«Неправильные» белки. Прионы – конкуренты генов?

Прионы – «неправильные» белки – не содержат генетической программы в виде РНК и ДНК, существуя как инфекционные агенты. Получается, в данном случае мы имеем дело с передачей информации негенетической клеткой. Что же получается, Мендель и Морган были не правы, а Лысенко прав, ратуя за существование иного механизма передачи наследственных признаков?

История1933 год. Из Германии в Исландию завезены овцы для развития каракулеводства. Период адаптации к новым условиям среды всегда связан с повышенной заболеваемостью. Однако скрейпи овец (медленно развивающееся инфекционное заболевание) было выделено отдельно, так как имело долгий, никак не проявляющий себя инкубационный период, сверхмедленное прогрессирующее течение, странное поражение органов (мозг, селезенка) и неотвратимую смерть. Так, в 1954 году Б. Сигурдсон научными исследованиями скрейпи закрепил за собой имя первооткрывателя прионных болезней.Три года спустя у папуасов Новой Гвинеи обнаружено заболевание куру, связанное с поеданием сырого мозга умерших родственников. Ритуальный каннибализм приводил к неспешно проявляющимся симптомам идентичной скрейпи болезни. К.Гайдушек установил инфекционный путь передачи куру (Нобелевская премия 1976 года).1992-2000 годы. Достигла максимума эпизоотия среди крупного рогатого скота Великобритании. Мирно пасущиеся животные вдруг начинали носиться по полю, кидаться друг на друга, дико мычать, а затем умирали. Коровье бешенство оказалось той же болезнью, что и известная прежде лишь у овец скрейпи. Выяснилось, что она заразна и для людей – в Европе погибло около 150 человек, заболело 3,8 млн голов крупного рогатого скота. Американец С.Прузинер, открывший возбудитель недуга – патогенные белки-прионы, был удостоен Нобелевской премии 1997 года. Эпизоотию удалось погасить, но лечить это заболевание ни у людей, ни у животных медицина пока не в состоянии. Этот случай привел к созданию жесткой системы контроля мяса. Заодно был обнаружен человеческий аналог коровьего бешенства – болезнь Кройтцфельдта – Якоба, до того неизвестная, поскольку встречается по статистике один случай на миллион. По симптомам она похожа на другие психиатрические недуги (нарушение координации движений, слабоумие).Биологическое оружие XXI века?На сегодня известно, что нормальный прионный белок PrP обнаруживается в клетках цнс, лимфатических тканях. Его патогенная модификация совпадает по аминокислотной последовательности с нормальной, но имеет другую пространственную структуру: при переходе в патогенное состояние часть -спиралей превращается в листоподобные -складчатые слои, образуя множество водородных связей, стабилизирующих инфекционную пространственную структуру. Клеточная функция нормальной формы PrP пока неясна, патогенная форма вызывает заболевания. Инфекционный PrP не только устойчив к деградации (УФ, нагревание, проникающая радиация, протеазы), но также может перестраивать нормальную форму, превращая ее в подобие себя по цепной реакции. Со временем прионы с нарушенной конформацией формируют фибриллы в нервных клетках, приводя к гибели нейронов и в конце концов к смерти особи.Патогенные формы прионов могут вызывать ряд тяжелых заболеваний: болезнь Кройтифельда – Якоба, семейная фатальная бессонница у человека и губчатая энцефалопатия у крупного рогатого скота, норок, лосей и оленей, кошачьих, экзотических животных, скрейпи овец и коз, которые на данный момент неизлечимы. Практически ничто не способно инактивировать неправильный белок: ни высокие температуры, ни повышенное давление, ни даже обугливание не снижают степень его патогенности. На него не влияют и протеолитические ферменты кишечника. Получается, что животное, употребившее такой белок в пищу, может заразиться само и заразить других особей через экскременты или прах. Напрашивается предположение, что при таком положении дел прионы могут стать мощнейшим биологическим оружием ХХI века…Доказана внутривидовая передача прионных заболеваний: коровье бешенство при кормлении скота костной мукой, куру при ритуальном каннибализме. Однако иногда инфекция передается межвидово, например, от животных к человеку, хотя при этом болезнь развивается не столь эффективно, реже поражая мозг. Но в любом случае болезнь возникает спорадически, и при ее развитии амилоидные структуры в мозговой ткани разрастаются как губка (отсюда и название – губчатая энцефалопатия). Этот процесс характерен и для недугов пожилого возраста – Альцгеймера и Паркинсона – с печально известными симптомами в виде патологического ухудшения памяти и утраты способности к обучению, поэтому, разгадав загадки прионов, человечество может надеяться если не победить, так отсрочить старение (по И.Мечникову срок человеческой жизни составляет 140 лет).Загадочный механизмБелки физиологически существуют в виде пространственных структур, и их конформация слишком важна и сложна, чтобы изменяться случайным образом. Биофизик В.