что такое прионы и какие заболевания они вызывают
Прионы: исследования таинственных молекул продолжаются
Путь прионов
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Прионные заболевания — феномен, открытый в двадцатом веке, и в нем же начавший играть большую роль: увеличение продолжительности жизни в развитых странах привело к тому, что все больше людей стало доживать до «своего Альцгеймера» или «своего Паркинсона». Природа нейродегенеративных заболеваний продолжает оставаться туманной, и ученые пока исследуют только отдельные их аспекты — например, причину развития именно в старческом возрасте или способность передаваться от одних видов живых существ другим.
«Био/мол/текст»-2012
Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст»-2012 в номинации «Лучшее новостное сообщение».
Спонсор конкурса — дальновидная компания Thermo Fisher Scientific.
Всё началось с того, что в 20 веке учёные заинтересовались природой необычных заболеваний человека и животных: куру, Крейтцфельда-Якоба, скрэпи. Заметное сходство патологии этих болезней дало основание для гипотезы об их инфекционности, что впоследствии было экспериментально подтверждено. Тогда возник вопрос о возбудителе данных заболеваний. Прежде чем был найден ответ, были выявлены необычайные свойства возбудителей: они не размножаются на искусственных питательных средах, устойчивы к высокой температуре, формальдегиду, различным видам излучений, действию нуклеаз. Очистка инфекционного материала и его изучение позволило провозгласить о том, что «во всём виноват» белок, который 30 лет назад получил название прион (от англ. pr[otenacious infect]ion — белковая инфекция).
Так, известные американские учёные — вирусолог и врач Д.К. Гайдушек, раскрывший инфекционную природу прионных болезней, в 1976 г. и биохимик С.Б. Прузинер, который определил прионы и разработал прионную теорию, в 1997 г., — были удостоены Нобелевских премий. Их работы стали импульсом для последующих исследований, благодаря которым были изучены новые виды прионных инфекций. Но, даже несмотря на неугасающий интерес к «прионной теме», образование прионов до сегодняшнего дня остаётся загадкой.
Биологическая сущность прионов
Рисунок 1. Метафора нейродегенеративного поражения мозга — это губка, в которую превращается нервная ткань в результате массовой гибели нейронов.
Существует упрощенное представление, что полимеризованные прионные фибриллы «протыкают» нейрон, что вызывает его гибель. На самом деле это не совсем так: предшествующие фибриллярной стадии сферические агрегаты прионов также обладают токсичностью (по крайней мере, для болезни Альцгеймера): «Альцгеймеровский нейротоксин: ядовиты не только фибриллы». — Ред.
Но как может нормальный природный белок (обозначается PrP C ) вдруг стать патологическим (PrP Sc ; Sc — от слова «scrapie»)? Что должно произойти? Как и в случае «обычной» инфекции, для такой трансформации необходима встреча с молекулой инфекционного приона. Существуют два пути передачи этой молекулы: наследственный (за счёт мутаций в гене, кодирующего белок) и инфекционный. То есть внедрение приона может произойти неожиданно — например, при употреблении в пищу недостаточно хорошо прожаренного или сваренного мяса (в котором должна присутствовать форма PrP Sc ), при переливании крови, при трансплантации органов и тканей, при введении гормонов гипофиза животного происхождения.
И тогда происходит удивительное событие: нормальные молекулы белка, контактируя с патологическими, сами превращаются в них, изменяя свою пространственную структуру (механизм трансформации остаётся загадкой и по сей день) [1]. Таким образом прион, как самый настоящий инфекционный агент, заражает нормальные молекулы, запуская цепную реакцию, разрушительную для клетки.
Некоторые сведения о прионах
Условия возникновения заболеваний
Условия возникновения прионовых болезней уникальны. Они могут формироваться по трём сценариям: как инфекционные, спорадические и наследственные поражения. В последнем варианте главную роль играет генетическая предрасположенность [2].
