ГЛАВА 29 ПРИОННЫЕ БЕЛКИ И ПРИОННЫЕ БОЛЕЗНИ

ГЛАВА 29 ПРИОННЫЕ БЕЛКИ И ПРИОННЫЕ БОЛЕЗНИ

Характеристика белков-прионов

Термин «прион» впервые появился в середине XX в. Природа этого фактора долгое время оставалась неизвестной. Только в 1966 г. было обнаружено, что агент, вызывающий болезнь скрэйпи у овец, обладает необычными свойствами: устойчив к ионизирующей радиации и ультрафиолетовому свету. Это поставило под сомнение популярную тогда гипотезу, что болезнь скрэйпи вызывается вирусом.

В 1967 г. Д. Гриффит высказал предположение, что прион как инфекционный агент не приносит новый генетический материал, а представляет собой измененную форму одного из клеточных белков, самоподдерживающихся за счет автокаталитического механизма.

В 1982 г. С. Прузинер и соавторы выделили такой агент из мозга больных животных и описали его. Выяснилось, что этот белок обладает необычными свойствами: устойчив к нагреванию, сохраняет активность после обработки мочевиной, протеиназой К, разными веществами, повреждающими ДНК (нуклеазы и псоралены). Однако он чувствителен к ионизирующей радиации в присутствии кислорода, т.е. проявляет свойства, характерные для гидрофобных белков, связанных с липидами.

В дальнейшем белок, вызывающий болезнь скрэйпи, получил название «прион» (prion - proteinacious infectious particle) или PrP (Prion Protein). Затем на основе определения первичной структуры PrP был идентифицирован кодирующий его ген - PRNP, который присутствует в геномах всех млекопитающих, птиц и рыб.

У человека такой ген локализован в коротком плече хромосомы 20 (20р), имеет протяженность 16 тыс. н.п. и содержит 2 экзона. Его белок PrP входит в состав клеточных мембран и экспрессируется в разных тканях (в основном ЦНС и лимфоретикулярной ткани).

Нормальная форма белка PrP обозначается как PrP^ Пространственная структура рекомбинантного PrP была впервые определена методом ядерного магнитного резонанса.

Аминоконцевой район нормального белка PrP в растворе не был структурирован, а его карбоксиконцевая часть формировала гло-

булу и состояла из трех б-спиралей (42%) и короткого участка с в-структурой (3%).

Патологическая форма белка, обусловливающая его инфекционность, была названа PrP Sc (форма scrapie). Его глобула содержит 30% б-спиралей и 43% в-структур.

Как установлено, и нормальная, и патологическая формы прионного белка неотличимы друг от друга по аминокислотной последовательности, но имеют разную конформацию.

В результате обработки PrP Sc протеиназой К образовывался протеазоустойчивый фрагмент с молекулярной массой 27-30 кДа. Молекулярная масса PrP c варьировала от 33 до 35 кДа в зависимости от степени гликозилирования. Вследствие указанных различий было предположено, что приобретение нормальным белком PrP c инфекционных свойств связано с его конформационным переходом в патологическую форму с образованием в-складчатого слоя.

Концепция прионов

На основании полученных С. Прузинером экспериментальных данных была сформулирована концепция прионов.

Ее положения: инфекционным агентом является белок PrPSc, который реплицирует себя при отсутствии нуклеиновой кислоты; превращение белка из нормальной формы PrPc в инфекционную форму PrPSc происходит путем конформационного перехода, идущего разными путями: спонтанно (спорадические формы), на основе поступления извне патологической формы PrPSc (приобретенные формы), в результате мутаций в гене PRNP, обусловливающих образование PrPSc из PrPc (наследственные формы).

В настоящее время концепция прионов подтверждена новыми доказательствами. Перечислим их:

Организмы, лишенные PrP c , устойчивы к инфицированию;

С помощью системы циклической амплификации (формирование PrPS c in vitro) показана инфекционность прионного белка;

Образование патологической формы PrP Sc в первом цикле амплификации происходит на его матрице, а в последующих циклах дальнейшему превращению PrP c в патологическую форму способствует уже полученная форма PrP Sc ;

Конформационный переход нормальной формы PrPc в патологическую форму PrPSc нарушается под действием ультразвука;

Свойства патологической формы PrP Sc у экспериментальных животных соответствуют свойствам патологической формы PrP Sc , полученной из мозга больных животных;

Интрацеребральное введение патологической формы PrP Sc здоровым хомякам индуцирует у них болезнь скрэйпи со смертельным исходом;

Губчатая дегенерация нервной ткани у умерших животных не отличима от таковой у животных, зараженных патологической формой PrP Sc , продуцированной in vivo;

полученная in vitro патологическая форма PrP Sc менее инфекционна, чем форма, полученная in vivo;

Передача «прионной инфекции» между млекопитающими ограничена межвидовыми барьерами, хотя эти барьеры не абсолютны, что объясняется различиями в первичной структуре PrP у млекопитающих разных видов; однако возможность заражения хомяков болезнью овец скрэйпи, а коз - болезнью Крейтцфельда-Якоба доказана;

Губчатые энцефалопатии передаются между организмами одного или близкородственных видов (болезнь Крейцфельда-Якоба передается от человека к человеку, от человека к шимпанзе; болезнь скрэйпи передается среди овец и коз, но не передается к шимпанзе);

Случаи заражения человека болезнью овец скрэйпи не установлены;

Передача «прионной инфекции» ограничена различиями в первичной структуре белка PrP и его штаммовой принадлежностью.

ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИОННЫХ БОЛЕЗНЕЙ

Прионные болезни (ПБ) - это «конформационные» болезни человека и животных. Они обусловлены нарушениями процессов формирования пространственной структуры прионных белков, приводящими к изменениям внутриклеточной и межклеточной физиологии. К «конформационным» болезням также относятся амилоидные заболевания, например болезни Альцгеймера, Паркинсона и хорея Гентингтона, при которых происходит внутри- и внеклеточное накопление патологических фибриллярных белков.

ПБ известны давно. Первые упоминания о болезни скрэйпи у овец появились в середине XVIII в., а первые сообщения о губча-

той энцефалопатии у быков или «коровьем бешенстве», относятся к XIX в. В свою очередь, некоторые тяжелые нейродегенеративные болезни человека, такие, как болезнь куру или «смеющаяся болезнь», выделены в середине XX в. (в племени каннибалов Новой Гвинеи). Болезни Герстмана-Штраусслера-Шейнкера, Крейтцфельда-Якоба, а также семейная фатальная инсомния (бессонница) впервые описаны в конце XX в.

Все известные в настоящее время ПБ человека считаются смертельными: летальный исход после их манифестации наступает спустя 6 мес-5 лет.

Как отмечено выше, ПБ делятся на спорадические (80-85%), наследственные (около 15-20%) и приобретенные (менее 1%).

Инфекционность ПБ показана Р.Л. Чандлером (1961), заразившим лабораторных мышей болезнью овец скрэйпи. Позднее Д.К. Гайдушеку и соавторам (1966) удалось передать от человека к шимпанзе болезнь куру (см. ниже). Заражение человека и животных белками-прионами обычно происходит при употреблении в пищу мяса больного животного (особенно мозга) или другими путями.

Экспериментально заражение животных производится путем интраперитонеального или интрацеребрального введения здоровому животному гомогената мозга больного животного.

Этиология

ПБ развиваются в результате мутаций в гене, кодирующем экспрессию прионного белка, или при передаче патологической формы белка, находящегося в чужеродном биологическом материале, человеку при инфицировании. Во втором случае изучены пути инфицирования. Ими оказались: потребление в пищу мяса коров, страдающих бешенством, каннибализм, переливание крови, трансплантация органов и тканей, прием лекарств, содержащих гормоны человека (гипофизарный гонадотропин, соматотропин), и ятрогенный путь через недостаточно стерилизованные нейрохирургические инструменты.

При образовании новых мутаций или наследовании от предыдущих поколений уже имеющихся у человека точковых мутаций в гене PRNP характерен аутосомно-доминантный тип передачи гена, локализованного в хромосоме 20р - это 15-20% случаев ПБ.

В больном организме запускается механизм (до периода манифестации первых признаков) синтеза патологической формы PrP Sc ,

кодируемой геном PRNP, который обычно производит нормальную форму PrP c , транспортируемую через аппарат Гольджи на поверхность клеточных мембран нервных клеток. При развитии патологического процесса в везикулах цитоплазмы нейронов накапливается форма PrP Sc .

Всего идентифицировано около 25 точковых мутаций в гене PRNP (аллельных вариантов), приводящих к разным нозологиям ПБ. В числе мутаций гена PRNP выделены: миссценс- и нонсенсмутации кодирующей области гена и инсерции дополнительных копий октапептидкодирующих повторов проксимальной части гена. Как оказалось, основные нозологии ПБ - болезни Герстмана- Штраусслера-Шейнкера, Крейтцфельда-Якоба и фатальная семейная инсомния - относятся к аллельной серии гена PRNP.

В последние годы выделена вторая патологическая форма прионного белка - PrP27-30. Однако ее ген пока не локализован. Вместе с тем, вторая форма белка присутствует в специфических структурах пораженных клеток, называемых «прионными палочками»; морфологически и гистохимически они не отличаются от амилоидных структур, накапливаемых в нервных синапсах при развитии неврологической симптоматики и деменции.

Механизмы патогенеза

Механизмы патогенеза ПБ изучены недостаточно. Согласно концепции прионов, образование патологической формы PrP Sc в первом цикле амплификации происходит на матрице PrP Sc , а в последующих циклах превращению нормальной формы PrP c в патологическую форму способствует уже сформировавшаяся патологическая форма PrP Sc , вызывая экпоненциальный (неконтролируемый) рост числа патологических молекул PrP Sc , т.е. своеобразную цепную реакцию.

Следовательно, пусковой механизм ПБ - это момент конформации, начало которой имеет общее сходство, во-первых, с началом неконтролируемого деления клеток опухоли при ОГБ (см. главы 17 и 25), во-вторых, с началом неконтролируемого роста (экспансии) числа нуклеотидных повторов ДНК при БЭ (см. главу 27) и, в-третьих, с началом инфекционного процесса, пусть и контролируемого организмом, например, при вирусных заболеваниях.

В-четвертых, нельзя не отметить сходство феномена прионизации с появлением и последующим сохранением геномной памяти о патологической форме PrP Sc , на основе которой бесконтрольно копируют-

ся новые копии PrP Sc , приводя к манифестации (пороговый эффект), развитию ПБ и гибели организма.

Таким образом, ПБ, ОГБ, БЭ, БГП и инфекционный процесс имеют общие механизмы развития, связанные с началом патологического процесса в организме.

Немаловажное значение имеет отсутствие иммунного ответа на «прионную инфекцию» в случае губчатых энцефалопатий, что, скорее всего, объясняется наличием в клетках и тканях (включая Т- и В-лимфоциты) нормальной формы PrP c , а иммунные клетки организма не распознают конформационно отличающуюся от нее патологическую форму PrP Sc , принимая ее за нормальную форму.

Основные признаки ПБ

Основные признаки ПБ отличаются высокой вариабельностью неврологических расстройств. Для наследственных вариантов ПБ характерно проявление признаков в возрасте 45-75 лет и быстро прогрессирующее течение, приводящее к преждевременной смерти.

