A proteína priônica principal (PrP) é codificada no corpo humano pelo gene PRNP, também denominado CD230 (grupo de diferenciação 230). A expressão da proteína é mais proeminente no sistema nervoso, mas ocorre em diversos outros tecidos do organismo.
A proteína pode existir sob múltiplas isoformas: a forma fisiológica celular normal PrPC, e formas resistentes a proteases designadas PrPRes, como a isoforma patogênica causadora de doenças PrPSc (scrapie) e uma isoforma localizada nas mitocôndrias. A versão patológica com enovelamento incorreto PrPSc está associada a diversas doenças neurodegenerativas invariavelmente fatais em seres humanos e outros animais. Em animais não humanos, essas doenças incluem o scrapie ovino, a encefalopatia espongiforme bovina (EEB, ou doença da vaca louca), a encefalopatia espongiforme felina, a encefalopatia transmissível do vison (TME), a encefalopatia de ungulados exóticos e a doença da caquexia crônica (CWD), que acomete cervídeos; as doenças priônicas humanas incluem a doença de Creutzfeldt–Jakob (DCJ), a insônia familiar fatal (IFF), a síndrome de Gerstmann–Sträussler–Scheinker (GSS), o kuru e a variante da doença de Creutzfeldt–Jakob (vDCJ). Há semelhanças patogênicas marcantes entre o kuru — decorrente da ingestão ritualística de tecidos de indivíduos infectados — e a vDCJ, transmitida pelo consumo humano de derivados bovinos contaminados com EEB.
Gene miniatura|esquerda|150px|Cromossomo 20 O gene humano PRNP localiza-se no braço curto (p) do cromossomo 20, entre a extremidade telomérica do braço e a banda 13 (20p13), estendendo-se do par de bases 4.615.068 ao par de bases 4.630.233.
Estrutura A PrP é altamente conservada entre os mamíferos, conferindo validade às conclusões extrapoladas de modelos animais experimentais, como camundongos. Entre os primatas, a sequência de aminoácidos da PrP exibe uma identidade que varia de 92,9% a 99,6%. A estrutura tridimensional da PrP humana consiste em um domínio globular composto por três hélices-alfa e uma folha-beta antiparalela de duas fitas, uma cauda NH2-terminal flexível e uma cauda COOH-terminal curta. Uma âncora lipídica de glicofosfatidilinositol (GPI) na extremidade COOH-terminal fixa a PrP à face externa da membrana celular, o que se revelou essencial para a transmissão da mudança conformacional; formas secretadas de PrP desprovidas da âncora GPI não são convertidas pela isoforma infecciosa.
A sequência primária da PrP possui 253 aminoácidos antes do processamento e das modificações pós-traducionais. Sequências de sinalização nas extremidades amina e carboxila terminais são clivadas pós-traducionalmente, resultando em uma cadeia madura de 208 aminoácidos. Na PrP humana e na do hamster-dourado, existem dois sítios de glicosilação nas hélices 2 e 3 nos resíduos Asn181 e Asn197. Na PrP de camundongo, os sítios equivalentes situam-se em Asn180 e Asn196. Uma ponte dissulfeto intramolecuar conecta a Cys179 da segunda hélice à Cys214 da terceira hélice (segundo a numeração da PrPC humana).
O RNA mensageiro da PrP contém uma estrutura em pseudonó (pseudonó priônico), que se acredita estar envolvida na regulação da tradução proteica da PrP.
Ligação a ligantes Especulou-se que a conversão conformacional de PrP na isoforma de scrapie pudesse estar atrelada a uma proteína-ligante auxiliar, embora nenhum cofator obrigatório tenha sido isolado conclusivamente. Contudo, desenvolveu-se um amplo corpo de pesquisa sobre moléculas candidatas e sua interação com a PrPC.
Cobre, zinco, manganês e níquel são ligantes comprovados da PrP, ligando-se à sua região de octarrepetições N-terminal. A ligação de ligantes induz alterações conformacionais de impacto funcional; a associação de metais pesados à PrP tem sido correlacionada à proteção contra o estresse oxidativo decorrente da toxicidade por metais pesados.
