczających zmiany gąbczaste, rozlanych synaptycznie, okołoneuronalnych, typu plaki, które mogą być jednordzeniowe (występują w kuru) lub wielordzeniowe (np. w GSS), mogą się tworzyć także w rdzeniu, w nerwach obwodowych i poza OUN (w mięśniach szkieletowych), w otoczeniu komórek dendrytycznych i makrofagów w ścianach naczyń.
Pierwszą odkrytą chorobą neurodegeneracyjną było kuru. Dotyczyła jedynie członków plemienia Fore zamieszkujących w Górach Wschodnich Papua Nowej Gwinei (i tych plemion, które łączyły się z Fore przez małżeństwa). „Kuru” w języku Fore oznacza „drżeć z zimna”. Choroba dotyczyła prawie wyłącznie kobiet i dzieci, mężczyźni chorowali rzadko. Szerzyła się poprzez obrzędy endokanibalistyczne, czyli spożywanie ciała swoich krewnych jako część rytuału pogrzebowego. Kuru jest zawsze zawsze śmiertelną ataksją móżdżkową, której towarzyszą: drżenie, ruchy mimowolne o typie pląsawiczych/atetotycznych oraz nietrzymanie moczu i kału, ale nie występuje otępienie. U chorych obserwowano obrzęk mózgu i przekrwienie opon mózgowych. Zmiany występowały głównie w móżdżku, jądrach mostu, wzgórzu i rdzeniu, liczne neurony były obkurczone i hiperchromatyczne lub blade z rozproszoną substancją Nissla / wakuolami cytoplazmatycznymi, w prążkowiu - niektóre neurony wyglądały jak„wygryzione przez mole”, co świadczy o daleko posuniętej wakuolizacji. Występowały też plaki kuru - najwięcej w warstwie ziarnistej móżdżku, jądrach podstawy, wzgórzu i korze mózgu, złogi PrPd w okolicy synaps i okołoneuronalnie oraz liczne zmiany gąbczaste.
Inną powszechną chorobą prionową jest choroba Creutzfeldta-Jakoba, czyli CJD. Występuje ona w 4 postaciach różniących się przede wszystkim etiologią: sporadycznej (sCJD), rodzinnej (fCJD), jatrogennej (jCJD) i tzw. wariantu choroby (vCJD). sCJD i fCJD występuje z częstością 0,5 -1 / 1 mln populacji ogólnej na całym świecie. Chorują najczęściej osoby w wieku 65lat. W chorobie tej występują zmiany gąbczaste ( wakuole) w głębokich warstwach kory, zniki neuronów, nasilona reakcja astrocytarna, czyli gemistocytarna, w 10-15% przypadków złogi kuru, akumulacja PrP – złogi synaptyczne oraz okołoneuronalne i periwakuolarne. Najczęściej obraz kliniczny przedstawia traidę objawów i jest to otępienie, miklonia oraz typowy zapis elektroencefalograficzny, czyli EEG. Objawy prodromalne, występujące u około 30% chorych to osłabienie, zaburzenia snu (bezsenność, rzadziej nadmierna senność) i jedzenia. U 90% chorych choroba kończy się śmiercią po roku. 5% przeżywa do 2lat. Jatrogenne przypadki CJD występowały po podawaniu zanieczyszczonego hormonu wzrostu otrzymanego z przysadek mózgowych człowieka. Pojedyncze przypadki wystąpiły po podaniu gonadotropin, przeszczepie opony twardej, zabiegach neurochirurgicznych, przeszczepie rogówki i użyciu elektrod stereotaktycznych. Z kolei vCJD jest najprawdopodobniej skutkiem przeniesienia encefalopatii gąbczastej bydła (BSE) na człowieka. U chorych na vCJD w korze mózgu, móżdżku, w jądrach kresomózgowia, we wzgórzu i podwzgórzu występuja liczne blaszki amyloidowe, otoczone wianuszkiem wakuoli. Występują również bardzo liczne blaszki kuru i bezpostaciowe złogi PrP okołokomórkowe i wokół wakuoli w korze mózgu i móżdżku. Obraz kliniczny obejmuje zaburzenia zachowania (lęk, agresja) jako objawy prodromalne, ciągłe dyzestezje i ból w stopach utrzymujący się przez cały okres choroby, wczesna ataksja i późne otępienie. Brak typowego EEG. W vCJD badanie MRI wykazuje hiperintensywny sygnał w poduszce wzgórza.
Kolejną chorobą spowodowaną przez priony jest śmiertelna bezsenność rodzinna, w skrócie FFI, czyli fatal familial insomnia. Jest to choroba mózgu dziedziczona autosomalnie dominująco i jest spowodowana mutacją w genie PRNP. Jeżeli chociaż jeden rodzic jest nosicielem mutacji, u potomstwa istnieje statystycznie 50% ryzyko jej odziedziczenia i rozwój choroby. Wiek wystąpienia choroby jest różny, rozciągający się od 30. do 60. roku życia. Choroba jest nieuleczalna i zawsze prowadzi do śmierci. Została wykryta u zaledwie 26 rodzin na świecie. Obraz kliniczny przedstawia szybko postępująca bezsenność, zaburzenia autonomiczne, ataksję, zaburzenia endokrynologiczne, mioklonie, objawy piramidowe i demencję. Choroba ma 4 stadia rozwoju. Początkowo pacjent cierpi na nasilającą się bezsenność skutkującą atakami paniki oraz fobiami. Z czasem halucynacje oraz ataki paniki stają się bardziej zauważalne. W 3. etapie choroby pojawia się całkowita niezdolność do snu pociągająca za sobą szybką utratę masy ciała pacjenta. W ostatniej fazie występuje demencja, niekontaktowność lub niemota. W przypadku badań TK i MRI nie ukazują żadnych odhyleń. PET wskazuje na wyraźny hipometabolizm w obrębie wzgórza. Z kolei EEG – całkowicie monomorficzny wolny zapis, szybkie przechodzenie od zapisu typowego dla stanu czuwania do zdesynchronizowanego EEG podobnego do fazy REM.
Do TSE zaliczamy również chorobę Gerstmanna-Sträusslera- Scheinkera (GSS). Jest to choroba dziedziczna, znana przez psychiatrów od 1911r. W zależności od mutacji w genie PRNP jest niezwykle heterogenna w obrazie klinicznym, a wspólną cechą są blaszki wielordzeniowe. Objawy pojawiają się pomiędzy 35. a 55. rokiem życia. Choroba ma charakter postępujący i trwa przeciętnie od 2 do 10 lat, cechuje się stopniowo narastającą ataksją, do której dołączają się objawy otępienne. Możliwe są także m.in. dyzartria, zaburzenia widzenia, oczopląs, parkinsonizm. Przyczyną śmierci jest zwykle zapalenie płuc, spowodowane osłabieniem mięśni oddechowych.