Наиболее выражены: атаксия, парезы и параличи, прогрессирующая деменция, снижение остроты зрения, эпилептические приступы. Для фатальной инсомнии, кроме того, характерны: гипертермия, дезориентация в пространстве и времени, нарушение ритмов сна и бодрствования.

ОТДЕЛЬНЫЕ НОЗОЛОГИИ

Болезнь Крейтцфельда-Якоба

Выделяют основной (панэнцефалический) I тип и дополнительный II тип болезни.

Клинические признаки при панэнцефалическом типе: выраженные неврологические нарушения в виде нарастающей диспраксии, нейродегенеративного регресса, прогрессирующей деменции и другой симптоматики вплоть до постановки диагнозов атипичной деменции, болезни Альцгеймера, Паркинсона, Пика, миоклонусэпилепсии, хореи Гентингтона (см. ниже).

Манифестация I типа болезни начинается в возрасте 20-50 лет с нарушения походки, затрудненного глотания, миоклоний, повышения тонуса и рефлексов, далее развиваются прогрессирующая деменция и нейродегенеративный регресс, нарастает диспраксия,

постепенно утрачиваются навыки чтения, письма и счета. На ЭЭГ выявляется спайк-волна, а на ЭНМГ - электрофизиологическая картина демиелинизации. При патоморфологических исследованиях обнаруживается спонгиозная дегенерация ЦНС, фокальный или диффузный глиоз.

Для II типа болезни характерны тот же возраст манифестации и прогрессирующая деменция. Продолжительность жизни от момента появления первых симптомов - не более 2 лет. Основные признаки: апатия, депрессия, миоклонии мышц нёба и скелетной мускулатуры, мозжечковые нарушения в виде атаксии и тремора, нарушения глотания, сна и произношения звуков, повышение рефлексов с выявлением патологических стопных знаков, поражение бульбарной группы черепно-мозговых нервов, проксимальные мышечные атрофии со снижением всех видов чувствительности, ригидность мышц, супрануклеарная офтальмоплегия, тики, фасцикуляции, хореитические гиперкинезы, эмоциональная лабильность.

При электрофизиологическом исследовании обнаруживаются: низкая активность на ЭЭГ, снижение скорости проведения нервных импульсов по двигательным волокнам на ЭНМГ, переднероговая активность при ЭМГ. При патоморфологическом исследовании выявляются: спонгиозная дегенерация (полости, кисты) во фронтальной области коры, стриатуме и таламусе, а также генерализованная церебральная атрофия и кальцинаты в базальных ганглиях. Кроме того, в мозге обнаруживаются амилоидоподобные бляшки, характерные для болезни куру.

При болезни Крейтцфельда-Якоба идентифицировано 11 точковых мутаций (замены одного нуклеотида на другой) с образованием аллельных вариантов гена PRNP, в том числе вариантов тандемных октапептидных кодирующих повторов, расположенных между кодонами 51 и 91, в связи с чем патологию называют болезнью октопептидных кодирующих повторов. Тип наследования аутосомнодоминантный.

Болезнь Герстмана-Штреусслера, или прионная болезнь 3 типа

Болезнь Герстмана-Штреусслера, или прионная болезнь 3 типа, плохо диагностируется.

Характеризуется возрастом манифестации 20-50 лет. В этот период у больных начинает прогрессировать интеллектуальная недо-

статочность, мозжечковая атаксия, дизартрия, миоклонии мышц нёба и скелетных мышц, супрануклеарная офтальмоплегия, нистагм, спастичность, хореитические гиперкинезы, гиперестезия, полинейропатия, парестезии.

При морфологическом исследовании выявляются: спонгиозная дегенерация ЦНС, глиоз, амилоидные включения и нейрофибриллярные клубочки.

Генетически выделяют пять аллельных вариантов, связанных с заменой тимина на цитозин.

Болезнь телец Леви

Болезнь телец Леви, или паркинсонизм, сочетающийся с деменцией и клиническими проявлениями, сходными с таковыми при болезни Паркинсона. Возраст манифестации - 10 лет и старше.

В неврологическом статусе: атрофии мышц конечностей, галлюцинации, нарастающая дисфагия, ортостатическая гипотензия и/или гипертензионные кризы, прогрессирующая деменция, ригидность, спастичность, тремор, туловищная атаксия, фасцикуляции.

При морфологическом исследовании в субкортикальных областях мозга обнаруживаются тельца Леви.

В основе болезни лежит точковая мутация MET232ARG, обусловливающая появление конформационной формы прионного белка: мет232арг (M232R-мутация). Описан также один больной, у которого наблюдалась комбинация этой мутации с мутацией V180I.

Синдром Стила-Рихардсона-Олсцевски

Синдром Стила-Рихардсона-Олсцевски, или прогрессирующий супрануклеарный паралич (субкортикальный глиоз PSP1), манифестирует в возрасте 20-50 лет с нарушений речи, затем проявляются: агрессивное поведение, брадикинезия, деменция, диспраксия, дисфагия, миоклонии, мозжечковая атаксия, мышечная спастичность и ригидность, нарастающая акинезия, нистагм, супрануклеарная офтальмоплегия, тремор, хореитические гиперкинезы, эмоциональная лабильность.

При морфологическом исследовании выявляются неспецифические изменения в головном и спинном мозге и внутриклеточные включения в виде нейрофибриллярных клубочков или аргирофильных включений Пика и телец Леви.

Болезнь Пика

Болезнь или деменция Пика трудно диагностируется. Манифестирует в возрасте 20-50 лет с нарушений речи, сопровождается апатией и/или депрессией, нейродегенеративным регрессом и прогрессирующей деменцией.

