Пріони: як існують білки, позбавлені генома

1. оборона
2. Вся справа в формі
3. Воно живе?
4. Вони такі різні ...
5. Правила і виключення

Чи можливе життя без генома? Тридцять років тому відповідь була б однозначно негативним, а зараз впевненості немає. Один із сюрпризів біохімії кінця XX століття - пріони - всього лише своєрідно влаштовані білкові молекули. У них немає ні РНК, ні ДНК, але вони здатні розмножуватися, мутувати і, ймовірно, зазнати впливу природного відбору. Але чи достатньо цього, щоб вважати їх живими?

У 1982 році американським молекулярним біологом Стенлі Прузінер був вперше виділений збудник скрейпі - дивного захворювання овець, традиційно вважався вірусним. Сама хвороба вивчалася на той час уже давно. У 1954 році ісландський вчений Б. Сігурдссон опублікував результати багаторічних досліджень масових захворювань овець, завезених в 1933 році з Німеччини до Ісландії. Предметом вивчення були «повільні інфекції», які характеризуються виключно довгим інкубаційним періодом і незвичністю ураження органів і тканин. Через три роки американець словако-угорського походження К. Гайдучок і австралійський лікар В. Зігас виявили і описали захворювання, симптоматично схоже з овочами скрейпі, але поширене серед аборигенів племені форі, що живе в високогірних районах Нової Гвінеї. Папуаси називали її «куру» - «тремтіння від пристріту»: тубільці вірили, що недуга викликається чаклунством. Як встановив Гайдучок, хвороба поширювалася через ритуальний канібалізм, практикувався в племені в знак поваги до померлого, і відрізнялася виключно довгим інкубаційним періодом - іноді більше 30 років! Це та інші дослідження в 1976 році принесли Гайдучок Нобелівську премію, фінансову частину якої він пожертвував на допомогу племені форі, але як Гайдучок, так і Сігурдссон вважали, що описані ними хвороби викликані так званими повільними вірусами. Лише науковий талант Прузінер і з'явилися до 1980-х років методи аналізу і очищення реагентів дозволили виявити справжню природу збудників цих хвороб.

оборона

Білкова молекула з неправильною геометрією є не тільки біохімічної екзотикою, але і причиною захворювань центральної нервової системи, зазвичай - зі смертельними наслідками. На щастя, мова йде про захворювання рідкісному, і важко передающемся.
За припущеннями багатьох вчених, при розробці методів боротьби ефективніше не викорінювати конкретні штами, що можуть пристосовуватися до ліків, але намагатися підвищити стійкість нормального білка PrP і не допускати його згортання в ізоформу PrP-Sc. Стосовно до людини це звучить майже як ненаукова фантастика, але уявити собі подібне втручання в генетику сільськогосподарських тварин в принципі можливо - якщо, звичайно, переконати суспільство в тому, що ГМО - не синонім отрути. Крайнім заходом боротьби з пріонних інфекцій є повне блокування гена, який кодує виробництво білка PrP. Однак, до яких наслідків це може призвести, поки не ясно. Досліди на мишах показали, що тварини з відключеним геном виживають, не маючи при цьому якихось особливо важких розладів; однак у них спостерігається безліч кількість дрібних порушень життєдіяльності: від схильності до ішемії, стенокардії та судом, до збою добового ритму.
Поки ж головним методом боротьби є вилучення заражених матеріалів з харчових ланцюжків. На початку минулого десятиліття влади Євросоюзу були змушені ліквідувати значну частину поголів'я великої рогатої худоби, який потенційно міг бути заражений однією з форм пріонних інфекцій, губчастої енцефалопатією - горезвісним коров'ячим сказом.
На фото - молекула білка PrP нормальної форми (альфа-форми); праворуч молекула PrP-Sc - пріон.

Вся справа в формі

Пріони (від англ. Proteinaceous infectious particles - білкова інфекційна частка) - молекули білка PrP, згорнуті особливим, «неправильним» чином. Сам білок виявляється в організмі всіх ссавців, включаючи і людини, і в своїй нормальній формі не небезпечний, хоча його роль в організмі до сих пір не цілком ясна. Можливо, він бере участь у передачі нервових імпульсів, іонному обміні, підтриманні добових циклів активності і спокою в клітинах, органах і організмі в цілому - серед дослідників сьогодні немає єдиної думки. Але це - в нормальній, альфа-формі. Якщо ж в момент синтезу білка поруч присутній прион, що має іншу просторову форму молекула PrP-Sc, то замість альфа-форми утворюється бета - відбувається розмноження приона.