Знаменитый исследователь прионов Стэнли Прузинер (Stanley Prusiner) выделяет две поразительные особенности, присущие таким нейродегенеративным заболеваниям, как болезнь Крейтцфельда-Якоба, болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона. Первая заключается в том, что более 80% случаев заболевания — спорадические (то есть, случайные, возникающие «сами собой»). Вторая: несмотря на то, что большое количество мутантных белков, специфичных к определённой болезни, экспрессируется в процессе зародышевого развития, формы наследования этих нейродегенеративных заболеваний проявляются позже. Это предполагает, что некоторые процессы происходят во время старения, которое «дает волю» болезнетворным белкам [5]. Более 20 лет назад автор утверждал, что данный процесс включает случайный рефолдинг (пересворачивание) белка в неправильно свёрнутый, что соответствует переходу в инфекционное состояние — прион.
Интересные факты насчет болезни Альцгеймера: ее вероятность может повышаться вследствие хронического недосыпания («Новый шаг к пониманию болезни Альцгеймера: возможно, недосыпание является одним из факторов риска»), а сам альцгеймеровский нейропептид (β-амилоид Aβ) может быть частью системы врожденного иммунитета («Возможно, β-амилоид болезни Альцгеймера — часть врождённого иммунитета»). — Ред.
В последнее десятилетие интерес к этой теме возобновился в связи с возможностью развития диагностики и эффективной терапии [5]. Появилось множество различных объяснений для возрастных нейродегенеративных болезней, — например, окислительная модификация ДНК, липидов и/или белков; соматические мутации; измененный врождённый иммунитет; экзогенные токсины; несоответствия ДНК—РНК; нарушение работы шаперонов; отсутствие одного из аллелей гена [5]. Альтернативным комплексным разъяснением служит то, что различные группы белков могут формировать прионы. Несмотря на то, что небольшое количество прионов может быть удалено посредством путей белковой деградации, их чрезмерное накопление с течением времени позволяет прионам самостоятельно распространяться в организме (рис. 2), что приводит к нарушению деятельности центральной нервной системы [5].
Рисунок 2. Процессы нейродегенерации, вызванной прионами. Сверху: накопление «нормального» прионного белка повышает его вероятность перехода в токсичную конформацию, которая описывается бóльшим содержанием β-структуры. Прионы наиболее патогенны в форме олигомеров; после образования фибрилл токсичность снижается. В зависимости от того, о каком конкретно прионном белке идет речь, в патологическом состоянии он может образовывать бляшки, клубки или тельца включения. Возможные пути лекарственного вмешательства: (I) снижение концентрации «нормального» белка-предшественника; (II) ингибирование образования прионной формы; (III) уничтожение токсичных агрегатов. Снизу: Наследственная старческая нейродегенерация объясняется двумя событиями: наличием мутантной формы предшественника и образованием из него приона, готового к олиго- и полимеризации с образованием токсичных форм.
Группы риска прионных заболеваний
Вот кого прионные заболевания могут настичь с наибольшей вероятностью:
Лабораторная диагностика и лечение
Диагностика базируется на внутримозговом заражении мышат или хомяков, у которых медленно (до 150 дней) развивается соответствующее заболевание, если пациент был болен [2]. Часто проводится гистологическое исследование головного мозга погибших животных [2].
К сожалению, до настоящего времени еще не разработаны эффективные методы лечения прионовых болезней, хотя попытки предотвратить конформационный переход нормального белка в аномальный производятся. Поэтому самым надёжным способом предупреждения развития инфекционных форм является профилактика [2].
Особенно актуальным становится решение «прионного вопроса» в связи с нарастающей угрозой возникновения эпидемии через инвазивные медицинские операции и даже при приёме лекарственных средств.
Перспективы
По-видимому, интерес к прионам не угаснет до тех пор, пока предположения на их счёт полностью не подтвердятся и не будут найдены эффективные способы лечения прионных заболеваний. В статье [6] говорится о необходимости современного исследования, которое требует тщательного рассмотрения чужеродных прионов в экстраневрональных тканях.
