Прионы — инфекционные агенты белковой природы, вызывающие смертельные заболевания у животных и человека. Прионы представляют собой неправильно свернутые молекулы прионного белка PrP, способные «размножаться», превращая нормальные молекулы PrP в подобие самих себя. Оказалось, что у прионов есть нечто похожее на наследственную изменчивость, что позволяет им эволюционировать под действием естественного отбора. Они могут приспосабливаться к разным типам клеток и даже вырабатывать устойчивость к лекарствам.
Земная жизнь основана на размножении репликаторов определенного типа — полинуклеотидов РНК и ДНК. Но это далеко не единственный тип репликаторов, который в принципе может существовать в природе.
Многие философы и социологи считают, что в культурной эволюции большую роль играют мемы — единицы культурной информации, которые используют человеческий разум для собственного выживания и размножения примерно так же, как гены используют клетку.
Предполагается (хотя и не доказано окончательно), что мемы, как и гены, обладают двумя ключевыми свойствами, необходимыми для «дарвиновской» эволюции. Первое из них — способность мутировать и передавать мутации по наследству («наследственная изменчивость»).
Второе — способность возникающих мутаций влиять на эффективность размножения репликатора («дифференциальное размножение»). Если репликатор обладает двумя этими свойствами, он автоматически начинает эволюционировать, приспосабливаясь к среде своего обитания. Сочетание наследственной изменчивости с дифференциальным размножением называют «естественным отбором».
Прионы — «нестандартные» биологические репликаторы, представляющие собой особым образом свернутые молекулы прионного белка PrP. Этот белок в норме присутствует на мембранах нейронов и выполняет какие-то полезные функции, связанные с передачей сигналов.
Какие именно — пока еще не совсем ясно (Chiesa R., Harris D.A., 2009. Fishing for Prion Protein Function // PLoS Biol 7(3): e1000075). Безобидный прионный белок превращается в смертоносный прион в результате «неправильного сворачивания» (см. рисунок).
Прион обладает двумя удивительными свойствами. Во-первых, он заставляет нормальные прионные белки сворачиваться неправильно, превращая их в свои копии. Так прион «размножается».
Во-вторых, он устойчив к действию протеолитических ферментов, задача которых состоит в уничтожении отслуживших белковых молекул. По-видимому, оба свойства связаны со способностью прионов слипаться в большие комки из множества молекул.
Первые несколько слипшихся прионов становятся «центром кристаллизации», к которому затем прилипают всё новые и новые молекулы. В конце концов это приводит к нарушению работы нервной клетки.
Самое неприятное, что нейрон, в котором «завелись» прионы, заражает ими соседние нейроны, и в результате прионная инфекция распространяется по нервной системе. Способность к размножению, устойчивость к протеолитическим ферментам и заразность делают прионы опасными инфекционными агентами, похожими по своим свойствам на вирусы.
Как и вирусы, прионы могут размножаться только за счет ресурсов, предоставляемых хозяйской клеткой. Вирусу необходимо, чтобы клетка синтезировала для него вирусные белки согласно инструкциям, записанным в вирусной ДНК или РНК.
Приону необходимо, чтобы клетка синтезировала для него нормальные молекулы прионного белка, а прион уже сам превращает их в свои копии. Разница между вирусом и прионом весьма существенна для молекулярного биолога, но совсем не так заметна для эпидемиолога или, тем более, заболевшего животного.
Прионы вызывают ряд смертельных нейродегенеративных заболеваний у человека и других млекопитающих, в том числе коровье бешенство и куру.
То, что прионы являются самыми настоящими репликаторами, сомнений не вызывает. Но до сих пор было неясно, есть ли у них весь необходимый «джентльменский набор» для дарвиновской эволюции.
Способны ли прионы мутировать и передавать мутации по наследству, и если да, то могут ли эти мутации влиять на эффективность размножения прионов? Иными словами, действует ли на прионы естественный отбор? Способны ли они приспосабливаться к меняющимся условиям — например, к лекарственным препаратам, предназначенным для борьбы с прионными инфекциями?
Статья американских ученых, опубликованная в последнем номере журнала Science, позволяет ответить на эти вопросы положительно.
Ранее было замечено, что встречаются разные «штаммы» (разновидности) прионов, которые могут развиваться в нейронах одного и того же вида животных или в одной и той же клеточной культуре.
Например, у мышей из одной и той же лабораторной линии, имеющих одинаковые прионные белки PrP, может встречаться 15 или даже более разных прионных инфекций, различающихся по скорости развития болезни и неврологическим симптомам.
Было также замечено, что если взять штамм прионов у одного вида животных, заразить им другой вид, а потом взять прионы у второго вида и снова заразить ими первый, то симптомы в некоторых случаях оказываются уже другими.
Это позволило предположить, что у белка PrP есть несколько разных вариантов неправильного сворачивания и превращения в прион, причем каждый из вариантов устойчиво наследуется, то есть сохраняется в ряду «поколений» прионов.
Возможно, прионы могут «мутировать» и передавать свои мутации по наследству.
Мутации прионов, очевидно, не связаны с изменениями аминокислотной последовательности белка, а представляют собой изменения вторичной или третичной структуры (то есть способа сворачивания) белковой молекулы.
Чтобы проверить эти предположения, авторы провели множество экспериментов с разными штаммами прионов и разными клеточными культурами. Они обнаружили, что свойства прионов закономерным образом меняются, когда их пересаживают из одних клеток в другие, причем изменения происходят не сразу, а постепенно.