Астбэри когда-то предположил, что нефункциональные фибриллы образуются в результате денатурации (необратимого изменения природной структуры белковой глобулы) под стрессовым воздействием свойств среды. Сейчас известно, что внутриклеточные природные процессы – окисление, фосфорилирование, гликолизирование – могут приводить к изменению термодинамических параметров белков, высвобождая энергию, за счет которой возможен рефолдинг (пересворачивание) белка в неправильную структуру. К сожалению, в настоящее время механизм, обеспечивающий спорадическое возникновение заболевания, остается загадкой. Пока что человечеству известны наследственные варианты заболевания благодаря открытию гена, кодирующего аминокислотную последовательность PrP. В этом случае происходит мутационное изменение первичной структуры белка, стимулирующее его превращение в прион. Наконец, существует инфекционная форма развития заболевания при проникновении патогенной формы приона в организм.Самое интересноеДо недавнего времени считалось, что лишь незначительная часть белков способна формировать амилоиды, однако сейчас достоверно известно, что большинство белков имеют в своем составе короткие «липкие» участки со специфической структурой, которыми они могут «склеиваться» с другими белками (Д.Эйзенберг). Считается, что в процессе эволюции такие белки сохраняются – у них эти участки длиной 6 аминокислот спрятаны в глубине белковой глобулы, потому не вызывают гибель клеток. Формирование амилоида не всегда плохо: в норме амилоид, накапливающийся в нервных клетках, ответственен за поддержание миелиновой (электроизолирующей) оболочки нервных волокон; возможно, он играет роль в поддержании долговременной памяти. В настоящее время известны около двух десятков естественных амилоидов, в частности гормоны. Все они находятся в организме под жестким контролем: например, могут поглощаться везикулами клетки для нейтрализации негативных последствий.Однако самые любопытные данные были получены при изучении клеток дрожжей и грибов. На сегодня известны цитогены пси-фактор и URE3 дрожжей, прион HET-S грибов. Они весьма интересны функционально: пси-фактор образуется как побочный результат обычного конформационного копирования элементов цитоскелета клетки; URE3 вовлечен в регуляцию метаболизма азота; HET-S контролирует тип несовместимости у Podospora anseria. Патогенные формы цитогенов дрожжей возникают в результате изменения уровня продукции генов, приводя к появлению альтернативных конформаций белков, и могут при этом играть положительную роль. Кроме того, было доказано, что в процессе прионизации важную роль играют шапероны (белки, обеспечивающие фолдинг). А в 1997 году С.Линквист установила, что дрожжевые прионы образуют такие же агрегаты в клетках, как прионы млекопитающих – в мозге. Все это сделало их замечательным экспериментальным материалом для разработки лекарственных средств против инфекционных прионных и амилоидных заболеваний (на сегодня известно около 30).Теоретически следует вывод, что в клетке наряду с копированием ДНК и РНК происходят матричные процессы копирования пространственной упаковки белковых молекул. Таким образом, в дополнение к генетическому аппарату в клетке действительно существуют и иные, эпигенетические, механизмы наследования, т. е. центральная догма молекулярной биологии (перенос генетической информации от ДНК к РНК, потом к белкам) на сегодня дополнена возможностью модифицирования и копирования конформации белков. Несмотря на то что в лысенковские времена генетика в СССР была практически полностью уничтожена, сейчас имена отечественных молекулярных генетиков М.Тер-Аванесяна и С.Инге-Вечтомова, занимающихся исследованиями прионов, известны всему миру. Хотя первоначально прионы были открыты как инфекционные агенты нового типа, сейчас предполагается, что они являются носителями биологической информации, заложенной в конформации белка. Встречаясь в клетке чрезвычайно редко, прионный белок может погубить ее, в таком случае мутация вымывается из популяции. Но при неблагоприятных условиях развития мутации могут возникать чаще и закрепляться в поколениях. Это  эволюционное подспорье, пока что подтвержденное для дрожжевых клеток. Но может быть, это положение дел действует и в клетках других организмов? Может, прионные заболевания – это издержки какого-то адаптационного процесса, основанного на прионных белках? Человечеству  еще предстоит разбираться в этом…Дополнительная литератураPrusiner S.B., Scott M.R. // Annual Review of Genetics, 31, 139-175 (1997).Инге-Вечтомов С.Г. // Вестник РАН. – №70 (4). – С. 299-306 (2000).И.С.Шкундина, Тер-Аванесян М.Д. // Успехи биологической химии. – №46. – С. 3-42 (2006).Prusiner S.B. // Science, 336 (6088), 1511-1513 (2012).Кушниров В. // Троицкий вариант. – №16 (110) от 14 августа 2012. – С. 11.Нобелевская лекция Стэнли Прузинера (на английском языке). – URL: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1997/prusiner-lecture.pdf ​Светлана ХОРОНЕНКОВА, кандидат химических наук