Прионы

Гипотезы о  составе прионов

Согласно наиболее устоявшейся  точке зрения, прионы представляют собой чисто белковые инфекционные агенты. Однако у этой гипотезы («чисто белковой» гипотезы) имеются свои недостатки, в связи с чем появились и альтернативные мнения о сущности прионов. Все перечисленные гипотезы рассматриваются ниже.

«Чисто белковая»  гипотеза

До открытия прионов считалось, что все инфекционные агенты используют для размножения нуклеиновые  кислоты. «Чисто белковая» гипотеза постулирует, что белковая структура  может размножаться без участия  нуклеиновых кислот. Первоначально  считалось, что эта гипотеза противоречит центральной догме молекулярной биологии, согласно которой нуклеиновые кислоты служат единственным способом передачи наследственной информации, однако в настоящее время считается, что хотя прионы способны к переносу информации без участия нуклеиновых кислот, они неспособны передавать информацию на нуклеиновые кислоты.

Доказательства, говорящие  в пользу «чисто белковой» гипотезы:

• прионные заболевания не удалось достоверно связать ни с вирусными, ни с бактериальными, ни с грибковыми возбудителями, хотя у дрожжей Saccharomyces cerevisiae известны нелетальные прионы, например, Sup35p
• инфективность прионов, насколько известно, не связана с нуклеиновыми кислотами; прионы устойчивы к нуклеазам и ультрафиолетовому излучению, губительно сказывающихся на нуклеиновых кислотах;
• прионы не вызывают иммунного ответа;
• у организма, заражённого прионом от другого вида, не обнаруживается PrP^Sc с аминокислотной последовательностью приона вида-донора. Следовательно, репликации приона донора не происходит;
• в семьях с мутацией гена PrP имеют место наследственные прионные заболевания. У мышей с мутацией этого гена тоже развивается прионное заболевание, несмотря на жёсткий контроль условий содержания, исключающий заражение извне;
• животные, не имеющие белка PrP^C, не подвержены прионным заболеваниям.

Мультикомпонентная  гипотеза

Низкая инфекционность прионов, полученных из чистого белка in vitro привела  к появлению так называемой мультикомпонентной гипотезы, которая постулирует, что для образования инфекционного приона требуются другие молекулы-кофакторы.

В 2007 году биохимик Сурачай Супатапон и его коллеги из Дартмутского колледжа получили очищенные инфекционные прионы из PrP^C, соочищающихся липидов с белком и синтетической полианионной молекулы. Они также показали, что полианионная молекула, потребовавшаяся для образования приона, обладала высоким сродством к PrP и образовывала с ним комплексы. Это дало им основания предположить, что в состав инфекционного приона входит не только белок, но и другие молекулы организма, в том числе липиды и полианионные молекулы.

В 2010 году Ма Цзиянь с коллегами  из Университета штата Огайо получили инфекционный прион из синтезированного бактериальными клетками рекомбинантного PrP, фосфолипида POPG и РНК, что тоже подтверждает мультикомпонентную гипотезу. Напротив, в других экспериментах из одного только рекомбинантного PrP удалось получить только слабоинфективные прионы.

В 2012 году Supattapone и коллеги  выделили мембранный липид фосфатидилэтаноламин как эндогенный кофактор, который способен катализировать формирование большого количества рекомбинантных прионов различных штаммов без участия других молекул Они также сообщили, что этот кофактор необходим для поддержания инфекционной конформации PrP^Sc, а также определяет штаммовые свойства инфекционных прионов.

Вирусная гипотеза

«Чисто белковая» гипотеза встретила критику со стороны  тех, кто считает, что простейшим объяснением прионных заболеваний  является их вирусная природа. Более  десяти лет нейрогистолог Йельского университета Лаура Мануелидис пытается доказать, что прионные заболевания вызываются неизвестным медленным вирусом. В январе 2007 года она и её коллеги сообщили, что обнаружили вирус в 10 % (или менее) клеток, заражённых скрейпи в культуре.

Вирусная гипотеза утверждает, что ТГЭ вызываются способными к  репликации информационными молекулами (скорее всего, нуклеиновыми кислотами), связывающимися с PrP. Известны штаммы прионов при ТГЭ, в том числе губчатой энцефалопатии крупного рогатого скота и скрейпи, которые характеризуются специфическими биологическими свойствами, что, по мнению сторонников вирусной гипотезы, не объясняется «чисто белковой» гипотезой.

