Прионы

                      Прионы

 

 

Прионы
Гистологический препарат —  ткань лобной доли головного мозга  больного болезнью Крейтцфельдта — Якоба
МКБ-10	A81
МКБ-9	046

 

Прио́ны (англ. prion от protein — «белок» и infection — «инфекция», слово предложено в 1982 году Стенли Прузинером) — особый класс инфекционных агентов, представленных белками с аномальной третичной структурой и не содержащих нуклеиновых кислот.

Прионы не являются живыми организмами, но они могут размножаться, используя функции живых клеток (в этом отношении прионы схожи с вирусами). Прион — это белок с аномальной трёхмерной (третичной) структурой, способный катализировать конформационное превращение гомологичного ему нормального клеточного белка в себе подобный (прион). Как правило, при переходе белка в прионное состояние его α-спирали превращаются в β-слои. Появившиеся в результате такого перехода прионы могут в свою очередь перестраивать новые молекулы белка; таким образом, запускается цепная реакция, в ходе которой образуется огромное количество неправильно свёрнутых молекул. Прионы — единственные известные инфекционные агенты, размножение которых происходит без участия нуклеиновых кислот.

Все известные прионы вызывают формирование амилоидов — белковых агрегатов, включающих плотно упакованные β-слои. Амилоиды представляют собой фибриллы, растущие на концах, а разлом фибриллы приводит к появлению четырёх растущих концов. Инкубационный период прионного заболевания определяется скоростью экспоненциального роста количества прионов, а она, в свою очередь, зависит от скорости линейного роста и фрагментации агрегатов (фибрилл). Для размножения приона необходимо исходное наличие нормально уложенного клеточного прионного белка; организмы, у которых отсутствует нормальная форма прионного белка, не страдают прионными заболеваниями.

Прионная форма белка  чрезвычайно стабильна и накапливается  в поражённой ткани, вызывая её повреждение и, в конечном счёте, отмирание. Стабильность прионной формы означает, что прионы устойчивы к денатурации под действием химических и физических агентов, поэтому уничтожить эти частицы или сдержать их рост тяжело. Прионы существуют в нескольких формах — штаммах, каждый со слегка отличной структурой.

Прионы вызывают заболевания — трансмиссивные губчатые энцефалопатии (ТГЭ) у различных млекопитающих, в том числе губчатую энцефалопатию крупного рогатого скота («коровье бешенство»). У человека прионы вызывают болезнь Крейтцфельдта — Якоба, вариант болезни Крейтцфельдта — Якоба (vCJD), синдром Герстмана — Штраусслера — Шейнкера, фатальную семейную бессонницу и куру. Все известные прионные заболевания поражают головной мозг и другие нервные ткани, в настоящее время неизлечимы и в конечном итоге смертельны.

Все известные прионные заболевания  млекопитающих вызываются белком PrP. Его форма с нормальной третичной структурой называется PrP^C (от англ. common — обычный или cellular — клеточный), а инфекционная, аномальная форма называется PrP^Sc (от англ. scrapie — почесуха овец (скрейпи), одно из первых заболеваний с установленной прионной природой или PrP^TSE (от англ. Transmissible Spongiform Encephalopathies).

Белки, образующие прионы, обнаружены и у некоторых грибов. Большинство прионов грибов не имеют заметного отрицательного влияния на выживаемость, но до сих пор идёт дискуссия о роли грибных прионов в физиологии организма-хозяина и роли в эволюции. Выяснение механизмов размножения прионов грибов оказалось важным для понимания аналогичных процессов у млекопитающих.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

История

Описание прионных заболеваний

 

Ганс Герхард Крейтцфельдт (1885—1964)

Первая открытая трансмиссивная губчатая энцефалопатия — почесуха овец (скрейпи). Первые её случаи были отмечены в Великобритании в 1700-х годах. При этом заболевании овцы страдали от сильнейшего зуда, из-за чего животным приходилось непрерывно тереться (англ. scrape) о деревья, откуда и пошло название болезни. Кроме этого, овцы испытывали боль при движении ногами и страдали от сильнейших припадков. Все эти симптомы являются классическими признаками повреждения мозга, и эта странная болезнь вводила учёных в заблуждение. Гораздо позже, в 1967 году, Чандлер (англ. Chandler) установил, что скрейпи могут болеть и мыши, что, несомненно, было прогрессом в изучении этого заболевания.

В двадцатом веке были описаны  и прионные заболевания человека. В 1920-х годах Ганс Герхард Крейтцфельдт и Альфонс Мария Якоб исследовали новое неизлечимое заболевание нервной системы человека, главным признаком которого было образование полостей в ткани мозга. Впоследствии эта болезнь была названа их именем.

