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PrP遺伝子の構造と発現

 

既知の全哺乳類のオープンリーディングフレーム(ORF)と鳥類のPrP遺伝子は単一のエクソン内に位置する(4,82,194,195)。マウス、ヒツジ、ウシ、およびラットのPrP遺伝子には、エクソン3でORFを含む3つのエクソンがある(196-200)。エクソン3はSha遺伝子のエクソン2に類似している(82)。SHaPrP遺伝子の2つのエクソンの間には10kbのイントロンがある。エクソン1には5’非翻訳領域内のリーダー配列の一部がある一方、エクソン2にはORFと3’非翻訳領域がある(82)。最近では、5’非翻訳領域内に追加の小さなエクソンを含む少量のSHaPrP mRNAが発見された。これはSHaPrP遺伝子によってコードされたものである(201)。PrP遺伝子を有するヒツジおよびヒトコスミドクローンの比較配列解析では、ヒトPrP遺伝子における推定上の小さな非翻訳5’エクソンが見出された(202)。SHaおよびMoPrP遺伝子の両方のプロモーターには、G+Cリッチの繰り返し配列があり、TATAボックスがない。このG+Cは、転写因子Sp1の標準的な結合部として機能するモチーフを示している可能性がある(203)。ヒト(Hu)20番染色体短腕とマウス(Mo)2番染色体の相同領域に対するPrP遺伝子のマッピングは、哺乳類の種形成前におけるPrP遺伝子の存在の可能性を示す(204,205)。

 

PrP mRNAは成体動物の脳で構成的に発現するが(83,84)、発生中には高度に抑制される。発生中の中隔ではPrP mRNAとコリンアセチルトランスフェラーゼの濃度が同時に増加することが確認された(206)。他の脳領域ではPrP遺伝子発現が若齢で生じた。in situハイブリダイゼーション試験では、最も高いPrP mRNA発現がニューロンで確認されている(207)。

 

脳内PrPc発現は、標準の免疫組織化学手法(208)と、非感染コントロール群の脳の組織ブロット法によって特定された(209)。SHa脳におけるPrPcの免疫染色は、海馬のCA1領域の放射状層および上昇層で最も顕著であり、アンモン角全体の錐体細胞層と歯状回の顆粒細胞層で生じていなかった。PrPScの染色は、PrPcで最も強く染色した領域で最小であった。 扁桃体でもPrPScとPrPc間の同様の関係が認められた。PrPScの蓄積は内側手綱角、内側中隔核、ブローカ対角帯で生じていたが、これらの領域ではPrPcが存在していなかった。また、白質の有髄軸索はPrPScを含んでいたが、PrPcは含まれていなかった。これらの結果は、プリオンが軸索に沿って輸送されることを示唆しており、また、逆行性輸送に一致するパターンでスクレイピー感染が広がるという過去の試験結果に一致するものである(210-212)。

PrP Gene Structure and Expression.

The entire open reading frame (ORF) of all known mammalian and avian PrP genes resides within a single exon (482194195). The mouse, sheep, cattle, and rat PrP genes contain three exons with the ORFs in exon 3 (196200) which is analogous to exon 2 of the SHa gene (82). The two exons of the SHaPrP gene are separated by a 10-kb intron: exon 1 includes a portion of the 5′ untranslated leader sequence, while exon 2 includes the ORF and 3′ untranslated region (82). Recently, a low abundance SHaPrP mRNA containing an additional small exon in the 5′ untranslated region was discovered that is encoded by the SHaPrP gene (201). Comparative sequencing of sheep and Hu cosmid clones containing PrP genes revealed an additional putative, small untranslated 5′ exon in the HuPrP gene (202). The promoters of both the SHa- and MoPrP genes contain multiple copies of G+C-rich repeats and are devoid of TATA boxes. These G+C nonamers represent a motif that may function as a canonical binding site for the transcription factor Sp1 (203). Mapping of PrP genes to the short arm of Hu chromosome 20 and to the homologous region of Mo chromosome 2 argues for the existence of PrP genes prior to the speciation of mammals (204205).

Although PrP mRNA is constitutively expressed in the brains of adult animals (8384), it is highly regulated during development. In the septum, levels of PrP mRNA and choline acetyltransferase were found to increase in parallel during development (206). In other brain regions, PrP gene expression occurred at an earlier age. In situhybridization studies show that the highest levels of PrP mRNA are found in neurons (207).

PrPC expression in brain was defined by standard immunohistochemistry (208) and by histoblotting in the brains of uninfected controls (209). Immunostaining of PrPC in the SHa brain was most intense in the stratum radiatum and stratum oriens of the CA1 region of the hippocampus and was virtually absent from the granule cell layer of the dentate gyrus and the pyramidal cell layer throughout Ammon’s horn. PrPSc staining was minimal in those regions that were intensely stained for PrPC. A similar relationship between PrPC and PrPSc was found in the amygdala. In contrast, PrPSc accumulated in the medial habenular nucleus, the medial septal nuclei, and the diagonal band of Broca; in contrast, these areas were virtually devoid of PrPC. In the white matter, bundles of myelinated axons contained PrPSc but were devoid of PrPC. These findings suggest that prions are transported along axons and are in agreement with earlier findings in which scrapie infectivity was found to migrate in a pattern consistent with retrograde transport (210212).