Прионы. История медленных инфекций

Свойства молекул

Прионовые белки млекопитающих не сходны с прионовыми белками дрожжей по аминокислотной последовательности. Несмотря на это, основные структурные особенности (формирование амилоидных волокон и высокая специфичность, препятствующая передаче прионов от одного вида организмов к другому) у них общие. Вместе с тем, прион, отвечающий за коровье бешенство, обладает способностью передаваться от вида к виду.

Правый рисунок — модель двух конформаций приона; слева известная, нормальная, конформация структуры терминального участка C-terminal PrPC. (для отображения/загрузки см. RCSB Protein Databank).

Видео

Некоторые сведения о прионах

Исследователи отмечают:

  • прионный белок включает 254 аминокислотных остатка и «весит» 33–35 килодальтон [2];
  • ген, кодирующий белок PrP, найден у человека, млекопитающих и птиц [1];
  • для полного уничтожения прионного белка нужна температура не менее 1000 градусов [1]!
  • возможно, прионы принимают участие в межклеточном узнавании и клеточной активации [3];
  • не исключено, что функцией прионов является подавление возрастных процессов [3];
  • при развитии клинических проявлений прионных заболеваний нет ни признаков воспаления, ни изменений в крови;
  • предполагается, что прионы участвуют в развитии шизофрении и миопатии;
  • механизм действия прионов и их превращения из нормальной формы в патологическую остаётся неясным.

Свойства прионов

Прионы – это очень устойчивые соединения. Большинство способов обезвреживания и обеззараживания оказываются неэффективными при борьбе с ними. Они не погибают при кипячении в течение 2-3 часов, выдерживают холод до -40°С несколько лет, не чувствительны к ультрафиолетовому излучению и радиации, не инактивируются при обработке формалином.

Особое строение прионов приводит к тому, что организм не умеет бороться с ними. Человеческий организм не вырабатывает антитела (гуморальный иммунитет) против них, не атакует прионы лимфоцитами (клеточный иммунитет), как бы не замечает их. То есть попадание прионов в организм неизбежно влечет за собой развитие заболевания. Даже при 10-миллионном разведении прион оказывается заразным для человека.

Как их обнаружили

История об открытии прионов тянет на приключенческий фильм с элементами фантастики: казалось бы, что может быть здоровее жизни на прекрасном острове среди океана, например в Новой Гвинее? Но на живший там народ форе однажды обрушилась болезнь неизвестной природы, которая проявлялась очень сильной тряской, мешающей человеку сначала ходить, затем — стоять и сидеть. В конце концов всё, на что оказывался способен больной, — это лежать и дрожать. Следом наступал паралич, а после — смерть. За необычные клинические проявления местные назвали болезнь куру (в переводе «дрожь»). Для изучения инфекционных заболеваний, в том числе загадочной куру, в Новую Гвинею отправился детский врач и вирусолог Карлтон Гайдушек. У него всё получилось: в 1976 году Гайдушек получил Нобелевскую премию «за открытия, касающиеся новых механизмов происхождения и распространения инфекционных заболеваний», разделив её с Барухом Бламбергом, открывшим вирус гепатита В.

Впрочем, Гайдушек не открыл собственно прионы — он лишь предположил, что вирус вызывает «патогенная частица», которая не видна под микроскопом. Для этого учёному пришлось провести на острове продолжительное время, вскрыть пару сотен умерших представителей форе и даже отсылать их органы (особенно Гайдушека интересовал мозг, который у больных приобретал губчатую структуру) своим коллегам из разных стран. Причиной эпидемии среди народа форе стал ритуальный каннибализм: его практиковали даже после официального запрета властей. Мотивы прозаичны: форе полагали, что вместе с поеданием плоти умершего человека к ним перейдут его ум, способности или таланты.

