Прионы

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Шаблон:Значения Шаблон:Не путать Шаблон:Болезнь

Прио́ны (англ. Шаблон:Lang-en2 от Шаблон:Lang-en2 «белок» + Шаблон:Lang-en2 «инфекция»; слово было предложено в 1982 году Стенли Прузинером<ref name="nobel">Шаблон:Cite web</ref>) — особый класс инфекционных патогенов, не содержащих нуклеиновых кислот. Прионы представляют собой белки с аномальной третичной структурой. Это положение лежит в основе прионной гипотезы<ref>Шаблон:Статья</ref>, однако насчёт состава прионов существуют и другие точки зрения.

Прионы способны увеличивать свою численность, используя функции живых клеток (в этом отношении прионы схожи с вирусами). Прион способен катализировать конформационное превращение гомологичного ему нормального клеточного белка в себе подобный (прион). Как правило, при переходе белка в прионное состояние его α-спирали превращаются в β-слои. Появившиеся в результате такого перехода прионы могут в свою очередь перестраивать новые молекулы белка; таким образом, запускается цепная реакция, в ходе которой образуется огромное количество неправильно свёрнутых молекул<ref>Шаблон:Статья</ref>. Прионы — единственные известные инфекционные агенты, размножение которых происходит без участия нуклеиновых кислот.

Все известные прионы вызывают формирование амилоидов — белковых агрегатов, включающих плотно упакованные β-слои. Амилоиды представляют собой фибриллы, растущие на концах, а разлом фибриллы приводит к появлению четырёх растущих концов. Инкубационный период прионного заболевания определяется скоростью экспоненциального роста количества прионов, а она, в свою очередь, зависит от скорости линейного роста и фрагментации агрегатов (фибрилл)<ref name="Masel 99">Шаблон:Статья</ref>. Для размножения приона необходимо исходное наличие нормально уложенного клеточного прионного белка; организмы, у которых отсутствует нормальная форма прионного белка, не страдают прионными заболеваниями.

Прионная форма белка чрезвычайно стабильна и накапливается в поражённой ткани, вызывая её повреждение и, в конечном счёте, отмирание<ref>Шаблон:Статья</ref>. Стабильность прионной формы означает, что прионы устойчивы к денатурации под действием химических и физических агентов, поэтому уничтожить эти частицы или сдержать их рост тяжело. Прионы существуют в нескольких формах — штаммах, каждый со слегка отличной структурой.

Прионы вызывают заболевания — трансмиссивные губчатые энцефалопатии (ТГЭ) у различных млекопитающих, в том числе губчатую энцефалопатию крупного рогатого скота («коровье бешенство»). У человека прионы вызывают болезнь Крейтцфельдта — Якоба, вариант болезни Крейтцфельдта — Якоба (vCJD), синдром Герстмана — Штраусслера — Шейнкера, фатальную семейную бессонницу и куру<ref>Шаблон:Cite web</ref>. Все известные прионные заболевания поражают головной мозг и другие нервные ткани, в настоящее время неизлечимы и в конечном итоге смертельны<ref>Шаблон:Статья</ref>.

Все известные прионные заболевания млекопитающих вызываются белком PrP. Его форма с нормальной третичной структурой называется PrPC (от англ. Шаблон:Lang-en2 «обычный» или Шаблон:Lang-en2 «клеточный»), а инфекционная, аномальная форма называется PrPd (от англ. Шаблон:Lang-en2 — болезнь)<ref name=":0">Зуев В. А. и др. Современное состояние проблемы прионных болезней и причины их опасности для человека и животных //Вопросы вирусологии. — 2020. — Т. 65. — №. 2. — С. 71-76.</ref>, а также встречаются варианты PrPSc (от англ. Шаблон:Lang-en2 [скрепи] «почесуха овец», одно из первых заболеваний с установленной прионной природой)<ref name="Krull" /><ref>Шаблон:Статья</ref> или PrPTSE (от англ. Шаблон:Lang-en2)<ref name="Med" />. В зарубежной литературе встречаются сокращения с указанием на прионы, полученные от конкретного вида, то есть из тканей определённого животного или человека (PrPSc, PrPBSE, PrPCJD, PrPCWD, PrPСSE — от овец, коров, человека, оленей, кошек)<ref name=":0" />.

Белки, образующие прионы, обнаружены и у некоторых грибовШаблон:Sfn. Большинство прионов грибов не имеют заметного отрицательного влияния на выживаемость, но до сих пор идёт дискуссия о роли грибных прионов в физиологии организма-хозяина и роли в эволюции<ref>Шаблон:Статья</ref>. Выяснение механизмов размножения прионов грибов оказалось важным для понимания аналогичных процессов у млекопитающих.

В 2016 году появилось сообщение о наличии у растения Arabidopsis thaliana (резуховидка Таля) белков с прионными свойствами<ref>Шаблон:Cite pmid</ref><ref>Шаблон:Cite pmid</ref>.

История

Описание прионных заболеваний

Файл:Hans Gerhard Creutzfeldt (ca. 1920).jpg
Ганс Герхард Крейцфельдт (1885—1964)

Первая открытая трансмиссивная губчатая энцефалопатия — почесуха овец (скрепи). Первые её случаи были отмечены в Великобритании в 1700-х годах. При этом заболевании овцы страдали от сильнейшего зуда, из-за чего животным приходилось непрерывно тереться (англ. Шаблон:Lang-en2) о деревья, откуда и пошло название болезни. Кроме этого, овцы испытывали боль при движении ногами и страдали от сильнейших припадков. Все эти симптомы являются классическими признаками повреждения мозга, и эта странная болезнь вводила учёных в заблуждение. Гораздо позже, в 1961 году, Р. Л. Чендлер (англ. Шаблон:Lang-en2) установил, что скрепи могут болеть и мыши, что, несомненно, было прогрессом в изучении этого заболевания<ref>Шаблон:Публикация</ref>.