В качестве модельных объектов авторы использовали мышей: две линии, которые трансгенно экспрессировали овечий прионный белок, и одну линию, которая экспрессировала человеческий прионный белок (рис. 3). Задачей было сравнить эффективность межвидовой передачи инфекции посредством тканей мозга и селезёнки. Внутримозговое заражение чужеродным прионным белком выражалось в отсутствии или небольшом количестве инфекционного агента в мозгах этих мышей. Однако инфекционные чужеродные прионы обнаруживались в селезёнке на более ранних этапах заражения в сравнении с моментом, когда были использованы нейротропные прионы, тем самым определяя, что лимфатическая ткань может быть более пермиссивной к распространению чужеродных прионов по сравнению с мозгом.
Рисунок 3. Способность приона хомяков Sc237 заражать и передаваться при введении в мозг или селезенку трансгенным мышам, имеющим прионный белок PrP овцы (tg338; белые мыши) или человека (tg7; серые мыши). Число заболевших/инъецированных мышей показано в скобках; ниже приведено среднее время жизни (в днях).
Чем вызвана эта предпочтительная репликация прионов в лимфатических тканях, пока неизвестно. Однако полученные данные показывают, что человек может быть более чувствительным к чужеродным прионам, чем предполагалось ранее на основании присутствия прионов в мозгу, и по этой причине бессимптомный переносчик прионной болезни может быть не распознан. Это ещё раз подтверждает, что такая могущественная биомолекула как прион таит в себе немало загадок, раскрытие которых, возможно, поможет в понимании ряда неразрешимых проблем человечества.
Патогенез прионных заболеваний состоит из двух стадий — инфекционной и токсической
Патологический прионный белок, попадая в нейрон, заставляет неправильно складываться нормальные прионы; переродившиеся белки слипаются в смертоносные агрегаты и убивают клетку. Выяснилось, что количество плохих прионов растет до одного и того же уровня независимо от исходного количества хороших, зато следующая фаза болезни — фаза плато — тем короче (и тем быстрее наступает смерть), чем больше хороших прионов было в клетке.
Прионные заболевания (см. прионы) — один из самых коварных и загадочных типов нейродегенеративных болезней. Сюда относятся болезнь Крейтцфельдта–Якоба, от которой страдают люди; коровье бешенство, которое поражает крупный рогатый скот (и которое напугало человечество 20 лет назад, когда в Великобритании началась эпидемия этой болезни); скрейпи, от которой умирают козы и овцы; страшное наследственное заболевание человека под названием фатальная семейная бессонница и некоторые другие болезни.
Но самое ужасное то, что, оказавшись в клетке, патологический, вредоносный PrP Sc заставляет «хороший» PrP C сложиться «по-своему», неправильным образом. В результате в клетке нарастает количество неправильно сложенных белков, которые слипаются в смертоносные агрегаты и убивают ее.
Нейроны гибнут; неправильно сложенные PrP Sc из мертвых клеток заражают живые и их тоже доводят до смерти. Всё это приводит к тяжелым поражениям определенных областей мозга, и через некоторое время организм погибает.
Патогенез всех прионных заболеваний состоит из длинного инкубационного периода (у человека он может длиться до 50 лет!), во время которого не проявляется никаких признаков болезни; вслед за ним идет короткая (обычно в несколько месяцев длиной) клиническая фаза, когда уже невозможно ничего сделать. Надо отметить, что у разных людей инкубационный период может занимать совершенно разное время. Что конкретно происходит на этих двух стадиях заболевания в нейронах и с чем связано столь резкое проявление болезни, до настоящего времени было изучено слабо.
Однако в 2003 году такая методика была предложена. Исследователи из Института неврологии Университетского колледжа в Лондоне использовали ее, чтобы понять, что происходит в нейроне, зараженном неправильно сложенными прионными белками.
В своих экспериментах они использовали несколько инбредных линий мышей:
1. Prnp null (Prnp o/o ), не экспрессирующие PrP C вовсе.
4. Tg20, экспрессирующие уровень PrP C в восемь раз больше нормального.
Экспериментальные группы мышей каждой линии были заражены прионным заболеванием, а контрольные получили «пустой укол»; после этого исследователи регулярно измеряли уровень инфекционных частиц в нейронах подопытных животных и следили за их состоянием.