Исследования

Ученым удалось достаточно быстро установить, почему болеют папуасы. Выяснилось, что заболевают только те из них, кто участвовал в ритуальном поедании тел погибших от куру родственников. Согласно местным верованиям того времени, дети должны были обязательно отведать мозга умершего, считалось, что от этого у них прибавится ума. Неизвестно, прибавлялось ли у детей от этого ума, но все малолетние, участвовавшие в таких трапезах, обязательно оказывались зараженными куру.

Особенно масштабные исследования развернулись с агентом скрейпи. Для начала определили его размеры, они оказались стандартными для вирусов – 17–27 нанометров. После этого вирусологи всего мира стали разбираться в свойствах неизвестного возбудителя заболевания, и тут их ждали сюрпризы. Оказалось, что инфекционный агент совершенно невосприимчив к формалину, пепсину и трипсину, не реагирует на ферменты, разрушающие ДНК и РНК, устойчив к кипячению, ультрафиолетовому излучению и… проникающей радиации! С такими вирусами ученым сталкиваться еще не приходилось.

Фото: /Александр Авилов

Фото: /Александр Авилов

Больше того, возбудителя заболевания никак не удавалось увидеть в электронный микроскоп, что было уж совсем странно. В то время ученые уже умели распознавать вирусные частицы намного мельче, чем 17 нанометров, но вирус скрейпи (почесуха) так никто и не увидел – наблюдали лишь фрагменты клеточных мембран.

Еще одной интересной загадкой оказалось всякое отсутствие иммунного ответа организма больных. Организм людей, больных куру, и овец, страдавших от скрейпи, никак не реагировал на течение заболевания. При обычных болезнях, вроде гриппа и простуды, в организме увеличивается синтез интерферона (отвечает за иммунитет), что ведет к быстрому выпуску антител, которые соединяются с вирусными частицами и растворяют их. Ученые пытались обнаружить признаки хоть каких-либо антител, но потерпели неудачу.

Отчаявшиеся исследователи начали выдвигать гипотезы, что возбудителем является не вирус, а молекула полисахарида или же белка, но подтверждения эта версия так и не нашла. Ученые топтались на месте, пока в 1982 году американский невролог Стэнли Прузинер не заявил об открытии нового класса инфекционных агентов – прионах.

сооружения

Наши знания о структуре прионов основаны главным образом на исследованиях, проведенных на бактерии. Кишечная палочка.

Проведенные исследования показывают, что полипептиды PrP (C) (нормальные) и PrP (Sc) (инфекционные) идентичны по аминокислотному составу, но различаются по 3D-конформации и складыванию этих.

PrP (C)

Эти неинфекционные прионы у человека содержат 209 аминокислот. У них дисульфидная связь. Его структура альфа-спиральная, что означает, что он имеет спиралевидные аминокислоты (альфа-спирали) и несколько плоских аминокислотных цепочек (бета-листы).

Этот белок не может быть отделен центрифугированием, что означает, что он не осаждается. Он легко переваривается сериновой протеазой широкого спектра, называемой протеиназой К.

PrP (Sc)

Это инфекционный белок, который превращает PrP (C) в инфекционные изоформы PrP (Sc) и имеет ненормальную конфигурацию или форму.

О его трехмерной структуре известно очень мало, однако известно, что у нее мало спиральных форм и больше плоских прядей или бета-версий. Изменение к изоформе — это то, что известно как фундаментальное событие прионных заболеваний..

Зачем нужны прионы?

В 70-е годы прошлого века два английских исследователя – Паттисон и Джебет – изучали на мышах действие вещества под названием купризон. В нормальных условиях оно связывает в организме ионы меди. Животным включили купризон в обязательную диету с целью посмотреть, какое действие он произведет на грызунов. И поразились! После 30 с лишним дней купризоновой диеты совершенно здоровые до этого мыши превратились в тяжелобольных. Причем все признаки заболевания полностью отвечали симптомами скрепи. Часть мышей, участвовавших в эксперименте, вскрыли и посмотрели – оказалось, что в головном мозгу животных произошли абсолютно те же изменения, что и при прионных болезнях.

