Прионы и амилоиды: введение
Более 20 болезней человека связаны с аномалиями в формировании пространственной структуры белков, что приводит к образованию амилоидов, представляющих собой агрегаты фибриллярной структуры, состоящие из растворимых в норме клеточных белков. Такие заболевания называют амилоидными или амилоидозами . Из амилоидозов наиболее известны болезни Альцгеймера и Паркинсона , весьма распространенные среди пожилого населения развитых стран.
Для части амилоидозов характерно образование поли-Q белков с амплификацией повтора CAG, кодирующего аминокислоту глутамин . Эти повторы могут амплифицироваться неравным кроссинговером, и по достижении порогового числа (36 повторов) возникает патология. Количество повторов сверх порогового числа коррелирует с возрастом начала заболевания (ювенильные формы - 60 и больше повторов). К известным у человека таких "глутаминовых амилоидозов (поли-Q амилоидозов)" относятся, например, болезнь Мачадо-Йозефа , спинальная мышечная атрофия и бульбулярная мышечная атрофия , болезнь Хантингтона ( Landles, Bates 2004 ). Основная особенность этих заболеваний - образование цитоплазматических и ядерных включений, состоящих из агрегатов патологических белков ( Perutz, 1999 ). На более поздних стадиях образуются крупные фибриллярные нерастворимые структуры - амилоиды, или амилоидные бляшки.
Из поли-Q амилоидозов лучше всего изучена болезнь Хантингтона с прогрессирующей нейродегенерацией и летальным исходом примерно через 15-20 лет ( Bates et al, 2002 ). При этом заболевании происходит накопление амилоидных агрегатов белка Htt (хантингтина) в ядре и цитоплазме нейронов, в основном эффекторных нейронов стриатума , сопровождающееся нейродегенерацией вследствие апоптоза клеток ( Saudou et al, 1998 ). В составе таких агрегатов помимо Htt обнаруживают также компоненты протеасомного комплекса , некоторые шапероны и другие белки ( Sakahira et al, 2002 ; Ciechanover and Brundin, 2003 ). Что свидетельствует о связи между агрегатами Htt и системами белкового фолдинга и деградации.
Болезни, вызываемые агрегатами полиглутамин-содержащих белков, послужили толчком для исследований в этой области, но позже выяснилось, что глутамин-богатые домены есть и у других белков. У человека имеется более 200 белков с полиглутаминовыми трактами, а число белков c глутамин-богатыми доменами точно неизвестно. Примеры глутамин-богатых белков - коактиватор андрогенового рецептора (SRC1) ( Bevan et al. 1999 ), гистоновые деацетилазы ( Bates et al. 2006 ), многие регуляторы транскрипции и трансляции, например SFPQ (фактор сплайсинга) ( Kuwahara et al. 2006 ), TIA1 (РНК-связывающий белок, осуществляющий остановку трансляции в стрессовых условиях) ( Gilks et al., 2004 ), CPEB1 (фактор полиаденилирования) ( Allen et al., 2005 ) и компоненты убиквитиновой системы распада белков .
О токсичности агрегатов поли-глутаминовых белков известно достаточно много, но целостной картины нет. Например, сверхэкспрессия шаперонов Hsp70 и Hsp40 уменьшает уровень агрегации Htt и продлевает жизнь клеток в культуре. Ингибирование протеасомной активности, напротив, увеличивает накопление агрегатов ( Bonini, 2002 ). В нескольких работах, сделанных на дрожжах, цитотоксичность полиглутаминовых агрегатов была связана с нарушениями эндоцитоза и актинового цитоскелета ( Meriin et al, 2003 ). Если белок находится не в агрегированной форме, токсичности не наблюдается. Токсичность и агрегация Htt также уменьшаются при сверхэкспрессии дрожжевого шаперона Hsp104 в мышиной модели. Кроме того, увеличивается продолжительность жизни таких мышей ( Vacher et al, 2005 ).
Точные причины токсичности при болезни Хантингтона неизвестны, однако многое указывает на то, что в агрегаты Htt вовлекаются другие непатологические Q-богатые белки, что нарушает эффективность их функций.
Значительное количество данных указывает на то, что к амилоидозам относятся и прионные заболевания . В отличие от прочих амилоидозов, прионные заболевания инфекционны.
Уникальность прионов состоит в том, что их инфекционность связана не с ДНК или РНК, а с белком. К прионным заболеваниям относят болезнь Крейцфельда-Якоба , синдром Герстманна-Штраусслера-Шейнкера , куру , а также фатальную семейную бессонницу человека , скрейпи у овец и коз , бычью губчатую энцефалопатию (коровье бешенство) , и другие энцефалопатии, встречающиеся у кошек, оленей и других животных. Все эти прионные болезни связаны с единственным белком PrP .
Помимо животных и человека, белки с прионными свойствами были обнаружены у дрожжей. "Bнфекционность" этих прионных белков проявляется как не-Менделевское наследование соответствующих фенотипов. Все дрожжевые прионные белки имеют глутамин-богатые домены, ответственные за их агрегацию. Динамика образования агрегатов и их структура для дрожжевых прионов довольно подробно изучены, поэтому вклад дрожжевой модели является важнейшим для понимания феномена амилоидов и прионов, и, соответственно, глутамин-богатых агрегирующих белков. Особенно хорошо изучены два белка - Sup35 и Rnq1 , которые обуславливают нехромосомные детерминанты [Psi+]/[Psi-] и [PIN+]/[Pin-].
Прионное состояние белка Sup35 дрожжей (фактор терминации трансляции eRF3) приводит к трансляционной супрессии нонсенс-кодонов. Этот фенотип [PSI+] стабильно наследуется и передается всем потомкам при скрещивании или цитодукции (обмен клеток цитоплазмой) . [PSI+] может спонтанно возникать с низкой частотой и может теряться при росте на определенных средах.
Можно полагать, что феномен прионов и амилоидов гораздо шире распространен в природе, чем это известно на сегодняшний день, и может быть использован в биологически значимых механизмах. Наличие белков с прионными свойствами показано также для Schizosaccharomyces pombe , грибов Podospora anserina и, предположительно, для улитки Aplysia californica .
Для трансляционного регулятора CPEB , который играет ключевую роль в механизмах, связанных с долговременной памятью , установлены прионоподобные свойства в дрожжах. Более того, у млекопитающих найдены амилоидные белки, выполняющие в норме важные физиологические функции. Так было показано, что амилоидные полимеры белка Pmel17 являются матрицей для полимеризации предшественника меланина . Предшественник меланина токсичен, в то время как его полимеры защищают клетки от различных вредный воздействий, в частности, ультрафиолета и оксислительного стресса.
Множество белков, структурно сходных с уже известными прионными белками у дрожжей, было выявлено у различных организмов при поиске в банках генов. Возможно белки, способные формировать амилоидную структуру, широко распространены и могут играть важную роль в регуляции физиологических процессов в клетке.
Вопросы о том, чем отличаются прионы и амилоиды, и действительно ли они имеют принципиально сходную основу, достаточно значимы для данной темы. Это важно и для понимания особенностей прионных и амилоидных заболеваний, и для понимания свойств полезных механизмов связанных с амилоидами, и для выявления новых таких механизмов.
