13.11.2021, 06:30

Жизнь без генома: что такое прионы

Возможна ли жизнь без генома? Тридцать лет назад ответ был бы однозначно отрицательным, а сейчас уверенности нет. Один из сюрпризов биохимии конца XX века – прионы – всего лишь своеобразно устроенные белковые молекулы. В них нет ни РНК, ни ДНК, но они способны размножаться, мутировать и, вероятно, подвергаться действию естественного отбора. Но достаточно ли этого, чтобы считать их живыми?

Игорь Лукьянов

Теги:

Нетленка

ДНК

Белки

Мутация

Иммунитет

В 1982 году американским молекулярным биологом Стенли Прузинером был впервые выделен возбудитель скрейпи — странного заболевания овец, традиционно считавшегося вирусным. Сама болезнь изучалась к тому времени уже давно. В 1954 году исландский ученый Б. Сигурдссон опубликовал результаты многолетних исследований массовых заболеваний овец, завезенных в 1933 году из Германии в Исландию. Предметом изучения были «медленные инфекции», характеризующиеся исключительно долгим инкубационным периодом и необычностью поражения органов и тканей. Спустя три года американец словако-венгерского происхождения К. Гайдучек и австралийский врач В. Зигас обнаружили и описали заболевание, симптоматически схожее с овечьим скрейпи, но распространенное среди аборигенов племени форе, живущего в высокогорных районах Новой Гвинеи. Папуасы называли ее «куру» — «дрожь от сглаза»: туземцы верили, что недуг вызывается колдовством. Как установил Гайдучек, болезнь распространялась через ритуальный каннибализм, практиковавшийся в племени в знак уважения к умершему, и отличалась исключительно долгим инкубационным периодом — иногда более 30 лет! Это и другие исследования в 1976 году принесли Гайдучеку Нобелевскую премию, финансовую часть которой он пожертвовал в помощь племени форе, но как Гайдучек, так и Сигурдссон считали, что описанные ими болезни вызваны так называемыми медленными вирусами. Лишь научный талант Прузинера и появившиеся к 1980-м годам методы анализа и очистки реагентов позволили выявить истинную природу возбудителей этих болезней.

Белковая молекула с неправильной геометрией является не только биохимической экзотикой, но и причиной заболеваний центральной нервной системы, обычно – со смертельным исходом. К счастью, речь идет о заболевании редком, и трудно передающемся.
По предположениям многих ученых, при разработке методов борьбы эффективнее не искоренять конкретные штаммы, могущие приспосабливаться к лекарствам, но пытаться повысить устойчивость нормального белка PrP и не допускать его сворачивания в изоформу PrP-Sc. Применительно к человеку это звучит почти как ненаучная фантастика, но представить себе подобное вмешательство в генетику сельскохозяйственных животных в принципе возможно – если, конечно, убедить общество в том, что ГМО – не синоним яда. Крайней мерой борьбы с прионными инфекциями является полное блокирование гена, который кодирует производство белка PrP. Однако, к каким последствиям это может привести, пока не ясно. Опыты на мышах показали, что животные с отключенным геном выживают, не имея при этом каких-то особенно тяжелых расстройств; однако у них наблюдается множество количество мелких нарушений жизнедеятельности: от склонности к ишемии, стенокардии и судорогам, до сбоя суточного ритма.
Пока же главным методом борьбы является изъятие зараженных материалов из пищевых цепочек. В начале минувшего десятилетия власти Евросоюза были вынуждены ликвидировать изрядную часть поголовья крупного рогатого скота, который потенциально мог быть заражён одной из форм прионных инфекций, губчатой энцефалопатией – пресловутым коровьим бешенством.
На фото — молекула белка PrP нормальной формы (альфа-формы); справа молекула PrP-Sc — прион.

