Самый опасный белок: что нужно знать о прионах прямо сейчас

По запросу «прионы» поисковик выдает около 300 000 страниц с заголовками, в которых они предстают как «идеальные убийцы», «ключ к бессмертию» или «самые загадочные молекулы». Что такое прионы на самом деле и почему о них все говорят? Разбираться будем прямо сейчас.

Прионы (от англ. protein — «белок» и infection — «инфекция») — это белки с аномальной третичной структурой, признанные инфекционными агентами. Открыл их американский педиатр и вирусолог Карлтон Гайдушек (Carleton Gajdusek), когда в 1950-х годах взялся за изучение природы загадочной болезни «куру» (в переводе: «дрожь»), поразившей народ форе в Новой Гвинее.

Несмотря на то, что «прионами» белки назвали много позже, в 1982 году, Гайдушек выяснил, что заболевание с крайне странной симптоматикой — человека внезапно начинало трясти, причем с каждым днем все сильнее, пока не наступал паралич и смерть — вызвано «латентным вирусом», некой патогенной частицей, непосредственно связанной с каннибализмом. Дело в том, что форе практиковали ритуальное поедание соплеменников, а происходило это прямо на поминках, поскольку они искренне полагали, что с каждым кусочком чужого мозга к тебе переходит часть его ума.

Но Карлтон Гайдушек не просто догадался, в чем проблема форе. Он также предположил, что возбудителем скрейпи (почесухи) овец и «коровьего бешенства» (губчатой энцефалопатии крупного рогатого скота) является все та же частица измененной формы. А потому вполне заслуженно получил в 1976 году Нобелевскую премию «за открытия, касающиеся новых механизмов происхождения и распространения инфекционных заболеваний», разделив награду с Барухом Бламбергом (Baruch Blumberg), тогда же открывшим вирус гепатита В.

Итак, если упрощать, то прионы — это варианты полезных белков, производство которых «запрограммировано» у нас в хромосоме 20, превратившиеся в патогенные молекулы в результате изменения формы белка при том же химическом составе.

Более подробно о прионах Scientific American рассказали ученые, а мы резюмируем для вас самое интересное из их комментариев.

Сьюзан Линдквист (Susan Lindquist), ведущий исследователь Медицинского института Ховарда Хьюза (Howard Hughes Medical Institute):

«Прион» — это термин, использующийся для описания таинственного инфекционного агента, ответственного за несколько нейродегенеративных заболеваний у млекопитающих, включая болезнь Крейтцфельдта-Якоба (CJD) у людей.

Прорыв в изучении молекулы произошел тогда, когда исследователи обнаружили, что агент состоит в основном из белка, обнаруженного в мембранах нормальных клеток, но в этом случае белок имеет измененную форму. Некоторые ученые предположили, что искаженный белок может связываться с другими белками того же типа, побуждая их также изменять свою конформацию, и производя цепную реакцию, которая усиливает болезнь и генерирует новый инфекционный материал.

С тех пор ген этого белка успешно клонировали, чтобы вести масштабные лабораторные исследования. В последнее время их количество увеличилось по нескольким причинам: во-первых, растущие экспериментальные данные вызывают все больший интерес к совершенно новому виду инфекции. Во-вторых, доказательства того, что прионы, вероятно, ответственны за «коровье бешенство», придает новую актуальность поиску лекарств.

Мы с коллегами не так давно выяснили, что похожую на прионы природу имеют дрожжи. Впрочем, в случае дрожжей явление связано с передачей определенной генетической характеристики от материнских клеток к дочерним, а не с передачей инфекционного агента от одного человека к другому. Однако более подробные молекулярно-генетические исследования дрожжей в любом случае должны ускорить решение фундаментальных вопросов о прионных цепных реакциях».

Марк Роджерс (Mark Rogers), сотрудник отдела зоологии в Университетском колледже Дублина (University College Dublin):

«Термин «прион» был придуман Стэнли Б. Прусинером из Медицинской школы Калифорнийского университета в Сан-Франциско в 1982 году. Прионная гипотеза гласит, что причиной инфекции становится белок, изменивший свою структуру, но каким образом он это делает — до сих пор загадка. В настоящее время ведется огромная работа по созданию структуры прионного белка как в его нормальных, так и в аберрантных (отклоняющихся от нормы) формах.

Например, совсем недавно ученые разработали молекулярную модель обоих вариантов и опубликовали работу, в которой описывают полную структуру прионных белков. Сделать это удалось с помощью бактерий E. Coli, измененных методами генной инженерии. Дальнейшая работа с использованием магнитно-резонансной томографии и рентгеновской кристаллографии должна помочь нам понять ключевые структурные элементы, которые позволяют приону превращать нормальную клеточную форму в вариант, вызывающий заболевание».

Шон Хэфи (Shaun Heaphy), специалист по микробиологии и иммунологии из Университета Лестера (University of Leicester):

«Ряд смертельных нейродегенеративных заболеваний у людей, таких как болезнь Крейтцфельдта-Якоба, куру и синдром Герстмана-Штраусслера-Шейнкера (GSS), как полагают, вызван инфекционным агентом, известным как прион. Прионы также вызывают трансмиссивные губчатые энцефалопатии у разных животных. Хотя еще нет общепринятого объяснения этой прионной головоломки, определенный прогресс достигнут. Теперь мы знаем, что нормальный клеточный белок PrP, который встречается у каждого из нас, вовлечен в распространение подобных заболеваний. Этот белок состоит примерно из 250 аминокислот.

Ряд исследователей полагает, что прионы образуются, когда PrP ассоциируется с инородной патогенной нуклеиновой кислотой. Это называется гипотезой вирионов (вирусных частиц). В поддержку гипотезы вирионов говорило существование различных штаммов прионов, которые вызывают различные же варианты болезни. Однако ученые не обнаружили никакой нуклеиновой кислоты, связанной с прионом, несмотря на интенсивные усилия и эксперименты в лабораториях по всему миру. Кроме того, прионы, по-видимому, остаются инфекционными даже после воздействия лечения, призванного уничтожить нуклеиновые кислоты.

Это доказательство привело к принятой сегодня теории прионов, в которой говорится, что клеточный белок PrP является единственным возбудителем прионных заболеваний, а нуклеиновая кислота в процессе не участвует. Теория утверждает, что PrP обычно находится в устойчивой форме (pN), которая не вызывает болезни.

Однако белок может принять аномальную форму (pD), которая и провоцирует заболевание. pD является инфекционным, поскольку он может связываться с pN и преобразовывать его в pD в экспоненциальном процессе, где каждый pD может конвертировать все больше pN в pD.

Прионы, вероятно, могут передаваться через пищу и, конечно, путем введения их либо непосредственно в мозг, либо под кожу и в мышечную ткань. Иногда прионные заболевания возникают в старости, по-видимому, потому что существует очень небольшая, но реальная вероятность того, что pN может спонтанно переключиться на pD, и вероятность такого переключения растет с годами. Наследуемые случаи болезней могут быть результатом мутаций в гене PrP, что приводит к изменениям в аминокислотной последовательности белка, увеличивающим вероятность превращения pN в pD.

Прионная теория не была признана абсолютно правильной, но многие доказательства свидетельствуют в ее пользу. Мы еще не знаем, почему pD-структура приона приводит к нейродегенерации, но мы точно знаем, например, что прионный белок накапливается в ткани мозга, способствуя апоптозу (программируемой гибели клеток)».