Priony a priónové choroby

Prióny a priónové choroby, známe aj ako prionózy, predstavujú fascinujúcu, no zároveň desivú kapitolu v biológii a medicíne. Pre študentov biológie a medicíny je pochopenie týchto jedinečných patogénov kľúčové. Tento článok vám poskytne komplexný rozbor priónov, ich vlastností a mechanizmov vzniku ochorení, vrátane detailov potrebných na prípravu na maturitu alebo skúšku.

Čo sú to prióny a aké majú vlastnosti?

Prióny sú infekčné proteínové jednotky, ktoré sa líšia od všetkých ostatných biologických patogénov. Ich najvýraznejšou črtou je, že vo svojej molekule neobsahujú nukleovú kyselinu (NA), čiže DNA ani RNA. To ich odlišuje od vírusov, baktérií či húb. Tieto záhadné častice sú mimoriadne odolné voči rôznym fyzikálnym a chemickým vplyvom:

• Rezistencia na teplotu: Sú rezistentné na vysoké teploty; teploty používané pri varení sú málo efektívne. Mimoriadne rezistentné sú na suché teplo. Pre autoklávovanie sa odporúča dlhodobé použitie 140 °C.
• Rezistencia na radiáciu: Sú odolné voči žiareniu.
• Chemická rezistencia: Sú rezistentné voči nukleázam (enzýmy štiepiace nukleové kyseliny) a proteázam (enzýmy štiepiace bielkoviny).
• Filtrovateľnosť: Sú to filtrovateľné infekčné proteínové jednotky.

Porovnanie PrPc a PrPsc: Klúč k pochopeniu prionových ochorení

Rozlišovanie medzi dvoma formami priónového proteínu je esenciálne pre pochopenie patogenézy. Hoci sa líšia v štruktúre, zdieľajú niekoľko spoločných vlastností:

Spoločné znaky PrPc a PrPsc

Obidve formy priónového proteínu sú kódované rovnakým génom, čo znamená, že majú identickú aminokyselinovú sekvenciu a rovnakú molekulovú hmotnosť (33-35 kDa). Okrem toho sú antigénne nerozoznateľné, čo sťažuje imunitnú odpoveď organizmu proti nim.

Rozdiely medzi PrPc a PrPsc

Napriek spoločným znakom, zásadné rozdiely vo fyzikálno-chemických vlastnostiach určujú ich funkciu a patogenitu:

• PrPc (celulárny priónový proteín):

• V detergentoch rozpustný proteín, ktorý je fyziologicky prítomný v bunkách.

• Obsahuje viac (40%) α-helikálnych domén a takmer žiadnu doménu s konformáciou β-skladaného listu.

• Podlieha proteázovej degradácii.

• Množstvo PrPc v bunkách je konštantné.

• PrPsc (scrapie priónový proteín):

• Je nerozpustný.

• Má nižší obsah α-hélixov (30%) a oveľa vyšší obsah domén so štruktúrou β-skladaného listu (43%).

• Vzniká post-translačnou modifikáciou PrPc.

• Je proteáza rezistentný.

• Vytvára nerozpustné zhluky, ktoré sa hromadia v mozgu.

• Zhluky PrPsc majú fibrilárnu štruktúru a farbia sa ako amyloid.

• Hladina PrPsc súvisí s infekčným titrom.

Ako vzniká premena PrPc na PrPsc a mechanizmus infekcie?

Kľúčovým momentom v patogenéze prionových ochorení je premena normálneho bunkového proteínu PrPc na patologickú formu PrPsc. Táto konverzia je ireverzibilná a pri jej prestupe môžu zohrávať úlohu viaceré faktory:

1. Prítomnosť PrPsc: Prióny patria do skupiny proteínov, ktoré môžu nadobudnúť jednu z niekoľkých konformácií. V prítomnosti patologickej formy PrPsc sa zmení tvar aj ostatných, normálnych PrPc proteínov. Proces možno schematicky znázorniť ako: PrPc + PrPsc → PrPsc (dochádza k navodeniu zmeny konformácie PrPc).
2. Prenos bez nukleovej kyseliny: Prenos ochorenia prebieha bez prítomnosti patogén-špecifickej nukleovej kyseliny, čo je unikátne pre prióny.
3. Exponenciálny nárast: Počas ochorenia dochádza k exponenciálnemu nárastu množstva PrPsc.
4. Hostiteľský gén: Pri prenose je PrPsc v recipientovi kódovaný hostiteľským PrP génom.
5. Medzidruhová bariéra: Ak sa donorový PrP líši od hostiteľského PrP, schopnosť interakcie a premeny je znížená. Tento jav sa nazýva „medzidruhová bariéra“.

