Во время спячки некоторые связи между нервными клетками разрушаются, а затем полностью восстанавливаются, когда приходит время возвращаться к активному образу жизни. Белок RBM3, который обеспечивает восстановление связей между нервными клетками после спячки, помогает и в борьбе с нейродегенеративными заболеваниями, замедляя скорость разрушения нейронов, улучшая память и продлевая жизнь подопытным животным.
Спячка — удивительное состояние организма, в котором замедлены процессы обмена веществ, снижена потребность в питательных веществах и повышена устойчивость к заболеваниям . Кроме того, спячка влияет на состояние мозга животного — под действием холода нейроны изменяют форму, а количество связей между ними уменьшается . По-видимому, это связано с необходимостью экономить энергию, ведь поддержание синапсов «дорого» обходится организму. Этот эффект обратим — при повышении температуры структура связей между нейронами восстанавливается. В похожее на спячку состояние можно ввести и многих животных, которые в природе в нее не впадают. Как правило, для этого важны не только охлаждение, но и темнота, а также отсутствие питания.
Недавно был открыт новый способ введения животных в спячку — для этого применяют инъекции аденозин-5’-монофосфата (5’-AMP) . Большое количество этих молекул «говорит» организму о том, что у него недостаточно питания, и при этом даже животные, для которых в природе спячка не характерна, могут войти в подобное ей состояние. Температура их тела снижается, поэтому такую искусственную спячку называют гипотермией. На гипотермию, вызванную 5’-AMP, возлагаются большие надежды, так как она могла бы стать идеальным наркозом во время операций, а также могла бы пригодиться в будущем во время долгих космических перелетов . Кроме того, у гипотермии обнаружили полезный нейропротективный эффект, связанный с необходимостью быстро восстанавливать нейронные связи после спячки. Оказывается, этот эффект может пригодиться и в борьбе с заболеваниями нервной системы.
Группа ученых из Англии искусственным образом вводила мышей в состояние гипотермии, понижая их температуру тела до 16–18 °C . Так же, как и в обычной спячке, связи между нейронами (синапсы) мышей перестраивались, а с повышением температуры возвращались к обычной структуре. Способность синапсов к таким обратимым перестройкам — пластичность — постепенно исчезала у животных с заболеваниями нервной системы (в экспериментах использовалась мышиная модель болезни Альцгеймера, а также мыши, зараженные прионным заболеванием, при котором в мозге накапливаются белковые агрегаты, нарушающие его функционирование). Чем дольше животное страдало от болезни, тем хуже восстанавливались его нервные связи после гипотермии. Ученые решили выяснить, в чем причина нарушения пластичности при этих заболеваниях нервной системы и можно ли вернуть ее больным животным.
Рисунок 1. Уменьшение числа синапсов при охлаждении и восстановление их числа после нормализации температуры тела. Желтым выделены пресинаптические компартменты, а зеленым — постсинаптические. Там, где соприкасаются желтая и зеленая структуры, находится синапс — место контакта нейронов. Масштабная линейка — 1 микрометр. Рисунок из .
При охлаждении организма процессы синтеза в нем подавляются. Однако есть и исключения — к примеру, белок холодового шока RBM3 (RNA-binding motif protein 3), синтез которого с уменьшением температуры, наоборот, усиливается. Количество этого белка увеличивалось при охлаждении и у здоровых мышей, и у мышей с начальными проявлениями болезни. Однако с развитием заболеваний нервной системы мыши постепенно теряли способность усиливать наработку этого белка при снижении температуры. А вскоре после этого пластичность их нейронов ухудшалась (то есть разрушенные при охлаждении связи между нервными клетками больше не восстанавливались с повышением температуры). Ученые решили проверить, не обеспечивает ли именно белок RBM3 способность восстанавливать структуру нейронных связей. Уже было известно, что он может защищать нейроны от гибели, а также усиливать синтез белков . Может быть, он способен улучшить процессы регенерации при заболеваниях нервной системы? Чтобы проверить это, ученые решили с помощью холода активировать синтез этого белка у мышей, у которых только началось развитие заболеваний нервной системы и которые пока не утратили способность реагировать увеличением синтеза этого белка на снижение температуры.