В XX веке были описаны и прионные заболевания человека. В 1920-х годах Ганс Герхард Крейцфельдт и Альфонс Мария Якоб исследовали новое неизлечимое заболевание нервной системы человека, главным признаком которого было образование полостей в ткани мозга. Впоследствии эта болезнь была названа их именем<ref name="history">Шаблон:Cite web</ref>.

В 1957 году Карлтон Гайдузек и Винсент Зигас описали неврологический синдром, распространённый у народа форе, живущего в высокогорьях Папуа — Новой ГвинеиШаблон:Sfn. Эта болезнь характеризовалась тремором, атаксией, на ранних стадиях — атетоидными движениями. К этим симптомам впоследствии прибавлялась слабость, деменция, болезнь неизбежно заканчивалась летальным исходом<ref name="history" />. На языке форе эта болезнь называется «куру», что в переводе означает «дрожь» или «порча»; под этим названием эта болезнь известна и сегодня. Оказалось, что причиной распространения куру был нередкий среди форе ритуальный каннибализм. В ходе религиозных ритуалов они поедали органы убитых родичей. Мозг при этом ели дети, поскольку считалось, что от него у детей «прибавлялось ума». Инкубационный период заболевания может составлять до 50 лет, однако у девушек, особенно подверженных куру, он может составлять всего лишь 4 года или менее<ref name="history" />. За открытие инфекционного характера болезни куру Карлтон Гайдузек был удостоен Нобелевской премии по физиологии или медицине в 1976 году<ref name="Medicine1976">Шаблон:Cite web</ref>.

Развитие представлений о прионах

Файл:Prusiner 1.JPG
Стенли Прузинер (р. 1942) — первооткрыватель прионов

В 1960-х годах в Лондоне два исследователя, радиобиолог Шаблон:Нп5 и биофизик Джон Стенли Гриффит, выдвинули гипотезу, что некоторые трансмиссивные губчатые энцефалопатии вызываются патогенами, состоящими исключительно из белков<ref>Шаблон:Статья</ref><ref>Шаблон:Статья</ref>. Альпер и Гриффит таким образом пытались объяснить тот факт, что таинственный инфекционный агент, вызывающий почесуху овец и болезнь Крейтцфельдта — Якоба, очень устойчив к ионизирующему излучению. Доза радиации, необходимая для уничтожения половины частиц инфекционного агента, зависит от их размера: чем меньше такая частица, тем меньше вероятность попадания в неё заряженной частицы. Так и было установлено, что прион слишком мал для вируса.

Фрэнсис Крик признал важность белковой гипотезы Гриффита для объяснения распространения почесухи овец во втором издании «Центральной догмы молекулярной биологии» (1970). Хотя Крик отстаивал точку зрения, что поток информации от белка к белку или от белка к ДНК или РНК невозможен, он заметил, что гипотеза Гриффита содержала возможное тому противоречие (однако сам Гриффит свою гипотезу так не рассматривал)<ref>Шаблон:Статья</ref>. Позже он сформулировал свою уточнённую гипотезу с учётом существования обратной транскрипции, открытой в 1970 году Дейвидом Балтимором и Хоуардом Темином.

В 1982 году Стенли Прузинер из Калифорнийского университета в Сан-Франциско сообщил, что его группа выделила гипотетический инфекционный агент (прион) и что он состоит в основном из одного белка, хотя они изолировали этот белок только через 2 года после сообщения Стенли Прузинера<ref>Шаблон:Статья</ref>. За свои исследования в области прионов Прузинер в 1997 году был удостоен Нобелевской премии по физиологии или медицине<ref name="nobel"/>.

Структура

Изоформы

Файл:BOVINE PRION PROTEIN 1dx0 asym r 500.jpg
Структура 23-230 аминокислот белка, образующего прион, приводящий к губчатой энцефалопатии крупного рогатого скота

Белок, из которого состоят прионы (PrP), можно найти во всех частях тела у здоровых людей и животных. Однако в поражённых тканях присутствует PrP, имеющий аномальную структуру и устойчивый к протеазам (ферментам, гидролизующим белки). Как сказано выше, нормальная форма называется PrPC, а инфекционная — PrPSc<ref name="sci5621">Шаблон:Статья</ref>. При определённых условиях можно достичь сворачивания более или менее структурированных изоформ PrP in vitro, которые способны к заражению здоровых организмов, хотя и с меньшей степенью эффективности, чем выделенный из больных организмов<ref>Шаблон:Статья</ref>.

PrPC

PrPC — нормальный мембранный белок млекопитающих, который у человека кодируется геном PRNP. мРНК PRNP человека кодирует полипептид длиной 253 аминокислотных остатка (а. о.), который в процессе созревания укорачивается клеточными ферментами. Зрелая форма PrP состоит из 208 аминокислотных остатков и имеет молекулярную массу 35—36 кДа<ref name="Yusa2012">Шаблон:Статья</ref>. Помимо ограниченного протеолиза, PrP подвергается и другим посттрансляционным модификациям: N-гликозилированию по положениям Asn-181 и Asn-197, присоединению гликозилфосфатидилинозитола к Ser-230 и образованию дисульфидной связи между Cys-179 и Cys-214<ref name="Uniprot">Шаблон:Cite web</ref>. Аминокислотные остатки, вовлечённые во все перечисленные посттрансляционные модификации, высоко консервативны у млекопитающих<ref name="Rheede2003">Шаблон:Статья</ref>.