Isoforma PrPC (celular normal) A função fisiológica exata da PrPC ainda não está plenamente esclarecida. Ela pode desempenhar um papel no transporte de íons de cobre para o interior das células a partir do meio extracelular. Pesquisadores também propuseram funções na transdução de sinal celular e na plasticidade e formação de sinapses. A PrPC ancorada na superfície externa da membrana plasmática liga-se por meio de uma âncora de glicosilfosfatidilinositol em sua serina carboxi-terminal (Ser231).
A PrP contém cinco repetições de octapeptídeos com a sequência PHGGGWGQ (a primeira repetição possui uma sequência ligeiramente modificada e desprovida de histidina: PQGGGGWGQ). Acredita-se que isso constitua um domínio de coordenação para íons de cobre por meio dos átomos de nitrogênio do anel imidazol da histidina e dos nitrogênios desprotonados das amidas da segunda e terceira glicinas da repetição. A afinidade pelo cobre é, portanto, dependente do pH. Análises por RMN evidenciam que a quelação de cobre acarreta rearranjos conformacionais na extremidade N-terminal.
Isoforma PrPSc (scrapie) A PrPSc é uma isoforma conformacional aberrante da PrPC que tende a se acumular em agregados compactos e insolúveis, resistentes a proteases, no tecido nervoso. A forma anômala PrPSc exibe estruturas secundária e terciária marcadamente distintas da PrPC, embora compartilhem sequência primária de aminoácidos idêntica. Enquanto a PrPC é predominantemente constituída por alfa-hélices e domínios desestruturados flexíveis, a PrPSc não apresenta alfa-hélices, possuindo um cerne de fibrila amiloide composto por empilhamento de monômeros de PrP estabilizados por folhas-beta intermoleculares paralelas e em registro. Esse enovelamento alternativo confere à PrPSc extrema resistência à proteólise.
A propagação da PrPSc é central para os estudos de patogênese, visto que seu acúmulo está diretamente associado à neurodegeneração. A hipótese dominante postula que a PrPC normal é induzida a se desenovelar e se agregar sob a forma de PrPSc após o contato físico direto entre ambas as isoformas. Evidência definitiva para esse mecanismo provém de estudos com camundongos nocauteados para o gene PRNP, os quais são completamente resistentes à infecção e propagação após inoculação de PrPSc. Apesar da ampla aceitação da hipótese de conversão conformacional, alguns trabalhos apontam que intermediários oligoméricos solúveis, e não as grandes placas de PrPSc insolúveis, seriam os principais mediadores da citotoxicidade.
Polimorfismos nos sítios 136, 154 e 171 estão associados a variações de suscetibilidade ao scrapie em ovinos (sítios correspondentes às posições humanas 133, 151 e 168). Os alelos com os polimorfismos PrP-VRQ e PrP-ARQ conferem suscetibilidade elevada, enquanto a variante PrP-ARR associa-se à resistência. O Plano Nacional de Scrapie do Reino Unido buscou erradicar essas variantes suscetíveis por meio da seleção reprodutiva de reprodutores portadores do alelo ARR resistente. Todavia, ovelhas homozigotas para o polimorfismo ARR demonstraram suscetibilidade ao scrapie atípico (cepa Nor98).
Função
Sistema nervoso A marcante correlação da PrP com distúrbios neurodegenerativos suscitou amplas investigações sobre sua função biológica normal no tecido encefálico. Uma metodologia recorrente consiste no emprego de camundongos geneticamente modificados nocauteados para PrP (linhagens null) e modelos transgênicos para examinar déficits fisiológicos decorrentes de sua ausência. As primeiras linhagens de camundongos nocautes obtidas não apresentaram alterações fenotípicas ou desenvolvimentais grosseiras. Contudo, linhagens posteriores evidenciaram alterações cognitivas e comportamentais relevantes. Com o envelhecimento, camundongos deficientes em PrP exibem perda marcante de células de Purkinje no cerebelo, resultando em déficits de coordenação motora (ataxia); todavia, demonstrou-se que essa neurodegeneração cerebelar decorre da superexpressão compensatória ectópica do gene homólogo Doppel (Dpl), e não da privação direta de PrP. Outras alterações fenotípicas relatadas incluem redução da resposta ao estresse agudo e maior comportamento exploratório em ambientes novos.