Возник вопрос: а что если купризон мышам больше не давать? Попробовали – и через несколько дней грызуны выздоровели. Уже через 30 дней у них исчезли и вызванные купризоном изменения в мозговой ткани.

Спустя много лет было выяснено, что прионы весьма и весьма похожи на положительно заряженные частицы двухвалентной меди. И изменения, которые они вызывают в организме, практически идентичны. Таким образом, исследователи сделали вывод о том, что в нормальном состоянии прионы отвечают за оборот металлов, в частности меди. Но эти данные пока остаются лишь гипотезой.

Фото: ТАСС/Станислав Красильников

Фото: ТАСС/Станислав Красильников

Еще одна группа американских исследователей принялась копать в другом направлении. Им удалось получить данные, что прионы помогают клеткам мозга прикрепляться друг к другу и участвуют в передаче сигналов внутри клетки. Это означает, что отсутствие прионов или их дефекты не позволяют клеткам мозга получать сигнал о других клеток, что ведет к развитию тяжелых нарушений в работе нервной и других систем организма.

Но самым интересным является предположение о том, что прионы участвуют в механизмах клеточного старения. Не секрет, что долгое время прионные болезни относили к группе старческих болезней, потому что вызываемые ими изменения весьма сходны с другими заболеваниями (вроде болезни Пика, Альцгеймера и других неврологических недугов). Наличие прионной инфекции как бы подталкивает организм к ускоренному старению. Естественно, это ставит очень важный вопрос: если лекарство от таких болезней будет найдено, не станет ли оно своеобразным ключом к долголетию или даже бессмертию организма? Но ответ на этот вопрос пока дать невозможно, поскольку функции прионов изучены еще недостаточно хорошо.

Что вызывают в организме прионы?

Прионы способны вызывать так называемые губчатые (спонгиозные) энцефалопатии, то есть поражение центральной нервной системы. Морфологически это означает:

  • образование в клетках мозга полостей («дырок», отчего и сформировалось понятие «губчатости»);
  • гибель (дегенерацию) нейронов;
  • разрастание соединительной ткани вместо погибших нервных клеток;
  • атрофию мозга;
  • формирование амилоидных бляшек (последние образуются из скоплений патологических прионов).

И все это возникает на фоне полного отсутствия каких-либо воспалительных реакций.

Как из нормального белка получается аномальный

Название белкам, работающим против человека, дал американский врач Стенли Прузинер. Объединив слова protein (белок) и infection (инфекция), он получил «прионы», обозначил их как новейший тип биологических возбудителей инфекции и впервые описал принцип их действия. В 1997 году и он получил Нобелевскую премию за проделанную работу. Прузинер обнаружил и белок, порождающий прионы — его назвали прионным белком, PrP. Самое интересное, что кодирующий PrP ген содержится в двадцатой хромосоме человека — то есть он имеется в ДНК любого из нас. Но шанс его преобразования в прион минимален, и большинство людей спокойно живут без риска прионных заболеваний. Тем не менее всего одна ошибка в синтезе белка может привести к преобразованию нормального PrPC в аномальный PrPSc.

Как объясняет Валерий Ильинский, генетик и генеральный директор Genotek, прионы — это обычные белки, которые приобрели необычную структуру. Это позволяет им менять структуру аналогичных белков, также превращая их в прионы, то есть происходит процесс, подобный заражению. Для начала заболевания необходимо проявление первого повреждённого белка — это может произойти либо в результате спонтанной ошибки при его синтезе, либо после попадания приона извне, от другого человека или животного. А дальше запускается цепная реакция.

Рустам Зиганшин, кандидат химических наук, отмечает, что причина и механизм преобразования «нормальной» формы прионного белка в опасную сегодня очень слабо изучена. В экспериментах in vitro (в пробирке) для такого преобразования требуются различные дополнительные факторы. В то же время в экспериментах на животных прионные болезни развивались, когда «нормальный» прионный белок вводили мышам, вообще лишённым программирующего его гена. Непонятно, что заставляло его становиться «агрессивным» в этом случае.