Для начала авторы заразили клеточную культуру PK1 прионами штамма 22L из мозга больной мыши. Оказалось, что чем дольше прионы живут и размножаются в клетках PK1, тем сильнее они отличаются по своим свойствам от исходных, «диких» прионов из мозга мыши.
Исходные прионы 22L успешно заражают другую клеточную культуру, использовавшуюся в экспериментах (R33). Кроме того, эти прионы нечувствительны к действию вещества SWA (swainsonine). Авторы ранее установили, что SWA замедляет размножение некоторых разновидностей прионов в некоторых клеточных культурах.
Однако по мере жизни прионов в клетках PK1 они постепенно утрачивали способность инфицировать клетки R33 и становились всё более чувствительными к SWA.
По-видимому, это означает, что популяция прионов в мозге больной мыши исходно была гетерогенной (разнородной), и в ней преобладали прионы, устойчивые к SWA и заразные по отношению к R33.
Однако жизнь в клетках PK1 приводит к тому, что в популяции постепенно растет доля прионов, чувствительных к SWA и не способных заражать R33.
Можно предположить, что прионы с этими свойствами быстрее размножаются в клетках PK1, то есть налицо эволюция под действием естественного отбора (если пользоваться «минималистским» определением, согласно которому эволюция — это изменение численного соотношения наследственных вариантов в популяции).
Способны ли прионы восстанавливать утраченную устойчивость к лекарственному препарату? Чтобы выяснить это, авторы пересаживали прионы, чувствительные к SWA, из клеток PK1 в мозг мышей. К тому времени, когда заболевание у зараженных мышей достигло терминальной стадии (через 147 дней после заражения), прионы полностью восстановили устойчивость к SWA.
Еще более наглядные результаты были получены в экспериментах с клеточными культурами, в которых «жили» прионы, чувствительные к SWA.
Оказалось, что если выращивать зараженные клетки в присутствии небольших концентраций SWA, то прионы довольно быстро вырабатывают устойчивость к этому препарату.
Таким образом, эти необычные репликаторы приспосабливаются к меняющимся условиям совсем как какие-нибудь вирусы или бактерии.
Выработка устойчивости в этих экспериментах могла происходить либо за счет преимущественного размножения устойчивых разновидностей прионов, которые уже существовали в исходной популяции (хоть и в малом количестве), либо за счет появления новых мутаций в ходе эксперимента.
При помощи очень сложных дополнительных опытов авторы показали, что прионы-мутанты, устойчивые к SWA, спонтанно возникают в популяции, на 100% состоящей из неустойчивых прионов, даже в отсутствии SWA, то есть когда в такой мутации нет необходимости.
Частота таких мутаций — примерно один случай на миллион клеточных делений.
Таким образом, прионы мутируют, передают мутации по наследству, и эти мутации влияют на эффективность размножения прионов в разных условиях. Иными словами, у прионов есть всё необходимое, чтобы эволюционировать под действием естественного отбора.
Правда, пока не ясно, как далеко может зайти такая эволюция.
По идее, у прионов должно быть гораздо меньше эволюционных возможностей, чем у тех же вирусов, потому что число возможных пространственных конфигураций белка PrP вряд ли может сравниться с невообразимо громадным числом возможных последовательностей нуклеотидов в геноме.
Не ясно также, может ли естественный отбор у прионов быть «накопительным», то есть создавать новые свойства путем последовательного закрепления множества небольших наследственных изменений. Скорее, отбор у прионов всё-таки «одноразовый», работающий с единичными мутациями, причем набор возможных мутаций невелик.
Авторы исследовали эволюцию только двух «фенотипических признаков» прионов — устойчивости к SWA и способности заражать клетки R33.
Не исключено, что естественный полиморфизм у прионов затрагивает также и многие другие их свойства, влияющие на эффективность размножения прионов в разных условиях. В этом случае реальная частота мутирования прионов может быть существенно выше.
Возможно, к популяциям прионов приложимо даже понятие «квазивид», которое до сих пор применяли только к вирусам (см.: Вирусы-мутанты помогают друг другу в борьбе за выживание, «Элементы», 14.12.2005).
Авторы отмечают, что обнаруженная у прионов способность к «дарвиновской» эволюции хорошо объясняет некоторые странные особенности прионных инфекций, которые ранее не имели четкого объяснения.
Например, было замечено, что при переходе инфекции от одного вида животных к другому сначала, как правило, наблюдается очень медленное развитие болезни и низкая инфекционность.
Но уже после нескольких циклов внутривидового перезаражения прион становится более заразным, и болезнь развивается стремительнее. Очевидно, это объясняется тем, что прионам требуется время, чтобы приспособиться к новому хозяину.
Данная работа показала, что при разработке лекарств от прионных болезней лучше бороться не с конкретными штаммами прионов — к таким лекарствам прионы могут приспособиться, — а пытаться повысить устойчивость пространственной конфигурации нормального прионного белка, чтобы он всегда сворачивался правильно.
Самым радикальным средством борьбы с этими болезнями является полное отключение гена, кодирующего белок PrP. Правда, пока не ясно, к каким побочным последствиям это может привести.
Мыши с отключенным геном прионного белка выживают и даже не имеют каких-то особо тяжелых дефектов, но у них наблюдается множество мелких странностей: от нарушенного суточного ритма до склонности к ишемии и судорогам.
Источник: Jiali Li et al. Darwinian Evolution of Prions in Cell Culture // Science. 2010. V. 327. P. 869–872.
