что такое прион по своей химической структуре
Прионы — страх и ужас будущего
«Предрассветная дымка нехотя отступала по оврагам, проступали стебли ржи, переливающиеся под взмахами ветра. Птицы уже успели обрадоваться утру и ненавязчиво щебетали над ухом. Последние капли сна упали в чашку ароматного кофе. Приятно встречать диск солнца, растягивая заиндевевшие суставы и вглядываясь в даль. Кто это? Застыла мысль, когда взгляд скользнул на тропинку, бегущую из леса. Широкая улыбка озарила лицо. С первых движений он узнал ее. Только она могла двигаться с такой грацией и изяществом лани. Рука замерла на полпути к столу. Продолжая улыбаться, он вдруг резко повернулся и зашагал на кухню. Появились на столе еще одна чашка и поднос с ягодами. Аромат лавандового сиропа заполонил веранду. Хороший будет день, подумалось ему, приятный завтрак – уж точно.
Горсть малины быстро исчезала с подноса ягода за ягодой. Нежный женский голос рассказывал последние вести. За прошедшую неделю не поставили ни одного креста на городском кладбище. Мы дожили! — Выдох радости вырвался из уже скукоженных от возраста легких. Да!- ответила она ему. Эти чертовы четверть века. Четверть века, которые не оставили на твоем лице ни одного гладкого участка.
Его уже глубоко близорукие глаза смотрели на нее и в них она видела бесконечные линии графиков масс-спектрометра, видела ту бездонную усталость, которая не отступала в попытках уложить его в ящик. Он справился, выдержал. У людей больше не было ужасного животного страха сгинуть, наверное, самой ужасной смертью, что можно было представить…»
Великобритания, первая половина 18 века. Туман рассеивается над зелеными сочными полями. Большое стадо овец не спеша продвигается в сторону реки. Вдруг мы замечаем что-то необычное. Как минимум пятая часть овец неистово катается по траве и трется шкурой о камни, выступающие над поверхностью земли, оставляя за собой беспорядочные клочья. Расчесанные, потерявшие шерсть бока покрыты страшными язвинами и эррозиями. Часть овец уже не способна чесаться, они просто медленно, трясущейся походкой, скрежеща зубами идут по полю, к месту последнего успокоения. Что же это за напасть такая, думали скотоводы, называя болезнь по ее главному проявлению – СКРЕПИ («почесуха»). Эта зараза не отступала столетиями, то и дело появляясь то там, то здесь, оставляя после себя разоренные семьи.
Настоящие ученые – не совсем обычные люди, знакомясь с их биографиями, часто поражаешься, каким же сумасшедшим вихрем крутилась шарманка судьбы.
Одна из ниточек нашего повествования начнется с жизнеописания Даниэля Карлтона Гайдусека (1923-2008). Представим себе молодого человека, ему 23 года, он только что получил степень магистра в Гарварде, с огромным воодушевлением едет работать в Калифорнийский технологический, да не абы с кем, а с самим Лайнусом Полингом (дважды Нобелевский лауреат). Спустя три года он принимает приглашение и занимает должность научного сотрудника факультета педиатрии и инфекционных болезней уже в своей альма-матер. Несмотря на столь успешную карьеру, что-то не ладится и не дает ему покоя. Не проработав и 3-х лет бросает все и уезжает сначала в Тегеран в институт Пастера, а через три года странным зигзагом через Гиндукуш, оказывается в медицинском институте Уолтера и Элизы Холл в Мельбурне. Дауншифтинг, не иначе.
Именно в Австралии, состоялось судьбоносное знакомство Даниэля Гайдусека с медицинским работником Винсентом Зигасом (1920-1983), который тесно общался с племенами Папуа Новой Гвинеи, оказывая им медицинскую помощь. Зигас рассказывает Даниэлю о неизвестной болезни, странные симптомы которой проявляются у единственного народа – Форе. Гайдусек в нетерпении бросается изучать язык аборигенов и спустя несколько месяцев Зигас привозит и представляет Гайдусека народности Форе. Почти год они живут среди дикого племени, отслеживая все привычки, обычаи. Наблюдают больных и проводят вскрытия погибших. [1]
Вот как они описывают последовательность развития столь заинтересовавшей их болезни в своей статье:
После проведения вскрытия, у многих погибших от болезни Зигас и Гайдусек обнаруживали превращения мозга в губчатую субстанцию. [2]
Длительное проживание внутри племени позволило Гайдусеку и Зигасу обнаружить причину развития болезни. Оказалось, что племя Форе практиковало каннибализм.
