13.06.2016

Как раскрыть тайны прионов

Две недели назад в журнале PLOS Pathogens был описан метод, позволяющий изучать прионные заболевания на клеточных культурах.

Прионные болезни сильно выделяются на фоне других инфекций. С фундаментальной научной точки зрения они необычны тем, что вызываются патогеном, не имеющим генома и не содержащим вообще никаких нуклеиновых кислот. Обычных людей гораздо больше беспокоит то, что все эти болезни, хотя и развиваются обычно довольно медленно и встречаются редко, абсолютно смертельны и эффективного способа их лечения пока не найдено. Более того, хотя некоторые сопровождающие прионную инфекцию процессы изучены, до сих пор непонятно, из-за чего развиваются конкретные симптомы и наступает смерть. Именно в этом должен помочь новый метод.

Раковые клетки, бактерии и вирусы размножаются благодаря тому, что у них есть свой собственный геном, в котором записана информация о необходимых им белках. Вирусы не вполне самостоятельны в этом смысле, им нужна помощь со стороны клетки хозяина, но, если нет вирусной ДНК (РНК), нет и инфекции. Одно из направлений в лечении ВИЧ / СПИДа как раз занимается разработкой ферментов, которые уничтожали бы копии вирусного генома в клетках.

У приона нет никакого генома, это просто один белок, только в неправильной конформации. Он может взаимодействовать с аналогичным белком правильной конформации, меняя его конформацию на прионную, неправильную. Предположительно, при этом α-спираль превращается в β-слой. Обычно белки в клетке, немного поработав, разбираются специальными ферментами обратно на аминокислоты, из которых строятся новые белки. Белки с испорченной конформацией, однако, утилизировать не удается, и они накапливаются. Более того, они накапливаются экспоненциально, поскольку новообращенные прионы приобретают все свойства патогена и тоже могут менять конформацию нормальных белков.

Хотя мы до сих пор употребляли слово «прионы» во множественном числе, для животных известен ровно один такой белок. Это белок, который кодирует ген PRNP. Его нормальную форму принято обозначать как PrP^C (от слова cellular – клеточный), а прионную – PrP^Sc (от слова scrapie – почесуха; эта овечья болезнь была первым описанным прионным заболеванием). Примечательно, что нет полной ясности в вопросе о том, зачем этот белок (его нормальная форма) вообще нужен. Известно, что его особенно много в нервных клетках (поэтому прионные заболевания поражают нервную систему), обычно он находится на их поверхности. Предпринимались попытки вывести мышей, у которых этого гена вообще не было бы. Такие мыши вполне жизнеспособны. В самых ранних экспериментах вообще не удалось обнаружить достоверные отличия между ними и обычными здоровыми мышами. Дальнейшие исследования, однако, показали, что белок играет роль в формировании воспоминаний, ориентации в пространстве и поддержании режима сон / бодрствование. Кроме того, вероятно, у него есть функции за пределами нервной системы: в мышцах и клетках крови.

У человека и животных есть несколько болезней, вызываемых PrP^Sc, и все они, хотя и поражают нервную систему, характеризуются немного разными симптомами. Первая описанная еще в начале XVIII века болезнь – почесуха овец. Из-за поражений центральной нервной системы у овец появляется сильный кожный зуд, и они начинали чесаться о заборы деревья и камни. Животное умирало через несколько недель после появления первых симптомов. Похожие болезни есть у крупного рогатого скота (коровье бешенство), у оленей и лосей, у норок, и более экзотических копытных, например, некоторых видов антилоп, и даже у кошачьих. По-видимому, все случаи прионных болезней у животных носят инфекционную природу, то есть здоровое животное заражается от больного. Обычно речь идет об орально-фекальном пути заражения. Кроме того, определенную роль могут играть жидкости, попадающие на землю, когда инфицированное животное рожает.

К сожалению, из-за длительности инкубационного периода и сложности лабораторных методов диагностики выявить зараженных животных на ранних стадиях болезни не удается. У возбудителя болезни нет никакой ДНК, чтобы можно было провести полимеразную цепную реакцию. Вызывающий болезнь белок не вполне чужеродный, кроме того, большинство событий происходит по ту сторону гематоэнцефалического барьера, поэтому никаких антител в крови не образуется, и иммунохимическая диагностика тоже невозможна.

У людей прионные болезни бывают не только инфекционными. Хотя, возможно, людей просто лучше изучают. У людей найдены мутации в гене PRNP, которые приводят к тому, что собственный белок без воздействия внешних агентов принимает неправильную конформацию. Таковы, например, фатальная семейная бессонница и синдром Герстмана — Штраусслера — Шейнкера. При фатальной семейной бессоннице люди действительно теряют способность уснуть и вскоре погибают. Такой набор симптомов хорошо согласуется с упомянутой выше ролью PrP в поддержании циркадных ритмов. Синдром Герстмана — Штраусслера — Шейнкера больше похож на классическое нейродегенеративное заболевание. Его симптомы – деменция и нарушения моторики – нарастают постепенно.