При морфологическом исследовании выявляются: генерализованная или локальная (фронтальная или темпоральная) атрофия коры мозга, спонгиозная дегенерация, глиоз и внутриклеточные включения в виде нейрофибриллярных клубочков (аргирофильные включения).

Болезнь Куру

Болезнь Куру, или «смеющаяся болезнь» выделена в племени каннибалов, населяющих джунгли Новой Гвинеи. Характеризуется прогрессирующей дегенерацией нервных клеток, участвующих в формировании двигательного центра головного мозга. В результате спонгиоматозных нарушений изменяется контроль за мышечной активностью, развивается тремор туловища, конечностей и головы. Болеют преимущественно женщины и дети. Смерть наступает через 9-12 мес.

Семейная фатальная инсомния

Впервые описана в 1979 г. И. Ройтером, который наблюдал смерть от бессонницы двух родственниц своей жены. Всего в мире насчитывается 28 семей с этим заболеванием.

Болезнь дебютирует в возрасте 30-60 лет. Клинически выделяют 4 периода течения: первый период (длится 4 мес): больной начинает страдать от бессонницы, появляются приступы панических атак, фобии; второй период (5 мес): панические атаки учащаются, присоединяются галлюцинации; третий период (3 мес): развивается полная бессонница, больной теряет в весе; четвертый период (6 мес): пациент перестает говорить, не реагирует на окружающих, у него постепенно развивается коматозное состояние и наступает смерть.

Продолжительность жизни от момента манифестации: 7 мес - 3 года.

При морфологическом исследовании обнаруживается дегенерация в ядрах таламуса.

В 1990 г. при этом заболевании впервые удалось идентифицировать точковую мутацию, наследуемую по аутосомно-доминантному типу.

Мутация в кодоне 178 гена PRNP проявляется заменой аспарагина на аспарагиновую кислоту в конформационной форме прионного белка, что вызывает появление в таламусе амилоидных бляшек и соответствующей симптоматики - бессонницы.

Болезнь Альцгеймера

Болезнь Альцгеймера, или старческое слабоумие - самостоятельное наследственное заболевание, обусловленное точковыми мутациями в генах, локализованных в локусах разных хромосом: 1q31-q42 - ген PS1, 17q11.2 - ген PS2, 19q13.2 - ген PS3 и 21q21.3-q22.05 - ген PS4, т.е. всего 4 генокопии болезни (см. главы 4, 9, 10 и 13).

Болезнь Альцгеймера проявляется в возрасте 20-50 лет акинезией, генерализованными судорожными приступами, дисфазией (афазией), миоклониями (в том числе мышц мягкого нёба), нарастающей мышечной ригидностью, прогрессирующей деменцией, тремором. В дальнейшем присоединяется старческое слабоумие.

При морфологических исследованиях выявляются генерализованная атрофия мозга, клубочки нейрофибрилл, сенильные бляшки (тельца Хирано) и тельца Леви.

Как установлено, при болезни Альцгеймера в головном мозге снижется активность фосфолипаз - это вынужденная компенсация в ответ на снижение скорости потери фосфолипидов. Наблюдаемые при этом рост количества глицерофосфорилхолина и увеличение активности лизофосфолипид-ацетилтрансферазы тесно связаны с изменением метаболизма холин-содержащих фосфолипидов и участием в этих реакциях амилоидных пептидов, что позволяет рассматривать болезнь Альцгеймера как прионное заболевание. Целесообразность рассмотрения этого заболевания в группе ПБ подтверждается выделением у одного больного с болезнью Альцгеймера точковой мутации MET129VAL, которая связана с заменой аденина на гуанин в первом нуклеотиде кодона 129 гена PRNP, что обусловливает появление конформационной формы прионного белка: мет129вал (М129^мутация); были выделены ее гомо- и гетерозиготные состояния по аллелям: met129 и val / met129.

Подходы к диагностике

Для диагностики ПБ в качестве биологического материала используется ткань из соскоба миндалевидных желез человека, в которой

после обработки протеинкиназой К выявляется протеазоустойчивый фрагмент PrP Sc с молекулярной массой 27-30 кДа.

В случае губчатых энцефалопатий для диагностики применяется метод циклической амплификации, позволяющий выявить патологическую форму PrP Sc в тканях и биологических жидкостях человека на ранних стадиях развития болезни.

Подходы к лечению

ПБ считаются неизлечимыми. Их терапия - в основном симптоматическая, и подходы к радикальной терапии только начинают разрабатываться.

В последние годы появились предпосылки к лечению ПБ антителами.

Например, in vitro показано, что антитела против некоторых эпитопов PrP ингибируют размножение патологической формы PrPSc. В связи с этим было продемонстрировано, что вакцинация рекомбинантными PrP (перед или сразу после инфицирования) и пассивная иммунизация антителами против эпитопов PrP приводили к подавлению экспрессии прионного гена, что подтверждало обоснованность вмешательства в иммунную систему как способа лечения. Было также предположено, что размножение конформационной формы PrPSc можно остановить с помощью блокаторов «в-структур» или пептидов, обогащенных пролином и имеющих гомологию с нормальной формой PrPc С этой целью был разработан второй подход, основанный на полиморфизме гена PRNP и учитывающий, что мутации в этом гене могут блокировать образование патологической формы PrPSc.

Третий подход основан на использовании дрожжей в качестве модели для поиска и изучения факторов, способных излечивать клетки от прионов (изгонять их).