Оказалось, что однократное охлаждение мышей на начальных стадиях болезни до 16–18 °C в течение 45 мин. усиливает синтез белка RBM3, и его уровень поддерживается достаточно высоким еще около трех дней после такой процедуры. А если провести два охлаждения с интервалом в неделю, уровень RBM3 сохраняется высоким до шести недель. Пока у животных поддерживался высокий уровень этого белка, связи между их нейронами не разрушались с такой скоростью, как это обычно происходит у животных, зараженных прионами или страдающих от «мышиной версии» болезни Альцгеймера. Пока уровень белка RBM3 был повышен, синаптическая передача у больных животных восстанавливалась, а нарушения поведения и памяти откладывались. Кроме того, мыши, зараженные прионами, жили дольше, если их подвергали таким охлаждениям (было зафиксировано увеличение продолжительности жизни до полутора раз). Однако если мышей погружали в гипотермию на более поздних стадиях развития заболевания, когда уровень RBM3 уже не «откликался» на охлаждение, состояние больных мышей не улучшалось. Если с помощью РНК-интерференции «отключали» ген Rbm3 у больных мышей, охлаждение даже на ранних стадиях заболевания больше не помогало облегчить симптомы болезни. Таким образом, положительные эффекты холода на течение болезней нервной системы обеспечивались именно повышением уровня белка RBM3 в нервных клетках. Чтобы проверить это напрямую, исследователи вводили в гиппокамп мышей дополнительные копии гена Rbm3, что позволяло увеличить наработку этого белка и без гипотермии. Оказалось, что увеличения концентрации RBM3 в клетках достаточно, чтобы воспроизвести нейропротективный эффект спячки и улучшить состояние животных с заболеваниями нервной системы.
Негативные эффекты прионных заболеваний и болезни Альцгеймера связаны в том числе и с утратой синапсов*. Она объясняется, по крайней мере отчасти, нарушениями процесса восстановления синапсов, который может быть полезен не только для того, чтобы «приходить в себя» после спячки, но и для того, чтобы бороться с заболеваниями нервной системы. Теперь мы знаем, что белок RBM3 может помочь восстановлению синапсов и при нейродегенеративных заболеваниях. Дальнейшие исследования природных восстановительных способностей живых организмов могут принести нам еще много важных и полезных открытий.
* — О нарушениях синаптической передачи при похожем, но лучше изученном, нейродегенеративном недуге — болезни Хантингтона — читайте в статье «Как спасти Тринадцатую? (Перспективы лечения болезни Хантингтона)» . Кстати: белки-антифризы, которые не дают воде в клетках замерзнуть, — это тоже тема: «Установлен механизм действия «белков-антифризов”» . — Ред.
Содержание
Литература
Что такое старческое слабоумие? Плата ли это за неестественно долгую жизнь в условиях современной цивилизации? Или болезнь Альцгеймера – такой же заразный недуг, как коровье бешенство? Профессор Адриано Агуцци — один из тех людей, чей труд когда-нибудь поможет пролить свет на эти волнующие всех вопросы. Герой очередного выпуска программы «Идеи, меняющие мир» (совместный проект телекомпании «Очевидное — невероятное» и телеканала «Россия 24») — эксперт мирового уровня по прионам, пока еще малоизученным инфекционным белкам, которые вызывают необратимые дегенеративные изменения в мозге. Ученый уверен, что, наблюдая разрушительный механизм их действия, люди когда-нибудь обязательно откроют секрет интеллектуально продуктивной старости.
Название видео
«Рита Леви-Монтальчини, которая умерла год назад в возрасте 103 лет, была блестящим ученым до последних дней. Когда я с ней обсуждал науку, ей было 100 лет и она была так же свежа, как и вы», – вспоминая великую коллегу-нейробиолога, герой «Идей» элегантно делает комплимент своей собеседнице, автору и ведущей Эвелине Закамской. «Микеланджело делал роспись Сикстинской капеллы, когда ему было за 60. Астронавт Джон Гленн полетел в космос в 77 лет. Я думаю, что болезнь Альцгеймера и прионные заболевания – это именно недуги, а не просто следствия старческого возраста», – говорит ученый в кадре «Идей».