После смерти одного из старших членов рода его тело разделывали, вскрывали черепную коробку и съедали мозг, так как считалось, что поедание головного мозга представляет собой ритуал последних почестей умершему, а тот, кто съест мозг, приобретёт его мудрость, смелость и остальные благородные качества, которыми он владел. Обычно большую часть мозга съедали женщины и потому среди них число заболевших было выше.[3] С искоренением столь пагубного обычая практически полностью была побеждена и болезнь «куру».
За описание болезни «куру» в 1976 году Гайдусек получил Нобелевскую премию. И тут не ясны мотивы Нобелевского комитета, который обошел вниманием Винсента Зигаса. В своей Нобелевской лекции Гайдусек рассказывал про вирусную природу болезни «куру». Узнаем прав он был или нет чуть позже.
Больной, пораженный «куру».
Пока же перенесемся в Германию. Начало 20 века, психиатрическая клиника в Бреслау, кафедра под началом Алоиза Альцгеймера. На работу приходит молодой судовой врач, который решил стать неврологом. Пока он упорно постигает азы профессии ему удается обнаружить пациентов с никому дотоле неизвестным заболеванием. Исследования прерывает Первая мировая война, которая вернула доктора Ганса-Герхарда Крейтцфельда в состав военно – морского флота. Только в 1920 году, спустя 6 лет, он публикует описание болезни.
В описании обнаруживаем, что пациенты с высокой скоростью теряли память, переставали осознавать себя и через 8-12 месяцев после первых проявлений клинической картины умирали. В препаратах мозга, полученных от таких пациентов, были обнаружены характерные «губчатые структуры».
Стоит сказать, что ему несказанно повезло, опоздай он еще на полгода, и ветер времени развеял бы его имя в веках, так как спустя несколько месяцев выходит работа Альфонса Якоба с описанием той же самой болезни, которая обрела имя своих открывателей – болезнь Крейтцфельда – Якоба(БКЯ).
Что может быть общего между скрепи, куру и БКЯ? Именно такой вопрос начали задавать ученые к 50-м годам 20 века, ведь эти заболевания были так похожи длинным инкубационным периодом в 5 – 10 лет и неизменной печальной судьбой пораженного, будь то животное или человек. Причем повреждения прежде всего настигали мозг. Так и назвали эту группу заболеваний нейродегенерации с длительным инкубационным периодом.
Основная часть
Эксперименты
С развитием экспериментальных методов биохимии стало возможным наконец подступиться к этим патологиям. Неимоверно сложно было искать источник заражения при условии, что проявления болезни можно обнаружить только спустя годы, несмотря на трудности, попытки выяснить причины болезни не прекращались. В лабораториях искали способы упростить экспериментальную работу, сократив срок инкубационного периода до приемлемого.
Так Пэтисон и Гуили смогли передать болезнь от овечки к овечке с помощью бесклеточных фильтратов. Для начала лабораторных экспериментов оставался один шаг – передать болезнь от овцы к лабораторному животному. И его делает Чандлер в 1960 году, о чем пишет небольшую, но очень известную статью в 1961 году[4]. Ему удалось заразить лабораторную мышь с помощью вещества из мозга больного животного. Причем в последних исследованиях проявление заболевания пришлось ждать всего 7 месяцев. Стало удобно исследовать болезнь в лабораторных условиях.
Активизировались поиски инфицирующего агента. Установить его долгое время не удавалось. Сначала искали неизвестный вирус, похожий на герпес или энцефалит, но ничего не находили. Всех исследователей удивляло, что способность к заражению у этой субстанции, выделенной из мозга больных животных, сохранялась и после сильного длительного нагрева, и после обработки ацетиэтилениминам. Были поставлены эксперименты, в которых фильтрат подвергли обработке жестким УФ и ионизирующим излучением. Несмотря на это, фильтрат сохранил способность к заражению.[5] Стали закрадываться подозрения, что вирусы в этом случае ни при чем, ведь нуклеиновые кислоты (непременная составляющая любого вируса) при таком воздействии попросту разрушаются.