Дрожжи как модель использовались для поиска соединений, «изгоняющих» из клеток такие прионы, как, например, PSI+ и URE3. В частности, проверили 2500 химических соединений и выделили 6 соединений, элиминирующих PSI+, в том числе 5 принадлежали к новому классу молекул - кастеллопаолитинам, а шестым был фенантридин - они «изгоняли» URE3 и ингибировали образование PrPSc в культуре клеток нейробластомы мыши.

Кроме того, изучены два соединения, антиприонная активность которых проявлялась в культуре клеток млекопитающих: кинакрин

(используется для лечения малярии) и хлорпромазин (антипсихотическое средство). Соединения излечивали клетки дрожжей от PSI+

В целом показано: кастеллопаолитины, кинакрин, фенантридин и хлорпромазин действуют не на прионные агрегаты, а на механизмы, поддерживающие конформационное патологическое состояние прионных белков.

Как правило, прионное состояние белка характеризуется переходом α-спиралей белка в β-слои. Прионы - единственные инфекционные агенты, размножение которых происходит без участия нуклеиновых кислот.

Важным событием было распространение «коровьего бешенства » в Великобритании, эпидемия которого была сначала в 1992-1993 гг, а потом и в 2001 г охватила несколько европейских государств, но тем не менее экспорт мяса во многие страны не был прекращён. Заболевание связывают с использованием «прионизированной» костной муки в кормах и премиксах , изготовленной из туш павших или заболевших животных, возможно, и не имевших явных признаков заболевания.

Пути переноса причинного фактора болезни, механизмы проникновения прионов в организм и патогенез заболевания изучены пока недостаточно.

Молекулярные основы патогенеза

В ходе исследований мозговых тканей умерших от прионных инфекций животных было показано, что прионы не содержат нуклеиновых кислот, а представляют собой белки. Одним из первых охарактеризованных прионных белков стал PrP (от англ. p rion-r elated p rotein или p rotease-r esistant p rotein) массой около 35 Да . Известно, что PrP может существовать в двух конформациях - «здоровой» - PrP C , которую он имеет в нормальных клетках (C - от англ. cellular - «клеточный»), в которой преобладают альфа-спирали , и «патологической» - PrP Sc , собственно прионной (Sc - от scrapie ), для которой характерно наличие большого количества бета-тяжей. При попадании в здоровую клетку, PrP Sc катализирует переход клеточного PrP C в прионную конформацию. Накопление прионного белка сопровождается его агрегацией, образованием высокоупорядоченных фибрил (амилоидов), что в конце концов приводит к гибели клетки. Высвободившийся прион, по-видимому, оказывается способен проникать в соседние клетки, также вызывая их гибель.

Функции белка PrP C в здоровой клетке - поддержание качества миелиновой оболочки, которая в отсутствие этого белка постепенно истончается. В норме белок PrP C ассоциирован с клеточной мембраной, гликозилирован остатком сиаловой кислоты. Он может совершать циклические переходы внутрь клетки и обратно на поверхность в ходе эндо - и экзоцитоза . Один такой цикл длится около часа. В эндоцитозном пузырьке или на поверхности клетки молекула PrP C может разрезаться протеазами на две примерно равные части.

До конца механизм спонтанного возникновения прионных инфекций не ясен. Считается (но ещё не полностью доказано), что прионы образуются в результате ошибок в биосинтезе белков. Мутации генов , кодирующих прионный белок (PrP), ошибки трансляции , процессы протеолиза - считаются главными кандидатами на механизм возникновения прионов. Согласно недавно проведённым исследованиям прионы способны к дарвиновской эволюции за счёт действия естественного отбора.

Есть данные, дающие основание считать, что прионы являются не только инфекционными агентами, но и имеют функции в нормальных биопроцессах. Так, например, существует гипотеза, что через прионы осуществляется механизм генетически обусловленного стохастического старения.

Классификация

Этиология

Человек может заразиться прионами, содержащимися в пище, так как они не разрушаются ферментами пищеварительного тракта . Так как стенками кишечника они не адсорбируются, то могут проникать в кровь только через поврежденные ткани. В конечном итоге они попадают в центральную нервную систему. Так переносится новый вариант болезни Крейтцфельдта-Якоба (nvCJD) , которой люди заражаются после употребления в пищу говядины, содержащей нервную ткань из голов скота, больных бычьей губчатой энцефалопатией (BSE, коровье бешенство).

На практике доказана возможность прионов заражать организм мышей воздушно-капельным путем.

Прионы могут проникать в тело и парентеральным путем. Были описаны случаи заражения при внутримышечном введении препаратов, изготовленных из человеческих гипофизов (главным образом гормоны роста для лечения карликовости), а также заражение мозга инструментами при нейрохирургических операциях, поскольку прионы устойчивы к применяемым в настоящее время термическим и химическим методам стерилизации . Эта форма болезни Крейтцфельдта-Якоба обозначается как ятрогенная (1CJD) .

При определённых, неизвестных условиях, в организме человека может произойти спонтанная трансформация прионного белка в прион. Так возникает так называемая спорадическая болезнь Крейтцфельдта-Якоба (sCJD) , впервые описанная в 1920 г. независимо друг от друга Гансом Герхардом Крейтцфельдтом и Альфонсом Марией Якобом. Предполагается, что спонтанное возникновение этой болезни связано с фактом, что в норме в человеческом теле постоянно возникает небольшое количество прионов, которые эффективно ликвидируются клеточным Аппаратом Гольджи . Нарушение этой способности «самоочищения» клеток может привести к повышению уровня прионов выше допустимой границы нормы и к их дальнейшему неконтролируемому распространению. Причиной возникновения спорадической болезни Крейтцфельдта-Якоба согласно этой теории является нарушение функции Аппарата Гольджи в клетках.

