Прионные болезни

Детальные исследования условий передачи прионных болезней у людей позволили в самое последнее время предложить еще один вариант классификации именно этой немногочисленной группы заболеваний, основанный на характере и особенностях их возникновения. Установлено, что в отличие от всех известных инфекционных заболеваний прионные болезни человека могут возникать как:

1) инфекционные,

2) спорадические,

3) наследственные.

МЕСТО ПРИОННЫХ БОЛЕЗНЕЙ В ИНФЕКЦИОННОЙ ПАТОЛОГИИ

Место прионных болезней в инфекционной патологии человека и животных определяется особенностями, присущими этим заболеваниям.

Первая из них связана с необычностью возбудителей, свойства которых резко отличают их от всех известных инфекционных агентов. Именно это обстоятельство выделяет прионные болезни в особую категорию болезней, абсолютно "безразличных" к средствам как лекарственной терапии, так и к разнообразным средствам и методам иммунотерапии. Эти особенности заставляют переносить основное внимание в борьбе с прионными болезнями на меры предупредительные, нежели лечебные. Хотя справедливости ради заметим, что даже абсолютная фатальность прионных болезней не может и не должна служить основанием для прекращения поисков эффективных лекарственных средств. Именно поэтому в 1998 г. в Москве на V Российском конгрессе "Человек и лекарство" был организован и с успехом проведен специальный симпозиум, целиком посвященный прионным болезням человека и животных.

Что же касается средств иммунотерапии  и, естественно, иммунопрофилактики, то здесь пока не существует реальных оснований, которые позволяли бы рассчитывать на успех по крайней мере в обозримом будущем, в связи с тем что инфекционный прионный белок PrP^Sc иммунологически не отличим от нормального прионного белка PrP^C.

Вторая особенность прионных болезней обусловлена тем, что они представляют собой неотъемлемую часть теперь уже достаточно обширной (около 40 нозологических форм) группы медленных инфекций человека и животных. Как известно, подавляющее большинство этих заболеваний вызывают вирусы, известные как возбудители острых инфекций. Это лишний раз подчеркивает справедливость утверждения о том, что большинство вирусов в зависимости от условий заражения (или пребывания) способствует развитию в организме различных форм инфекционного процесса.

В связи с этим прионные болезни занимают особое положение, так как их возбудители не способны к столь выраженной универсальности, как у вирусов, и они (инфекционные прионные белки - PrP^Sc) не формируют и не поддерживают в организме иные процессы, кроме медленного и (как это было установлено уже давно и впоследствии неоднократно подтверждалось экспериментально) бессимптомного.

Отмеченная особенность, т.е. неспособность  вызывать острую форму инфекционного  процесса, по-видимому, обусловлена  особенностями самих возбудителей прионных болезней, так как уже давно обнаружено, что сам процесс накопления инфекционного прионного белка PrP^Sc в различных органах и тканях экспериментально зараженного лабораторного животного протекает весьма медленно. Можно полагать, что низкая скорость накопления инфекционного агента в данном случае обусловлена событиями, лежащими в основе механизма превращения клеточного прионного белка (PrP^C) в инфекционный прионный белок (PrP^Sc).

Собственно механизм накопления инфекционного  белка в зараженном организме сегодня точно неизвестен. Вместе с тем, исходя из определения, что это посттрансляционный процесс, очевидно, что инфекционный прионный белок вызывает в здоровом организме трансформацию нормального прионного белка в инфекционную форму за счет его (нормального белка) конформационных (т.е. пространственных) изменений. В этом случае речь идет об изменении третичной или даже четвертичной структуры исходного белка PrP^C. Таким образом, процесс накопления инфекционного прионного белка происходит не в результате синтеза в зараженном организме молекул PrP^Sc de novo, а вследствие конформационных изменений уже синтезированных перед этим нормальных молекул PrP^C под влиянием инфекционного прионного белка PrP^Sc (схема). Процесс накопления инфекционного прионного белка обусловлен прежде всего необходимостью контакта двух молекул. В результате под влиянием одной молекулы PrP^Sc происходит трансформация одной молекулы PrP^C в ее инфекционную форму PrP^Sc. Следующий этап, как видно на схеме, включает в себя уже наличие влияния двух молекул PrP^Sc, под воздействием которых образуются уже четыре молекулы PrP^Sc и т.д. Таким образом, как видно из приведенной схемы, процесс накопления инфекционного прионного белка носит лавинообразный характер.