Гриффит в небольшой заметке на полторы страницы текста в 1967 году озвучивает еретическую мысль – инфекционный агент не содержит нуклеиновых кислот.[6] Это белок, который способен к самовоспроизводству в клетке. Именно с этой заметки началась новая эра.
Инфекционный белок
Эксперименты по исследованию скрепи все также оставались сложными и длительными. Только спустя 15 лет, Стенли Прузинер в калифорнийском университете Сан-Франциско выделил и описал агент, способный в чистом виде вызывать развитие болезни скрепи. Выяснилось, что это удивительное вещество устойчиво к нагреванию, сохраняет инфекционность после обработки различными повреждающими агентами, такими как: протеиназа К, мочевина, гуанидинхлорид, детергенты, SDS и нуклеазы — ферменты повреждающие ДНК, но было также обнаружено, что данный инфекционный агент чувствителен к ионизирующему излучению в присутствии кислорода, что характерно для гидрофобных белков имеющих большое сродство к липидам. [8]
Прузинер придумал название для агента, вызывающего скрепи – «ПРИОН» (prion –proteinacious infectious particle). Прионный белок (Prione Protein PrP) был выделен чуть позже. Методы секвенирования в то время уже были развиты достаточно хорошо и быстро позволили установить первичную последовательность PrP. Все начали искать источник PrP. Статья в Nature от 1985 года, ознаменовавшая собой окончание поисков, поставила многих исследователей в тупик: матричная РНК (молекула – шаблон по которой потом синтезируются белки) необходимая для синтеза PrP обнаружилась в здоровом мозге. [7]
Это означало только одно — белок, ответственный за развитие болезни всегда присутствует в головном мозге, не зависимо от развития болезни. Позже выяснили, что ген, кодирующий PrP есть у всех млекопитающих, а также у птиц и рыб.
Расположение отдельных участков 20-й хромосомы человека с отметкой места нахождения гена, кодирующего PrPС.
Структура белка
Что же это за удивительный белок? Функция его и спустя 37 лет с момента обнаружения не выяснена (тут стоит сказать спасибо западной модели грантово-статейной науки). Известно, что этот белок связан с клеточной мембраной. И возможно отвечает за межклеточные взаимодействия в мозге.
Чтобы понять, как же обычный белок становится заразным необходимо обратиться к структуре белков. Первичная структура белка – это последовательность аминокислотных остатков. Эта последовательность и у нормального PrPC и у инфекционной формы PrPSc одинаковая.
Отличия удалось обнаружить на уровне вторичной и третичной пространственной структуры. У PrPC вторичная структура представлена 42% α-спиралей и 3% β-структур, а в тоже время PrPSc содержит 30% α-спиралей и 43% β-структур. Этот факт позволил предположить, что патологическая форма белка образуется при неправильном сворачивании аминокислотной последовательности в β-складчатые слои.
На изображении вверху аминокислотная последовательность PrP, с выделенными участками различных белковых структур H1,H2, Р3 – α спирали. Внизу показано превращение спиралей в β-складчатые слои. Изображение: By Olivia May, Ph.D
Прионная гипотеза
На основе накопленных данных в 1991 году Прузинер формирует «Прионную гипотезу», в которой постулирует следующее:
Несмотря на ярые атаки критиков этой теории, сейчас практически все соглашаются с тем, что Прузинер был прав, и этому есть значительный объем экспериментальных подтверждений. К примеру, если представить, что воспроизведение PrPSc после попадания в организм происходит путем передачи патологической конформации на PrPC, то организмы, лишенные PrPC, должны быть устойчивы к прионной инфекции. Такой эксперимент провели с использованием трансгенных мышей, гомозиготных по делеции гена Prnp (Prnp0/0). Введение растертой ткани мозга мышей, больных скрепи, трансгенным мышам Prnp0/0 не приводило к развитию болезни ввиду отсутствия нормального PrP. Более того, оказалось, что в отсутствие PrPC не происходит не только воспроизведения приона, но и повреждения нервной ткани.