Но когда исследователи попробовали измерить уровень прионов в мозге больных мышей, то результаты оказались гораздо более интересными.
Выяснился еще один интересный момент. Оказалось, что уровень PrP C у мышей обратно пропорционален продолжительности фазы плато (рис. 2). Для фазы роста такой зависимости не было выявлено, хотя небольшие различия по ее продолжительности между тремя линиями всё-таки наблюдались.
Результат, мягко говоря, неожиданный. Гораздо логичней было бы, если бы фаза роста коррелировала с количеством PrP C в клетках (чем больше вокруг «хороших» прионов, тем быстрее они превращаются в «плохие»), а фаза плато, наоборот, нет (тогда бы можно было объяснить ее появление тем, что количество «плохих» прионов в клетке достигло максимально возможного, и теперь они постепенно будут разрушать все вокруг).
Но то, что после достижения прионами фазы плато животные живут разное время, ставит всё с ног на голову. Эти результаты объяснить трудно, если только.
Патогенез болезни тогда выглядит так: в клетку попадает патогенный PrP Sc ; окружающие молекулы PrP C меняют конформацию и сами превращаются в PrP Sc (на графике это выглядит как фаза роста); затем достигается максимально возможный уровень PrP Sc (начинается фаза плато), теперь уже PrP Sc запускает образование PrP L из PrP C (фаза плато продолжается). Длительность фазы плато обратно пропорциональна количеству в клетке PrP C — если его много, то она будет короткой, если мало — наоборот, длинной. Иными словами, болезнь состоит из двух стадий — инфекционной (когда «работает» PrP Sc ) и токсической (когда за дело берется PrP L ).
В пользу этого предположения говорит многое — прежде всего то, что, действительно, помимо двух хорошо изученных конформаций прионного белка существует еще множество слабоисследованных. (Вполне возможно, что на самом деле в патогенезе участвуют даже не три, а больше форм белка.) Два главных автора обсуждаемой статьи еще в 2007 году высказывали сходную теорию, и эти результаты служат отличным подтверждением их идей.
Однако возможны и другие интерпретации полученных данных. Может быть, всё дело просто в особенностях измерения концентрации PrP Sc (методика появилась недавно, и многие ее подводные камни еще не известны). Кроме того, показано, что PrP С служит рецептором для PrP Sc и за счет запускаемых в результате их взаимодействия каскадов реакций в клетке возникают токсические эффекты. Если дело в этом, то понятно, почему продолжительность фазы плато зависит от уровня PrP С — чем его больше, тем быстрее «работает» PrP Sc и тем быстрее доводит клетку до смерти (и тем меньше длится фаза плато). В любом случае, полученные результаты очень интересны и явно требуют дальнейших исследований.
Источник: Malin K. Sandberg, Huda Al-Doujaily, Bernadette Sharps, Anthony R. Clarke, John Collinge. Prion propagation and toxicity in vivo occur in two distinct mechanistic phases // Nature. 24 February 2011. V. 470. P. 540–542.
Прионы. История медленных инфекций.
История
Первое заболевание из списка прионных описанных человеком является скрейпи – овечья почесуха. В 1700-м году, в Англии (в стране с самой большой популяцией домашних овец на тот момент) были описаны следующие симптомы – сильнейший зуд, боли в конечностях при движении, судорожные припадки. Болезнь прогрессировала за неделю. Вспышки возникали в разных графствах. Ветеринары и врачи разводили руками, не зная источника болезни. Все симптомы указывали на поражение мозга. К 20-му веку не прибавилось новых данных о том, что же за заболевание поражало бедных овечек. И вот, в 1920-х, годах Ганс Герхард Крейцфельдт и Альфонс Мария Якоб отдельно друг от друга (при чем оба в 1920-м году, но Крейцфельдт раньше) описали неизлечимое поражение нервной системы человека, названное впоследствии их именами. Была описана патологоанатомическая картина (очаговые поражения тканей головного мозга). Была сделана первая попытка классификации симптомов. Определением заболевания стало «спастический псевдосклероз или энцефалопатия с рассеянными очагами в передних рогах спинного мозга, экстрапирамидной и пирамидной системе».