Особую группу прионовых заболеваний представляют собой наследственные (врожденные) болезни, вызванные мутацией гена прионового белка, который делает возникший прионовый белок более подверженным спонтанному изменению пространственной конфигурации и превращения их в прионы. К этой группе наследственных заболеваний относится и наследственная форма болезни Крейтцфельдта-Якоба (fCJD) , которая наблюдается в ряде стран мира.

При прионовой патологии наивысшая концентрация прионов обнаружена в нервной ткани заражённых людей. Прионы встречаются в лимфатической ткани. Наличие прионов в биологических жидкостях, включая слюну, пока не было однозначно подтверждено. Если представление о постоянном возникновении небольшого количества прионов верно, то можно предположить, что новые, более чувствительные методы диагностики откроют это количество прионов, разбросанное по различным тканям. В данном случае, однако, речь пойдёт о «физиологическом» уровне прионов, которые не представляют собой никакой угрозы для человека.

Пути заражения

Гистологический препарат, поражение ткани прионами с образованием характерной губчатой структуры.

Очень мало известно о молекулярном характере прионов, вызывающих заболевания. Заражение могут вызвать примерно 100 000 молекул, которые в большинстве случаев образуют большие скопления. Значение агрегации отдельных молекул в ассоциации для вирулентности прионов - устойчивость к действию ферментов , расщепляющих белки, ставшие ненужными. Нельзя исключить, что вирулентными являются и отдельные молекулы прионов. Из некоторых экспериментов следует, что для возникновения прионов в ткани достаточно лишь временного контакта ткани с материалом, содержащим прионы, и нет необходимости, чтобы прионы были навсегда внесены в организм. Этот риск является актуальным, например, в связи с использованием хирургических инструментов, заражённых прионами. Процесс трансформации «здоровых» прионовых белков в прионы может быть инициирован простым контактом здоровых тканей с прионами, зафиксированными на хирургическом инструменте.

Ход болезни и распространение прионов по организму зависит от типа приона. Прионы отличаются составом аминокислот, характерных для данного вида, определяемых видовым геном прионового белка, а также так называемыми посттрансляционными модификациями или степенью гликозилирования базовой белковой цепочки. Посттрансляционная модификация значительно влияет на характеристики прионов и именно ей приписывают разницу между так называемыми прионовыми родами. В случае нового варианта (nvCJD) был пока что описан лишь один вид приона, сходный с прионами скота, заражённого бычьей губчатой энцефалопатией . Поэтому течение заболевания у человека и животных, заражённых новым вариантам , практически одинаково. У прочих видов живых существ, однако, известно много прионовых родов. У овец были описаны примерно два десятка таких родов, которые не вирулентны для человека. Течение овечьего прионового заболевания в зависимости от рода прионов значительно отличается - от очень быстрого, с практически внезапной гибелью, до медленного, затяжного.

Нетипичные случаи клинического течения нового варианта у скота, заражённого бычьей губчатой энцефалопатией, которые имели место в Японии и Италии, наводят на мысль о существовании большего количества родов бычьих прионов. Если бы этот род бычьих прионов попал в организм человека, следовало бы ожидать возникновение нового варианта с симптомами и клиническим течением, отличными от известных случаев.

У пациентов, больных болезнью Крейтцфельдта-Якоба , прионы распространяются в нервной системе, тканях глаза и лимфатических тканях, включая миндалины , селезенку , а также в слепой кишке . Наибольшее количество прионов находится в нервной системе, а наименьшее - в лимфатической ткани.

Пока что не был зарегистрирован ни один случай переноса нового варианта болезни Крейтцфельдта-Якоба (nvCJD) при медицинском вмешательстве, что является, разумеется, хорошей новостью. С другой стороны, специалисты предупреждают о преувеличенном оптимизме, прежде всего в условиях Великобритании, так как инкубационный период может быть достаточно долгим (от 5-8 месяцев до 10-15 лет).

Прионы и медицинские инструменты

Прионы очень стойки к обычным методам дезинфекции . Ионизирующее, ультрафиолетовое или микроволновое излучение на них практически не действует. Дезинфекционные средства, обычно используемые в медицинской практике, действуют на них лишь в очень ограниченной мере. Надёжно их ликвидируют дезинфицирующие реактивы - сильные окислители, разрушающе действующие на белки .

Другое затруднение представляет собой стойкость прионов к высоким температурам. Даже при автоклавировании при 134 °C в течение 18 минут невозможно достичь полного разрушения прионов, и прионы «выживают» в форме, способной вызвать заражение. Стойкость к высоким температурам ещё более возрастает, если прионы засохнут на поверхности металла или стекла или если образцы перед автоклавированием были подвергнуты действию формальдегида .

В Великобритании, где новый вариант является очень серьёзной проблемой, по этим причинам уже используются одноразовые хирургические инструменты для тонзиллэктомии. В будущем напрашивается альтернативное решение: создания новых инструментов, с учётом повышенных требований к очистке и обеззараживанию. Одноразовое использование инструментов согласно принципам ВОЗ требуется в случае стоматологического обслуживания пациентов с диагностированным прионным заболеванием или в случае подозрения на него.

Намного более сложным решением этой проблемы является лечение пациентов группы риска. К ним относятся пациенты, которые подверглись операциям, при которых была использована потенциально заражённая твёрдая мозговая оболочка , или пациенты из семей с наследственной формой болезни Крейтцфельдта-Якоба . ВОЗ в этом случае не требует никаких специальных мер. Британский Консультационный научный комитет по губчатой энцефалопатии в своём решении в г. счёл возможным ограничиться более тщательной очисткой и обеззараживанием инструментов, в сочетании с более длительным автоклавированием.