Прионы: идеальные убийцы и возможный ключ к бессмертию
M24.ru/Евгения Смолянская
За свою историю человечество сталкивалось с огромным количеством войн, эпидемий, стихийных бедствий и других катаклизмов. В XXI веке, когда с эпидемиями, казалось, было покончено, у человечества появился новый вызов – прионы. Что это такое, чем они грозят людям и почему прионами так интересуются ученые всего мира – в материале M24.ru.
Ты помнишь, как все начиналось
В двадцатые годы прошлого столетия врачи столкнулись с новым и неизведанным доселе заболеванием. Немецкий невропатолог Ганс Герхард Крейтцфельдт наблюдал в своей клинике одну пациентку – 20-летнюю девушку.
На начальной стадии болезни у нее была нарушена чувствительность в руках и ногах, быстро прогрессировали расстройства памяти, нервной деятельности, больная все чаще впадала в бессознательное состояние. Через несколько месяцев девушка умерла от расстройств дыхания и сердечной деятельности.
Невропатолог, который в будущем станет видным нацистским врачом и будет принимать участие в программе «Эвтаназия», задокументировал ход болезни.
Спустя несколько месяцев доктор Альфонс Мария Якоб из Гамбурга столкнулся с тремя аналогичными пациентами. Молодые люди страдали от расстройств нервной деятельности, глотания, практически не осознавали происходящее вокруг и вскоре умерли.
При вскрытии Якоб увидел интересное явление, которое раньше врачам наблюдать не приходилось, – поражен у больных был только мозг. Была зафиксирована массовая гибель клеток серого вещества головного мозга, а сохранившиеся нейроны отличались необычным набуханием.
Ни в одном другом органе не было зафиксировано никаких патологических изменений. В память о двух первооткрывателях заболевание получило название болезни Крейтцфельдта – Якоба.
В те далекие годы вирусология как наука находилась еще в зачаточной стадии. Поэтому заболеванию было суждено долгое время оставаться в забвении. Этому поспособствовали Великая депрессия и Вторая мировая война. И лишь в пятидесятые годы прошлого века ученые начали активно интересоваться, что же все-таки происходит с людьми, которым не посчастливилось подхватить болезнь Крейтцфельдта – Якоба.
В то же время ученые открывают еще два заболевания, которые по своим симптомам и течению весьма и весьма напоминают описанный выше страшный недуг – куру и скрейпи.
Первая болезнь была распространена среди народности форе на острове Папуа – Новая Гвинея, а вторым страдали овцы по всему миру.
Но важным оказалось другое: симптомы болезней несколько отличались от болезни Крейтцфельдта – Якоба, но характер поражений был практически идентичен – образование пустот в тканях головного мозга и массовая гибель нервных клеток.
Казалось бы, все ясно. Имеется болезнь, ее вызывает какой-то вирус или бактерия, давайте разберемся, кто является возбудителем и устраним причину. Но не тут-то было! Все оказалось не так просто…
Исследования
Ученым удалось достаточно быстро установить, почему болеют папуасы. Выяснилось, что заболевают только те из них, кто участвовал в ритуальном поедании тел погибших от куру родственников.
Согласно местным верованиям того времени, дети должны были обязательно отведать мозга умершего, считалось, что от этого у них прибавится ума.
Неизвестно, прибавлялось ли у детей от этого ума, но все малолетние, участвовавшие в таких трапезах, обязательно оказывались зараженными куру.
Особенно масштабные исследования развернулись с агентом скрейпи. Для начала определили его размеры, они оказались стандартными для вирусов – 17–27 нанометров.
После этого вирусологи всего мира стали разбираться в свойствах неизвестного возбудителя заболевания, и тут их ждали сюрпризы.
Оказалось, что инфекционный агент совершенно невосприимчив к формалину, пепсину и трипсину, не реагирует на ферменты, разрушающие ДНК и РНК, устойчив к кипячению, ультрафиолетовому излучению и… проникающей радиации! С такими вирусами ученым сталкиваться еще не приходилось.
M24.ru/Александр Авилов
Больше того, возбудителя заболевания никак не удавалось увидеть в электронный микроскоп, что было уж совсем странно. В то время ученые уже умели распознавать вирусные частицы намного мельче, чем 17 нанометров, но вирус скрейпи (почесуха) так никто и не увидел – наблюдали лишь фрагменты клеточных мембран.
Еще одной интересной загадкой оказалось всякое отсутствие иммунного ответа организма больных. Организм людей, больных куру, и овец, страдавших от скрейпи, никак не реагировал на течение заболевания.
При обычных болезнях, вроде гриппа и простуды, в организме увеличивается синтез интерферона (отвечает за иммунитет), что ведет к быстрому выпуску антител, которые соединяются с вирусными частицами и растворяют их.
Ученые пытались обнаружить признаки хоть каких-либо антител, но потерпели неудачу.
Отчаявшиеся исследователи начали выдвигать гипотезы, что возбудителем является не вирус, а молекула полисахарида или же белка, но подтверждения эта версия так и не нашла. Ученые топтались на месте, пока в 1982 году американский невролог Стэнли Прузинер не заявил об открытии нового класса инфекционных агентов – прионах.
Что такое прион
До открытия прионов считалось, что болезни человека и животных могут вызываться исключительно живыми организмами или хотя бы вирусами, содержащими нуклеиновую кислоту. Однако все оказалось не так просто. Прион – это особый вид белка, который присутствует в любом человеческом организме.
Выяснилось, что либо под воздействием непонятных факторов, либо из-за мутаций в организме некоторых людей нормальный прионный белок, входящий в состав клеточных мембран, заменяется «неправильным».
