Прионы
Прионы вызывают инфекционные заболевания мозга у млекопитающих. В отличие от других инфекционных агентов, таких как вирусы, они не содержат нуклеиновых кислот, только белки. Они не живые, поэтому их нельзя убить, - разрушить их тоже трудно, и лекарство от них неизвестно. Но, тем не менее, и в прионах есть кое-что положительное.
Горные районы Папуа — Новой Гвинеи, 1957 год: таинственная болезнь поразила племя форе. Жертву мучают судороги, непроизвольный смех и постоянная сильная дрожь. Местные жители называют эту болезнь «куру» («дрожь»). Местный врач Винсент Зигас и доктор из Гарварда Карлтон Гайдушек не могут найти причины заболевания. Токсины в еде или окружающей среде исключены, куру чаще поражает членов одной семьи (наследственное заболевание?), а неудержимая тряска предполагает заболевание мозга. Несмотря на отсутствие жара у больных, Гайдушек подозревает вирусный энцефалит. Он отправляет домой образцы зараженных тканей.
Губчатый мозг
Под микроскопом срезы тканей жертв куру испещрены порами, мозг напоминает губку. Увидев эти изображения на выставке в 1959 году, Уильям Гадлоу, ветеринар, специализирующийся в патологии, заметил сходство с почесухой, смертельным заболеванием овец, которая сопровождается неудержимым зудом, потерей координации и параличом. Почесуха овец (скрейпи) была описана еще в 1700-е. При изучении этого заболевания в XX веке ученые выяснили, что болеть ею могут и козы, и мыши.
Скрейпи и куру являются инфекционными (трансмиссивными) губчатыми энцефалопатиями. Другой пример, губчатая энцефалопатия крупного рогатого скота (ГЭКРС), или «коровье бешенство», был обнаружен в 1986 году во время эпидемии в Великобритании, разразившейся из-за употребления костной муки, зараженной скрейпи. У человека встречается болезнь Крейтцфельдта—Якоба, она может возникать спонтанно, передаваться через зараженные медицинские препараты или по наследству, в результате генетической мутации. В 1996 году был обнаружен четвертый вариант начала заболевания: болезнь Крейтцфельдта—Якоба возникла в результате употребления говядины, зараженной «коровьим бешенством». Тайна куру была разгадана гораздо раньше, болезнь эта передается примерно так же, как «коровье бешенство»: племя форе известно ритуальным каннибализмом, когда тело уважаемого покойника в знак почтения съедают его близкие. С прекращением этой традиции прекратилась и эпидемия куру.
«Я предвкушал находку... Крошечного вируса и был озадачен, когда факты упорно твердили мне, что наши препараты содержат одни лишь белки, без нуклеиновых кислот» Стэнли Прузинер
Медленный вирус
Эксперименты Карлтона Гайдушека и Джо Гиббса в 1960-х продемонстрировали наличие долгого инкубационного периода между заражением куру и проявлением первых симптомов, что они объясняли действием таинственного «медленного вируса». Исследователи скрейпи тоже искали вирусный патоген — вирус, который так сложно разрушить, что он продолжает оставаться опасным даже после пребывания в формальдегиде. Инфекционный агент был также устойчив к действию температуры и ультрафиолетовому излучению.
В 1972 году Стэнли Прузинер получил место на кафедре нейрологии Калифорнийского университета в Сан-Франциско. При изучении болезни Крейтцфельдта— Якоба на хомяках ему удалось отыскать тот самый «медленный вирус». Но попытки выделить генетический материал неизменно терпели неудачу — получался только белок. В 1982 году Прузинер выдвинул довольно спорную идею, что скрейпи вызывается «маленькими белковоподобными инфекционными частицами, которые устойчивы к большинству процессов, модифицирующих нуклеиновые кислоты». Термин «белковоподобные инфекционные частицы» вскоре сократился до «прион».