Patogénne mutácie v géne kódujúcom normálny PrP môžu narúšať stabilitu terciárnych štruktúr α-hélixov, čo môže viesť k vzniku konformácie β-skladaného listu. Proteíny s vysokým obsahom β-domén majú tendenciu tvoriť fibrily, ktoré sa agregujú a tvoria tak veľké zhluky v bunkách.

Patogenéza prionových chorôb a úloha priónového proteínu

PrPc je normálny bunkový proteín prítomný v mnohých typoch buniek, vrátane svalových buniek, lymfocytov a čiastočne aj v nervovom tkanive. Predpokladá sa, že molekuly PrPsc interagujú s PrPc a premenia ich na nové prióny PrPsc. Rozdiely medzi PrPc a PrPsc sú primárne konformačné, nie chemické.

Priónové ochorenia začínajú, keď mutácie v géne kódujúcom normálny PrP alebo prenesenie abnormálneho PrP z iného zvieraťa (ako napr. PrPsc) spôsobia poruchy konformácie bunkového priónového proteínu. Tieto konformačné zmeny vedú k tvorbe proteáza-rezistentných zhlukov normálneho PrP, ktoré sa označujú ako amyloidné ložiská. Tieto ložiská sa hromadia v nervovom tkanive a spôsobujú poruchy mozgovej činnosti. V prípade ochorenia scrapie sa tieto fibrilárne útvary nazývajú scrapie asociované fibrily.

Ako sa šíri infekcia?

V prípade infekcie je PrPsc pohltený (napríklad perorálne) alebo inokulovaný. Následne sa replikuje v lymfoidnom tkanive (napr. Peyerove plaky, folikulárne dendritické bunky), kde môže pretrvávať dlhú dobu. Do nervového systému sa dostáva pozdĺž axónov, v ktorých sa tiež replikuje. Po prechode do mozgu premena PrPc na PrPsc pokračuje na predilekčných miestach, ktoré sú typické pre daný druh prionózy.

Neuropatológia prionových ochorení: Ako prióny ničia mozog?

Priónové choroby spôsobujú smrť neurónov a charakteristické špongioformné zmeny v nervovom tkanive. Tieto zmeny sú sprevádzané proliferáciou gliálnych buniek a astrocytov. Dôležité je poznamenať, že priónové ochorenia nevyvolávajú zápal ani protilátkovú odpoveď v organizme, čo sťažuje ich diagnostiku imunitnými testami.

Charakteristickým znakom sú prítomné amyloidné plaky. Ide o nerozpustné bielkovinové zhluky s vysokým zastúpením proteínov so štruktúrou beta-skladaného listu, ktoré obsahujú priónový proteín (PrP).

Prehľad vybraných priónových ochorení

Priónové choroby postihujú rôzne druhy živočíchov, vrátane človeka. Tu sú niektoré z najznámejších:

Scrapie (klusavka oviec a kôz)

Scrapie je fatálne, chronicky prebiehajúce ochorenie spôsobujúce ataxiu (porucha koordinácie pohybov) u oviec a prípadne kôz. Je rozšírené v Európe, Severnej Amerike a niektorých častiach Afriky a Ázie. Nákaza je prenosná a inkubačná doba môže trvať roky.

Klinické a patologické príznaky scrapie

• Prvé príznaky: Pruritus (svrbenie) a svalové chvenie, často vyvolané trením kože o ohradu.
• Progresívne neurologické zmeny: Tremor hlavy a krku, nekoordinovaná chôdza s vysokým dvíhaním predných končatín (tzv. „zajačie skákanie“ alebo klusavka), nepríčetný pohľad a prípadné paralýzy zadných končatín.
• Priebeh ochorenia: Afebrilný (bez horúčky), rapídne chudnutie a následný úhyn 4 – 6 týždňov od prejavu ochorenia.
• Absencia imunitnej reakcie: Charakteristická je absencia zápalových a imunitných reakcií.
• Patologické zmeny v CNS: Hypertrofia astrocytov, degenerácia a vakuolizácia neurónov, hlavne v centrálnom nervovom systéme.