Второй вид прионного белка имеет другую структуру, вызывает гибель клеток, но самое интересное – способен самостоятельно размножаться (без каких-либо ДНК и РНК!) и менять нормальные прионы в соседних клетках на дефектные.
Таким образом, прионы оказались единственным видом инфекционных агентов, которых никак нельзя причислить к живым существам. Ведь, по своей сути, они не содержат никакой генетической информации и самостоятельно синтезируются организмом.
Естественно, исследователей заинтересовал самый главный вопрос – а зачем вообще в человеческом организме нужны прионы? В настоящее время известно уже достаточно много прионных болезней. Все они являются экстремально редкими, самая распространенная – болезнь Крейтцфельдта – Якоба – наблюдается у одного из миллиона человек.
Также известно о синдроме Герстманна – Штраусслера – Шайнкера, фатальной семейной бессонице и куру.
Некоторые исследователи включают в группу прионных заболеваний человека также болезнь Альперса у детей, амиотрофический лейкоспонгиоз (описан белорусскими учеными в конце прошлого века, болели работники одной из ферм) и спонгиоформный миозит (мышечное истощение).
Все эти заболевания являются смертельными, и лекарств от них пока не предложено. Но все же зачем организм синтезирует прионы? Какую он отводит роль для них?
Зачем нужны прионы?
В 70-е годы прошлого века два английских исследователя – Паттисон и Джебет – изучали на мышах действие вещества под названием купризон. В нормальных условиях оно связывает в организме ионы меди. Животным включили купризон в обязательную диету с целью посмотреть, какое действие он произведет на грызунов.
И поразились! После 30 с лишним дней купризоновой диеты совершенно здоровые до этого мыши превратились в тяжелобольных. Причем все признаки заболевания полностью отвечали симптомами скрепи.
Часть мышей, участвовавших в эксперименте, вскрыли и посмотрели – оказалось, что в головном мозгу животных произошли абсолютно те же изменения, что и при прионных болезнях.
Возник вопрос: а что если купризон мышам больше не давать? Попробовали – и через несколько дней грызуны выздоровели. Уже через 30 дней у них исчезли и вызванные купризоном изменения в мозговой ткани.
Спустя много лет было выяснено, что прионы весьма и весьма похожи на положительно заряженные частицы двухвалентной меди. И изменения, которые они вызывают в организме, практически идентичны. Таким образом, исследователи сделали вывод о том, что в нормальном состоянии прионы отвечают за оборот металлов, в частности меди. Но эти данные пока остаются лишь гипотезой.
ТАСС/Станислав Красильников
Еще одна группа американских исследователей принялась копать в другом направлении.
Им удалось получить данные, что прионы помогают клеткам мозга прикрепляться друг к другу и участвуют в передаче сигналов внутри клетки.
Это означает, что отсутствие прионов или их дефекты не позволяют клеткам мозга получать сигнал о других клеток, что ведет к развитию тяжелых нарушений в работе нервной и других систем организма.
Но самым интересным является предположение о том, что прионы участвуют в механизмах клеточного старения. Не секрет, что долгое время прионные болезни относили к группе старческих болезней, потому что вызываемые ими изменения весьма сходны с другими заболеваниями (вроде болезни Пика, Альцгеймера и других неврологических недугов).
Наличие прионной инфекции как бы подталкивает организм к ускоренному старению.
Естественно, это ставит очень важный вопрос: если лекарство от таких болезней будет найдено, не станет ли оно своеобразным ключом к долголетию или даже бессмертию организма? Но ответ на этот вопрос пока дать невозможно, поскольку функции прионов изучены еще недостаточно хорошо.
Способы заражения
В заключение поговорим о способах заражения. Их четыре. В первом и самом распространенном случае заболевание возникает как бы из ниоткуда. То есть жил себе человек, да вдруг взял и заболел.
Этот путь возникновения болезни называется спорадическим и, кстати сказать, является наиболее распространенным.
По нынешним представлениям, это происходит спонтанно под действием каких-то пока не установленных факторов.
Второй способ – наследственный. Некоторые виды болезней являются семейными и возникают из-за мутаций. В свою очередь, гены передаются потомству. Известно около 40 семей, страдающих фатальной бессоницей. Каждый десятый страдающий болезнью Крейтцфельдта – Якоба – страдает семейной формой этого заболевания.
M24.ru/Михаил Сипко
Третий способ – ятрогенный. Это означает, что заражение прионами произошло по вине медицинских работников при проведении каких-либо оперативных вмешательств.
Однако описаны лишь несколько таких случаев, и все они произошло в 70-е годы прошлого века, когда о свойствах прионов еще никто не знал.
Так, одна женщина заболела после того, как ей пересадили роговицу глаза от страдавшего болезнью Крейтцфельдта – Якоба мужчины.
А вот последний способ наиболее коварен и опасен. Дело в том, что человек восприимчив к прионам, которые поражают крупный рогатый скот. И при употреблении в пищу мяса больных животных заболевают и люди – у них развивается болезнь Крейтцфельдта – Якоба. В девяностые годы прошлого века настоящая эпидемия этого страдания разразилась в Англии.
Лечения пока нет. Однако ученые уже выяснили, что некоторые виды прионов разлагаются лишайниками, другим удалось описать особые антиприонные антитела (к инфекционным прионам).
Иными словами, перед исследователями стоит весьма непростая задача, которая не только поможет найти лекарство от тяжелых заболеваний, но и, возможно, поможет открыть секрет долголетия. Для этого нужно только одно – понять прионы.