Окончательное доказательство концепции прионов долгое время сдерживалось невозможностью получения значительного количества PrPres – формы PrPSc, образуемой in vitro, которая устойчива к частичному протеолизу и способна вызывать болезнь при введении экспериментальным животным. Недавно было показано, что фрагмент рекомбинантного PrP мыши, синтезированный в Escherichia coli, образует фибриллы in vitro, которые при введении трансгенным мышам, экспрессирующим этот же фрагмент PrP, приводят к развитию прионного заболевания. [13]
Также в недавнее время была разработана система циклической амплификации прионной формы белка PrP, с помощью которой возможно формирование значительного количества PrPres (искусственной патологической версии приона) in vitro. Это позволило получить и продемонстрировать инфекционность искусственно синтезированного приона.
Внимательный читатель заметит, что прионы, образующиеся в мозге овцы, вряд ли будут патогенны по отношению к человеку. И будут почти правы. Известно, что передача прионной инфекции между видами млекопитающих ограничена межвидовыми барьерами. Например, болезнь Крейцфельда-Якоба передается от человека человеку, и от человека шимпанзе; скрепи же передается среди овец и коз, но не передается шимпанзе. В то же время межвидовые барьеры не абсолютны. Межвидовые барьеры могут выражаться не столько в невозможности передачи инфекции животным отдаленного вида, сколько в удлинении инкубационного периода, а также в том, что заболевают не все, а какая-то часть экспериментально зараженных животных. Считается, что межвидовые барьеры вызваны различиями в первичной структуре PrP и модификациях у млекопитающих разных видов. Подтверждением этому послужили следующие наблюдения. Трансгенные мыши, экспрессирующие PrP хомяка, оказались высокочувствительны к заражению прионами хомяка в отличие от мышей дикого типа. Передача болезни Крейцфельда-Якоба от человека к мыши ограничена межвидовым барьером, однако трансгенные мыши, экспрессирующие PrP человека, подвержены заражению этой болезнью.
Также до сих пор встречаются трудности по заражению животных с помощью чистого прионного белка. Эти трудности можно легко объяснить.
Первая причина в том, что в клетках обычного организма белки подвергаются посттрансляционной модификации, которую достаточно трудно воспроизвести в экспериментальных условиях.
Вторая причина в том, что прион является белком мембранным и следует предполагать, что и структура его наиболее стабильна в условиях мембранно-подобного окружения, что и было показано недавними исследованиями.
В них было показано, что прионы в присутствии холестерина и фосфатидилэтаноламина гораздо легче образовывали патогенную форму и обладали гораздо большей инфекционностью.
Прионы — биологическое оружие
На самом деле ситуация с возможными путями заражения оказалась гораздо хуже, чем можно было себе представить. В 1974 году был описан первый случай ятрогенного (из-за внешнего воздействия) заболевания болезнью Крейтцфельда-Якоба, обычно считавшейся генетической патологией.
Имеются описания 3 случаев передачи БКЯ в результате переливания крови от донора, у которого был диагностирован БКЯ во время вспышки этого заболевания в Великобритании [28]. От чего же произошла эта вспышка… Как обычно из-за жадности. БКЯ развилась у людей после употребления в пищу говядины, зараженной прионами.
В 1986 г. в Великобритании вспыхнула эпидемия заболевания прионнной болезнью у коров, также названной «коровьим бешенством», которая привела к гибели более чем 160 000 голов крупного рогатого скота [29]. Причиной было использование пищевых добавок мясокостной муки, когда из-за слабо контролируемых правил переработки побочных продуктов животного происхождения PrPSc от зараженных скрепи овец и другого крупного рогатого скота, попадал в корм для коров. Обычно в технологию получения такой муки после процессов тщательного измельчения исходного сырья включена обработка активными жирорастворителями, а также термообработка при температуре 130 оС. Однако в конце 70-х годов предприниматели, решив повысить питательную ценность мясокостной муки, снизили режим термообработки до 110 оС, а также уменьшили количество веществ, экстрагирующих жир. Именно эти изменения способствовали появлению и развитию эпидемии среди поголовья крупного рогатого скота.