В пространственной структуре PrP выделяют неструктурированный N-концевой участок (<templatestyles src="Шаблон:Comment/styles.css" />{{#if: аминокислотные остатки | {{#if: 

 | [[{{{3}}}|а. о.]]
 | а. о.
 }}

| а. о. }}{{#if: |}} 23—125 у человека) и глобулярный домен (а. о. 126—231), состоящий из трёх α-спиралей и двухцепочечного антипараллельного β-листа<ref name="Riek1996">Шаблон:Статья</ref><ref name="Ronga2006">Шаблон:Статья</ref>.

Известно несколько топологических форм PrP по отношению к мембране: две трансмембранные и одна закреплённая на мембране гликолипидным якорем<ref>Шаблон:Статья</ref>.

Образование PrPC происходит в ЭПР, дальнейшее созревание — в комплексе Гольджи, откуда он при помощи мембранных везикул доставляется к плазматической мембране. После этого он либо закрепляется на мембране после разрушения эндосомы, либо же подвергается эндоцитозу и разрушается в лизосомах<ref>Шаблон:Статья</ref>.

В отличие от нормальной, растворимой формы белка, прионы осаждаются высокоскоростным центрифугированием, что является стандартным тестом на наличие прионов<ref name="Krull">Шаблон:Книга</ref>. PrPC обладает высоким сродством к катионам двухвалентной меди<ref>Шаблон:Статья</ref>. Значение этого факта неясно, но, возможно, это имеет какое-то отношение к его структуре или функциям. Есть данные, что PrP играет важную роль в прикреплении клеток, передаче внутриклеточных сигналов, а потому может быть вовлечён в коммуникацию клеток мозга<ref>Шаблон:Статья</ref>. Тем не менее, функции PrP исследованы недостаточно.

PrPSc

Инфекционная изоформа PrP — PrPSc — способна превращать нормальный белок PrPC в инфекционную изоформу, изменяя его конформацию (то есть третичную структуру); это, в свою очередь, изменяет взаимодействия PrP с другими белками. Хотя точная пространственная структура PrPSc неизвестна, установлено, что в ней вместо α-спиралей преобладают β-слои<ref>Шаблон:Статья</ref>. Такие ненормальные изоформы объединяются в высокоструктурированные амилоидные волокна, которые, скапливаясь, формируют бляшки. Неясно, являются ли эти образования причиной повреждения клеток или всего лишь побочным продуктом патологического процесса<ref>Baker, Harry F., and Rosalind M. Ridley, eds. Prion diseases. Totowa, N.J: Humana, 1996</ref>. Конец каждого волокна служит своего рода затравкой, к которой могут прикрепляться свободные белковые молекулы, в результате чего фибрилла растёт. В большинстве случаев присоединяться могут только молекулы PrP, идентичные по первичной структуре PrPSc (поэтому обычно передача прионов видоспецифична)<ref name="Krull" />. Однако, возможны и случаи межвидовой передачи прионов<ref name="grassmann">Шаблон:Статья</ref>.

Механизм размножения прионов

Файл:Prion propagation cycle.svg
Гетеродимерная модель размножения прионов
Файл:Prion replication ru.png
Фибриллярная модель размножения прионов

Первой гипотезой, объясняющей размножение прионов без участия других молекул, в частности, нуклеиновых кислот, была гетеродимерная модель<ref>Шаблон:Статья</ref>. Согласно этой гипотезе, одна молекула PrPSc присоединяется к одной молекуле PrPC и катализирует её переход в прионную форму. Две молекулы PrPSc после этого расходятся и продолжают превращать другие PrPC в PrPSc. Однако модель размножения (репликации) прионов должна объяснять не только механизм размножения прионов, но и то, почему спонтанное появление прионов столь редко. Манфред Эйген (лат. Manfred Eigen) показал, что гетеродимерная модель требует, чтобы PrPSc был фантастически эффективным катализатором: он должен повышать частоту обращения нормального белка в прионную форму в 1015 раз<ref name="Eigen96">Шаблон:Статья</ref>. Такой проблемы не возникает, если допустить, что PrPSc существует только в агрегированной (например, амилоидной) форме, где кооперативность выступает как барьер для спонтанного перехода в прионную форму. Вдобавок к этому, несмотря на приложенные усилия, выделить мономерный PrPSc так и не удалось.

Альтернативная фибриллярная модель предполагает, что PrPSc существует только в виде фибрилл, при этом концы фибрилл связывают PrPС, где он превращается в PrPSc. Если бы это было только так, то численность прионов возрастала бы линейно. Однако по мере развития прионного заболевания наблюдается экспоненциальный рост количества PrPSc и общей концентрации инфекционных частиц<ref>Шаблон:Статья</ref><ref>Шаблон:Статья</ref><ref>Шаблон:Статья</ref>. Это можно объяснить, если принять во внимание разлом фибрилл<ref>Шаблон:Статья</ref>. В организме разламывание фибрилл осуществляется белками-шаперонами, которые обычно помогают очистить клетку от агрегированных белков<ref>Шаблон:Статья</ref>.

Скорость роста числа инфекционных частиц прионов в значительной мере определяется величиной квадратного корня из концентрации PrPSc<ref name="Masel 99" />. Продолжительность инкубационного периода определяется скоростью роста, и это подтверждается исследованиями in vivo на трансгенных мышах<ref name="Masel 99" />. Такая же коренная зависимость наблюдается в экспериментах с различными амилоидными белками in vitro<ref>Шаблон:Статья</ref>.