Prenos scrapie

Ochorenie sa šíri horizontálne z infikovaných zvierat na zdravé. Vnímavé ovce sa nakazia na pastvinách, kde sa predtým pásli infikované ovce. Jahňatá sa môžu nakaziť od bahníc aj bez dojčenia, hoci presný mechanizmus (transplacentárny prenos alebo prenatálna infekcia) nie je úplne dokázaný. U prirodzene infikovaných jahniat sa PrPsc najprv vyskytuje v čreve, tonzilách, slezine a v lymfatických uzlinách, čo poukazuje na perorálnu infekciu. Vnímavosť oviec na scrapie je ovplyvnená genetickou predispozíciou.

Bovinná špongioformná encefalopatia (BSE) – „Choroba šialených kráv“

BSE bola prvýkrát diagnostikovaná vo Veľkej Británii v roku 1986. Príčinou ochorenia bolo skrmovanie mäsovo-kostnej múčky hovädziemu dobytku, ktorá sa pripravovala z uhynutých zvierat, medzi ktorými boli aj ovčie kadávery infikované scrapie. Veľké množstvo PrPsc v krmive zvýšilo príjem patogénu a prelomilo tak medzidruhovú bariéru. Týmto sa zvyšoval počet BSE infikovaných kráv, ktorých kadávery boli opäť použité pri výrobe mäsovo-kostnej múčky, čo viedlo k cyklickému šíreniu. Dôležitý rozdiel oproti scrapie je, že nebolo dokázané horizontálne šírenie BSE medzi dobytkom.

Ďalšie priónové ochorenia

Okrem scrapie a BSE existujú aj iné priónové ochorenia, ktoré postihujú rôzne druhy zvierat:

• Mačacia spongioformná encefalopatia
• Transmisívna encefalopatia noriek
• Chronické chradnutie jeleňovitých (CWD)

Často kladené otázky o priónoch a priónových chorobách (FAQ)

Tu sú odpovede na bežné otázky, ktoré si študenti kladú o priónoch.

Aký je hlavný rozdiel medzi priónmi a vírusmi?

Hlavný rozdiel spočíva v ich molekulárnom zložení. Vírusy obsahujú nukleovú kyselinu (DNA alebo RNA), ktorá nesie ich genetickú informáciu a je nevyhnutná pre ich replikáciu. Prióny, naopak, neobsahujú žiadnu nukleovú kyselinu a sú tvorené výhradne proteínmi, ktoré menia konformáciu iných proteínov.

Prečo sú priónové choroby tak ťažko liečiteľné a diagnostikovateľné?

Priónové choroby sú ťažko liečiteľné, pretože prióny sú mimoriadne odolné voči bežným sterilizačným metódam a neexistuje účinná antivírusová ani antibakteriálna liečba. Diagnostika je náročná, pretože prióny nevyvolávajú zápalovú ani protilátkovú imunitnú odpoveď, čo sťažuje ich detekciu pomocou bežných imunologických testov. Poškodenie mozgu je zvyčajne nezvratné.

Je prenos priónov možný medzi rôznymi druhmi zvierat, napríklad z ovce na kravu?

Áno, prenos medzi rôznymi druhmi je možný, ale obvykle existuje takzvaná „medzidruhová bariéra“. Táto bariéra znamená, že schopnosť priónu infikovať iný druh je znížená, ak sa priónový proteín donora líši od proteínu hostiteľa. Príkladom prelomenia tejto bariéry je BSE, kde sa predpokladá prenos priónov zo scrapie-infikovaných oviec na hovädzí dobytok prostredníctvom krmiva.

Aké sú typické neuropatologické zmeny pri priónových chorobách?

Typické neuropatologické zmeny zahŕňajú smrť neurónov, špongioformné zmeny v nervovom tkanive (vznik vakuol pripomínajúcich špongiu), proliferáciu gliálnych buniek a astrocytov, a tvorbu amyloidných plakov. Tieto plaky sú nerozpustné bielkovinové zhluky obsahujúce priónový proteín PrPsc a majú štruktúru beta-skladaného listu.