Доказано, что эпидемия у коров привела к появлению нового типа БКЯ, получившего название «вариант БКЯ» [15]. Первые случаи вБКЯ были зарегистрированы в 1995 г., когда заболевание диагностировали у 2 британских подростков [16,17]. Из-за длительного инкубационного периода связь между заболеванием и зараженным мясом в Великобритании не была установлена до тех пор, пока заболеваемость у коров не переросла в эпидемию. Эпидемия была взята под контроль после массивного убоя скота и изменений в технологии производства, которые резко сократили загрязнение мяса компонентами нервной ткани. В Великобритании ежегодное число новых случаев вБКЯ, которое достигло пика в 2000 г., неуклонно снижается, и в 2013 г. был подтвержден только 1 случай заболевания [18].
У всех пациентов БКЯ развился после употребления в пищу мяса, полученного от заболевшего крупного рогатого скота. Но, несмотря на широкое распространение эпидемии, поразившей сотни тысяч голов крупного рогатого скота, относительно у немногих людей, которые употребляли в пищу мясо больных животных, развился БКЯ [33]. (вспомним про межвидовой барьер).
Инкубационный период (время между употреблением в пищу зараженной говядины и манифестацией симптомов) был длительным: большинство пациентов были заражены в конце 80-х годов, а пик заболеваемости пришелся на начало 2000-х, т. е. инкубационный период составил 11—12 лет. В последних диагностированных случаях инкубационный период достигал от 12 до более 20 лет [18.19].
Клинические проявления варианта БКЯ имеют отличия от других форм БКЯ. Болезнь настигает молодых людей в возрасте в среднем до 30 лет, ее начало характеризуется изменениями личности: больной утрачивает прежние интересы, начинает сторониться близких людей, у него развиваются тревожное состояние, бессонница, депрессия. Двигательные нарушения проявляются примерно через полгода после начала заболевания. Слабоумие наступает позднее, чем при классической форме, пациент осознает свое ухудшающееся состояние. Довольно быстро он теряет способность самообслуживания. Для вБКЯ типичны не только начало в более молодом возрасте, но и средняя выживаемость, превышающая 14 мес [18,19]. Вероятно, что различия в выживаемости между классической БКЯ и ее вариантом отчасти связаны с молодым возрастом пациентов.
К глубочайшему сожалению в 2011 году во время экспериментальных работ по изучению болезни Крейтцфельда – Якоба на мышах была показана возможность воздушно – капельного заражения аэрозолями, содержащими прионные частицы.
В чем же заключаются главные достоинства:
Помогаем террористам осуществить хитрый замысел
Прионы — это идеальная технология для террора. Существует и хорошо описана технология синтеза патогенных форм прионных белков[13].
Даже если представить, что обычному террористу сложно будет организовать биохимическую лабораторию, то бесчисленные стада животных никто не мешает использовать для получения большого количества мозгового вещества, зараженного БКЯ.
Никто и ничто не помешает террористам начать массовый синтез прионных белков и их добавление к сухому молоку, детским молочным смесям, мясному фаршу, мясо-костным субпродуктам, соевому шроту или любой другой субстанции, завод по производству которой окажется в зоне их досягаемости.
Если же представить, что в руки террористов попадет насильственным способом или по финансовым, идейным, иным соображениям талантливый биохимик, то никто не помешает ему синтезировать липидно-белковый аэрозоль с прионными частицами. Потом распылять ничем не определяемый аэрозоль в системах вентиляции. Этот способ более страшный, чем через пищу, так-как у носоглоточного узла есть тесная связь с мозгом и вероятность заражения увеличивается многократно.
Представим себе последствия заражения. Спустя 3-7, а может и все 15 лет на неограниченной территории начинается массовое развитие прионной болезни мозга. Паника, ужас, страх, разрушение. Целые города людей — зомби, чей мозг в буквальном смысле превращается в губку. Нет лекарства, нет надежды, только ужас неотвратимой скорой гибели.
Заключение
Новогоднее пожелание
Пожелаю никогда не встретить ни одной молекулы PrPSC!