Самое распространенное прионное заболевание человека – болезнь Крейцфельда-Якоба может быть и инфекцией, и генетической болезнью. Заразиться можно, например, съев мяса больного животного или в ходе медицинской манипуляции. Мутация, заставляющая собственный белок принимать неправильную конформацию, может наследоваться, а может возникать спонтанно. Иногда прионная конформация вообще возникает сама собой. После ее возникновения помочь человеку уже невозможно. Появившийся белок PrP^Sc начинает превращать нормальный вариант PrP^C в себе подобный PrP^Sc и процесс нарастает лавинообразно. Неправильный белок накапливается в клетках мозга в виде, напоминающем амилоидные бляшки, образующиеся при болезни Альцгеймера и состоящие из белка β-амилоида.

Недавно в ходе расследования трагического случая обнаружилось, что у этих двух болезней может быть даже больше общего, чем казалось. Около полувека назад, когда механизм прионной инфекции только начинали изучать, отставание в росте больных пытались лечить гормоном роста человека. Гормон роста выделяли из гопофизов трупов. Уже в XXI веке обнаружилось, что несколько порций гормона оказались контаминированы PrP^Sc и несколько человек погибли. На вскрытии обнаружилось, что, кроме агрегатов из PrP^Sc в головном мозге этих людей присутствуют амилоидные бляшки, характерные для болезни Альцгеймера. Заболевшие люди не принадлежали к группе риска и вообще были довольно молоды для Альцгеймера, так что на простое совпадение ситуация не тянет. Она заставляет задуматься о том, что у болезни Альцгеймера может быть схожий инфекционный механизм. «Дурное семя», попав в головной мозг, запускает процесс сборки бляшек, которые клеточные ферменты не в состоянии растворить.

Конечно, эта история не тянет на строгое доказательство, но заставляет задуматься. Дело в том, что белки-прионы очень трудно уничтожить. Стандартная техника дезинфекции довольно хрупких нейрохирургических инструментов не включает в себя процедур, которые могли бы с ними справиться. Опять-таки из-за длительности инкубационного периода и постепенного нарастания симптомов выявить больных болезнью Альцгеймера на ранних стадиях невозможно, а встречаются они гораздо чаще, чем больные прионными заболеваниями. Вероятно, если эти результаты подтвердятся, потребуются дополнительные меры предосторожности для нейрохирургов.

Куру – экзотическое прионное заболевание, распространившееся среди аборигенов Папуа – Новой Гвинеи из-за каннибализма. Ученые обнаружили болезнь в середине XX века, предания народа форе свидетельствуют о том, что первые случаи пришлись на начало века. Болезнь практически исчезла, когда каннибализм прекратился. Последний заболевший умер в 2005 году. Примечательно, что за неполных 100 лет да еще и при длинном инкубационном периоде среди форе успела появиться и даже немного распространиться мутация в гене PRNP, дающая иммунитет к болезни. Видимо, белок PrP^Sc не может изменить конфомацию мутантного белка. Это означает, между прочим, что для развития болезни совершенно необходим нормальный клеточный вариант PrP^c.

У людей и животных, как мы видим, на всех один прион. То ли дело у грибов. У них описано 12 (11 из них достоверно) разных белков (семь из них – у дрожжей), обладающих прионными свойствами. Это белки с разными функциями и локализацией. Более того, как таковых заболеваний у грибов они не вызывают, и уж точно не вызывают смертельных заболеваний, хотя в некоторых исследованиях показано, что переход к прионной форме снижает жизнеспособность организмов. Однако другие исследования приводят к обратному выводу: переход к прионной форме может помогать адаптироваться к новым условиям. Например, такая трансформация дрожжевого белка Ure2p позволяет дрожжам лучше усваивать азот.

На сегодняшний день у людей лучше всего изучены морфологические проявления финальных стадий прионных инфекций. После вскрытия легко увидеть патологическую губчатую структуру мозга и увидеть в клетках скопления аномального белка. Про ранние стадии патогенеза известно гораздо меньше. Эксперименты на клеточных культурах затруднены из-за того, что нейроны вообще трудно культивировать, а в других клетках патологический процесс вроде как и не наблюдается.

Авторы исследования, с которого мы начали свой рассказ, как раз смогли поддерживать в культуре клеток нейроны гиппокампа и проследить, какие события происходят в клетках в первые часы после инфекции. Белок PrP^c находится на поверхности нейронов, поэтому для имитации заражения достаточно добавить прионную форму к среде для культивирования клеток. Оказалось, что уже через 24 часа после инфекции резко сокращается количество дендритных шипиков – выростов на поверхности дендритов, ответственных за формирование синапсов и играющих важную роль в механизмах памяти и обучения. Сокращения числа шипиков не происходило, когда эксперимент проводился на мышах, полностью лишенных белка PrP. Это, с одной стороны, согласуется с тем, что нормальный белок нужен для развития инфекции, а с другой – что оценка числа шипиков – неплохой критерий оценки инфекции.

Таким образом, предложенная модель может оказаться полезной для исследования клеточных и молекулярных механизмов прионной инфекции.

Александра Брутер

Источники:

1. polit.ru