Гистологический препарат головного мозга, на котором видны микрополости
Ганс Герхард Крейцфельдт, будучи немецким неврологом, запятнал себя в связях с нацизмом. Не будучи членом партии, он выступал в качестве медицинского эксперта по вопросам наследственности, то есть решал вопросы о принудительной стерилизации и эвтаназии. Ходят разные версии о его занятиях в этой области. Одни пишут, что Крейцфельдт спасал от этих процедур, утаивая патологии и исправляя истории болезней, другие, что врач все-таки занимался отправкой людей в лагеря смерти и в клинику Киля (где и проводились «эвтаназии»). В любом случае британские оккупационные власти не нашли в его деле следов преступлений и 60-ти летний врач продолжил свою деятельность в Мюнхене. История же прионных болезней развивалась дальше. В 1957 году Карлтон Гайдушек и Винсент Зигас открыли заболевание, схожее по клинической картине с болезнью Крейцфельдта-Якоба (заболевание теперь носило имена этих двух врачей). Если заболевание, открытое в 20-е годы поражало жителей Западной Европы, то новое – представителей одного племени Новой Гвинеи. Было вынесено предположение, что данная патология вызывается вирусом. Изучена клиническая картина, характеризующаяся тремором, судорогами, головной болью. На основе того, что соседние племена не практиковали каннибализм и поедание головного мозга и не страдали схожими патологиями, стали появляться теории о том, что вирус находится в мозговой ткани и может передаваться алиментарно. В 1967 году был проведен первый удачный эксперимент с заражением подопытных мышей биологическими жидкостями больных скрейпи овец. Результат оказался положительным. У мышей развивались те же симптомы, что и у «доноров». Доводов в пользу заразности заболевания стало больше. Интересно, что в 1976 году Гайдушек удостоился Нобелевской премии за открытия, касающиеся новых механизмов происхождения и распространения инфекционных заболеваний, связанную с изучением болезни племени форе. До конца жизни он был уверен, что её вызывают вирусы.
Такими закономерностями стали:
Что же такое прионы и каков их механизм действия на организм (современные представления)?
На самом деле в организме человека и многих других живых существ есть белки PrPC. По-русски – нормальная форма прионных белков (открыты были после исследований Сиггурдсона, поэтому такая странность в название). Известна его длина, последовательность аминокислот, вторичная структура. Важно знать, что конечная структура состоит из трёх α-спиралей и двухцепочечного антипараллельного β-листа. Обладают интересным свойством, а именно осаждаются высокоскоростным центрифугированием, что является стандартным тестом на наличие прионов. 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.
(a) норма (b) патология
Считается, что прионное заболевание может быть приобретено 3 путями: в случае прямого заражения, наследственно или спорадически (спонтанно) или их комбинациями. 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 PrPSc. Как бы то ни было, конкретный механизм спонтанного возникновения прионных болезней неизвестен. Вторая – заражение. По данным современных исследований, основной путь приобретения прионных заболеваний — поедание заражённой пищи. Считается, что прионы могут оставаться в окружающей среде в останках мёртвых животных, а также присутствуют в моче, слюне и других жидкостях и тканях тела (кровь, ликвор). Из-за этого заражение прионами может произойти и в ходе пользования нестерильными хирургическими инструментами. Это усложняет стерилизацию хирургических инструментов или устройств на скотобойне. Прионы в большинстве своём устойчивы к протеазам, высокой температуре, радиации и хранению в формалине, хотя эти меры и снижают их способность к заражению. Эффективная дезинфекция против прионов должна включать гидролиз или повреждение/разрушение их третичной структуры. Это можно достичь обработкой хлорной известью, гидроксидом натрия и сильнокислыми моющими веществами. Пребывание в течение 18 минут при температуре 134 °C в герметичном паровом автоклаве не может деактивировать прионы. В качестве основного современного метода для деактивации и денатурации прионов в настоящее время изучается озоновая стерилизация. Ренатурация полностью денатурированного приона до инфективного состояния зафиксирована не была, однако для частично денатурированных прионов в некоторых искусственных условиях это возможно. Еще стоит помнить, что эти белки могут долго сохраняться в почве за счёт связывания с глиной и другими почвенными минералами. Не впадайте в паранойю, но теоретически они могут быть повсюду. В 2011 году было сообщено об открытии прионов, передающихся по воздуху в частицах аэрозоля (то есть воздушно-капельным путём). Также в 2011 году было опубликовано предварительное доказательство того, что прионы могут передаваться с получаемым из мочи человеческим менопаузальным гонадотропином, применяемым для лечения бесплодия. Теоретически с помощью всего одного больного животного с прионной болезнью, можно уничтожать целые нации и страны, просто добавляя его костную муку в кормовые добавки и продавая их в нужное государство. Сходная ситуация произошла в конце 80-х годов в Британии (эпидемия коровьего бешенства). Тогда, скорее всего по незнанию (а не по злому умыслу) произошел вышеуказанный процесс, унесший жизни около 200 человек (на 2009 год) и 179 тыс. голов крупного рогатого скота.