Прионы: исследования таинственных молекул продолжаются
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Прионные заболевания — феномен, открытый в двадцатом веке, и в нем же начавший играть большую роль: увеличение продолжительности жизни в развитых странах привело к тому, что все больше людей стало доживать до «своего Альцгеймера» или «своего Паркинсона». Природа нейродегенеративных заболеваний продолжает оставаться туманной, и ученые пока исследуют только отдельные их аспекты — например, причину развития именно в старческом возрасте или способность передаваться от одних видов живых существ другим.
Всё началось с того, что в 20 веке учёные заинтересовались природой необычных заболеваний человека и животных: куру, Крейтцфельда-Якоба, скрэпи.
Заметное сходство патологии этих болезней дало основание для гипотезы об их инфекционности, что впоследствии было экспериментально подтверждено. Тогда возник вопрос о возбудителе данных заболеваний.
Прежде чем был найден ответ, были выявлены необычайные свойства возбудителей: они не размножаются на искусственных питательных средах, устойчивы к высокой температуре, формальдегиду, различным видам излучений, действию нуклеаз.
Очистка инфекционного материала и его изучение позволило провозгласить о том, что «во всём виноват» белок, который 30 лет назад получил название прион (от англ. pr[otenacious infect]ion — белковая инфекция).
Так, известные американские учёные — вирусолог и врач Д.К. Гайдушек, раскрывший инфекционную природу прионных болезней, в 1976 г. и биохимик С.Б. Прузинер, который определил прионы и разработал прионную теорию, в 1997 г.
, — были удостоены Нобелевских премий. Их работы стали импульсом для последующих исследований, благодаря которым были изучены новые виды прионных инфекций.
Но, даже несмотря на неугасающий интерес к «прионной теме», образование прионов до сегодняшнего дня остаётся загадкой.
Рисунок 1. Метафора нейродегенеративного поражения мозга — это губка, в которую превращается нервная ткань в результате массовой гибели нейронов.
Молекула приона не является чем-то экзотическим: в «нормальной» форме она имеется на поверхности нервных у каждого из нас. При этом мы отлично себя чувствуем, и наши нервные клетки живы и здоровы. Однако это всё до тех пор, пока наш нормальный белок не «переродится» в аномальную форму.
А если это случится, то приведёт к ужасающим последствиям: инфекционная форма прионов имеет свойство «склеиваться» с другими молекулами и, мало того, «конвертировать» их в эту же самую форму, вызывая «молекулярную эпидемию».
В результате этой полимеризации на нервной клетке появляются токсичные белковые бляшки , и она погибает [1]. На месте погибшей клетки образуется пустота — вакуоль, заполненная жидкостью.
С течением времени будет исчезать один нейрон за другим, а в мозге — образовываться всё больше «дыр», пока, наконец, мозг не превратится в губку (рис. 1), за чем неминуемо последует смерть.
Но как может нормальный природный белок (обозначается PrPC) вдруг стать патологическим (PrPSc; Sc — от слова «scrapie»)? Что должно произойти? Как и в случае «обычной» инфекции, для такой трансформации необходима встреча с молекулой инфекционного приона.
Существуют два пути передачи этой молекулы: наследственный (за счёт мутаций в гене, кодирующего белок) и инфекционный.
То есть внедрение приона может произойти неожиданно — например, при употреблении в пищу недостаточно хорошо прожаренного или сваренного мяса (в котором должна присутствовать форма PrPSc), при переливании крови, при трансплантации органов и тканей, при введении гормонов гипофиза животного происхождения.
И тогда происходит удивительное событие: нормальные молекулы белка, контактируя с патологическими, сами превращаются в них, изменяя свою пространственную структуру (механизм трансформации остаётся загадкой и по сей день) [1]. Таким образом прион, как самый настоящий инфекционный агент, заражает нормальные молекулы, запуская цепную реакцию, разрушительную для клетки.
Некоторые сведения о прионах
Исследователи отмечают:
- прионный белок включает 254 аминокислотных остатка и «весит» 33–35 килодальтон [2];
- ген, кодирующий белок PrP, найден у человека, млекопитающих и птиц [1];
- для полного уничтожения прионного белка нужна температура не менее 1000 градусов [1]!
- возможно, прионы принимают участие в межклеточном узнавании и клеточной активации [3];
- не исключено, что функцией прионов является подавление возрастных процессов [3];
- при развитии клинических проявлений прионных заболеваний нет ни признаков воспаления, ни изменений в крови;
- предполагается, что прионы участвуют в развитии шизофрении и миопатии;
- механизм действия прионов и их превращения из нормальной формы в патологическую остаётся неясным.
Условия возникновения заболеваний
Условия возникновения прионовых болезней уникальны. Они могут формироваться по трём сценариям: как инфекционные, спорадические и наследственные поражения. В последнем варианте главную роль играет генетическая предрасположенность [2].
Знаменитый исследователь прионов Стэнли Прузинер (Stanley Prusiner) выделяет две поразительные особенности, присущие таким нейродегенеративным заболеваниям, как болезнь Крейтцфельда-Якоба, болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона.
Первая заключается в том, что более 80% случаев заболевания — спорадические (то есть, случайные, возникающие «сами собой»).
Вторая: несмотря на то, что большое количество мутантных белков, специфичных к определённой болезни, экспрессируется в процессе зародышевого развития, формы наследования этих нейродегенеративных заболеваний проявляются позже.
Это предполагает, что некоторые процессы происходят во время старения, которое «дает волю» болезнетворным белкам [5]. Более 20 лет назад автор утверждал, что данный процесс включает случайный рефолдинг (пересворачивание) белка в неправильно свёрнутый, что соответствует переходу в инфекционное состояние — прион.
