Биологическое значение прионов
У млекопитающих открытие прионов было связано с изучением ряда неизлечимых нейродегенеративных заболеваний , и пока неизвестно, играют ли процессы прионообразования у млекопитающих какую-либо функциональную роль.
Однако в случае низших эукариот уже сейчас становится ясно, что прионные механизмы могут играть адаптивную и регуляторную роль и не приводят к гибели организма. Прионные переходы способны происходить гораздо быстрее и с более высокой частотой, чем генные мутации. Вследствие этого организм имеет возможность лучше реагировать на изменившиеся условия окружающей среды, сохраняя при этом информацию об исходном состоянии. Фактически происходит наследуемое переключение активности белков, так как переход в прионное состояние изменяет функциональную способность этих белков.
Один из самых ярких тому примеров - [URE3] S.cerevisiae : переход белка Ure2 в прионную форму делает возможным использование некоторых трудно усваиваемых азотистых соединений. При наличии легко усваиваемых источников азота неприонное состояние [ure3] оказывается предпочтительным ( Lacroute, 1971 ).
Имеются данные, указывающие на возможное биологическое значение прионного детерминанта [PSI+] дрожжей. Показано, что само наличие детерминанта [PSI+] повышает устойчивость клеток дрожжей к тепловому шоку и к стрессу, вызванному некоторыми химическими соединениями ( Eaglestone et.al., 1999 ). Еще одна возможная биологическая роль прионного состояния белка Sup35 сформулирована в работе True and Lindquist (2000) . Переход в прионную форму фактора терминации трансляции Sup35 оказывает комплексное воздействие на дрожжевую клетку. Происходят достаточно хаотические изменения во многих сферах жизнедеятельности клетки. Это связано, прежде всего, с супрессией нонсенс-мутаций. При неблагоприятных для жизни клетки условиях такие изменения могут оказаться полезными. При этом клетка способно легко возвратиться к исходному состоянию, потеряв прион. Следовательно [PSI+] позволяет проявить предсуществующую вариацию генотипического фона (наличие в геноме нонсенс-мутаций). Это явление приобретает большую важность в ходе эволюции, т.к. фактически прионный переход эквивалентен множеству одновременных генетических изменений, что приводит к повышенной эволюционной устойчивости дрожжевой клетки.
Еще более убедительный пример биологического значения прионного состояния одного из белков клетки представляет собой детерминант [Het-s] P. anserina . Детерминант [Het-s], являясь элементом системы вегетативной несовместимости, контролирует скрещивание дальнеродственных вариантов этого гриба. С одной стороны, такие скрещивания потенциально полезны, поскольку увеличивают генетическое разнообразие популяции P. anserina. С другой - они представляют собой реальную опасность в связи с возможностью распространения в популяции вирусов, поскольку у грибов вирусы передаются при слиянии клеток. Способность белка Het-s спонтанно и обратимо переходить в прионное состояние делает популяцию грибов гетерогенной: одни, лишенные детерминанта [Het-s], могут пользоваться преимуществами генетического обмена, а другие, несущие этот детерминант, "оберегать" популяцию от вирусов. Таким образом, прионы повышают адаптивную лабильность популяции и способность к временной коррекции фенотипа в ответ на изменение условий окружающей среды.
Такая распространенность и значимость прионов у низших эукариот, возможно говорит о том, что и у высших организмов прионы тоже могут служить выполнению физиологических функций. PrР не единственный белок высших эукариот, обладающий прионными свойствами.
Были найдены прионоподобные характеристики у нейрональной изоформы белка CPEB (cytoplasmic polyadenilation element binding protein) улитки Aplysia californica ( Si et al., 2003a ). Он является трансляционным активатором "молчащих" мРНК, стимулирующим цитоплазматическое полиаденилирование, и таким образом активирующий трансляцию. Цитоплазматическое полиаденилирование происходит при связывании CPEB с CPE (cytoplasmic polyadenylation element), который находится в 3'- нетранслируемом районе активируемой мРНК ( Hake and Richter, 1994 ). Анализ CPEB в дрожжевых клетках выявил прионоподобные свойства белка. N-концевой район CPEB сильно обогащен остатками глутамина и аспарагина (48% Q+N), что и позволило предположить его способность к прионизации. Показано также, что CPEB связывается с сигнальной последовательностью мРНК - CPE - в олигомерном (прионоподобном) состоянии и активирует трансляцию "молчащей" мРНК. Такое состояние CPEB наследуется доминантно и передается при цитодукции (передаче цитоплазмы). Выяснилось также, что уровень CPEB повышается при действии серотонина - медиатора, принимающего участие в процессах, связанных с обучением ( Si et al., 2003b ). Предложена модель, в которой в результате увеличения уровня экспрессии нейронального CPEB возможна прионизация CPEB. Вследствие чего может локально активироваться трансляция "молчащих" мРНК. Такая передача сигнала с помощью прионного перехода имеет то преимущество, что, как только достигнуто прионное состояние, оно способно самоподдерживаться без внесения дополнительных стимулов. То есть сигнал, пришедший один раз, "сохраняется" и действует в течение длительного времени.