Процесс накопления молекул инфекционного прионного белка

СТРУКТУРА ПРИОННЫХ БЕЛКОВ

Установленные необычные свойства возбудителей ТГЭ послужили основанием для выдвижения большого количества разнообразных теорий, пытающихся объяснить структуру и химическую природу этих агентов, многие из которых теперь имеют лишь историческое значение. Резкий скачок вперед в понимании природы возбудителей ТГЭ был сделан в результате разработок эффективных методов очистки и концентрации агента скрепи. Существенный вклад в разработку таких методов внесла группа Стенли Прузинера из Калифорнийского университета (США). Разработанная им многоступенчатая система очистки позволила получить препараты, очищенные в 100 – 1000 раз. На основании изучения высокоочищенных препаратов авторы пришли к выводу о том, что возбудитель скрепи является белком. Этот вывод был сделан в результате анализа инактивации агента при его обработке протеазой К, модификации при воздействии диэтилпирокарбонатом, додецилсульфатом натрия, гуанидинтиоцианатом, фенолом и мочевиной. Агент оставался устойчивым к обработке рядом реагентов, инактивирующих нуклеиновые кислоты, что указывало на их отсутствие в его составе. Изучение очищенного препарата возбудителя скрепи показало, что он обладает молекулярной массой около или меньше 50 000 Да.

Следует отметить, что представление  о прионной природе возбудителя  скрепи, выдвинутое С.Прузинером, оказалось  очень плодотворным и послужило  основанием для более детального распознавания природы возбудителей ТГЭ. В результате дальнейшей очистки приона было показано, что его основным компонентом является мажорный белок с молекулярной массой 27000 –  30000 Да, обозначаемый как РrР 27–30. Этот белок является составной частью скрепи-ассоциированных фибрилл, причем получены структурные и биохимические свидетельства того, что сборка этих фибрилл происходит in vivo, и изучены некоторые молекулярные механизмы их образования. По своей физико-химической характеристике РrР представляет собой сиалогликопротеин и является первым идентифицированным структурным компонентом приона скрепи. Появление РrР 27–30 на этапе развития инфекции до развития гистопатологических изменений указывало на то, что этот белок не является вторичным продуктом патологической реакции. Был сделан вывод о том, что РrР 27–30 играет центральную роль в патогенезе скрепи.

При дальнейшем изучении прионов, выделенных из головного мозга зараженных скрепи животных, было выявлено наличие в ЦНС частиц в виде стержней диаметром 10 – 20 нм и длиной 100 – 200 нм. Ультраструктурно они напоминали амилоид и, по-видимому, представляли собой полимерную форму приона скрепи; каждый стержень содержал около 1000 молекул приона. Был проанализирован аминокислотный состав PrP 27–30 и определена последовательность 15 аминокислотных остатков в его полипептидной цепи. В последующем из головного мозга зараженных скрепи хомяков был выделен мажорный белок с молекулярной массой 33–37 кДа, обозначенный как HaSp 33–37; его выделение проводилось без этапа обработки протеазами. Обработка HaSp 33–37 протеазой К приводила к получению продукта, электрофоретически неотличимого от РrР 27–30. Была определена последовательность 22 аминокислотных остатков HaSp 33–37. Авторы полагали, что HaSp 33–37 представляет собой интактную форму белка возбудителя скрепи. Были изучены также некоторые другие характеристики прионов скрепи и болезни Крейтцфельдта–Якоба. В частности, при изучении липосом было подтверждено предположение о том, что инфекционная частица скрепи содержит 2 молекулы PrP^Sc и показано наличие вставок в ген приона при семейных случаях болезни Крейтцфельдта–Якоба и синдрома Герстманна–Штреусслера–Шейнкера.

Важным шагом, имеющим как теоретическое, так и методическое значение, было получение антител при использовании в качестве антигенов высокоочищенных прионов скрепи. В сыворотках кроликов, иммунизированных РrР 27–30, определяли антитела, специфически реагирующие с РrР 27–30 и с несколькими белками с более низкой молекулярной массой, очевидно, имеющими общую антигенную детерминанту с РrР 27–30 или являющимися продуктами его расщепления. Полученные антисыворотки не взаимодействовали с соответствующими белками, выделенными из головного мозга нормальных незараженных животных. Используя полученную антисыворотку с пероксидазной меткой, удалось показать локализацию прионов в определенных отделах головного мозга зараженных животных. В соответствии с ранее полученными данными структуры, связанные с меченой антисывороткой, обладали характеристикой амилоидных бляшек. Получение и использование антисыворотки к синтетическому пептиду, соответствующему N-концевой части приона скрепи, позволили провести индикацию белка скрепи-ассоциированных фибрилл в головном мозге, селезенке и лимфатических узлах зараженных животных. При этом положительные результаты были получены на ранних этапах инкубационного периода скрепи.