В последнее десятилетие интерес к этой теме возобновился в связи с возможностью развития диагностики и эффективной терапии [5].
Появилось множество различных объяснений для возрастных нейродегенеративных болезней, — например, окислительная модификация ДНК, липидов и/или белков; соматические мутации; измененный врождённый иммунитет; экзогенные токсины; несоответствия ДНК—РНК; нарушение работы шаперонов; отсутствие одного из аллелей гена [5]. Альтернативным комплексным разъяснением служит то, что различные группы белков могут формировать прионы. Несмотря на то, что небольшое количество прионов может быть удалено посредством путей белковой деградации, их чрезмерное накопление с течением времени позволяет прионам самостоятельно распространяться в организме (рис. 2), что приводит к нарушению деятельности центральной нервной системы [5].
Рисунок 2. Процессы нейродегенерации, вызванной прионами. Сверху: накопление «нормального» прионного белка повышает его вероятность перехода в токсичную конформацию, которая описывается бóльшим содержанием β-структуры.
Прионы наиболее патогенны в форме олигомеров; после образования фибрилл токсичность снижается. В зависимости от того, о каком конкретно прионном белке идет речь, в патологическом состоянии он может образовывать бляшки, клубки или тельца включения.
Возможные пути лекарственного вмешательства: (I) снижение концентрации «нормального» белка-предшественника; (II) ингибирование образования прионной формы; (III) уничтожение токсичных агрегатов.
Снизу: Наследственная старческая нейродегенерация объясняется двумя событиями: наличием мутантной формы предшественника и образованием из него приона, готового к олиго- и полимеризации с образованием токсичных форм.
Группы риска прионных заболеваний
Вот кого прионные заболевания могут настичь с наибольшей вероятностью:
- работники пищевой промышленности;
- ветеринары;
- патологоанатомы;
- хирурги;
- пациенты трансплантолога;
- каннибалы;
- лица, в семье которых были замечены синдромы Герстманна—Штрейслера—Шейнклера или фатальной инсомнии.
Лабораторная диагностика и лечение
Диагностика базируется на внутримозговом заражении мышат или хомяков, у которых медленно (до 150 дней) развивается соответствующее заболевание, если пациент был болен [2]. Часто проводится гистологическое исследование головного мозга погибших животных [2].
К сожалению, до настоящего времени еще не разработаны эффективные методы лечения прионовых болезней, хотя попытки предотвратить конформационный переход нормального белка в аномальный производятся. Поэтому самым надёжным способом предупреждения развития инфекционных форм является профилактика [2].
Особенно актуальным становится решение «прионного вопроса» в связи с нарастающей угрозой возникновения эпидемии через инвазивные медицинские операции и даже при приёме лекарственных средств.
Перспективы
По-видимому, интерес к прионам не угаснет до тех пор, пока предположения на их счёт полностью не подтвердятся и не будут найдены эффективные способы лечения прионных заболеваний. В статье [6] говорится о необходимости современного исследования, которое требует тщательного рассмотрения чужеродных прионов в экстраневрональных тканях.
В качестве модельных объектов авторы использовали мышей: две линии, которые трансгенно экспрессировали овечий прионный белок, и одну линию, которая экспрессировала человеческий прионный белок (рис. 3). Задачей было сравнить эффективность межвидовой передачи инфекции посредством тканей мозга и селезёнки.
Внутримозговое заражение чужеродным прионным белком выражалось в отсутствии или небольшом количестве инфекционного агента в мозгах этих мышей.
Однако инфекционные чужеродные прионы обнаруживались в селезёнке на более ранних этапах заражения в сравнении с моментом, когда были использованы нейротропные прионы, тем самым определяя, что лимфатическая ткань может быть более пермиссивной к распространению чужеродных прионов по сравнению с мозгом.
Рисунок 3. Способность приона хомяков Sc237 заражать и передаваться при введении в мозг или селезенку трансгенным мышам, имеющим прионный белок PrP овцы (tg338; белые мыши) или человека (tg7; серые мыши). Число заболевших/инъецированных мышей показано в скобках; ниже приведено среднее время жизни (в днях).
Чем вызвана эта предпочтительная репликация прионов в лимфатических тканях, пока неизвестно.
Однако полученные данные показывают, что человек может быть более чувствительным к чужеродным прионам, чем предполагалось ранее на основании присутствия прионов в мозгу, и по этой причине бессимптомный переносчик прионной болезни может быть не распознан.
Это ещё раз подтверждает, что такая могущественная биомолекула как прион таит в себе немало загадок, раскрытие которых, возможно, поможет в понимании ряда неразрешимых проблем человечества…
- Абрамова З.И. Исследование белков и нуклеиновых кислот. Казань: Казанский государственный университет, 2006. — 157 с.;
- Новиков Д.К., Генералов И.И., Данющенкова Н.М. Медицинская микробиология. Витебск: ВГУ, 2010. — 597 с.;
- Прудникова С.В. Микробиология с основами вирусологии. Красноярск: ИПК СФУ, 2008;
- Поздеев О.К., Покровский В.И. Медицинская микробиология. М.: Гэотар-мед, 2001. — 765 с.;
- S. B. Prusiner. (2012). A Unifying Role for Prions in Neurodegenerative Diseases. Science. 336, 1511-1513;
- V. Beringue, L. Herzog, E. Jaumain, F. Reine, P. Sibille, et. al.. (2012). Facilitated Cross-Species Transmission of Prions in Extraneural Tissue. Science. 335, 472-475;
- Carolina Pola. (2012). Prion escape to spleen. Nat Med. 18, 360-360;
- Элементы: «10 фактов о прионах и амилоидах»;
- Элементы: «Геометрия белковых тел»;
- Charles Weissmann. (2012). Mutation and Selection of Prions. PLoS Pathog. 8, e1002582.