Для кого опасны прионы?

Прионы опасны для всех форм жизни, у которых есть белок PrP. Прионные болезни уже обнаружены, кроме человека, у овец, коз, коров, норок, оленей, лосей, мулов, кошек (и домашних, и диких), антилоп, страусов и даже у дрожжей. К счастью для всего живого на Земле, прионные инфекции в большинстве своем видоспецифичны. Это значит, что PrP белки разных видов незначительно отличаются друг от друга, поэтому в большинстве случаев у человека нет шансов умереть, скажем, от прионов страуса или дрожжевого грибка.

Но из каждого правила есть исключения. Прионы, губительные для коров, вызывают у человека один из вариантов болезни Крейтцфельдта-Якоба. А подхватить коровий прион можно, съев зараженное мясо. Правда, не каждый человек, употребивший бифштекс коровы, которая скончалась от губчатой энцефалопатии рогатого скота, заболеет. Для заражения необходима комбинация факторов, в число которых входит генетическая предрасположенность к таким инфекциям.

Сегодня выделяют следующие разновидности прионных болезней человека:

  • Куру.

Упоминавшаяся выше болезнь гвинейских аборигенов, сегодня практически полностью искорененная в силу отказа племен от каннибализма.

  • Синдром Герстмана-Штраусслера-Шейнкера.

Крайне редкое, наследственное заболевание с инкубационным периодом от 5 до 30 лет.

  • Фатальная семейная бессонница (FFI).

Тоже очень редкое и передающееся по наследству заболевание, в результате которого человек погибает от необратимых повреждений мозга на фоне бессонницы.

  • Болезнь Крейтцфельдта-Якоба (CJD).

Она же — коровье бешенство или трансмиссивная спонгиоформная энцефалопатия и др. Эта болезнь существует в нескольких модификациях. Выделяют спорадическую (sCJD), наследственную (fCJD) и ятрогенную (iCJD) формы. А с 1955 года, после вспышки коровьего бешества в Великобритании — новый вариант nvCJD.

Статистика, собранная в отношении болезни Крейтцфельдта-Якоба, показывает, что только в 1-5% случаев человек может получить прионную инфекцию путем заражения извне, например, при пересадке органов и тканей. В 10-15% случаев заражение является наследственным заболеванием. И, наконец, в 85% случаев причина внезапного развития болезни остается неизвестной. Чаще всего, она поражает людей в возрасте от 40 до 69 лет.

Лечение прионных болезней

Лица, имеющие симптомы, подозрительные на прионные болезни, должны быть госпитализированы. Назначается постельный либо полупостельный режим. В случае тяжелых психопатических расстройств необходимо обеспечивать безопасность пациента и персонала. Диеты не предусмотрено, кроме исключения сырого мяса из рациона. Многие пациенты с прионными инфекциями отказываются от еды, поэтому может быть назначена парентеральная нутритивная поддержка.

Консервативная терапия

Протоколов ведения пациентов с прионными болезнями в настоящее время не разработано. Поиски этиотропных препаратов находятся в стадии активных исследований и экспериментов с обнадеживающими результатами. Медикаментозное сопровождение преимущественно складывается из симптоматической, патогенетической терапии; нередко пациенты нуждаются в реанимационной, паллиативной помощи.

  1. Патогенетическая терапия. Строится на применении инфузионных растворов, противоэпилептических препаратов. Возможным положительным эффектом обладают антиоксиданты (витамины А, Е, С), рапамицин, каннабиноиды.
  2. Симптоматическая терапия. Используются антидепрессанты, противосудорожные, обезболивающие, седативные препараты, лекарства, необходимые для компенсации иных системных болезней (антигипертензивные и пр.).

Экспериментальная терапия

Опубликованные в 2019 году результаты опытов над лечением прион-инфицированных мышей показали, что наблюдается терапевтический эффект от липосомно-малых интерферирующих РНК-пептидных комплексов (LSPCs) в виде нарушения репликации прионов в мозге у 90% подопытных и увеличения их выживаемости (22%). Сходные результаты были получены при интрацеребральном применении лентивирусов. Исследования продолжаются.