Третий механизм – генетический. Был открыт недавно и совершенно не вписывается в общую картину. Был идентифицирован ген, кодирующий нормальный белок PrP — PRNP, локализованный на 20-й хромосоме. При всех наследственных прионных заболеваниях имеет место мутация этого гена. Попавший тем или любым образом «искаженный» прионный белок начинает изменять структуры близким к нему по структуре белков, превращая их в такие же патогенные агенты. Основная гипотеза, наиболее близко отображающая этот процесс очень проста. Одна молекула PrPSc присоединяется к одной молекуле PrPC и катализирует её переход в прионную форму. Две молекулы PrPSc после этого расходятся и продолжают превращать другие PrPC в PrPSc. Но схема дает больше вопросов, чем ответов.
Клиника
Болезнь Крейтцфельдта — Якоба. Код по МКБ-10 A81.0; F02.1. Код А соответствует инфекционным болезням (А81 – инфекционные болезни нервной системы). Код F – психические расстройства, F02 – деменции.
Темно зеленый распространение К-Я
Основные клинические критерии для постановки диагноза:
Выделяют несколько клинических форм:
Спонтанная — классическая (sCJD) Согласно современным представлениям (прионной теории), прионы при этой форме заболевания возникают в мозге спонтанно, без какой-либо видимой внешней причины. Болезнь обычно поражает людей в возрасте старше 50 лет и проявляется с вероятностью 1-2 случая на миллион жителей. Вначале проявляется в форме кратких потерь памяти, изменениями настроения, потерей интереса к происходящему вокруг. Далее симптомы деменции прогрессируют со всеми вытекающими последствиями.
Наследственная (fCJD) Болезнь возникает в семьях, где наследуется повреждение гена для прионового белка. Дефектный прионовый белок является намного более подверженным спонтанному превращению в прион. Признаки и ход болезни подобны классической форме.
Ятрогенная (1CJD) Болезнь обусловлена непреднамеренным внесением прионов в тело пациента при медицинском вмешательстве. Источником прионов ранее были некоторые лекарства, инструменты или мозговые оболочки, которые забирались у мертвых людей и использовались для закрытия раны при операциях на мозге. Признаки и ход болезни подобны классической форме. Новый вариант (nvCJD) Болезнь появилась впервые в 1995 году в Великобритании и с того момента от нее умерло не более 100 человек. Вероятнее всего, что они заразились мясными продуктами, содержащими бычьи прионы.
Куру, почти не встречается в настоящее время, в связи с искоренением каннибализма. Интересно, что в 2009 году американские учёные сделали неожиданное открытие: некоторые члены племени форе, благодаря появившемуся у них в сравнительно недавнем времени новому полиморфизму гена PRNP, имеют врождённый иммунитет к куру.
В настоящее время нет ни одного средства останавливающего или тормозящего развитие прионных болезней.