Профессор Адриано Агуцци возглавляет Институт невропатологии на базе старейшей и самой крупной швейцарской больницы – Университетской клиники Цюриха. Кабинет авторитетного ученого оказался настолько аскетичен и скромен по площади, что для записи интервью нашей съемочной группе пришлось выбрать место на балконе клиники. Живописный вид: Цюрихское озеро, зеленые склоны окружающих гор, один из самых космополитичных городов мира. «Наука была глобальной до того, как экономика стала глобальной», – как-то сказал наш герой в одном из интервью. И сам профессор представляет собой живое воплощение этой идеи: итальянец, который работал в Австрии, Германии, США и в Швейцарии; и коллектив, который он возглавляет, тоже интернационален.
Почему «размягчается» мозг?
Швейцарский пейзаж часто используется в рекламе как идеальная пасторальная картинка: цветущие луга, пышущие здоровьем тучные буренки с традиционными колокольчиками. Корова – один из общеизвестных символов Швейцарии. Между тем в 1990-х гг. эта страна попала в число тех европейских государств, где разыгралась настоящая сельскохозяйственная и человеческая трагедия. Хотя Россию она тогда обошла стороной, все мы ее помним под именем эпидемии коровьего бешенства, она же – трансмиссивная губкообразная энцефалопатия крупного рогатого скота.
Все началось с того, что в 1986 г. в Великобритании были зарегистрированы первые случаи странной болезни. У животных наблюдались проблемы с координацией, они становились пугливыми и агрессивными, теряли вес, наконец, у них отказывали ноги и они гибли. При вскрытии выяснялось, что в организме отсутствуют признаки инфекционного воспаления, зато срезы тканей мозга под микроскопом напоминают кружево, а сам он на вид похож на губку, – отсюда и название. На тот момент подобные признаки в ветеринарии не были уникальными: учеными были описаны подобные смертельные и инфекционные заболевания у овец, коз, диких и домашних оленей, норок, лошадей.
В последующие годы эпидемия (а точнее эпизоотия) стремительно распространялась по всем графствам Англии. Он достигла пика в 1992 г., перекинулась на европейский континент, затухала долгие годы, затронула в общей сложности 40 стран и стоила жизни миллионам животных. Пострадали даже дикие копытные виды в зоопарках. В самой Великобритании пришлось превентивно уничтожить весь крупный рогатый скот, страна из экспортера превратилась в импортера мяса, а в странах Европы на ликвидацию последствий в общей сложности ушли сотни миллиардов евро. Но не это было самым страшным. Люди не сразу обнаружили, что эпидемия представляет смертельную опасность для них самих.
Об инфекционном характере некоторых подобных болезней с губчатым поражением различных участков мозга было известно уже давно: для овец заразность подтвердили в лаборатории еще в конце XIX в. Человеческих фатальных недугов с прогрессирующим разрушением клеток мозга и испещрением содержимого головы по типу губки на тот момент было зафиксировано уже четыре. «Это страшные заболевания, но, к счастью, они встречаются не так часто», – успокоил нас Адриано Агуцци. Известная с 1920 г. болезнь Крейтцфельдта — Якоба, спастический псевдосклероз, сначала считалась спонтанно возникающим заболеванием у пожилых людей (один-два случая на 1 млн населения), но к концу 1960-х гг. удалось доказать, что она может быть инфекционной. Со временем подтвердили, что, спонтанно возникая у одного индивида, болезнь может передаваться другим через медицинские препараты и манипуляции с пищей. Для еще одной – куру, болезни гвинейских аборигенов, – еще за четверть века до этого был твердо установлен алиментарный способ передачи через ритуальный каннибализм (поедание умерших). Американский ученый Дэниел Карлтон Гайдушек, который исследовал жизнь племен, сумел в лабораторных условиях передать куру шимпанзе и доказал ее инфекционный характер, получив за это Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1976 г. Когда аборигенам запретили поедать предков, эта болезнь пошла на убыль.