Инфекционные белки
Как белки могут быть заразными? В 1967 году математик Джон Гриффит предложил три правдоподобных механизма. Один из них — саморепликация, где болезнетворным агентом является «аберрантная форма белка, возникшая спонтанно; он служит образцом, по которому белки воспроизводятся в аберрантных формах». В 1985-м Прузинер и швейцарский биолог Чарлз Вайсман выделили из инфицированного скрейпи мозга хомяка ген, кодирующий прион, и доказали, что этот ген обнаруживается у здоровых хомяков, мышей и человека. Таким образом, было подтверждено, что «генетический материал» приона содержится в клетках. Аномальный белок приона называется PrPsc (sc — это «скрейпи»), а нормальный — РгРс (с — это «клеточный»). В 1992-м Прузинер и американский исследователь Фред Коэн, используя компьютерные методы, предсказали пространственную структуру этого белка: в PrPsc предположительно преобладают плоские «бета-слои», в то время как РгРс состоит из «альфа-спиралей». Прион — это белок аномальной структуры, который побуждает нормальный белок изменять конформацию, превращая его в инфекционную изоформу.
Аномальные агрегаты
Прионы — это вампиры молекулярной биологии. Репликация нуклеиновой кислоты предполагает использование одной цепочки ДНК или РНК в качестве образца. Прион, напротив, не создает своей копии «с чистого листа», но использует как шаблон собственную форму, чтобы превратить существующий белок РгРс в вампирскую молекулу PrPsc. В последующую цепную реакцию вступают все больше и больше белков. Бета-слои PrPsc более плоские, чем у РгРс, что позволяет прионам формировать множества, превращающиеся в аномальные скопления «амилоидных» волокон. Эти токсичные волокна убивают нейроны, побуждая клетки-астроциты к интенсивному делению, в результате в тканях мозга образуются полости, он приобретает губчатую структуру. По причине стойкости прионов амилоидные волокна разрастаются. Важное подтверждение «чисто белковой» гипотезы обнаружилось в 2004 году, когда в лаборатории Прузинера синтезировали прион, который при введении его мышам вызывал неврологические дисфункции. Амилоидные волокна формировали амилоидные бляшки, а именно этот процесс происходит при нейродегенеративных заболеваниях.
Молекулы памяти
Но каковы функции нормального белка приона? Вайсман в 1992-м определил, что РгРс является рецептором на клеточной мембране. Трансгенные мыши, лишенные этого гена, были иммунны к скрейпи, так что, вероятно, этот белок не имеет особенного значения. Но в 1999 году две группы японских ученых выяснили, что у мышей без РгРс клетки мозга теряют миелиновую оболочку, обеспечивающую электрическую проводимость, и нейроны под названием «клетки Пуркинье» погибают. Вероятно, нормальный белок прионов защищает мозг.
Благотворные прионы были обнаружены у многих видов. Десятки их найдены у дрожжей. В 2003 году нейробиологи Каусик Си и Эрик Кандель открыли белок СРЕВ (регулятор трансляции мРНК, т. е. протеин, управляющий синтезом всех клеточных белков) у морских слизней. Связываясь с матричной РНК, транскрибированной с генов нейрона, СРЕВ продуцирует белок, необходимый для формирования долговременной памяти. Характерно, что один конец СРЕВ напоминает прион дрожжей. Си и Кандель вводили СРЕВ дрожжевым клеткам, и белки превращались в прионы. Если клетка мозга преднамеренно превращает СРЕВ в прион, это должно вызвать эффект домино, клетки будут продолжать вырабатывать белки. Саморепликация белков может стать объяснением работы долговременной памяти.
Нейродегенеративные заболевания
Как и заболевания, вызванные прионами, болезни Альцгеймера и Паркинсона ассоциируются с аномальными скоплениями амилоидов, которые, накапливаясь с возрастом, снижают когнитивные способности. В отличие от прионов белки, которые формируют агрегаты, не являются инфекционными агентами, но действительно имеют с ними сходные черты. При болезни Альцгеймера, самой распространенной причине деменции, некоторые зоны коры мозга уменьшаются в размерах по мере разрастания агрегатов: пептиды (части белка) под названием «бета-амилоиды» образуют амилоидные бляшки, в то время как «тау-белки» сворачиваются в нейрофибриллярные клубки внутри нейронов, блокируя транспорт внутри клетки. Когда бета- амилоид или тау- передаются от нейрона к нейрону, они «сеют» новый агрегат, поэтому их и называют «прионоподобными» белками; они представляют собой неправильные структуры, трансформирующие нормальные белки в аномальные. Причина изначального нарушения структуры неизвестна, и также не ясно, что является импульсом к развитию нейродегенеративных заболеваний, поскольку с генетическими изменениями связаны лишь 10% из них. Травматические повреждения и иные неблагоприятные внешние факторы накапливаются со временем, так что причиной может быть и просто преклонный возраст.