До сих пір не ясно, яким чином одна білкова молекула змушує іншу прийняти таку ж форму, але результат сумнівів не викликає. Його виявлення принесло С. Прузінер Нобелівську премію 1997 року.

Походження пріонів неясно. Ймовірно, мова йде про неочікуваної зміни під дією зовнішнього фактора або мутації клітини. Деякі дослідники йдуть далі, вважаючи, що в нормі в організмі постійно виникає деяка кількість пріоннних білкових утворень, які тут же ліквідуються. Порушення з якихось причин здатності до «самоочищення» клітин призводить до наростання концентрації «неправильних» білків вище допустимого рівня, після чого процес виходить з-під контролю. Подібний механізм пояснює появу хвороби куру в генетично ізольованої популяції (відірваному від цивілізації племені), а ритуальний канібалізм - механізм її поширення. Хвороба, до речі, втратила масовий характер з викоріненням цього звичаю, хоча рідкісні прояви зустрічаються і до цього дня - 30 і більше років інкубаційного періоду дають про себе знати.

Пріони феноменально живучі. Вони стійкі до дії протеолітичних ферментів, завдання яких - знищення відслужили білкових молекул. Стійкість пріонів до протеазам деякі вчені пов'язують з їх здатністю злипатися в великі скупчення молекул, внутрішні частини яких стають недоступними для зовнішнього впливу. Захисні системи організму ігнорують пріонну небезпека - за винятком єдиного випадку, окотором ми скажемо трохи нижче.

Пріони стійкі до звичайних методів дезінфекції: кип'ятіння, автоклавированию, висушування, витримують заморожування втричі довше, ніж всі відомі віруси. Так само вони нечутливі до обробки кислотами, спиртами, формальдегідом, ферментного гідролізу, ультрафіолетового та гамма-випромінювання. Найбільш ефективний спосіб борьби- «тактика випаленої землі»: застосування заходів дезінфекції у дозах, денатуруючих все білки; і навіть в цьому випадку з усього живого пріон гине останнім.

Воно живе?

Найважливішим питанням, яке хвилювало дослідників з моменту відкриття пріонів, була наявність або відсутність у них здатності до справжньої дарвінівської еволюції: можливості мутацій і їх передачі у спадок. Позитивна відповідь означав би новий питання: чи можуть ці мутації впливати на ефективність розмноження? Інакше кажучи, чи працює у випадку з пріонами принцип природного відбору?

Дослідження другої половини 2000-х дозволяють відповісти на ці питання позитивно. Було експериментально виявлено, по-перше, що у білка PrP є декілька варіантів неправильного згортання в PrP-Sc, причому кожен з варіантів стійко успадковується. По-друге, при перенесенні пріонів від тварин одного виду до іншого інкубаційний період у міру зараження нових носіїв другого виду скорочувався - інфекційний агент «адаптувався» до нового середовища існування. Якщо вчені потім заражали «пристосувати» пріонами тварина первісного вигляду, то симптоматика захворювання часто виявлялася інший, що вказувало на зміну збудника.

Вони такі різні ...