Механизм репликации прионов имеет значение для разработки лекарств. Поскольку инкубационный период прионных заболеваний чрезвычайно долог, эффективному лекарству вовсе необязательно уничтожить все прионы, достаточно лишь снизить скорость экспоненциального роста их количества. Моделирование предсказывает, что самым эффективным препаратом был бы такой, который связывается с концами фибрилл и блокирует их рост<ref>Шаблон:Статья</ref>.

Функции PrP

Одним из объяснений нейродегенерации, вызываемой прионами, может быть нарушение функционирования PrP. Однако нормальная функция этого белка изучена плохо. Данные in vitro указывают на множество разнообразных ролей, а эксперименты на мышах, «нокаутных» по этому гену, дали относительно немного информации, поскольку у этих животных наблюдались лишь малые отклонения от нормы. Недавние исследования, проведённые на мышах, показали, что расщепление PrP в периферических нервах активирует восстановление их миелинового слоя шванновскими клетками и что отсутствие PrP приводит к демиелинизации нервов<ref>Шаблон:Статья</ref>.

В 2005 году было выдвинуто предположение, что в норме PrP играет роль в поддержании долговременной памяти<ref>Шаблон:Статья</ref>. Кроме того, у мышей, лишённых гена Prnp, наблюдается изменённая гиппокампальная долговременная потенциация<ref>Шаблон:Статья</ref><ref>Шаблон:Статья</ref>.

В 2006 году учёные из Института биомедицинских исследований Уайтхед показали, что экспрессия гена Prnp в гемопоэтических стволовых клетках необходима для самоподдержания костного мозга. В исследовании было выявлено, что долгоживущие гемопоэтические стволовые клетки несут PrP на клеточной мембране, а кроветворные ткани со стволовыми клетками, лишёнными PrP, имеют большую чувствительность к клеточному истощению<ref>Шаблон:Статья</ref>.

Гипотезы о составе прионов

Согласно наиболее устоявшейся точке зрения, прионы представляют собой чисто белковые инфекционные агентыШаблон:Sfn. Однако у этой гипотезы («чисто белковой») имеются свои недостатки, в связи с чем появились и альтернативные мнения о сущности прионов. Все перечисленные гипотезы рассматриваются ниже.

«Чисто белковая» гипотеза

До открытия прионов считалось, что все инфекционные агенты используют для размножения нуклеиновые кислоты. «Чисто белковая» гипотеза постулирует, что белковая структура может размножаться без участия нуклеиновых кислот. Первоначально считалось, что эта гипотеза противоречит центральной догме молекулярной биологии, согласно которой нуклеиновые кислоты служат единственным способом передачи наследственной информации, однако в настоящее время считается, что хотя прионы способны к переносу информации без участия нуклеиновых кислот, они неспособны передавать информацию на нуклеиновые кислотыШаблон:Sfn.

Доказательства, говорящие в пользу «чисто белковой» гипотезы<ref name="priondisease"/>:

  • прионные заболевания не удалось достоверно связать ни с вирусными, ни с бактериальными, ни с грибковыми возбудителями, хотя у дрожжей Saccharomyces cerevisiae известны нелетальные прионы, например, Sup35p (см. прионы грибов);
  • инфективность прионов, насколько известно, не связана с нуклеиновыми кислотами; прионы устойчивы к нуклеазам и ультрафиолетовому излучению, губительно сказывающихся на нуклеиновых кислотах;
  • у организма, заражённого прионом от другого вида, не обнаруживается PrPSc с аминокислотной последовательностью приона вида-донора. Следовательно, репликации приона донора не происходит;
  • в семьях с мутацией гена PrP имеют место наследственные прионные заболевания. У мышей с мутацией этого гена тоже развивается прионное заболевание, несмотря на жёсткий контроль условий содержания, исключающий заражение извне;
  • животные, не имеющие белка PrPC, не подвержены прионным заболеваниям.
  • в 2018 году в искусственных условиях в отсутствие НК были получены рекомбинантные изоформы PrPd (от disease — болезнь)<ref>Kim C. et al. Artificial strain of human prions created in vitro //Nature communications. — 2018. — Т. 9. — №. 1. — С. 1-11.</ref>

Мультикомпонентная гипотеза

Низкая инфекционность прионов, полученных из чистого белка in vitro привела к появлению так называемой мультикомпонентной гипотезы, которая постулирует, что для образования инфекционного приона требуются другие молекулы-кофакторы<ref>Шаблон:Статья</ref>.

В 2007 году биохимик Surachai Supattapone и его коллеги из Дартмутского колледжа получили очищенные инфекционные прионы из PrPC, соочищающихся липидов с белком и синтетической полианионной молекулы<ref name="minimal prion">Шаблон:Статья</ref>. Они также показали, что полианионная молекула, потребовавшаяся для образования приона, обладала высоким сродством к PrP и образовывала с ним комплексы. Это дало им основания предположить, что в состав инфекционного приона входит не только белок, но и другие молекулы организма, в том числе липиды и полианионные молекулы<ref>Шаблон:Статья</ref>.

В 2010 году Ма Цзиянь (Jiyan Ma) с коллегами из Университета штата Огайо получили инфекционный прион из синтезированного бактериальными клетками рекомбинантного PrP, фосфолипида POPG и РНК, что тоже подтверждает мультикомпонентную гипотезу<ref name="recombinant prion">Шаблон:Статья</ref>. Напротив, в других экспериментах из одного только рекомбинантного PrP удалось получить только слабоинфективные прионы<ref>Шаблон:Статья</ref><ref>Шаблон:Статья</ref>.