Прионные заболевания человека

Наиболее известные прионные инфекции человека, связанные с поражением головного мозга:

• болезнь Крейтцфельдта - Якоба (Creutzfeldt-Jakob disease), делится на iCJD, vCJD, fCJD, sCJD;
• фатальная семейная бессонница (Fatal Familial Insomnia);
• болезнь Куру (Kuru), связана с ритуальным каннибализмом народности Форе в восточной части Новой Гвинеи;
• синдром Герстманна - Штройслера - Шейнкера (Gerstmann-Sträussler-Scheinker disease).

Потенциальная опасность для человека

Несмотря на незначительное количество явных случаев прионных заболеваний у людей, многие специалисты считают, что имеется высокая степень опасности «медленных» инфекций для человека.

Имеются данные, что источником распространения могут быть стоматологические процедуры, связанные с попаданием прионов в кровяное русло.

Purdy провёл кластерное эпидемиологическое исследование при прионных заболеваниях в районах с низкой концентрацией меди в почвах.

См. также

• Субвирусные частицы

Примечания

Литература

• И. С. Шкундина, М. Д. Тер-Аванесян . Прионы. Успехи биологической химии, т. 46, 2006 (обзор)
• Григорьев В. Б. - Прионные болезни человека и животных. - Вопросы вирусологии, т.49(№ 5), с.4-12, 2004 (обзор)
• Покровский В. И., Киселев О. И., Черкасский Б. Л. - Прионы и прионные болезни - РАМН, 2004, 384 стр., ISBN 5-7901-0038-4
• Prion biology and diseases, edited by S.B.Prusiner, Cold Spring Harbor, NY, 1999, ISBN 0-87969-547-1

Источники

1. ing. Jaroslav Petr, DrSc. Phony a ustni dutina. Progresdent, 2004, № 2, s. 12-16

Ссылки

На английском языке

• Mad Cow Disease Информация о коровьем бешенстве, Center for Global Food Issues.
• Madcowering A BSE-TSE blog.
• The Pathological Protein - Mad Cow, Chronic Wasting, and Other Deadly Prion Diseases (2003, updated online 2005). Philip Yam,

Прионы, или жизнь без ДНК

Открытие прионов - величайшее достижение для науки вообще и биохимии в частности.

Их изучение началось в конце ХХ века. Тогда они считались лишь, не совсем обычно устроенными, белковыми молекулами, но постепенно открывались все новые стороны их жизни.

В прионах нет ни ДНК, ни РНК, и тем не менее они успешно размножаются. Настолько успешно, что представляют значительную опасность в некоторых случаях. Они подвержены мутациям и даже действию естественного отбора. Так что же они из себя представляют на самом деле?

Американский молекулярный биолог Стенли Б. Прузинер занимался изучением "скрейпи" - болезни овец, считавшейся вирусной. В 1982 году он впервые выделил ее возбудитель. Эта странная болезнь изучалась в течение нескольких десятилетий без видимого успеха. Ее отличительными признаками был особенно долгий инкубационный период и странности в пораженных тканях и органах. В конце 1950-х годов были обнаружены аналогии между болезнью "скрейпи" и заболеванием новогвинейского племени форе. Аборигены называли болезнь "куру", или "дрожь от сглаза", и приписывали ее возникновение колдовству. Причиной распространения куру в научном мире назван был ритуальный каннибализм.

После отказа от этого обычая болезнь практически перестала проявлять себя. Однако можно считать доказанным, что ее инкубационный период составляет более 30 лет, и отдельные случаи болезни связаны именно с долгим инкубационным периодом.Исследования этого заболевания принесли К.Гайдучеку Нобелевскую премию 1976 года.

Только в 1980-е годы благодаря стараниям С.Прузинера была установлена истинная природа обеих болезней.

Дело в правильной форме

Прионами называют молекулы белка PrP, если они свернуты необычным, неправильным образом. Название происходит от английского "proteinaceous infectious particles", то есть "белковые инфекционные частицы". Тот же белок PrP в обычной форме, или альфа-форме, не опасен, хотя его роль в живых организмах еще не до конца изучена. Доказано его существование в организмах всех млекопитающих, в том числе человека. Предположительно, его участие необходимо для ионного обмена или передачи нервных импульсов. Ряд ученых предполагает его важность для поддержания циклов активности и отдыха в течение суток. Исследователи пока не пришли к единому мнению, и все названные гипотезы нуждаются в проверке.

Более подробно изучен момент образования новых молекул белка. Прион имеет пространственную структуру PrP-Sc, при этом форма молекулы отлична от альфа-формы (нормы) и называется бета-формой. Если в момент синтеза рядом оказывается прион, формируется именно бета-форма. Другими словами, происходит размножение прионов. Открытие этой закономерности в научном мире признано настолько важным, что первооткрыватель явления Стенли Б. Прузинер в 1997 году был удостоен Нобелевской премии.

Механизмы этого влияния пока не изучены и при сегодняшнем уровне развития науки вряд ли могут быть объяснены в ближайшее время. Происхождение самих прионов также недостаточно ясно.

По одной из версий, в здоровом организме постоянно возникает небольшое число белковых образований из прионов, но они в короткие сроки распадаются. Если нарушен процесс "самоочищения клеток", белки неправильной формы накапливаются и возникают тяжелые болезни, порой с очень странными симптомами.

Прионы демонстрируют невероятную живучесть. Они устойчивы не только к стандартным методам дезинфекции, но и к особым биохимическим соединениям - протеолитическим ферментам. Именно эти ферменты отвечают за уничтожение старых или дефектных белковых молекул. Прионы с легкостью выдерживают кипячение, высушивание, замораживание, обработку спиртами и другими химически активными жидкостями, а также облучение ультрафиолетом и гамма-лучами. Можно сказать: когда погибает все живое, прион погибает последним.