Возбудитель, правда, не был установлен, и медицинский мир долгое время полагал, что виновниками подобных частично схожих по симптоматике заболеваний человека и животных выступают некие вирусы. Для губкообразных энцефалопатий характерен чрезвычайно долгий инкубационный период (до 10-30 лет и более), поэтому в ученых кругах десятилетиями именовали предполагаемых возбудителей «медленными вирусами». Однако в 1970-х гг. обнаружилась феноменальная жизнестойкость этих загадочных инфекционных агентов: с ними не могли справиться ни ультрафиолет, ни ионизация, ни микроволновое излучение, ни стерилизация в автоклаве. «В отличие от всех известных вирусов они не разрушались под воздействием 120 и даже 400 градусов сухого тепла. Это было очень странно. Ученые много экспериментировали, пытаясь идентифицировать нуклеиновые кислоты, но и это не дало результата, что стало большим сюрпризом, поскольку вся жизнь на Земле закодирована в нуклеиновых кислотах — ДНК и РНК. В тот момент казалось немыслимым, что инфекционный агент может воспроизводить сам себя без какой-либо генетической информации!» – пытается передать удивление своих предшественников профессор Агуцци.
Что же это за невидимка? Загадочный киллер оказался… протеином, т.е. обычным по составу белком, правда, с аномальной пространственной структурой молекулы.
Стейк-убийца
Минувшей весной, когда «Идеи, меняющие мир» с участием Адриано Агуцци уже были смонтированы и готовились к выходу в эфир, профессор приехал в Москву. Он прочитал на биологическом факультете МГУ открытую лекцию, посвященную прионным болезням млекопитающих. На факультетской страничке в сети Facebook есть фотоотчет об этом мероприятии. Для интересующихся темой прионов это был уникальный шанс: ведущий мировой эксперт в области молекулярной биологии был доступен для любых узкоспециальных вопросов.
Впрочем, для широкой аудитории неспециалистов профессор изложил суть современных знаний о прионах гораздо более доступным языком в нашей телепрограмме. Прион – это комбинация слов «протеин» и «инфекция» (PRION – PRotein Infectivity ONly). Первым этого до сих пор неуловимого виновника дегенеративных процессов идентифицировал в 1982 г. невролог из Сан-Франциско Стенли Прузинер. Его гипотеза об инфекционном белке-убийце грозила перевернуть многие догмы в области физиологии и медицины, и потому многие сначала восприняли его идею в штыки (в том числе и исследователь куру вирусолог Гайдушек). Свою Нобелевскую премию по медицине Прузинер получил лишь через 15 лет после эпохального открытия.
«Как белок может воспроизводить себя без генетической информации? Сейчас это уже хорошо изучено. Оказывается, в нашем организме существует еще один белок, и это нормальный внутриклеточный физиологический белок (PrPC). А патологический прионный белок (PrPSc) атакует этот нормальный прионный белок и превращает его в копию самого себя. Таким образом, нет потребности в дополнительных генах», – поясняет профессор Агуцци российским телезрителям. Таким образом, у этих белков абсолютно одинаковый аминокислотный состав, только по-разному уложенная цепочка. «Плохая» форма белка накапливается в клетках нейронов, образуя сгустки, и вызывает их гибель. «Он воспроизводит себя в огромных количествах, особенно в мозге – как правило, в мозге животных, таких как коровы и овцы. Потом можно взять этот мозг и заразить с его помощью других животных».
Именно так и произошло в случае с бычьим губчатым энцефалитом. Повальное заболевание английских коров, как выяснилось, тоже спровоцировал каннибализм. В те годы животноводы повсеместно использовали в качестве подкормки для жвачных промышленно переработанные останки им подобных. Никаких проблем ветеринары с этим не ассоциировали. Однако, если верить специальной литературе, именно накануне эпидемии коровьего бешенства в погоне за большей питательностью производители что-то изменили в технологии производства мясокостной муки. И живучие прионы из утилизированных инфицированных туш попали в корм здоровым буренкам. Возможно, в переработку попал мозг баранов, страдавших болезнью скрепи (по-русски — почесухой), прионным заболеванием овец и коз. Ученые установили, что овцы служат естественными природными резервуарами инфекционного агента: в их организме прионный белок зарождается спонтанно и передается дальше. В Великобритании через поедание зараженного мяса были инфицированы уличные кошки, пумы и антилопы в зоопарке.