В 2012 году Supattapone и коллеги выделили мембранный липид фосфатидилэтаноламин как эндогенный кофактор, который способен катализировать формирование большого количества рекомбинантных прионов различных штаммов без участия других молекул<ref>Шаблон:Статья</ref>. Они также сообщили, что этот кофактор необходим для поддержания инфекционной конформации PrPSc, а также определяет штаммовые свойства инфекционных прионов<ref>Шаблон:Статья</ref>.

Вирусная гипотеза

«Чисто белковая» гипотеза встретила критику со стороны тех, кто считает, что простейшим объяснением прионных заболеваний является их вирусная природа<ref name="25nm">Шаблон:Статья</ref>. Более десяти лет невролог Йельского университета Лаура Мануелидис (англ. Шаблон:Lang-en2) пытается доказать, что прионные заболевания вызываются неизвестным медленным вирусом. В январе 2007 года она и её коллеги сообщили, что обнаружили вирус в 10 % (или менее) клеток, заражённых скрепи в культуре<ref name="Yale">Шаблон:Cite news</ref><ref name="manue2007">Шаблон:Статья</ref>.

Вирусная гипотеза утверждает, что ТГЭ вызываются способными к репликации информационными молекулами (скорее всего, нуклеиновыми кислотами), связывающимися с PrP. Известны штаммы прионов при ТГЭ, в том числе губчатой энцефалопатии крупного рогатого скота и скрепи, которые характеризуются специфическими биологическими свойствами, что, по мнению сторонников вирусной гипотезы, не объясняется «чисто белковой» гипотезой.

Аргументы, говорящие в пользу вирусной гипотезы<ref name="priondisease">Шаблон:Книга</ref>:

  • вариации между штаммами: прионы различаются по инфективности, инкубационному периоду, симптоматике и скорости развития заболевания, что напоминает различия между вирусами, особенно РНК-содержащими вирусами (вирусы, содержащие РНК в качестве единственного наследственного материала);
  • долгий инкубационный период и быстрое развитие симптомов прионных болезней напоминает лентивирусную инфекцию. Например, схожим образом протекает ВИЧ-индуцированный СПИД;
  • в некоторых клетках линий, заражённых скрепи или болезнью Крейтцфельдта — Якоба, были найдены вирусоподобные частицы, не состоящие из PrP<ref name="manue2007" />.

Недавние исследования распространения губчатой энцефалопатии крупного рогатого скота в бесклеточных системах<ref>Шаблон:Статья</ref> и в химических реакциях с очищенными компонентами<ref name="minimal prion" /> чётко свидетельствуют против вирусной природы этого заболевания. Кроме того, против вирусной гипотезы говорит и вышеупомянутая работа Jiyan Ma<ref name="recombinant prion" />.

Прионные заболевания

Файл:Histology bse.jpg
Препарат головного мозга коровы, поражённой коровьим бешенством. В сером веществе образуются микроскопические полости, которые придают ткани вид губки
Заболевания, вызываемые прионами
Поражаемые животные Заболевания
овцы, козы скрепи<ref name="ictvdb_prions">Шаблон:Cite web</ref>
коровы губчатая энцефалопатия крупного рогатого скота (ГЭКРС), или коровье бешенство<ref name="ictvdb_prions" />
норки<ref name="ictvdb_prions" /> Трансмиссивная энцефалопатия норок (TME)
белохвостый олень, вапити, лоси, чернохвостый олень<ref name="ictvdb_prions" /> Хроническая изнуряющая болезнь (CWD)
кошки<ref name="ictvdb_prions" /> Губчатая энцефалопатия кошачьих (FSE)
антилопа ньяла, орикс, большой куду<ref name="ictvdb_prions" /> Губчатая энцефалопатия экзотических копытных (EUE)
страус<ref name="hussein2004">Шаблон:Статья</ref> Губчатая энцефалопатия
(случаи передачи не зафиксированы)
человек болезнь Крейтцфельдта — Якоба (CJD)<ref name="ictvdb_prions" />
Ятрогенная болезнь Крейтцфельдта — Якоба (iCJD)
вариант болезни Крейтцфельдта — Якоба (vCJD)
наследственная болезнь Крейтцфельдта — Якоба (fCJD)
спорадическая болезнь Крейтцфельдта — Якоба (sCJD)
синдром Герстмана — Штраусслера — Шейнкера (GSS)<ref name="ictvdb_prions" />
Фатальная семейная бессонница (FFI)<ref>Шаблон:Cite news</ref>
Куру<ref name="ictvdb_prions" />

Прионы вызывают нейродегенеративные заболевания, так как образуют внеклеточные скопления в центральной нервной системе и формируют амилоидные бляшки, которые разрушают нормальную структуру ткани. Разрушение характеризуется образованием «дыр» (полостей) в ткани, и ткань принимает губчатую структуру из-за формирования вакуолей в нейронах<ref name="robspath">Шаблон:Книга</ref>. Другие наблюдаемые при этом гистологические изменения — астроглиоз (увеличение численности астроцитов из-за разрушения близлежащих нейронов) и отсутствие воспалительных реакций<ref name="belay">Шаблон:Статья</ref>. Хотя инкубационный период прионных заболеваний, как правило, очень долог, после появления симптомов болезнь прогрессирует быстро, приводя к разрушению мозга и смерти<ref name="cdc">Шаблон:Cite web</ref>. Проявляющимися при этом нейродегенеративными симптомами могут быть конвульсии, деменция, атаксия (расстройство координации движений), поведенческие и личностные изменения.