Все дело в форме

Прионы (от англ. proteinaceous infectious particles — белковая инфекционная частица) — молекулы белка PrP, свернутые особым, «неправильным» образом. Сам белок обнаруживается в организме всех млекопитающих, включая и человека, и в своей нормальной форме не опасен, хотя его роль в организме до сих пор не вполне ясна. Возможно, он участвует в передаче нервных импульсов, ионном обмене, поддержании суточных циклов активности и покоя в клетках, органах и организме в целом — среди исследователей сегодня нет единого мнения. Но это — в нормальной, альфа-форме. Если же в момент синтеза белка рядом присутствует прион, имеющая другую пространственную форму молекула PrP-Sc, то вместо альфа-формы образуется бета — происходит размножение приона.

До сих пор не ясно, каким образом одна белковая молекула заставляет другую принять такую же форму, но результат сомнений не вызывает. Его обнаружение принесло С. Прузинеру Нобелевскую премию 1997 года.

Происхождение прионов неясно. Вероятно, речь идет о спонтанном изменении под действием внешнего фактора или мутации клетки. Некоторые исследователи идут дальше, полагая, что в норме в организме постоянно возникает некоторое количество прионнных белковых образований, которые тут же ликвидируются. Нарушение по каким-то причинам способности к «самоочищению» клеток приводит к нарастанию концентрации «неправильных» белков выше допустимого уровня, после чего процесс выходит из-под контроля. Подобный механизм объясняет появление болезни куру в генетически изолированной популяции (оторванном от цивилизации племени), а ритуальный каннибализм — механизм ее распространения. Болезнь, кстати, утратила массовый характер с искоренением этого обычая, хотя редкие проявления встречаются и по сей день — 30 и более лет инкубационного периода дают о себе знать.

Прионы феноменально живучи. Они устойчивы к действию протеолитических ферментов, задача которых — уничтожение отслуживших белковых молекул. Устойчивость прионов к протеазам некоторые ученые связывают с их способностью слипаться в большие скопления молекул, внутренние части которых становятся недоступными для внешнего воздействия. Защитные системы организма игнорируют прионную опасность — за исключением единственного случая, окотором мы скажем ниже.

Прионы устойчивы к обычным методам дезинфекции: кипячению, автоклавированию, высушиванию, выдерживают замораживание втрое дольше, чем все известные вирусы. Равным образом они нечувствительны к обработке кислотами, спиртами, формальдегидом, ферментному гидролизу, ультрафиолетовому и гамма-излучению. Наиболее эффективный способ борьбы- «тактика выжженной земли»: применение мер дезинфекции в дозах, денатурирующих все белки; и даже в этом случае из всего живого прион погибает последним.

Оно живое?

Важнейшим вопросом, волновавшим исследователей с момента открытия прионов, было наличие или отсутствие у них способности к настоящей дарвиновской эволюции: возможности мутаций и их передачи по наследству. Положительный ответ означал бы новый вопрос: могут ли эти мутации влиять на эффективность размножения? Иначе говоря, работает ли в случае с прионами принцип естественного отбора?

Исследования второй половины 2000-х позволяют ответить на эти вопросы положительно. Было экспериментально обнаружено, во-первых, что у белка PrP есть несколько вариантов неправильного сворачивания в PrP-Sc, причем каждый из вариантов устойчиво наследуется. Во-вторых, при перенесении прионов от животных одного вида к другому инкубационный период по мере заражения новых носителей второго вида сокращался — инфекционный агент «адаптировался» к новой среде существования. Если ученые затем заражали «приспособившимися» прионами животное первоначального вида, то симптоматика заболевания часто оказывалась иной, что указывало на изменение возбудителя.