Перспективным направлением считается изучение влияния искусственно созданных непатогенных прион-подобных белков, которые могут самораспространяться, при этом снижать репликацию инфекционных единиц, задерживая и подавляя нейродегенеративные процессы. Существует концепция моноклональных антител, распознающих прионные соединения, ингибирующих их репликацию и задерживающих развитие болезни у животных.

Предполагается положительный профилактический эффект доксициклина в доклинический период у пациентов, являющихся носителями генов фатальной семейной бессонницы. В ряде экспериментов животные, получавшие гетерологичный прионный белок, демонстрировали замедленное начало клинических симптомов, значительное увеличение среднего времени выживаемости по сравнению с контрольной группой.

Можно ли защитить здоровье человека?

Организм человека сам производит белок PrP, неправильная конфигурация которого приводит к смертельному заболеванию. Почему бы не избавиться от этого белка? Если найти способ «выключить» ген, который его кодирует — человечество и иные живые существа, подверженные прионным заболеваниям, были бы надежно защищены от них. Но нет. Сделать это невозможно по той простой причине, что данный ген и данный белок жизненно необходимы. При их отсутствии (или «отключении») вокруг нервных волокон перестает формироваться миелиновый слой — своего рода, изолирующая защитная оболочка для отростков нервных клеток. А это приводит к болезням периферической нервной системы и, как следствие, к параличам.

Патогенез

Изучение патогенеза прионных болезней продолжается. Считается, что в норме прионный протеин содержится в головном мозге, участвует в межнейронной передаче импульса. Предполагают его существенную роль в регуляции возрастных изменений нейроцитов. Во время контакта с патологической формой приона возникает трансформация обычного протеина в измененный белок. Выявляется множество овальных вакуолей серого вещества мозга.

Вакуоли обнаруживаются в любом слое церебральной коры, как отдельно, так и в виде групп, разделенных на участки. Иногда вакуоли сливаются в микроцисты (более 200 микрон), что значительно искажает цитоархитектонику серого вещества. Кроме коркового слоя, спонгиозные изменения нейропиля и вакуолизация цитоплазмы нейронов наблюдается по ходу всех полей аммоновых рогов, по ходу зубчатой фасции, в области подкорковых ядер, таламусе и коре мозжечка.

ссылки

  1. Прион, Инфекционный Агент. Восстановлено с britannica.com.
  2. Что такое Прион? Восстановлено от Scientificamerican.com.
  3. Р.С. Каликири Р.Г. Sachan. 2003. Прионы — белковые инфекционные частицы. Журнал, Индийская академия клинической медицины.
  4. Прионных. Получено с
  5. К.М. Пан, М. Болдуин, Дж. Нгуен, М. Гассет, А. Сербан, Д. Грот, И. Мелхорн, З. Хуанг, Р.Дж. Флеттерик Ф.Е. Коэн (1993). Преобразование альфа-спиралей в бета-листы приводит к образованию скрепоновых прионных белков. Слушания Национальной Академии Наук Соединенных Штатов Америки.
  6. М.-А. Wulf, A. Senatore & A. Aguzzic (2017). Биологическая функция клеточного прионного белка: обновление. BCM Биология.
  7. округ Колумбия Чжан А.Д. Стил, С. Линдквист, Х.Ф. Лодиш (2006). Прионный белок экспрессируется в длительно репопулирующих гемопоэтических стволовых клетках и важен для их самообновления. Слушания Национальной Академии Наук Соединенных Штатов Америки.
  8. Обзор заболеваний, вызываемых прионами (трансмиссивные губчатые энцефалопатии) Получено с msdmanuals.com.
  9. Э. Арранц-Мартинес, Г. Трилло-Санчес-Редондо, А. Руис-Гарсия, С. Арес-Бланко (2010). Прионпатии: прионные энцефалопатии. Семейная медицина. SEMERGEN.

Теги