Все известные прионные заболевания, объединяемые под названием «трансмиссивные губчатые энцефалопатии» (ТГЭ), неизлечимы и фатальны<ref name="gilch">Шаблон:Статья</ref>. Для мышей была разработана специальная вакцина, возможно, это поможет разработать вакцину против прионных заболеваний и для человека<ref>Шаблон:Cite web</ref>. Кроме того, в 2006 году учёные заявили, что методами генной инженерии ими была получена корова, лишённая необходимого для образования прионов гена, то есть теоретически она обладает иммунитетом к ТГЭ<ref>Шаблон:Cite news</ref>. Этот вывод основан на результатах исследования, что мыши, лишённые прионного белка в нормальной форме, проявляли устойчивость к приону скрепи<ref>Шаблон:Статья</ref>.

Прионы поражают множество различных видов млекопитающих, и белок PrP очень схож у всех млекопитающих<ref>Шаблон:Статья</ref>. Из-за небольших различий между PrP у различных видов для прионной болезни передача от одного вида к другому необычнаШаблон:Нет АИ. Однако вариант человеческого прионного заболевания (болезни Крейтцфельдта — Якоба) вызывается прионом, обычно поражающим коров и вызывающим губчатую энцефалопатию крупного рогатого скота, который передаётся через заражённое мясо<ref name="ironside">Шаблон:Статья</ref>.

Пути возникновения

Считается, что прионное заболевание может быть приобретено 3 путями: в случае прямого заражения, наследственно или спорадически (спонтанно)<ref>Шаблон:Статья</ref>. В некоторых случаях для развития болезни требуется комбинация этих факторов<ref>Шаблон:Статья</ref>. Например, для развития скрепи необходимо как заражение, так и определённая генотипом чувствительность<ref name="Goldmann" />. В большинстве случаев прионные заболевания возникают спонтанно по невыясненным причинам<ref>Шаблон:Cite web</ref>. На долю наследственных заболеваний приходится около 15 % всех случаев<ref name="Med" />. Наконец, меньшинство являются результатом действия окружающей среды, то есть имеют ятрогенную природу или появляются в результате прионного заражения<ref name="Med" />.

Спонтанное возникновение

Спорадическая (то есть спонтанная) прионная болезнь возникает в популяции у случайной особи. Таков, например, классический вариант болезни Крейтцфельдта — Якоба. Существуют 2 основные гипотезы относительно спонтанного появления прионных болезней. Согласно первой из них спонтанное изменение происходит в самом доселе нормальном белке в мозге, то есть имеет место посттрансляционная модификация<ref name="Med">Шаблон:Cite web</ref>. Альтернативная гипотеза гласит, что одна или несколько клеток организма в какой-то момент претерпевают соматическую мутацию (то есть не передающуюся наследственно) и начинают производить дефектный белок PrPSc<ref>Шаблон:Cite web</ref>. Как бы то ни было, конкретный механизм спонтанного возникновения прионных болезней неизвестен<ref name="Med" />.

Наследственность

Файл:Location of PRNP-gene in chromosome 20.png
Локализация гена PRNP

Шаблон:Main Был идентифицирован ген, кодирующий нормальный белок PrP — PRNP<ref>Шаблон:Статья</ref>, локализованный на 20-й хромосоме. При всех наследственных прионных заболеваниях имеет место мутация этого гена. Было выделено много различных мутаций (около 30<ref name="Med" />) этого гена, и получающиеся при этом мутантные белки более склонны к укладке в ненормальную (прионную) форму<ref name="Goldmann">Шаблон:Статья</ref>. Все такие мутации наследуются аутосомно-доминантно<ref name="Med" />. Это открытие показало дыру в общей теории прионов, гласящей, что прионы могут переводить в прионную форму только белки идентичного аминокислотного состава. Мутации могут иметь место по всему гену. Некоторые мутации приводят к растяжению октапептидных повторов на N-конце белка PrP. Другие мутации, приводящие к появлению наследственной прионной болезни, могут происходить в позициях 102, 117 и 198 (синдром Герстмана — Штраусслера — Шейнкера), 178, 200, 210 и 232 (болезнь Крейтцфельдта — Якоба) и 178 (фатальная семейная бессонница).

Заражение

По данным современных исследований, основной путь приобретения прионных заболеваний — поедание заражённой пищи. Считается, что прионы могут оставаться в окружающей среде в останках мёртвых животных, а также присутствуют в моче, слюне и других жидкостях и тканях тела. Из-за этого заражение прионами может произойти и в ходе пользования нестерильными хирургическими инструментами (об этом см. раздел «Стерилизация»). Они также могут долго сохраняться в почве за счёт связывания с глиной и другими почвенными минералами<ref>Шаблон:Статья</ref>.

Группа исследователей из Калифорнийского университета во главе с нобелевским лауреатом Стенли Прузинером доказала, что прионная инфекция может развиться из прионов, содержащихся в навозе<ref>Шаблон:Статья</ref>. А поскольку навоз присутствует вокруг многих водоёмов и на пастбищах, это даёт возможность для широкого распространения прионных болезней. В 2011 году было сообщено об открытии прионов, передающихся по воздуху в частицах аэрозоля (то есть воздушно-капельным путём)<ref>Шаблон:Cite news</ref>. Это открытие было сделано в ходе эксперимента на заражённых скрепи мышах. Также в 2011 году было опубликовано предварительное доказательство того, что прионы могут передаваться с получаемым из мочи человеческим менопаузальным гонадотропином, применяемым для лечения бесплодия<ref>Шаблон:Cite news</ref>.