Прионные свойства CPEB в нейронах Aplysia californica пока еще не доказаны. На сегодняшний день известны четыре гена CPEB в нейронах гиппокампа мышей ( Theis et al., 2003 ). Продукт одного из них ( CPEB-3 ) имеет N-концевой глутамин-богатый домен, у продукта другого гена ( CPEB-4 ) есть пролин-богатый участок на N-конце, и оба они агрегирует при экспрессии в дрожжевых клетках и в культуре нейронов ( Allen et al., 2005 ).
Было показано, что белок млекопитающих TIA1 проявляет прионоподобные свойства в клетках дрожжей. TIA1 - РНК-связывающий белок, осуществляющий остановку трансляции в стрессовых условиях. Он индуцирует образование так называемых стресс гранул в ответ на временную остановку трансляции и выводит существенную часть мРНК из этого процесса, переводя ее в мРНК-белковые комплексы (eIF2-GTP-tRNAiMet). Далее мРНК, связанные с TIA1, попадают в состав стрессовых гранул, образованных агрегатами TIA1 ( Kedersha and Anderson, 2002 ; Gilks et al., 2004 ). Стресс-гранулы формируются только при среднем уровне экспрессии TIA1, отсутствие или сверхэкспрессия не приводят к их образованию. TIA1 способен к агрегации, зависимой от шаперонов Hsp70 , Hsp27 и Hsp40 , при этом такие агрегаты устойчивы к действию протеаз. Кроме того, замена прионоподобного домена TIA1 на прионный домен дрожжевого белка Sup35 не ухудшает образование стресс-гранул, что приводит к предположению о необходимости прионных свойств для образования стресс гранул и реакции аппарата трансляции на стресс ( Gilks et al., 2004 ).
Белки Pmel17 у млекопитающих и CsgA у E.coli являются наиболее достоверными примерами того, что амилоидогенез как образование биологически активных четвертичных структур белка может быть эволюционно консервативным механизмом.
Pmel17 протеолитически расщепляется в аппарате Гольджи на два фрагмента, один из которых собирается в фибриллы, образующих основу меланосомы в меланоцитах ( Fowler et.al., 2006 ). Меланин - важный биополимер, защищающий клетку от ультрафиолетового облучения и оксидативного стресса. В меланоцитах млекопитающих продемонстрирована экспрессия трансмембранного гликопротеина I типа Pmel17, способного полимеризоваться в амилоидную структуру, на которой собираются и концентрируются молекулы меланина в многоэтапном процессе биогенеза меланосомы . Для сборки полимеров Pmel17 требуется его эндопротеолиз, который осуществляется трансмембранной протеазой фурином, расщепляющей его на на 2 фрагмента, при этом один из них остается связанным с мембраной, а второй, цитоплазматический, - формирует амилодную структуру ( Marks and Seabra, 2001 ; Raposo and Marks, 2002 ).
На внешней поверхности клеточной стенки E.coli находится фиброзный матрикс, который образован белком CsgA (Curli) . Амилоидообразование Curli контролируется по крайней мере двумя оперонами - csgAB и csgDEFG. Белки CsgF , CsgB , скорее всего, затравляют полимеризацию CsgA. Белок CsgG расположен на внутреннем крае внешней стороны мембраны и, возможно, служит "платформой" для сборки этого амилоида ( Chapman et al, 2002 ).
Изначально прионы были найдены и охарактеризованы как патогенные инфекционные агенты нового типа. На сегодняшний день становится ясно, что прионы представляют собой новый феномен биологической регуляции и могут быть использованы в биологически хранимых клеточных механизмах.