В 1957 году Карлтон Гайдушек и Винсент Зигас описали нейрологический синдром, распространённый у народа форе, живущего в высокогорьях Папуа-Новой Гвинеи. Эта болезнь характеризовалась тремором, атаксией, на ранних стадиях — атетоидными движениями. К этим симптомам впоследствии прибавлялась слабость, деменция, болезнь неизбежно заканчивалась летальным исходом. На языке форе эта болезнь называется «куру», что в переводе означает «дрожь» или «порча»; под этим названием эта болезнь известна и сегодня. Оказалось, что причиной распространения куру был нередкий среди форе ритуальный каннибализм. В ходе религиозных ритуалов они поедали органы убитых родичей. Мозг при этом ели дети, поскольку считалось, что от него у детей «прибавлялось ума». Инкубационный период заболевания может составлять до 50 лет, однако у девушек, особенно подверженных куру, он может составлять всего лишь четыре года или менее. За открытие инфекционного характера болезни куру Карлтон Гайдушек был удостоен Нобелевской премии по физиологии или медицине в 1976 году.

Развитие представлений  о прионах

 

Стенли Прузинер (р. 1942) — первооткрыватель прионов

В 1960-х годах в Лондоне два исследователя, радиобиолог Тивах Альпер (англ. Tikvah Alper) и математик Джон Стенли Гриффит, выдвинули гипотезу, что некоторые трансмиссивные губчатые энцефалопатии вызываются патогенами, состоящими исключительно из белков. Альпер и Гриффит таким образом пытались объяснить тот факт, что таинственный инфекционный агент, вызывающий почесуху овец и болезнь Крейтцфельдта — Якоба, очень устойчив к ионизирующему излучению. Доза радиации, необходимая для уничтожения половины частиц инфекционного агента, зависит от их размера: чем меньше такая частица, тем меньше вероятность попадания в неё заряженной частицы. Так и было установлено, что прион слишком мал для вируса.

Фрэнсис Крик признал важность белковой гипотезы Гриффита для объяснения распространения почесухи овец во втором издании «Центральной догмы молекулярной биологии» (1970). Хотя Крик отстаивал точку зрения, что поток информации от белка к белку или от белка к ДНК или РНК невозможен, он заметил, что гипотеза Гриффита содержала возможное тому противоречие ,Позже он сформулировал свою уточнённую гипотезу с учётом существования обратной транскрипции, открытой в 1970 году Дейвидом Балтимором и Хоуардом Теминым.

В 1982 году Стенли Прузинер из Калифорнийского университета в Сан-Франциско сообщил, что его группа выделила гипотетический инфекционный агент (прион) и что он состоит в основном из одного белка (хотя они изолировали этот белок только через два года после сообщения Прузинера).За свои исследования в области прионов Прузинер в 1997 году был удостоен Нобелевской премии по физиологии или медицине.

Структура.

Изоформы

 

Структура 23-230 аминокислот  белка, образующего прион, приводящий к губчатой энцефалопатии крупного рогатого скота

Белок, из которого состоят  прионы (PrP), можно найти во всех частях тела у здоровых людей и животных. Однако в поражённых тканях присутствует PrP, имеющий аномальную структуру  и устойчивый к протеазам (ферментам, гидролизующим белки). Как сказано выше, нормальная форма называется PrP^C, а инфекционная — PrP^Sc.При определённых условиях можно достичь сворачивания более или менее структурированных изоформ PrP in vitro, которые способны к заражению здоровых организмов, хотя и с меньшей степенью эффективности, чем выделенный из больных организмов.

PrP^C

PrP^C — нормальный мембранный белок млекопитающих, который у человека кодируется геном PRNP. мРНК PRNP человека кодирует полипептид длиной 253 аминокислотных остатка, который в процессе созревания укорачивается клеточными ферментами. Зрелая форма PrP состоит из 208 аминокислотных остатков и имеет молекулярную массу 35—36 кДа. Помимо ограниченного протеолиза, PrP подвергается и другим посттрансляционным модификациям: N-гликозилированию по положениям Asn-181 и Asn-197, присоединению гликозилфосфатидилинозитола к Ser-230 и образованию дисульфидной связи между Cys-179 и Cys-214. Аминокислотные остатки, вовлечённые во все перечисленные посттрасляционные модификации, высоко консервативны у млекопитающих.

В пространственной структуре PrP выделяют неструктурированный N-концевой участок (а. о. 23—125 у человека) и глобулярный домен (а. о. 126—231), состоящий из трёх α-спиралей и двухцепочечного антипараллельного β-листа.

Известно несколько топологических форм PrP по отношению к мембране: две трансмембранные и одна закреплённая на мембране гликолипидным якорем.

Образование PrP^C происходит в ЭПР, дальнейшее созревание — в комплексе Гольджи, откуда он при помощи мембранных везикул доставляется к плазматической мембране. После этого он либо закрепляется на мембране после разрушения эндосомы, либо же подвергается эндоцитозу и разрушается в лизосомах.

В отличие от нормальной, растворимой формы белка, прионы осаждаются высокоскоростным центрифугированием, что является стандартным тестом на наличие прионов. PrP^C обладает высоким сродством к катионам двухвалентной меди. Значение этого факта неясно, но, возможно, это имеет какое-то отношение к его структуре или функциям. Есть данные, что PrP играет важную роль в прикреплении клеток, передаче внутриклеточных сигналов, а потому может быть вовлечён в коммуникацию клеток мозга. Тем не менее, функции PrP исследованы недостаточно.