Стерилизация

Размножение инфекционных агентов, содержащих нуклеиновые кислоты, зависит от нуклеиновых кислот. Однако прионы увеличивают свою численность, изменяя структуру нормальной формы белка на прионную. Поэтому стерилизация против прионов должна включать их денатурацию до состояния, в котором бы они были неспособны изменять конфигурацию других белков. Прионы в большинстве своём устойчивы к протеазам, высокой температуре, радиации и хранению в формалине<ref>Шаблон:Статья</ref>, хотя эти меры и снижают их инфективность. Эффективная дезинфекция против прионов должна включать гидролиз прионов или повреждение/разрушение их третичной структуры. Это можно достичь обработкой хлорной известью, гидроксидом натрия и сильнокислыми моющими веществами<ref>Шаблон:Статья</ref>. Пребывание в течение 18 минут при температуре 134 °C в герметичном паровом автоклаве не может деактивировать прионы<ref>Шаблон:Статья</ref><ref name="pmid10716712">Шаблон:Статья</ref>. Как потенциальный метод для деактивации и денатурации прионов в настоящее время изучается озоновая стерилизация<ref>Шаблон:Cite web</ref>. Ренатурация полностью денатурированного приона до инфективного состояния зафиксирована не была, однако для частично денатурированных прионов в некоторых искусственных условиях это возможно<ref>Шаблон:Статья</ref>.

Прионы и тяжёлые металлы

Согласно недавним исследованиям, нарушение обмена тяжёлых металлов в мозге играет важную роль в нейротоксичности, связанной с PrPSc, хотя на основе имеющейся пока информации сложно объяснить механизм, стоящий за всем этим. Есть гипотезы, объясняющие это явление тем, что PrPC играет некоторую роль в метаболизме металлов, и его нарушение из-за агрегации этого белка (в виде PrPSc) в фибриллы вызывает дисбаланс обмена тяжёлых металлов в мозге. Согласно другой точке зрения, токсичность PrPSc усиливается из-за включения в агрегаты PrPC-связанных металлов, что приводит к образованию комплексов PrPSc с окислительно-восстановительной активностью. Физиологическое значение некоторых комплексов PrPC с металлами известно, а значение других — нет. Патологическое действие PrPC-связанных металлов включает индуцированное металлом окислительное повреждение и в некоторых случаях переход PrPC в PrPSc-подобную форму<ref name="Singhn">Шаблон:Книга</ref>.

Потенциальное лечение и диагностика

Благодаря компьютерному моделированию учёным удалось найти соединения, которые могут быть лекарством против прионных заболеваний. Например, одно соединение может связываться с углублением в PrPC и стабилизировать его структуру, снижая количество вредоносных PrPSc<ref>Шаблон:Статья</ref>.

Недавно были описаны антитела к прионам, способные проходить через гематоэнцефалический барьер и действующие на цитозольные прионы<ref>Шаблон:Статья</ref>.

В последнее десятилетие XX века был достигнут некоторый прогресс в инактивации инфективности прионов в мясе при помощи сверхвысокого давления<ref>Шаблон:Статья</ref>.

В 2011 году было открыто, что прионы могут разлагаться лишайниками<ref name="LICPRI">Шаблон:Статья</ref><ref name="NATKIL">Шаблон:Cite web</ref>.

Большое практическое значение имеет проблема диагностики прионных заболеваний, в частности, губчатой энцефалопатии крупного рогатого скота и болезни Крейтцфельдта — Якоба. Их инкубационный период составляет от месяца до десятилетий, в течение которых человек не испытывает никаких симптомов, даже если процесс превращения нормальных мозговых белков PrPC в прионы PrPSc уже начался. В настоящее время фактически нет способа обнаружить PrPSc, кроме как при помощи проверки ткани мозга нейропатологическими и иммуногистохимическими методами уже после смерти. Характерной чертой прионных заболеваний является накопление прионной формы PrPSc белка PrP, однако в легко получаемых жидкостях и тканях тела, как кровь и моча, он содержится в очень низких концентрациях. Исследователи пытались разработать метод измерения доли PrPSc, но сейчас по-прежнему нет полностью признанных методов по использованию для этих целей таких материалов, как кровь.

В 2010 году группа исследователей из Нью-Йорка описала способ обнаружить PrPSc даже тогда, когда его доля в ткани мозга равна одной на сто миллиардов (10−11). Этот метод сочетает амплификацию с новой технологией, называемой Surround Optical Fiber Immunoassay (Шаблон:Iw) («оптический иммунологический анализ прилежащих волокон»), и некоторыми специфическими антителами против PrPSc. После амплификации с концентрированием всех PrPSc, возможно содержащихся в образце, образец помечается флуоресцентным красителем с антителами для специфичности и в конце загружается в микрокапиллярную трубку. Потом эта трубка помещается в специальный аппарат так, что она оказывается полностью окружённой оптическими волокнами и весь свет, испускаемый на трубку, поглощается красителем, предварительно возбуждённым лазером. Эта техника позволяет обнаружить PrPSc даже после небольшого количества циклов перехода в прионную форму, что, во-первых, снижает возможность искажения результата артефактами эксперимента, и, во-вторых, ускоряет ход процедуры. Исследователи проверяли по этой технике кровь кажущихся здоровыми овец, в действительности заражённых скрепи. Когда болезнь стала очевидной, был исследован и их мозг. Таким образом, исследователи получили возможность сравнить анализы крови и мозговой ткани животных с симптомами болезни, со скрытой болезнью и неинфицированных. Результаты наглядно показали, что вышеописанная техника позволяет обнаружить PrPSc в организме задолго до появления первых симптомов<ref>Шаблон:Статья</ref><ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Антиприонная активность была обнаружена у астемизола<ref>Scripps Research Institute Scientists Identify First Potentially Effective Therapy for Human Prion Disease Шаблон:Wayback; Unique drug screening approach for prion diseases identifies tacrolimus and astemizole as antiprion agents Шаблон:Wayback / PNAS April 23, 2013 vol. 110 no. 17</ref>.