Прионовые болезни
Прионовые болезни – это прогрессирующие нейродегенеративные заболевания с летальным исходом. Механизм возникновения прионовых болезней изучен не до конца, однако в настоящее время считается, что заболевание развивается при накоплении в клетках центральной нервной системы избыточного количества патологического прионного белка.
Прионовые болезни встречаются очень редко – ежегодно регистрируется один случай на миллион человек. На данный момент известны 5 разновидностей этой патологии – спорадическая болезнь Крейцфельда-Якоба, новый вариант болезни Крейцфельда-Якоба, куру, синдром Герстманна-Штройслера-Шейнкера и фатальная семейная инсомния. Наиболее широко распространена спорадическая болезнь Крейцфельда-Якоба.
Болезнь может возникать попадании в организм патологического прионного белка извне (от человека или животного), иметь наследственную природу или возникать спонтанно как следствие генетических аномалий de novo.
Течение определенных вариантов зависит от типа прионного белка. Инкубационный период может достигать 15 лет. Продолжительность жизни пациентов с прионными болезнями чаще всего составляет около года, реже – чуть более двух лет.
Лечениесимптоматическое.
- Синонимы русские
- Трансмиссивная губчатая энцефалопатия.
- Синонимы английские
- Human prion diseases, transmissible spongiform encephalopathies, TSE.
- Симптомы
Симптомыпатологии могут возникнуть в период от полугода до 10-15 лет после заражения. Проявления болезни могут развиваться постепенно, с неспецифических симптомов – бессонницы, вялости, апатии, заторможенности. В ряде случаев болезнь начинается внезапно и может напоминать делирий. Наиболее частыми проявлениями прионовых болезней являются:
- Прогрессирующая деменция
- Нарушение зрения
- Нарушение координации
- Нарушение речи
- Тремор
- Ригидность мышц
- Миоклонии
- Депрессия
- Тревожность
- Эмоциональная лабильность
Все проявления прионных болезней неуклонно прогрессирую, приводя в конечных стадиях болезни к акинетическому мутизму и коме.
Общая информация о заболевании
Прионные болезни встречаются как у человека, так и среди животных. Патогенез прионных болезней связывают с накоплением в организме патологического прионного белка. Прионный белок в норме присутствует в клетках организма животных и человека – это так называемый нормальный прионный белок.
Он находится в наибольших количествах в нейронах и частично в клетках лимфоидной ткани. Прионный белок устойчив к высоким температурам, радиации, действию протеаз и химических веществ – алкоголя, формалина и других. Функции прионных белков неизвестны.
Информация о структуре этих полипептидов закодирована в коротком плече 20 хромосомы у человека.
При изменении конфигурации нормальный прионный белок может превращаться в патологический. Патологический прионный белок, в свою очередь, способен запускать механизм преобразования нормального прионного белка в патологическую форму. Патологический прионный белок может возникать в организме спонтанно.
В некоторых случаях накопление патологического прионного белка связано с наследственными генетическими нарушениями. На данный момент известно порядка 30 вариантов генетических нарушений, в результате которых меняется структура прионного белка. В ряде случае прионные болезни носят инфекционную природу.
Это означает, что патологический прионный белок может попасть в организм человека извне – при пересадке роговицы, твердой мозговой оболочки, нейрохирургических операциях. В данном случае большое значение имеет устойчивость прионов к любым видам стерилизации. Известны случаи заражения патологоанатомов.
Считается, что существует вероятность заражения человека при употреблении мяса коров, зараженных коровьим бешенством.
Несмотря на то, что часть прионных заболеваний имеет инфекционную природу, прионы отличаются от других инфекционных агентов – в их составе отсутствуют нуклеиновые кислоты (ДНК или РНК). Это осложняет процесс изучения патогенеза прионовых болезней.
Известно, что накопление патологического прионового белка приводит к разрушению клеток нервной системы, мультифокальным спонгиоформным (губкоподобным) повреждениям тканей нервной системы, астроглиозу при отсутствии признаков воспалительной реакции.
В связи с устойчивостью к действию протеаз, патологический прионный белок не может быть выведен из организма. Около 85 % пациентов погибают в течение года после появления первых симптомов болезни.
Кто в группе риска?
- Люди определенных профессий (медицинские работники, ветеринары, работники скотобоен, зоологи)
- Люди, перенесшие хирургические вмешательства, в том числе гемотрансфузии
- Люди, среди родственников которых были выявлены случаи наследственных прионных болезней
- Люди, употребляющие плохо термически обработанное мясо
Диагностика
К сожалению, на данный момент диагностика прионных болезней возможна лишь после возникновения клинических проявлений, то есть на этапе, когда болезнь зашла уже достаточно далеко. Раннее, пресимптоматическое выявление данной патологии невозможно. Схема диагностики прионных болезней не разработана окончательно.
Лабораторная диагностика:
- Исследование состава спинномозговой жидкости. При прионных болезнях состав спинномозговой жидкости не изменен или изменен незначительно.
- Выявление в крови патологического прионного белка методом вестерн-блоттинга.
- Исследование аутопсийного материала. Позволяет выявить признаки характерных атрофических изменений в тканях нервной системы пациента.
- Генетические исследования. Позволяют выявить аномалии в структуре генов, кодирующих прионные белки.