Сам пока поищу возможность достать высокочувствительную диагностическую тест — систему, чтобы определить, не успели ли нас уже заразить…
Прионы: смертоносные молекулы-зомби
«Самое страшное в них то, что они действуют не как хищники, а как вирусы. Хищники по природе своей разумны и не уничтожают всех жертв поголовно. А они — просто размножаются, заражают и пожирают. Все остальное им совершенно безразлично», — так объясняет свой ужас перед зомби автор бестселлера «Мировая война Z» Макс Брукс. Но то же можно сказать и о прионах — настоящих смертоносных молекулах-зомби.
Сравнение с ходячими мертвецами напрашивается. Как и они, прионы в буквальном смысле слова разрушают мозг, превращая человека сперва в овощ, а затем — в труп. Как зомби из людей, так и они появляются из самых обычных белков. Их крайне сложно уничтожить, зато сами они смертельны в ста процентах случаев. Впрочем, трудно было бы ожидать иного от инфекционных агентов, которых вообще нельзя назвать живыми. Несколько столетий они ускользали от ученых — и даже потом в их существование поверили далеко не сразу. А теперь в них иногда видят даже источник жизни.
Овцы и людоеды
Первое «нашествие зомби» отмечено на рубеже XVII и XVIII веков, когда в Англии вовсю громыхала промышленная революция. Среди огромных стад, снабжавших шерстью быстрорастущие текстильные предприятия, то и дело стали попадаться «паршивые овцы». Напасть развивалась медленно, но неотвратимо: животные мучительно, до крови чесались об ограду, затем нарушалась координация движений, чаще и чаще случались судороги — через неделю-месяц все заканчивалось смертью.
Прошли столетия, Пастер описал бактериальные инфекции, а после работ Ивановского и Бейеринка появились представления и о вирусных заболеваниях. Но «почесуха овец», или скрейпи, оставалась загадкой. Все говорило о поражении мозга, ткани которого болезнь превращала в нечто, похожее на губку, изъеденную неровными порами. Но на вопрос о ее возбудителе специалистам оставалось лишь разводить руками: ни бактерий, ни вирусов найдено не было. Зато нашлись у скрейпи последователи.
Инкубационный период скрейпи может растянуться на годы. Но как только у животного начинают проявляться первые симптомы, можно быть уверенным, что через несколько недель наступит смерть
В одном и том же 1920 году, но независимо друг от друга, Ганс Крейтцфельдт и Альфонс Якоб описали неизлечимое и неумолимое поражение нервной системы человека. Возникая по неизвестной причине, обычно в пожилом возрасте, болезнь часто начиналась проблемами со сном и ослаблением когнитивных функций, развивалась потерей координации движений и деменцией, а несколько лет спустя венчалась параличом и функциональными нарушениями, окончательно несовместимыми с жизнью. Ткани мозга снова напоминали губку — и снова никаких следов возбудителя.
Редкое заболевание могло изучаться еще долго и неторопливо, не создавая особенного ажиотажа, если бы у него не обнаружился странный родственник в противоположной части света. В начале 1954 года чиновники Новой Гвинеи, тогда еще бывшей частью Австралии, составили отчет, в котором сообщали о вспышке диковинной местной болезни куру. «Первым признаком надвигающейся смерти становится слабоумие, за которым следует общая слабость вплоть до неспособности самостоятельно стоять на ногах, — говорилось в сообщении. — На следующем этапе жертва лежит, не в силах даже принять помощь, пока, наконец, не наступит гибель». Описанием болезни занялись медики Винсент Зигас и Карлтон Гайдушек, выяснившие, что поражает она лишь одно из новогвинейских племен, форе, выделяющееся среди соседей своим пристрастием к каннибализму. Вряд ли можно считать эту традицию какой-то особенно жестокой: существование в условиях серьезного дефицита жизненных ресурсов порождает и не такие обычаи. Так что после смерти аборигена форе его родственники поедали останки, причем по традиции мясо доставалось мужчинам, а женщины и дети довольствовались остальным, в том числе и мозгом. Как правило, заболевали именно они, причем мозг поражался в первую очередь: губчатая масса переродившейся нервной ткани была все той же, что и при скрейпи овец, и при болезни Крейтцфельдта — Якоба. Так что вскоре врачи решили, что имеют дело с медленной вирусной инфекцией, которая поражает нервную ткань и передается алиментарным путем (как «зомбированность»), через поедание больного мозга. Только вот выделить вирус снова никак не удавалось.