O ritmo circadiano sofre alterações em camundongos nocauteados para PrP. A insônia familiar fatal decorre de uma mutação pontual no códon 178 do gene PRNP, corroborando o envolvimento fisiológico da PrP na regulação dos ciclos de sono-vigília. Ademais, demonstrou-se oscilação circadiana rítmica na transcrição do RNA mensageiro da PrP no prosencéfalo, modulada pelo ciclo claro-escuro.
Memória Embora camundongos com deleção de PrP apresentem capacidade de aprendizagem e memória de curto prazo preservadas, foram documentados déficits na consolidação da memória de longo prazo. A exemplo da ataxia cerebelar, parte desses déficits foi atrelada à superexpressão de Doppel. Contudo, a aprendizagem espacial — função predominantemente mediada pelo hipocampo — encontra-se reduzida em camundongos nocautes e é restaurada com a reintrodução específica de PrP em neurônios, comprovando o envolvimento direto da perda de função da proteína. A interação entre a PrP hipocampal e a laminina (LN) desempenha papel crucial no processamento e consolidação mnêmica, sendo modulada por cascatas de quinases dependentes de PKA e ERK1/2.
Estudos epidemiológicos e genéticos em humanos fornecem evidências adicionais para o papel da PrP na consolidação da memória. Avaliações em indivíduos jovens saudáveis demonstraram melhor desempenho de memória de longo prazo em portadores dos genótipos MM ou MV no códon 129 em comparação a indivíduos homozigotos VV. Na síndrome de Down, a presença do alelo valina no mesmo códon foi associada a declínio cognitivo mais precoce. Diversos outros polimorfismos em PRNP foram associados a comprometimento cognitivo senil acelerado.
Neurônios e sinapses A PrP localiza-se tanto nos compartimentos pré quanto pós-sinápticos, concentrando-se prioritariamente no terminal pré-sináptico. Com base na quelação do cobre, formulou-se a hipótese de que a PrP atue como um tampão iônico desse metal na fenda sináptica, operando na homeostase do cobre, na regulação da sinalização por cálcio ou como sensor de estresse oxidativo na membrana. A perda funcional de PrP repercute sobre a potenciação de longa duração (LTP), modulando a excitabilidade neuronal e a transmissão sináptica no hipocampo.
Ademais, a PrP participa no neurodesenvolvimento, diferenciação neuronal e crescimento de neuritos, com vias de transdução de sinal estimulando o brotamento axonal e dendrítico.
Sistema imunológico Embora a maior concentração de PrP ocorra no tecido nervoso, a proteína também é expressa abundantemente em células do sistema imune, tais como células-tronco hematopoiéticas, linhagens linfoides e mieloides maduras, células exterminadoras naturais (NK), plaquetas e monócitos. A ativação de linfócitos T é acompanhada por uma expressiva regulação positiva na expressão de PrP. A ausência de resposta imune humoral ou celular clássica contra príons infecciosos nas encefalopatias espongiformes transmissíveis (EET) decorre em grande parte da tolerância imunológica à sequência primária da proteína endógena.
Músculos, fígado e hipófise Camundongos nocautes para PrP evidenciam redução da capacidade locomotora em testes de natação forçada. Em contrapartida, camundongos idosos com superexpressão de PRNP desenvolvem atrofia e degeneração do tecido muscular esquelético.
Níveis basais reduzidos de PrP são detectáveis no tecido hepático, postulando-se envolvimento na fibrogênese. Na glândula hipófise, a presença de PrP modula a sinalização neuroendócrina em anfíbios, embora seu papel na hipófise de mamíferos permaneça sob investigação.
Fisiologia celular