PrP^Sc

Инфекционная изоформа PrP — PrP^Sc — способна превращать нормальный белок PrP^C в инфекционную изоформу, изменяя его конформацию (то есть третичную структуру); это, в свою очередь, изменяет взаимодействия PrP с другими белками. Хотя точная пространственная структура PrP^Sc неизвестна, установлено, что в ней вместо α-спиралей преобладают β-слои. Такие ненормальные изоформы объединяются в высокоструктурированные амилоидные волокна, которые, скапливаясь, формируют бляшки. Неясно, являются ли эти образования причиной повреждения клеток или всего лишь побочным продуктом патологического процесса. Конец каждого волокна служит своего рода затравкой, к которой могут прикрепляться свободные белковые молекулы, в результате чего фибрилла растёт. В большинстве случаев присоединяться могут только молекулы PrP идентичные по первичной структуре PrP^Sc (поэтому обычно передача прионов видоспецифична). Однако, возможны и случаи межвидовой передачи прионов.

Механизм размножения  прионов

 

Гетеродимерная модель размножения  прионов

 

Фибриллярная модель размножения  прионов

Первой гипотезой, объясняющей  размножение прионов без участия  других молекул, в частности нуклеиновых  кислот, была гетеродимерная модель. Согласно этой гипотезе, одна молекула PrP^Sc присоединяется к одной молекуле PrP^C и катализирует её переход в прионную форму. Две молекулы PrP^Sc после этого расходятся и продолжают превращать другие PrP^C в PrP^Sc. Однако модель размножения (репликации) прионов должна объяснять не только механизм размножения прионов, но и то, почему спонтанное появление прионов столь редко. Манфред Эйген (лат. Manfred Eigen) показал, что гетеродимерная модель требует, чтобы PrP^Sc был фантастически эффективным катализатором: он должен повышать частоту обращения нормального белка в прионную форму в 10¹⁵ раз. Такой проблемы не возникает, если допустить, что PrP^Sc существует только в агрегированной (например, амилоидной) форме, где кооперативность выступает как барьер для спонтанного перехода в прионную форму. Вдобавок к этому, несмотря на приложенные усилия, выделить мономерный PrP^Sc так и не удалось.

Альтернативная фибриллярная модель предполагает, что PrP^Sc существует только в виде фибрилл, при этом концы фибрилл связывают PrP^С, где он превращается в PrP^Sc. Если бы это было только так, то численность прионов возрастала бы линейно. Однако по мере развития прионного заболевания наблюдается экспоненциальный рост количества PrP^Sc и общей концентрации инфекционных частиц. Это можно объяснить, если принять во внимание разлом фибрилл. В организме разламывание фибрилл осуществляется белками-шаперонами, которые обычно помогают очистить клетку от аггрегированных белков.

Скорость экспоненциального  роста числа инфекционных частиц прионов в значительной мере определяется величиной квадратного корня из концентрации PrP^Sc. Продолжительность инкубационного периода определяется скоростью экспоненциального роста, и это подтверждается исследованиями in vivo на трансгенных мышах. Такая же коренная зависимость наблюдается в экспериментах с различными амилоидными белками in vitro.

Механизм репликации прионов  имеет значение для разработки лекарств. Поскольку инкубационный период прионных заболеваний чрезвычайно  долог, эффективному лекарству вовсе  необязательно уничтожить все прионы, достаточно лишь снизить скорость экспоненциального  роста их количества. Моделирование  предсказывает, что самым эффективным  препаратом был бы такой, который  связывается с концами фибрилл  и блокирует их рост.

Функции PrP

Одним из объяснений нейродегенерации, вызываемой прионами, может быть нарушение  функционирования PrP. Однако нормальная функция этого белка изучена  плохо. Данные in vitro указывают на множество разнообразных ролей, а эксперименты на мышах, «нокаутных» по этому гену, дали относительно немного информации, поскольку у этих животных наблюдались лишь малые отклонения от нормы. Недавние исследования, проведённые на мышах, показали, что расщепление PrP в периферических нервах активирует восстановление их миелинового слоя шванновскими клетками и что отсутствие PrP приводит к демиелинизации нервов.

В 2005 году было выдвинуто  предположение, что в норме PrP играет роль в поддержании долговременной памяти. Кроме того, у мышей, лишённых гена Prnp, наблюдается изменённая гиппокампальная долговременная потенциация.

В 2006 году учёные из Института  биомедицинских исследований Уайтхед  показали, что экспрессия гена Prnp в гемопоэтических стволовых клетках необходима для самоподдержания костного мозга. В исследовании было выявлено, что долгоживущие гемопоэтические стволовые клетки несут PrP на клеточной мембране, а кроветворные ткани со стволовыми клетками, лишёнными PrP, имеют большую чувствительность к клеточному истощению.