Прионы грибов

Шаблон:Main

Файл:S.cerevisiae PSI+.jpg
Формирование прионов [PSI+] отменяет накопление красного пигмента, образующегося в результате мутации в гене ade1 (снизу), в результате чего колонии дрожжей становятся белыми (сверху)

Белки, способные к передаче их конформации по наследству, то есть неменделевской наследственности, были открыты у дрожжей Saccharomyces cerevisiae Ридом Уикнером (англ. Шаблон:Lang-en2) в начале 1990-х. Из-за сходства с прионами млекопитающих эти альтернативные наследуемые конформации белков были названы прионами дрожжей. Позже прионы были открыты и у гриба Podospora anserina.

Группа Сьюзан Линдквист (англ. Шаблон:Lang-en2) из Института Уайтхед показала, что некоторые прионы грибов не связаны с каким-либо болезненным состоянием, а могут играть полезную роль. Однако, исследователи из NIH предоставили аргументы в пользу того, что прионы грибов могут снижать жизнеспособность клеток<ref>Шаблон:Статья</ref>. Поэтому вопрос о том, являются ли прионы грибов болезнетворными агентами или же они играют некую полезную роль, остаётся нерешённым<ref>Шаблон:Статья</ref>.

По состоянию на 2012 год известно 11—12 прионов у грибов, в том числе: семь у Saccharomyces cerevisiae (Sup35, Rnq1, Ure2, Swi1, Mot3, Cyc8, Sfp1, Mca1', вакуолярная протеаза B и Mod5) и один у Podospora anserina (НЕТ-s, МАР-киназы).

Из них наиболее хорошо изучен фактор терминации трансляции Sup35 (гомолог eRF3). Клетки, в которых присутствует прионная форма Sup35, называются клетками [PSI+] (см. илл.). Такие клетки имеют изменённое физиологическое состояние и изменённый уровень экспрессии некоторых генов, что позволило выдвинуть гипотезу о том, что у дрожжей образование прионов может играть адаптативную роль<ref name="Galkin">Шаблон:Статья</ref>.

Статья об открытии приона Mca1 была впоследствии отвергнута, так как воспроизвести результаты эксперимента не удалось<ref>Шаблон:Статья</ref>. Большинство прионов грибов основаны на глутамин/аспарагин-богатых повторах, исключениями являются Mod5 и HET-s.

Исследования прионов грибов убедительно подтверждают «чисто белковую» гипотезу, так как очищенные белки, выделенные из клеток с белками в прионной форме, демонстрировали способность перестраивать белки нормальной формы в прионную in vitro, и при этом свойства данного штамма приона сохраняются. Был также отчасти пролит свет на прионные домены, то есть домены белка, осуществляющие изменение конформации другого белка в прионную. Прионы грибов помогли представить возможный механизм перехода из нормальной формы в прионную, относящийся ко всем прионам, хотя прионы грибов и отличаются от инфекционных прионов млекопитающих отсутствием кофактора, необходимого для размножения. Особенности прионного домена могут варьировать у различных видов. Например, свойства, присущие прионным доменам прионов грибов, не встречаются у прионов млекопитающих.

Как упоминалось выше, прионы грибов, в отличие от прионов млекопитающих, передаются следующему поколению. Иными словами, у грибов существует механизм прионной (белковой) наследственности, который может служить ярким примером истинно цитоплазматического наследованияШаблон:Sfn.

Прионы грибов
Белок Хозяин Нормальная функция Прионная форма Прионный фенотип Год открытия
Ure2p S. cerevisiae Репрессор усвоения азота [URE3] Способность усваивать уреидосукцинат в качестве источника азотаШаблон:Sfn 1994
Sup35p S. cerevisiae Фактор терминации трансляции [PSI+] Повышение частоты прочитывания стоп-кодонов 1994
HET-S P. anserina Фактор цитоплазматической несовместимостиШаблон:Sfn [Het-s] Образование гетерокариона только между совместимыми штаммами 1997
Вакуолярная протеаза B S. cerevisiae Уменьшение продолжительности жизни клеток, нарушения мейоза [β] Нарушения деградации клеточных белков в условиях голода 2003
MAP-киназы P. anserina Усиление пигментации, медленный рост [C] 2006
Rnq1p S. cerevisiae Фактор, усиливающий образование прионов [RNQ+], [PIN+] Способствует агрегации других белков
Mca1* S. cerevisiae Предполагаемая каспаза дрожжей [MCA+] Неизвестен 2008
Swi1 S. cerevisiae Изменение конформации хроматина [SWI+] Плохой рост на некоторых источниках углерода 2008
Cyc8 S. cerevisiae Транскрипционный репрессор [OCT+] Дерепрессия транскрипции многих генов 2009
Mot3 S. cerevisiae Ядерный транскрипционный фактор [MOT3+] Транскрипционная дерепрессия анаэробных генов 2009
Sfp1<ref>Шаблон:Статья</ref> S. cerevisiae Предполагаемый регулятор транскрипции [ISP+] Антисупрессия 2010
Mod5<ref>Шаблон:Статья</ref> S. cerevisiae [MOD+] 2012

' — неподтверждённое открытие.

См. также

Примечания

Шаблон:Примечания

Литература

Шаблон:Навигация

Ссылки

На английском языке

На русском языке

Видео

Шаблон:Внешние ссылки Шаблон:^ Шаблон:Субвирусные частицы Шаблон:Хорошая статья

Источник — https://camokathomelab.servebeer.com/mediawiki/index.php?title=Прионы&oldid=32777