Коровы и радиация
Сходство болезней (необычно долгий инкубационный период и неизбежность летального исхода, заразность и, конечно, характерные перерождения нервной ткани мозга) позволило предположить у них и общую причину и объединить в группу трансмиссивных губчатых энцефалопатий.
» border=0 >
Инкубационный период у болезни Крейтцфельда — Якоба настолько длительный, что некоторые люди, получившие прионный белок еще во время вспышки «коровьего бешенства» 1980-х годов, лишь теперь начинают демонстрировать симптомы заболевания
Уже в 1960-х британские ученые предположили, что источником их может оказаться белок: таинственный инфекционный агент не инактивировался смертельной даже для вирусов дозой излучения. Это можно было объяснить крошечным размером его частиц, намного меньших, чем даже вирусы. Гипотеза показалась не лишенной смысла, хотя в корне противоречила «основной догме молекулярной биологии», которая постулировала однонаправленный поток информации, свойственный всему живому: от ДНК через РНК к белку. Возможно ли выбросить из этой короткой цепочки целых два звена — и сохранить многие свойства живого?
В 1970-е поисками возбудителя занялся калифорнийский невролог Стэнли Прузинер. Работа шла небыстро: используя биологические жидкости больных скрейпи овец, ученые подтвердили, что болезнь неумолима и развивается у всех до единой зараженных мышей, хотя инкубационный период затягивается на полгода, а то и дольше. Зато результаты многолетних экспериментов оказались сенсационными: снова и снова, выделяя прежде неуловимый инфекционный агент, ученые убеждались, что это «голый» белок.
Явление зомби
Было показано, что PrP С обладает высоким сродством с ионами меди, что может указывать на его возможную роль в удалении из клетки токсичных для нее тяжелых металлов. С другой стороны, максимальная концентрация PrP С наблюдается у контактов между нейронами некоторых областей мозга. Клеточные мембраны здесь буквально усеяны этим белком, что, возможно, говорит о том, что он играет какую-то роль в формировании или стабилизации синаптических контактов. Другая группа гипотез говорит о том, что PrP С необходим для удаления «загрязнений» с поверхности клеток. Связывая их, белок меняет форму, и, когда на мембране нейрона накопится достаточно много таких измененных белков, в нем запускается механизм уничтожения, а клетка гибнет.
«Существует, наверное, 20 или 30 гипотез о том, какую именно задачу может выполнять нормальная клеточная форма прионного белка. Но какой-то определенной, четкой функции у него не найдено, поэтому и возникают дебаты, — рассказал нам профессор Медицинской школы Мэриленда Илья Баскаков, не один год посвятивший изучению прионов и прионных болезней. — В последние годы активно обсуждается возможная роль PrP С в процессе развития нервной системы. Он может быть необходим для того, чтобы из стволовых клеток созревали новые нейроны — эксперименты показали, что, если у стволовой клетки выключен кодирующий этот белок ген PRNP, она не может превратиться в нервную».
Подобно зомби, ряды которых множатся с каждым укусом, инфекционная форма PrP Sc приводит к перерождению нормальных молекул PrP С в новые прионы — процесс развивается как автокаталитическая реакция, продукты которой сами ускоряют ее. Как и зомби, прионы любят «ходить» бесчисленными ордами: частицы PrP Sc складываются одна на другую стопками, образуя весьма устойчивые волокна, так что каждый конец такого образования становится центром притяжения для все новых и новых прионов.
Зомби по наследству
Болезнь Крейтцфельдта — Якоба, синдром Герстмана — Штраусслера — Шейнкера и другие прионные заболевания (а известно их уже несколько десятков) различаются не только характером поражения и течения, но и механизмами возникновения.
Считается, что одни из них чаще развиваются в результате спонтанного возникновения в клетке PrP Sc или получения его с пищей, а другие имеют генетическую природу.