Доказательства, говорящие  в пользу вирусной гипотезы:

• вариации между штаммами: прионы различаются по инфективности, инкубационному периоду, симптоматике и скорости развития заболевания, что напоминает различия между вирусами, особенно РНК-содержащими вирусами (вирусы, содержщие РНК в качестве единственного наследственного материала);
• долгий инкубационный период и быстрое развитие симптомов прионных болезней напоминает лентивирусную инфекцию. Например, схожим образом протекает ВИЧ-индуцированный СПИД;
• в некоторых клетках линий, заражённых скрейпи или болезнью Крейтцфельдта — Якоба, были найдены вирусоподобные частицы, не состоящие из PrP.

Недавние исследования распространения  губчатой энцефалопатии крупного рогатого скота в бесклеточных системах и  в химических реакциях с очищенными компонентами чётко свидетельствуют против вирусной природы этого заболевания. Кроме того, против вирусной гипотезы говорит и вышеупомянутая работа Ма Цзияня.

 

 

 

 

Прионные заболевания

 

Препарат головного мозга  коровы, поражённой коровьим бешенством. В сером веществе образуются микроскопические полости, которые придают ткани  вид губки

Прионы вызывают нейродегенеративные  заболевания, так как образуют внеклеточные скопления в центральной нервной системе и формируют амилоидные бляшки, которые разрушают нормальную структуру ткани. Разрушение характеризуется образованием «дыр» (полостей) в ткани, и ткань принимает губчатую структуру из-за формирования вакуолей в нейронах. Другие наблюдаемые при этом гистологические изменения — астроглиоз (увеличение численности астроцитов из-за разрушения близлежащих нейронов) и отсутствие воспалительных реакций. Хотя инкубационный период прионных заболеваний, как правило, очень долог, после появления симптомов болезнь прогрессирует быстро, приводя к разрушению мозга и смерти. Проявляющимися при этом нейродегенеративными симптомами могут быть конвульсии, деменция, атаксия (расстройство координации движений), поведенческие и личностные изменения.

Все известные прионные заболевания, объединяемые под названием «трансмиссивные  губчатые энцефалопатии» (ТГЭ), неизлечимы и фатальны. Для мышей была разработана  специальная вакцина, возможно, это поможет разработать вакцину против прионных заболеваний и для человека. Кроме того, в 2006 году учёные заявили, что методами генной инженерии ими была получена корова, лишённая необходимого для образования прионов гена, то есть теоретически она обладает иммунитетом к ТГЭ. Этот вывод основан на результатах исследования, что мыши, лишённые прионного белка в нормальной форме, проявляли устойчивость к приону скрейпи.

Губчатая энцефалопатия крупного рогатого скота

Типичная заболевшая ГЭКРС  корова. Особенностью поздних стадий болезни является невозможность  встать на ноги.

Губкообразная энцефалопатия крупного рогатого скота, ГЭКРС, коровье бешенство— нейродегенеративная прионная болезнь, приводящая к необратимым, летальным изменениям в головном мозге зараженных животных, относится к группе трансмиссивных губчатых энцефалопатий. Вызывается прионом ГЭКРС (BovPrPSc, PrPbse). Инкубационный период от 30 месяцев до 8 лет. Передается при употреблении в пищу мяса больных животных, вызывает скрейпи у овец и болезнь Крейцфельда-Якоба (новый вариант, vCJD, nvCJD) у людей.

Впервые было зафиксировано  в Великобритании в 1986 году, изучение началось в 1970-ых.

 С конца 1980-х коровье бешенство было обнаружено у более чем 179 тыс. голов крупного рогатого скота в Великобритании. Также болезнь обнаружена у сотен коров в Ирландии, Франции, Португалии, Швейцарии, Испании, Германии. Регистрируются единичные случаи в других странах. Считается, что эпизоотия была вызвана скармливанием скоту мясо-костной муки, изготовленной из останков «инфицированных» животных, в частности, овец.Было выявлено более двух сотен смертей людей (на февраль 2009) от нового варианта болезни Крейцфельда-Якоба.

Считается, что  инфекционным агентом ГЭКРС является специфический тип неверно свернувшегося  белка, называемый прион. Подобные прионные белки распространяют болезнь между особями и вызывают деградацию мозга. ГЭКРС является Трансмиссивной губчатой энцефалопатией. Такие болезни могут возникать у животных, несущих аномальную аллель, которая вызывает искажение первоначально нормальных белков из альфа-спирального состояния в складчатый бета-лист, который является формой данного белка, вызывающей болезнь. Передача агента может происходить, когда здоровое животное подвергается контакту с зараженными тканями. В мозге данные белки вызывают деформацию обычного клеточного белка в инфекционное состояние, которое затем продолжает деформацию белков в прионы по цепной реакции. Деформированные прионные белки образуют агрегаты белков, затем они объединяются в плотные плоские волокна и приводят к появлению микроскопических «дырок» в головном мозге, вырождению физических и умственных способностей, и в конечном итоге к гибели.

