Прионы: основные сведения
Открытие феномена прионов позволило обнаружить существование нового типа наследственности - наследственности на основе белка. Термин "прион" (proteinaceous infectious particle) появился в связи с исследованием ряда нейродегенеративных заболеваний с неизвестной этиологией, таких, как скрэйпи овец и болезнь Крейцфельда-Якоба у человека. И хотя эти болезни известны довольно давно, природа их оставалась загадкой достаточно долго. Объяснение столь медленного хода исследований заключалось в необычном способе возникновения этих болезней: они могут возникать спонтанно и в то же время могут и наследоваться и передаваться инфекционным путем. Долгое время комбинация этих трех свойств казалась необъяснимой.
В 1967 была предложена так называемая "белковая" гипотеза, согласно которой инфекционный агент, вызывающий эти заболевания и получивший позже название "прион", представляет собой обычный клеточный белок, принявший особое конформационное состояние. Проникновение прионов в клетку приводит к нарушению конформации синтезируемого клеткой прионного белка , нарушению функции клетки и дальнейшему накоплению прионов, способному самоподдерживаться за счет автокаталитического механизма. Фактически прионы являются генетическим детерминантом белковой природы.
На сегодняшний день эту гипотезу подтверждают как экспериментальные данные, так и тот факт, что до сих пор не удалось найти какую-либо нуклеиновую кислоту, связанную с этими инфекционными заболеваниями.
В отличие от поли-Q белков , патологическое и нормальное состояния приона не отличаются по первичной структуре. Для возникновения патологии достаточно обратимого конформационного изменения, т.н. прионной конверсии. Инфекционность обусловлена тем, что полимер, попавший в клетку в результате скрещивания или из внешней среды, может присоединять к себе мономер и разрастаться, конвертируя белок в прионную форму. При делении полимеры передаются дочерним клеткам.
В течение длительного времени все известные проявления прионного феномена были связаны лишь с одним белком PrP , вызывающий спонгиформные энцофалопатии скота и болезнь куру у человека ( Gajdusek et al, 1966 ). PrP - мембранный белок, является маркером стволовых клеток и участвует в их обновления ( Zhang et al, 2006 ). Функциональная роль прионного белка PrP пока не известна, но было показано, что PrP может связываться с ионами меди. Предполагается что такой комплекс, с помощью эндоцитоза попадая в клетку, затем диссоциирует, и ион меди переносится из эндоцитозного пузырька в цитоплазму [ Harris ea 1999 ].
Прионная изоформа белка отличается от клеточной только по вторичной структуре, она имеет в основном бета-складчатую структуру, а клеточная форма - в основном альфа-спиральную [Тер-Аванесян ea 1999 ]. Это верно, как для белка млекопитающих PrP, так и для всех остальных найденных прионов, в том числе и Sup35 .
Прионная форма PrP получила название PrPSc (от болезни scrapie). Она представляет собой особую изоформу нормального клеточного белка PrP - PrPC (от cellular), - которая отличается плохой растворимостью в детергентах, устойчивостью к действию протеаз, а также склонностью к агрегации [ Тер-Аванесян ea 1999 ].
Основные свойства прионных белков - способность к агрегации и к возникновению de novо, наличие множества патологических конформационных вариантов и наследование патологической конформации. Для прионных полимеров характерна также устойчивость к денатурирующим агентам и некоторым протеазам (например химотрипсину). Последнее свойство проявляют и амилоидные агрегаты, однако они не наследуются и не инфекционны. Конформационных вариантов для них тоже пока не выявлено.
Изучение прионов в основном объяснялось патологией, которую они вызывают у человека и животных. Открытие прионоподобных белков у низших эукариот существенным образом расширило представления о прионах. Стало ясно, что это не просто принципиально новое, но и достаточно общее явление, встречающееся у различных организмов. Изучение дрожжевых прионов дало дополнительную информацию о явлении в целом, а также доказательства принципиального сходства прионов с амилоидными фибриллами . В настоящее время прионно-амилоидный феномен интенсивно изучается во многих лабораториях, возрастает список болезней, из числа известных ранее, для которых подтверждена амилоидная природа.
У дрожжей и грибов существование белков с прионными свойствами в основном имеет адаптивное значение. Кроме того, становится известно все больше и больше прионоподобных и амилоидных белков млекопитающих, участвующих в различных биологических процессах. И, скорее всего, подобные белки распространены еще шире, чем представляется сейчас.
Что же происходит, когда аномальный, прионный белок попадает в клетку или в систему, где есть нормальный клеточный белок - аналог приона? Структурно прионный белок отличается от клеточного только тем, что он обладает другой конформацией, т.е. измененной вторичной и третичной структурой. Для полной конверсии клеточного белка достаточно следового количества прионного белка (далее такое малое количество материала прионного белка будет называться "семенами"). На сегодняшний день практически установлено, что белок в прионной конформации представляет собой агрегат в виде высокоупорядоченных фибрилл, к концам которых может присоединяться нормальный клеточный растворимый белок, и само это связывание, по-видимому, и является тем фактором, который вызывает изменение конформации. При этом белок, находящийся в агрегированном состоянии, не способен далее осуществлять свою нормальную клеточную функцию. На дрожжах in vitro было показано, что при добавлении к лизату клеток семян происходит быстрая конверсия - образование агрегатов из всей клеточной формы этого белка. Если же затем взять семена этого агрегата и поместить их в следующую порцию нормального лизата, то опять произойдет конверсия и образование агрегатов. Эту процедуру можно осуществить неограниченное число раз [ Paushkin ea 1997 ].
Прионы дрожжей явились весьма удобной модельной системой для изучения прионного явления в целом. Они имеют неоспоримые преимущества перед животными системами по скорости постановки экспериментов, доступности и безопасности для исследователей. Можно надеяться, что результаты, полученные в дрожжевой системе, будут использованы в будущем для исследования прионных свойств патогенных белков, вызывающих прионные или амилоидные заболевания человека и животных, а также белков, полезных для жизнедеятельности клетки.
Центральным моментом в исследованиях поддержания прионного состояния в клетке является понимание динамики полимеризации и разборки прионных фибрилл . До сих пор не сформированы конкретные представления о механизмах полимеризации и структуре фибрилл, их возможной полярности, роли концов и т.д. В то же время понятно, что сама структура фибрилл является главным фактором, определяющим динамику их существования. Есть также ряд внешних факторов, влияющих на динамику полимеризации/разборки прионной фибриллы, например, присутствие в среде GuHCl , а также уровень экспрессии Hsp104 .
На сегодняшний день становится ясно, что прионные белки являются необходимым, но не достаточным элементом в феномене прионообразования, важную роль играют и другие белки. Также, по-видимому, необходим целый комплекс факторов, регулирующих образование прионных агрегатов.
Известные прионные белки разных организмов представлены в таблице 1 pr .