Впервые «передача зомби по наследству» обнаружилась на рубеже 1970-х и 1980-х годов, когда настойчивый итальянский доктор Игнацио Ройтер провел собственное «расследование» смерти родственниц своей жены, умерших от крайне редкой причины — фатальной бессонницы. После смерти одного из родичей мозг его был изучен и обнаружена мутация в 178-й позиции гена PRNP. Неправильная, склонная к «прионному перерождению» конформация PrP С передается по наследству и обычно дает о себе знать уже в зрелом возрасте, когда человек начинает страдать от все более тяжелой бессонницы и угасает за считаные месяцы. Сегодня фатальная бессонница диагностирована в 40 семьях — приблизительно у сотни человек.
«По одиночке, мономерами, PrP Sc вообще не встречается, — говорит Илья Баскаков, — они существуют лишь в форме агрегатов-мультимеров. Показано, что самая маленькая частица PrP Sc может состоять примерно из шести мономеров, но, вырастая, они доходят до сотен и тысяч единиц». Достигнув больших размеров, белковое волокно разламывается на множество новых фибрилл, каждая из которых становится зародышем новой армии зомби-прионов. Подавленная скоплениями этих бляшек клетка гибнет, а PrP Sc распространяются дальше. Уничтожить их крайне непросто: эксперименты показали, что прионы невероятно устойчивы не только к радиации, но и к нагреванию, и даже к действию мощных клеточных ферментов-протеаз.
Обломки PrP Sc могут попадать в организм и извне, через биологические жидкости и ткани больных животных, во время некоторых медицинских процедур и просто с пищей. Большинство переродившихся белковых частиц, видимо, разрушается в желудочно-кишечном тракте, но некоторым удается добраться к месту действия, преодолев даже гемато-энцефалический барьер, стоящий на границе между кровью и тканями мозга. Способность PrP Sc проходить сквозь эту весьма надежную преграду остается одной из главных его загадок.
Добрые монстры
Такие свойства характерны не только для PrP С — даже у дрожжей найден свой «прионный белок» Ure2, способный переходить в нестандартную, но крайне устойчивую амилоидную форму. Возможно, это неспроста: «Прионы могут и не быть патогенными, — написал по этому поводу исследователь Рэндал Халфманн, — они могут играть роль „ненуклеиновой“, белковой наследственности у здоровых клеток и организмов». В подтверждение этой идеи Халфманн и его коллеги показали, что дрожжевой белок Ure2, приобретая нестандартную конформацию, влияет на целый ряд сигнальных путей клетки, в том числе и на активность гена FLO11. В свою очередь, синтезируемый на этом гене белок Flo11p необходим клеткам дрожжей для того, чтобы «сцепляться» друг с другом, формируя устойчивые к неблагоприятным условиям пленки. Так «прионное перерождение» белка Ure2 может способствовать адаптации и выживанию клеток.
Еще одну ложку меда к бочке прионного дегтя добавили работы Джеймса Чена и его коллег. Исследователи показали, что белок MAVS, один из необходимых для работы нашей иммунной системы, переходит в амилоидную прионную форму не во зло, а исключительно во благо. Обнаружив инфицированную определенными вирусами клетку, он «оседает» в ней, и его накопление служит сигналом к усиленному синтезу интерферонов и привлечению макрофагов для уничтожения зараженной клетки вместе со всем ее опасным содержимым.
На срезе участка мозга пациента с прионной болезнью амилоидные скопления белка видны как белые бляшки
«На этот счет существует интересная гипотеза, которая указывает на то, что такие амилоидные формы могут иметься вообще у всех белков, что это общее свойство полипептидных цепей, — продолжает Илья Баскаков. — Мало того, такие структуры наиболее стабильны. Поэтому высказано предположение о том, что именно в таких формах белки могли существовать в „пребиотическом супе“, в котором некогда проходила химическая эволюция молекул и зарождалась жизнь».
Действительно, некоторые эволюционисты полагают, что амилоидные конформации белков обладают всеми ключевыми способностями, необходимыми для роли «предков жизни». Они способны изменяться и размножаться, выполнять определенные функции, передавая свои особенности следующим поколениям. Если эта идея справедлива, то мы живем в очень странном мире, где все живое появилось на свет от странных и опасных белков, которые сегодня мы можем воспринимать не иначе как безжалостных зомби.