Инструментальная диагностика:
- Электроэнцефалография (ЭЭГ). Признаки патологических изменений в структуре головного выявляются на ЭЭГ приблизительно у половины пациентов с прионными болезнями.
- Магнитно-резонансная и компьютерная томография (МРТ и КТ). Позволяют выявить признаки атрофии коры головного мозга, расширения ликворопроводящей системы.
- Лечение
- Лечениетолько симптоматическое.
- Профилактика
- Использование стерильных и, в определенных случаях, одноразовых хирургических инструментов, индивидуальных средств защиты
- Контроль качества мясных продуктов
Рекомендуемые анализы
Не бактерия и не вирус. Опасные белки — прионы
Инфекционные болезни могут развиваться не только из-за бактерий, вирусов и других хорошо известных врачам микроорганизмов － это ошеломляющее заявление в медицинской среде было сделано после того, как в 1982 году профессор неврологии и биохимии Стэнли Прузинер (США) обнаружил белковые соединения, способные вызывать заболевания. Открытие белков-прионов было настоящим прорывом в медицине, доказательством чему стало получение учёным Нобелевской премии в 1997 году.
Прионы: биологическая сущность, свойства, среда обитания таинственных молекул
До недавнего времени исследователи считали, что в составе любой «живой» субстанции должны быть молекулы ДНК или РНК — нуклеиновых кислот, обусловливающих способность вирусов, бактерий, грибов и прочих организмов размножаться.
Однако открытие прионов полностью трансформировало это представление.
Устойчивость к высоким температурам, к различным видам излучений, действию нуклеаз (ферментов, способных расщеплять нуклеиновые кислоты), отсутствие роста на питательных средах – такими необычными свойствами обладал ранее не известный возбудитель.
Белковые соединения с определённой конфигурацией, способные трансформироваться в патогенные и вызывать нейродегенеративные процессы в организме, были названы прионами. Термин «прион» (prion) предложил Стэнли Прузинер.
Термин происходит от фрагментов английских слов protein (белок) и infection (инфекция). Прионы способны размножаться.
Этот процесс более продолжителен по времени, чем размножение патогенных микроорганизмов, поэтому от момента попадания прионов в организм до клинических проявлений болезни может пройти несколько месяцев или лет.
Молекула приона в «нормальной» форме имеется на поверхности нервных клеток у каждого человека.
Обычные молекулы белка, вступая в контакт с патологическими, сами превращаются в них, изменяя при этом собственную пространственную структуру. Что является пусковым механизмом подобной трансформации, до конца не известно.
Из этого следует, что прион, выступая в роли инфекционного агента, заражает нормальные молекулы, вызывая «молекулярную эпидемию».
Токсичные белковые бляшки на клетке приводят к её гибели, а на месте погибшей клетки образуется пустота, которая заполняется жидкостью. Количество пустот в головном мозге с течением времени будет увеличиваться, пока он не превратится в «губку».
Как можно заразиться прионами?
На сегодняшний день выделяют следующие основные пути заражения инфекционным белком-прионом:
1. Трансмиссивный. В этом случае молекулы белка передаются от одного вида млекопитающего к другому — например, от инфицированной коровы или овцы человеку. Заражение происходит при употреблении в пищу мяса или молока заражённого животного, либо использовании его тканей (роговицы, препаратов крови и т.п.), применении во время оперативных вмешательств биологического шовного материала.
2. Наследственный. Заболевание развивается на фоне генетической мутации, затрагивающей область 20-й хромосомы. Несмотря на слабую изученность функционирования этого участка генома, достоверно известно его участие в синтезе нормального прионного белка. В случае генных мутаций вместо здорового приона образуется патологический, а это приводит к развитию болезней.
3. Спорадический. При этом аномальный белок появляется в организме спонтанно, без видимых причин.
Вне зависимости от способа появления аномальный белок может стать причиной заражения других людей.
Прионные заболевания: особенности течения, лечения, прогноз
Отличительной особенностью болезней, вызываемых прионами, является длительный инкубационный период － от 2-3 месяцев до нескольких десятилетий. Подавляющее большинство прионных заболеваний человека являются спорадическими и имеют семейный характер наследования.
Куру, синдром Герстманна-Штреусслера-Шейнкера, болезнь Крейтцфельдта-Якоба, скрэпи – прионы вызывают заболевания, сопровождаемые поражением центральной нервной системы. Для них характерны такие признаки как деменция (слабоумие), зрительные и мозжечковые нарушения. При этом у больного могут отмечаться двигательные расстройства, бессонница, галлюцинации, нарушение речи.
К сожалению, эффективных методов лечения прионных болезней на сегодняшний день нет, хотя учёные пытаются предотвращать переход нормального белка в аномальный. Пациентам назначается симптоматическая терапия с использованием противосудорожных средств для облегчения страданий. Прогноз пока неутешителен, так как все вышеперечисленные заболевания завершаются летальным исходом.
Перспективы
Недостаточная изученность проблемы прионов и прионных болезней способствует углублению исследований в этой области — учёные занимаются активным поиском средств борьбы с патогенными белками. Актуальность этого вопроса растёт в связи с возможностью возникновения «прионной эпидемии», например, из-за приёма лекарственных средств животного происхождения.
- Раскрытие загадочных явлений, которыми окутаны прионы, возможно, поможет в понимании ряда серьёзных биомедицинских проблем человечества.
- Севиля Ибраимова
- Редакция рекомендует:
Не антибиотиком единым: «киллеры» бактерий – бактериофаги Риск на грани. Как открыли хеликобактер пилори?
Загрузка...