Существуют различные  гипотезы о происхождении прионовых  белков у крупного рогатого скота. Две наиболее распространенные гипотезы: межвидовое заражение от овец (больных скрейпи, также известной как почесуха) и спонтанные появления прионных форм белка у крупного рогатого скота, происходящие в течение многих веков. Похожие симптомы описывал еще Публий Флавий Вегеций Ренат в 4-5 веках н.э. Британское правительство считает, что причина была не в скрейпи, как первоначально заявлялось, а в каком-то событии в 1970-х годах, которое невозможно точно определить.

 

 

 

 

 

 

Кyру (хохочущая смерть)

Зарегистрированный в одном из племен Папуа Новой Гвинеи, возник в результате употребления в пищу мозга умерших соплеменников во время ритуального каннибализма. Инкубационный период данного заболевания составляет около 8,5 лет. Болезнь Крейтцфельдта-Якоба (БКЯ) возникает первично как спорадическое заболевание или в результате случайного инфицирования. Генетическая предрасположенность к этой болезни наблюдается у 1 человека из миллиона. Синдром Герстманна-Штреусслера - -Шейнкера (СГШШ) и фатальная семейная инсомния (ФСИ) являются доминантно наследуемыми прионными болезнями, связанными с мутациями прионного гена. Эти две группы заболеваний составляют не более 10% от числа всех наблюдений прионных болезней. Обнаружено более 20 мутаций гена, кодирующего прионный белок, достоверно связанных с наследственными прионными болезнями. Начало заболевания, его длительность, интенсивность, клинические и патоморфологические особенности связаны с характером произошедших мутаций.

Симптомами прионных заболеваний являются депрессии, сонливость, утрата профессиональных навыков, нарушения  двигательной системы, атрофия мышц, затрудненное глотание, параличи, самым  главным признаком болезни является очень быстрая деградация личности.

Характерным морфологическим  признаком прионных энцефалопатий  является наличие прион-протеиновых  бляшек, которые обычно видны как  округленные эозинофильные структуры. Изучение структуры и топографии прионных бляшек имеет большое как  теоретическое, так и практическое значение. Количество, локализация  и даже микроскопические признаки бляшек варьируют при различных формах и типах прионных энцефалопатий. Такие бляшки характерны для болезни  Куру. Реже они встречаются при  спорадической и семейной болезни  Крейтцфельда-Якоба, но очень часто (более 70%) — при ее новой форме, вызванной коровьим бешенством. В  единичных наблюдениях их описывают при семейной фатальной бессоннице. Следует отметить, что ткани погибших от прионных болезней остаются контагиозными даже после их фиксации формалином.

Диагностическое значение имеет ЭЭГ, при компьютерной томографии головного мозга может определяться корковая атрофия. При магнитно-резонансной  томографии иногда выявляются гиперинтенсивные сигналы в проекции базальных  ганглиев или таламуса, при позитронной  эмиссионной спектроскопии –  региональное снижение метаболизма  глюкозы, коррелирующее с патоморфологическими изменениями. Патологические белки 26 и 29 к D А и нейрональная специфическая энолаза считаются маркерами прионных болезней. Еще недавно кроме биопсии мозга с последующим исследованием биоптата на наличие прионного белка не существовало специфической диагностики прионных заболеваний. Сейчас разработаны методы прижизненной детекции этой группы заболеваний. Среди них иммунологический анализ с использованием антител к аномальным прионам. Образцы тканей берут из спинномозговой жидкости или делая срез ткани с гланд.

Пути возникновения

Считается, что прионное заболевание может быть приобретено 3 путями: в случае прямого заражения, наследственно или спорадически (спонтанно). В некоторых случаях  для развития болезни требуется  комбинация этих факторов. Например, для  развития скрейпи необходимо как  заражение, так и определённая генотипом  чувствительность. В большинстве  случаев прионные заболевания возникают  спонтанно по невыясненным причинам. На долю наследственных заболеваний приходится около 15 % всех случаев. Наконец, меньшинство являются результатом действия окружающей среды, то есть имеют ятрогенную природу или появляются в результате прионного заражения.

Спонтанное возникновение

Спорадическая (то есть спонтанная) прионная болезнь возникает в  популяции у случайной особи. Таков, например, классический вариант  болезни Крейтцфельдта — Якоба. Существуют две основные гипотезы относительно спонтанного появления прионных болезней. Согласно первой из них спонтанное изменение происходит в самом доселе нормальном белке в мозге, то есть имеет место посттрансляционная модификация. Альтернативная гипотеза гласит, что одна или несколько клеток организма в какой-то момент претерпевают соматическую мутацию (то есть не передающуюся наследственно) и начинают производить дефектный белок PrP^Sc. Как бы то ни было, конкретный механизм спонтанного возникновения прионных болезней неизвестен.