Прионы дрожжей и других микромицетов известны и куда более разнообразны, нежели прионы млекопитающих, однако до недавних пор они оставались вне интереса ученых.
Для развития прионов дрожжей необходим не только белок в нормальной и прионной формах, но и так называемый шаперон Hsp104, который также известен как «белок теплового шока». В нормальной клетке задачей Hsp104 является восстановление структуры белков, потерявших свою естественную пространственную форму при стрессе, например сильном нагревании. В этом они чрезвычайно походят на прионы, меняющие форму других белков. Если же заблокировать работу шаперона Hsp104, то через некоторое время культура грибов полностью избавляется от прионов. В клетках млекопитающих тоже есть шапероны, однако они не похожи по структуре на Hsp104, поэтому дрожжевые прионы для нас не опасны.
Болезнь Альцгеймера может быть вызвана прионной инфекцией или процессом, чрезвычайно сходным с таковой, – считают Маркус Толнэй из Университета Базеля и его коллеги из Тюбингена и Кембриджа. Они установили, что дефектный тау-белок, скопления которого разрушают нервные клетки, превращает в себя обычный тау-белок – стандартное «поведение» прионов. При болезни Альцгеймера нарушения в работе мозга происходят, в первую очередь, из-за появления бляшек двух видов – крупных бета-амилоидных и более мелких, состоящих из так называемого дефектного тау-белка. При образовании амилоида, которому до недавнего времени отводилась ведущая роль в патологии, вначале синтезируется нормальный полноценный белок, который, однако, не участвовует в работе нейронов, а по каким-то до сих пор не выясненным причинам разрезается на короткие цепочки, из которые и образуют бляшки. Исследования последних лет заставили взглянуть на проблему иначе и пересмотреть роль именно тау-белка. Его нормальная функция – часть цитоскелета, «рельсов», по которым перемещаются органеллы внутри клетки. При развитии синдрома Альцгеймера тау-белок подвергается сильному фосфорилированию и образует полимерные клубки, которые разрушают сначала весь внутриклеточный транспорт, а следом и контакты между нейронами. Всё усугубляется воспалительной реакцией, спровоцированной растущими белковыми полимерами – клубками и бляшками. По сути, инфекционный агент здесь – белок, без каких либо включений ДНК или РНК, размножающийся так же, как куру или скрейпи.

Наконец, в ряде опытов зловредные белки ставились в некомфортные для них условия — жить и размножаться приходилось в присутствии вещества-ингибитора SWA (swainsonine), действующего на прионы угнетающе. Молекулярная как бы жизнь устояла, и каждое из последующих поколений демонстрировало все большую устойчивость к препарату. Таким образом, у этих странных молекул есть почти все необходимое для эволюции. Наиболее очевидным ее ограничением является, видимо, система записи результатов — передаваемой по наследству информации. Количество вариаций пространственного строения белковой молекулы невелико, особенно если сравнивать его с «емкостью» ДНК.

Еще один важный вопрос — способен ли естественный отбор у прионов приводить к появлению новых форм путем последовательного закрепления множества мелких изменений- пока не имеет определенного ответа, хотя большинство ученых склонны отрицать такую возможность.

Правила и исключения

Вполне вероятно, что проявление прионов как инфекционных белков представляется лишь частным случаем явления куда более глобального характера. Логично было бы предположить, что белки с прионными свойствами широко распространены в природе и их влияние на нее весьма велико. К примеру, прионы вполне могут быть ответственны за исчезновение неандертальцев, считает Саймон Андердаун из Университета Брукс в Оксфорде. Согласно его гипотезе, прионная инвазия необратимо ослабила популяцию и повлияла на сокращение ее численности. При этом заболевание распространялось, судя по всему, так же, как и в случае с куру — посредством каннибализма.

Неандертальцы, видимо, не успели приспособиться к появлению столь экзотического возбудителя, но это возможно. В 2009 году в «Медицинском журнале Новой Англии» группа американских ученых опубликовала результаты неожиданного открытия: у некоторых членов племени форе благодаря сравнительно недавно появившемуся новому полиморфизму гена Pr-nP появилась врожденная невосприимчивость к куру. Как работает иммунитет, пока непонятно, однако исследование его механизма представляется очень перспективным для выработки методик лечения.

Прионы только начинают открывать свои тайны, но в изучении молекулярных механизмов прионообразования, создании эффективных модельных систем, а также поиске новых прионных белков есть серьезные достижения, позволяющие надеяться на скорейшие разработки методов терапии неизлечимых прионных болезней человека и животных. По крайней мере первооткрыватель прионов Стенли Прузинер выражает твердую уверенность, что средство против них будет найдено в обозримом будущем.