По пищевой цепочке прионный белок попал от коров и в организм к человеку. В тот момент, когда массовый падеж скота уже начал идти на убыль, медики зафиксировали, что человеческая болезнь Крейтцфельдта — Якоба вдруг резко «помолодела» Если в своей классической форме она поражала людей старше 50 лет, то с 1995 г. начали появляться уже 20-летние больные. Прогрессирующее слабоумие в расцвете лет! При этом, что самое трагичное, фатальное ухудшение состояния происходило на фоне осознания человеком происходящей с ним беды: депрессия, бессонница, нарушение координации движений, утрата способности обслуживать себя и самостоятельно есть, наконец, потеря памяти, помутнение сознания и неизбежная смерть.
Сообщения об этом так называемом новом варианте болезни Крейтцфельдта — Якоба начали поступать из разных стран. К середине 2005 г. зараженная говядина стала причиной смерти более полутора сотен граждан в одной только Великобритании. С учетом продолжительности инкубационного периода (от пяти месяцев до 15 лет) конечное число зараженных в тот период можно будет понять лишь спустя годы. Специалисты в области пищевой промышленности утверждают, что мясо с прионами в годы эпизоотии могли употреблять несколько миллионов человек во всем мире.
Одновременно в 1980-х гг. было зафиксированы десятки смертей от БКЯ, когда больные имели несчастье заразиться через нестерильные хирургические инструменты, трансплантаты (например, роговицу глаза) и инъекции гормональными препаратами. Сегодня уже известно, что достаточно кратковременного контакта с патологическим прионным белком в определенной концентрации на скальпеле хирурга, чтобы в нормальном прионном белке организма началась цепная реакция. «Минимальная доза прионов, которая инфицирует 50% животных в эксперименте, составляет порядка 100 тыс. молекул, – говорит профессор Агуцци. – Это очень незначительное количество, но, как вы понимаете, если дозу увеличить, вероятность повысится».
Старость в радость
А что внесли в эту копилку знаний сам господин Агуцци и возглавляемый им институт? «Последние 15 лет я бился над тем, каким образом попавший в желудок с пищей прион оказывается в мозге. Это нетривиальный вопрос. Прион должен проникнуть через стенки желудка, обойти иммунную систему, преодолеть гематоэнцефалический барьер и оказаться в мозге. И я могу сказать, что в моей лаборатории поняли, какие молекулы, какие клетки играют роль в этом процессе и как мы можем этому препятствовать. В следующей «главе” исследований мне предстоит понять, почему эти сгустки настолько токсичны, что убивают нервные клетки».
В своих интервью Агуцци высказывался в том духе, что Европа будет сталкиваться с эхом эпидемии коровьего бешенства еще как минимум полвека. Прионы могут распространяться через донорские материалы и лекарственные препараты на животной основе (вроде привычных россиянам актовегина и солкосерила из крови телят, которые во многих странах давно запрещены), а также через неодноразовые инструменты при совершении операций, особенно на головном мозге. «Кроме того, мы в лаборатории обнаружили, что прионы могут передаваться с помощью аэрозолей. Конечно, если кто-то рядом с вами чихает, это не значит, что из него в этот момент выходит мозг. Можете не волноваться: в обычной бытовой ситуации вы вряд ли заразитесь через аэрозоли. Но в научной лаборатории это может произойти. Если лаборант гомогенизирует мозг, а вокруг гомогенизатора окажется аэрозоль, это может быть очень опасно, поэтому мы всегда используем биологическую защиту».
Но при чем здесь болезни Альцгеймера, Паркинсона, старческое слабоумие, возрастная деменция и другие возможные риски долгожительства? Ведь эти нейродегенеративные недуги не относятся к прионным болезням, губчатым энцефалопатиям. Адриано Агуцци пояснил нам, в чем связь: «Болезнь Альцгеймера чрезвычайно распространена. Каждый третий человек старше 85 лет имеет это заболевание. Любопытно то, что при болезни Альцгеймера возникают отложения патологических белков, которые очень похожи на прионные. Безусловно, по молекулярной структуре это другой белок – в случае болезни Альцгеймера он называется бета-амилоид, но отложения аналогичные, у них одинаковая биофизика. В случае паркинсонизма мы имеем дело с третьим типом белков – синуклеином. Этот белок тоже агрегируется и откладывается в нейронах, разрушает их. Естественно, возникает вопрос: а что если и болезни Альцгеймера и Паркинсона — инфекционные?»