Развитие представлений о прионной природе возбудителя скрепи позволило  сделать еще один решающий шаг  в познании природы этих необычных  агентов. В 1985 г. группе исследователей удалось выделить и охарактеризовать ген, кодирующий PrP 27–30. Оказалось, что этот ген содержится в ДНК, выделенной из мозга как скрепи-инфицированных, так и нормальных животных; соответственно м РНК для PrP^C была обнаружена в головном мозге и в других тканях как инфицированных скрепи, так и нормальных животных. Используя соответствующую антисыворотку, удалось показать, что в тканях незараженных животных содержится белок, антигенно родственный PrP 27–30, но отличающийся от него чувствительностью к обработке протеазой К. Были получены доказательства того, что PrP^C не кодируется гипотетической нуклеиновой кислотой агента. Эта точка зрения поддерживается в работах R.M.Ridley, H.F.Barker (1997). На основе этих данных были изучены биогенез и трансмембранная ориентация клеточной изоформы белка приона скрепи.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРИОНОВ

Физико-химические свойства прионных белков особенно интенсивно изучались  в последние годы, в результате чего были сформированы представления  и получены новые данные о первичной, вторичной и третичной структуре PrP. Так, при анализе первичной структуры PrP^C различных видов животных было выявлено, что 80% последовательностей PrP^C у разных видов животных были идентичными. Исключение составлял куриный PrP^C, где идентичность последовательностей по отношению к другим видам составляла всего 30%. Тем не менее 24 аминокислотные последовательности, располагающиеся между 112-м и 135-м аминокислотными остатками, являются высококонсервативными для всех видов млекопитающих, а также кур. В частности, было показано, что конверсия нормального прионного белка PrP^C в его инфекционную форму (PrP^Sc) является посттрансляционным процессом. Анализ вторичной структуры PrP^Sc выявил, что этот переход характеризуется большими структурными изменениями самого приона. Продемонстрировано, что PrP^C содержит 42% a-спиралей и почти не содержит b-тяжей (около 3%), в то время как в его инфекционной форме PrP^Sc выявляется 30% a-спиралей и 43% b-тяжей. В экспериментальных исследованиях было подтверждено, что обработка нормального PrP^C реагентами, уменьшающими образование b-тяжей, также приводит к уменьшению инфекционности приона; одновременно снижается и устойчивость к действию протеазы К, чувствительность к которой является маркером, отличающим PrP^C от PrP^Sc.

Проведенный сравнительный анализ показал, что конформационные различия между нормальным и инфекционным прионным белком заключаются в трехмерной конформации. Переход нормального PrP^C в его патологическую форму имеет в своей основе перестройку укладки белка. Корреляция изменений во вторичной структуре PrP с изменениями его инфекционности вместе с изменением конформации PrP дает основания заключить, что конформация прионного белка может иметь главное значение для проявления его патогенных свойств.

Были изучены некоторые закономерности перехода клеточной формы приона PrP^C в его инфекционную форму и выявлено, что эффективность этой конверсии определяется видовой гомологией PrP^C и PrP^Sc и, следовательно, в условиях гетерологичности обеих форм прионного белка эффективность конверсии снижается. Этим и объясняется механизм низкой инфекционности прионов в гетерологичной системе (например, животные – человек). Значение этой конверсии в развитии инфекционного процесса было подчеркнуто в экспериментальных исследованиях, показавших, что мыши, не экспрессирующие PrP^C, устойчивы к инфекции прионами.

В исследованиях in vitro, проведенных на модели агентов ТГЭ, также была установлена корреляция между эффективностью конверсии PrP^C в PrP^Sc и способностью к трансмиссии агентов скрепи, губкообразной энцефалопатии коров и болезни Крейтцфельдта – Якоба. Было продемонстрировано, что конверсия PrP^C в PrP^Sc в гетерологичной системе значительно снижена по сравнению с гомологичной системой. Авторы делают из своей сугубо экспериментальной работы практически важный вывод о том, что способность агентов скрепи и губкообразной энцефалопатии коров поражать людей после соответствующей экспозиции является ограниченной и низкой.

Таким образом, в результате разносторонних исследований, особенно интенсивно проводившихся в 90-е годы, были получены и систематизированы имеющие принципиальное значение данные о структуре и физико-химических свойствах прионных белков. Получение и анализ этих сведений создали необходимые предпосылки для дальнейшего углубленного изучения биологических особенностей прионных белков и механизма развития вызываемых ими заболеваний людей и животных.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРИОНОВ

В последние годы вопрос о биологическом  значении PrP^C был подвергнут ревизии. На мышах, гомозиготных по потере гена PrP^C, было показано, что эти животные после рождения росли нормальными, но спустя 70 нед у них развивались прогрессирующие симптомы атаксии, нарушалась моторная координация и отмечалась экстенсивная потеря клеток Пуркинье. Авторы сделали вывод о том, что PrP^C играет важную роль в выживании клеток Пуркинье. Помимо этого, указывается на роль PrP^C в регуляции циркадианных ритмов, на возможное участие PrP^C в активации лимфоцитов и на его роль в качестве трофического фактора для некоторых популяций нейронов. Сохранность PrP^C имеет значение для реализации нормальной функции синапсов. В последние годы опубликованы данные, свидетельствующие о роли PrP^C в регуляции сна и продемонстрировано значение нарушения нормальной функции PrP^C в возникновении смертельной семейной бессонницы. В исследованиях in vitro было также показано, что PrP^C вовлекается в процессы регуляции содержания внутриклеточного Са²⁺ в нейронах, Интенсивные исследования биологической роли PrP^C позволили прийти к заключению о значении нормального приона PrP^C в сохранении резистентности нейронов и астроцитов к окислительному стрессу.