Насколько они живые?

С момента, когда прионы были открыты и началось их глубокое изучение, исследователей волновал вопрос их эволюции. Распространяются ли на них законы эволюции по Дарвину? Точнее, существуют ли у прионов мутации, передающиеся по наследству? После ответа на этот вопрос требовалось бы определить, как мутации влияют на размножение прионов, оценить скорость этого процесса.

Только в середине двухтысячных годов исследователи смогли прийти к первым выводам. В результате серии экспериментов подтвердилась способность белка PrP сворачиваться в форму PrP-Sc несколькими различными путями. Подтверждено, что каждый из вариантов наследуется вполне устойчиво. Далее, проводились опыты по перенесении прионов от животных одного вида к другому. Полученные выводы говорят об уменьшении инкубационного периода у животных второго вида: следовательно, наблюдалась адаптация инфекционного агента. Измененный, "подстроившийся" под новые условия существования возбудитель болезни затем опять вводили животным первого вида, и в этом случае болезнь протекала иначе. Различия в симптоматике и ходе болезни подтверждали, что ее возбудитель видоизменился.

Другая серия опытов была посвящена изучению развития прионов в неблагоприятных условиях. В среду их обитания добавили вещество SWA, угнетающее прионы (служащее ингибитором для них). Жить и размножаться в таких условиях было сложнейшей задачей, но через некоторое время прионы продемонстрировали устойчивость к препарату SWA. С каждым новым поколением этих необычных белков их устойчивость только повышалась, и этот процесс справедливо сравнили с эволюцией.

По сравнению с дарвиновской эволюцией у прионов отсутствует классическая запись результатов, однако, тем не менее, они каким-то образом передают информацию по наследству. Пространственное строение белковой молекулы прионов не допускает большого разнообразия вариантов, что особенно заметно по сравнению с гигантскими возможностями ДНК.

Остается открытым вопрос о возникновении у прионов новых форм (видов) путем естественного отбора. Для ответа необходимо длительное изучение мелких изменений, которые либо будут закреплены, либо нет. Большинство ученых скептически относится к этой возможности, однако более глубокое изучение вопроса - дело ближайшего будущего.

Исключение из правил

Вероятно, не стоит ограничивать роль прионов только одним процессом. Инфекционные белки вполне могут быть частным случаем более серьезного явления. Если предположить, что в природе широко распространены белки с прионными качествами, то их влияние должно быть огромным. Ученые из университета Брукс в Оксфорде исследуют гипотезу, согласно которой исчезновение неандертальцев напрямую связано с прионами. Популяция была необратимо ослаблена, вероятно, в результате болезни, которую ученые назвали прионной инвазией. Возможно, она так же распространялась путем каннибализма, что уже рассматривалось на примере куру.

Возможно ли приспособиться к такой болезни, или неандертальцы были обречены? На этот вопрос частично отвечает статья американских ученых о событиях в племени форе ("Медицинский журнал Новой Англии", 2009). В последнее время среди представителей этого племени обнаружены случаи врожденной невосприимчивости к куру. Причиной возникшего иммунитета ученые считают новую форму гена Pr-nP, возникшую естественным путем в результате полиморфизма. Неясными все еще остаются многие моменты относительно того, как в данном случае работает иммунитет.

Прионы грибов (на примере дрожжей)

По сравнению с прионами млекопитающих, более всесторонне изучены прионы микромицетов, то есть микроскопических грибов. Их примером могут служить всем известные дрожжи.

Как развиваются прионы, например, дрожжей? Оказывается, в их образовании принимают участие белки - и нормальные, и в прионной форме. Особую роль играет HSP104, или белок теплового шока. Его обычное назначение - помогать белкам восстанавливать естественную форму после сильного воздействия, например, высоких температур. HSP104, который еще называют "шаперон", обладает тем же свойством, что и прионы: изменяет пространственную структуру других белков. В результате опытов установлено: если заблокировать действие шаперона, через короткое время из культуры грибов исчезнут все прионы.

Никакой опасности для человека прионы грибов представлять не могут, из-за серьезных отличий в строении с человеческими.

Роль прионов в болезни Альцгеймера

Болезнь Альцгеймера, как известно, поражает мозг. Нарушения в его работе вызываются появлением так называемых бляшек различной структуры, двух основных видов. Ученые из университетов Базеля и Кембриджа занимались исследованием взаимосвязей прионной инфекции с возникновением болезни Альцгеймера. Тау-белок измененной формы накапливается в нервных клетках и разрушает их. Как он появляется? Ученые дали ответ: обычный тау-белок превращается в дефектный, и этот процесс очень сильно напоминает прионную инфекцию.

Крупные бляшки относятся к бета-амилоидным, более мелкие состоят только из измененного тау-белка. В процессе образования нормального белка происходит сбой, из-за которого белковые цепочки распадаются на короткие участки, образуя бета-амилоидные бляшки. Тау-белок в нормальных условиях - часть цитоскелета, своеобразные внутренние "пути" или "рельсы" клетки, по которым двигаются органеллы. При болезни Альцгеймера тау-белок сворачивается в полимерные клубки, разрушая таким образом все пути внутриклеточного сообщения. Следующая стадия - исчезновение контактов между нейронами. Часто ситуацию ухудшает возникшее воспаление, вызванное ростом белковых полимеров: бляшек и клубков. Инфекционным агентом здесь служит сам белок, способ размножения которого не зависит ни от ДНК, ни от РНК и аналогичен способу размножения, присущее куру или скрейпи.

Изучение прионов и закономерностей их возникновения открывает новые научные горизонты и может заметно расширить возможности фармакологии и медицины.