Конечно, это интрига и потрясающий вызов для ученого – найти ключ к тем загадкам угасания, которые сейчас большинством людей считаются просто естественным ходом вещей, приметами старости. Ведь к чему тогда вся суета вокруг омоложения и поддержания здоровья тела, если гораздо раньше умрет интеллект? Коллеги Адриано Агуцци в США уже создали синтетический препарат из очищенного рекомбинантного синуклеина и, введя его лабораторным мышам, вызвали у них болезнь Паркинсона. А раз можно инфицировать, то когда-нибудь можно найти и противоядие.
Конечно, подобные открытия способны порождать у общественности и параноидальные вопросы: а вдруг такими болезнями можно будет заражать искусственно? Это ведь социальная проблема: миллионы иждивенцев, огромная нагрузка на экономику. Может быть, это инструмент эволюции и мы сами не знаем, во что вмешиваемся? Ведущая «Идей, меняющих мир» Эвелина Закамская обсудила с профессором Агуцци многие подобные вопросы с этическим и даже философским подтекстом. Но ученый настроен оптимистично и надеется, что успеет понять механизм трансформации и обнаружить решение в течение собственной научной карьеры: «Я не верю, что нас всех ждет такая судьба. Это такая же болезнь, как и все остальные, необходимо лишь найти нужное лекарство».
В любом случае Адриано Агуцци — еще достаточно молодой человек, и свою Нобелевскую премию этот незаурядный ученый пока не получил. А это значит, что у всех нас действительно есть шанс.
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.
Статья «Жизнь неправильной молекулы» опубликована в журнале «Популярная механика» (№8, Август 2011).
Оборона
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.
Амилоидный комплекс грибного приона HET-s
Итальянские ученые впервые выделили мутировавший прионный белок, который размножается в лаборатории, но не инфицирует животных. Он позволит лучше понять, что делает прионы заразными. Исследование опубликовано на сайте PLOS Pathogens.
Прионы — это неправильно свернутые клеточные белки с нарушенной третичной структурой, которые заставляют также неправильно сворачиваться здоровые функциональные белки и вызывают необратимые повреждения мозга. Они ответственны за развитие смертельных нейродегенеративных заболеваний у человека (например, болезнь Крейтцфельдта — Якоба) и животных (коровье бешенство, почесуха овец). Прионы обладают устойчивостью к тепловой денатурации и могут передаваться между видами, изменяясь, чтобы приспособиться к новой среде. Раньше предполагалось, что прионы одной формы могут заражать лишь ограниченное количество близких видов, но недавние исследования показали, что прионные белки могут мутировать, создавая новые формы, чтобы адаптироваться к новой среде.
В новой работе ученые размножили белки PrPSc — прионы из образцов мозга овец, зараженных почесухой. Они сделали несколько разведений препарата и к каждому применили циклическую амплификацию белка с неправильным фолдингом (PMCA) — метод, по принципу похожий на ПЦР, только в PMCA сам прион служит катализатором процесса. Полученными пробами они заразили популяции рыжих полевок, чтобы оценить репликацию полученных молекул in vivo.
Один из образцов оказался неспособен заразить полевок, хотя остальные образцы из того же препарата проявили обычную инфекционную активность в таких же и больших разведениях. Дефектный прион-мутант запускал обычную реакцию репликации in vitro, изменяя здоровые белки PrPC, но не смог распространиться в живых клетках мозга. Это первый описанный неработающий прион, полученный из изолята зараженного животного, а не сконструированный в лаборатории.
Исследователи предполагают, что центральная («кóровая») часть белка, которая у инфекционных форм прионов плотно упакована и устойчива к действию протеаз, у обнаруженного мутанта существенно короче. Поэтому участок белка, который, возможно, отвечает за преобразование обычных белков PrPC в прионные PrPSc in vivo подвержен протеолизу. Во время циклической амплификации в препарат добавляют ингибиторы протеаз, поэтому мутантный прион беспрепятственно реплицируется. Это одно из отличий, из-за которого одни белки становятся прионными, а другие нет.
Природа и действие прионов еще мало изучены и готовят множество открытий. Например, они не только вызывают заболевания у млекопитающих, белки, очень похожие на прионные отвечают за «память» растений.
Анна Маньшина