Прионы
Прионы вызывают у млекопитающих редкие смертельные нейродегенеративные заболевания — трансмиссивные губчатые энцефалопатии. В отличие от вирусов и бактерий, инфекционная частица приона не содержит нуклеиновой кислоты: она связана с аномально свернутой формой белка. Прионы очень устойчивы к обычным методам обеззараживания, а эффективного лечения прионных болезней пока нет. При этом у нормального прионного белка и у некоторых других белков с прионоподобными свойствами есть физиологические функции.
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», впервые распознанная в Великобритании в 1986 году. Эпидемию поддерживало скармливание крупному рогатому скоту мясо-костной муки, содержавшей зараженные ткани; предположение о первоначальном происхождении возбудителя от овечьего скрейпи окончательно не доказано. 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 описан новый вариант болезни Крейтцфельдта—Якоба (vCJD), связанный с возбудителем ГЭКРС и употреблением зараженных продуктов из говядины. 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 начал работать в Калифорнийском университете в Сан-Франциско и занялся природой возбудителя скрейпи, используя экспериментальные модели на грызунах. Попытки обнаружить у инфекционного агента нуклеиновую кислоту не давали ожидаемого результата, а его свойства указывали на необычную роль белка. 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 году исследователи показали, что ген PRNP, кодирующий нормальный прионный белок, присутствует и у здоровых животных. Болезнетворная форма возникает не из особого «гена приона», а из-за изменения конформации обычного клеточного белка. 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. Мыши, лишенные гена нормального прионного белка, устойчивы к заражению скрейпи, поскольку в их клетках нет белка-субстрата для превращения в патологическую форму. Это не означает, что нормальный PrP не выполняет функций; его физиологическая роль остается предметом исследований. 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 начале 2000-х нейробиологи Каусик Си, Эрик Кандель и их коллеги исследовали белок CPEB у морского моллюска аплизии. CPEB регулирует трансляцию определенных мРНК в синапсах и способен образовывать устойчивые самоподдерживающиеся агрегаты с прионоподобными свойствами. Такие формы связывают с поддержанием долговременных изменений в синапсах. Это пример прионоподобного механизма внутри клетки, а не инфекционной прионной болезни.
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.