Пріони дріжджів та інших мікроміцетів відомі і куди більш різноманітні, ніж пріони ссавців, проте до недавнього часу вони залишалися поза інтересу вчених.
Для розвитку пріонів дріжджів необхідний не тільки білок в нормальної і пріонів формах, але і так званий шаперон Hsp104, який також відомий як «білок теплового шоку». У нормальній клітині завданням Hsp104 є відновлення структури білків, які втратили свою природну просторову форму при стресі, наприклад сильному нагріванні. У цьому вони надзвичайно схожі на пріони, що змінюють форму інших білків. Якщо ж заблокувати роботу шаперона Hsp104, то через деякий час культура грибів повністю позбавляється від пріонів. У клітинах ссавців теж є шаперони, однак вони не схожі за структурою на Hsp104, тому дріжджові пріони для нас не є небезпечними.
Хвороба Альцгеймера може бути викликана пріонів інфекцією або процесом, надзвичайно схожим з такої, - вважають Маркус Толней з Університету Базеля і його колеги з Тюбінгена і Кембриджа. Вони встановили, що дефектний тау-білок, скупчення якого руйнують нервові клітини, перетворює в себе звичайний тау-білок - стандартне «поведінку» пріонів. При хвороби Альцгеймера порушення в роботі мозку відбуваються, в першу чергу, через появу бляшок двох видів - великих бета-амілоїдних і дрібніших, що складаються з так званого дефектного тау-білка. При утворенні амілоїду, якому до недавнього часу відводилася провідна роль в патології, спочатку синтезується нормальний повноцінний білок, який, однак, не участвовует в роботі нейронів, а з якихось досі не з'ясованих причин розрізається на короткі ланцюжки, з які і утворюють бляшки. Дослідження останніх років змусили поглянути на проблему інакше і переглянути роль саме тау-білка. Його нормальна функція - частина цитоскелета, «рейок», по яких переміщаються органели всередині клітини. При розвитку синдрому Альцгеймера тау-білок піддається сильному фосфорилированию і утворює полімерні клубки, які руйнують спочатку весь внутрішньоклітинний транспорт, а слідом і контакти між нейронами. Все ускладнюється запальною реакцією, спровокованої зростаючими білковими полімерами - клубками і бляшками. По суті, інфекційний агент тут - білок, без будь-яких включень ДНК або РНК, що розмножується так само, як куру або скрейпі.

Нарешті, в ряді дослідів шкідливі білки ставилися в некомфортні для них умови - жити і розмножуватися доводилося в присутності речовини-інгібітора SWA (swainsonine), чинного на пріони гнітюче. Молекулярна як би життя встояла, і кожне з наступних поколінь демонструвало все більшу стійкість до препарату. Таким чином, у цих дивних молекул є майже все необхідне для еволюції. Найбільш очевидним її обмеженням є, мабуть, система запису результатів - передається у спадщину інформації. Кількість варіацій просторової будови білкової молекули невелика, особливо якщо порівнювати його з «ємністю» ДНК.

Ще одне важливе питання - чи здатний природний відбір у пріонів призводити до появи нових форм шляхом послідовного закріплення безлічі дрібних ізмененій- поки не має чіткої відповіді, хоча більшість учених схильні заперечувати таку можливість.

Правила і виключення

Цілком ймовірно, що прояв пріонів як інфекційних білків представляється лише окремим випадком явища куди більш глобального характеру. Логічно було б припустити, що білки з пріонні властивостями широко поширені в природі і їх вплив на неї дуже велике. Наприклад, пріони цілком можуть бути відповідальні за зникнення неандертальців, вважає Саймон Андердаун з Університету Брукс в Оксфорді. Згідно з його гіпотезою, пріони інвазія необоротно послабила популяцію і вплинула на скорочення її чисельності. При цьому захворювання поширювалося, судячи з усього, так само, як і в випадку з куру - за допомогою канібалізму.

Неандертальці, мабуть, не встигли пристосуватися до появи такого екзотичного збудника, але це можливо. У 2009 році в «Медичному журналі Нової Англії» група американських вчених опублікувала результати несподіваного відкриття: у деяких членів племені форі завдяки порівняно недавно з'явився новому поліморфізму гена Pr-nP з'явилася вроджена несприйнятливість до куру. Як працює імунітет, поки незрозуміло, проте дослідження його механізму представляється дуже перспективним для вироблення методик лікування.

Пріони тільки починають відкривати свої таємниці, але у вивченні молекулярних механізмів пріонообразованія, створенні ефективних модельних систем, а також пошуку нових поранених білків є серйозні досягнення, що дозволяють сподіватися на швидкі розробки методів терапії невиліковних пріонних хвороб людини і тварин. Принаймні першовідкривач пріонів Стенлі Прузінер висловлює тверду впевненість, що засіб проти них буде знайдено в доступному для огляду майбутньому.

Стаття «Життя неправильної молекули» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №8, серпень 2011 ).