Полезные прионы и амилоиды13.11.2015 12:07

Биолог Виталий Кушниров об амилоидных болезнях, свойствах прионов и роли белков в биологических процессах

Амилоидом называют структурированный белковый агрегат, который обладает автокаталитической способностью, то есть способностью привлекать. Он состоит из множества белковых молекул, но при этом обладает способностью к дальнейшему привлечению аналогичных молекул в этот агрегат и таким образом может расти. Эти агрегаты имеют нитчатую структуру, то есть все присоединяемые молекулы присоединяются однотипно, поэтому агрегат имеет форму нити, растущей с конца, и на этом конце, собственно, происходит структурное превращение нормального белка в его амилоидную форму. На данный момент известно около 40 амилоидных болезней, причем подсчет идет по числу белков, которые являются причиной амилоидного перехода, то есть, может быть, какой-то белок даже дает две различные болезни, имеющие два различных названия, но мы считаем это как одно.

В редких случаях амилоидная болезнь может быть инфекционной, и этот редкий случай называют прионом. То есть прион — это инфекционный амилоид. Долгое время прионы и амилоиды рассматривали только как причину болезни, но со временем накопились случаи, где они не являются болезнью, а являются частью какого-то биологического механизма. И здесь можно было бы начать, пожалуй, с прионовых дрожжей, то есть явление, аналогичное прионам, было обнаружено в дрожжах, с той лишь разницей, что в дрожжах прионы не являются внешней инфекцией, но проявляют себя как наследуемый генетический элемент. То есть он может неограниченно долго передаваться в поколениях дрожжей, при скрещивании дрожжевых клеток он передается всему потомству.

Прионы дрожжей совершенно безвредны для клеток дрожжей, не говоря уже об экспериментаторе. И сейчас известно около 10 прионов дрожжей и большое количество белков, которые отчасти проявляют прионные свойства, то есть не вполне надежно наследуются, но тем не менее агрегируют и образуют амилоиды внутри клеток. И была дискуссия, являются ли прионы дрожжей болезнью для дрожжей или же нет, но сейчас, пожалуй, преобладает такое мнение, что они не являются болезнью, а, наоборот, могут быть полезны для адаптации дрожжей к меняющимся условиям среды. А внешняя среда может быть весьма неблагоприятна для такого маленького организма: то перегрев, то голод, то повышенная концентрация соли, и ко всем этим условиям нужно как-то адаптироваться. И способ адаптации у одноклеточных организмов состоит в том, что они пытаются придать максимальное разнообразие своей популяции, чтобы там были клетки с различными свойствами, но при этом оставаясь в рамках определенного генотипа, который оптимизирован миллиардами лет. Прионы дают такую возможность. С небольшой частотой в популяциях дрожжей возникают те или иные изменения, и какие-то из них случайным образом могут быть полезны при тех непредсказуемых поворотах биохимической судьбы, которые возникают вокруг дрожжевой клетки. Когда среда нормализуется, то этот прион опять же с легкостью может быть потерян, и клетка возвращается к исходному, проверенному фенотипу, то есть это довольно удобно.

Более четкие указания на полезность были получены в случае приона, называемого Het-s, у нитчатого гриба Podospora anserina. В этом случае прион участвует в системе несовместимости этого гриба. Значит, речь идет о том, что, когда по соседству растут две колонии гриба, в какой-то момент они встречаются, и, соприкасаясь своими клетками, эти клетки охотно вступают в контакт и скрещиваются, сливаются, обмениваются генетическим материалом. Но здесь возникает опасность, что у твоего партнера может оказаться какой-то опасный вирус. То есть есть и преимущества — обмен генетическим материалом в микромире играет важнейшую роль в эволюции и адаптации. Но опасность попасть на вирус тоже достаточно велика и воспринимается всерьез. Значит, после слияния клеток различных колоний что происходит: может либо ничего не происходить, либо же клетка, получающаяся в результате слияния, может получить сигнал на самоликвидацию. В каких случаях это происходит? Один из случаев — это если один из партнеров содержит прион Het-s, а другой из партнеров содержит аллель того же гена Het-s, но не совместимую с данным прионом. Таким образом, прион накладывает более строгие условия на скрещивания, то есть скрещивать только с ближайшими родственниками, у которых имеется защитная аллель гена на Het-s. И, таким образом, Podospora получает возможность в рамках популяции пользоваться преимуществами генетического отбора и в то же время защитить какую-то часть популяции от вирусов.

Следующим по времени открытия был амилоид млекопитающих и человека, называемый PMEL. Он выполняет довольно простую функцию — участвует в синтезе меланина, пигмента, который защищает нас от ультрафиолетового излучения. И этот пигмент меланин является на самом деле маномером, который получается из низкомолекулярных предшественников; и амилоид, образуемый белком PMEL, является просто матрицей для полимеризации меланина. Соответственно, эти предшественники имеют какое-то сродство с амилоидом, то есть они просто так устроены, так случилось, что они похожи на красители, которыми амилоид специфически окрашивает в научной практике.

Более важный пример относится к нашей памяти. Как известно, у человека и животных, сложных и простых, имеется два вида памяти: краткосрочная и долговременная. И в краткосрочной памяти запоминание происходит, скажем, в рамках каждого отдельно взятого аксона (это отросток нервной клетки), и первичное запоминание происходит на основе киназных каскадов: что-то активируется, состояние клетки переключается, и, соответственно, проводимость данного аксона изменяется. Но далее это состояние нужно зафиксировать, и фиксация его происходит через переход в амилоидное состояние некоторого белка, который называется Orb2 у дрозофилы, который называется CPEB у еще более простого организма — моллюска Aplysia. И есть основания предполагать, что примерно так же это происходит и у человека. Эти белки являются регуляторами экспрессии других белков на уровне трансляции, потому что иной регуляции в аксонах не предусмотрено. Их переход в амилоидное состояние изменяет экспрессию некоторого круга белков и таким образом придает измененные свойства всему аксону.

Еще один замечательный пример, открытый в прошлом, 2014 году, — это инфламмасома, частица, которая регулирует воспалительный ответ в ответ на проникновение в организм чужеродных антигенов. И эта инфламмасома собирается на основе некоторого белка, который имеет фактически двойной амилоидный домен, то есть сам по себе способен образовывать амилоид, но дело в том, что в организме есть еще другие белки, имеющие аналогичные амилоидные домены, и, таким образом, эти домены тоже вовлекаются в инфламмасому. И эти белки содержат, помимо амилоидообразующего домена, еще и функциональный домен, один из таких доменов — каспаза, который запускает соответствующие киназные каскады, а другие белки — это транскрипционные факторы, запускающие синтез интерлейкинов. То есть, таким образом, в ответ на чужеродный антиген происходит амилоидная сборка инфламмасомы, на ней собирается каспаза, и когда много каспазы в одном месте, то она начинает самоактивацию путем небольшого процессинга откусывания блокирующего кусочка, а транскрипционные факторы, которые собираются на той же инфламмасоме, устроены так, что они работают, только когда несколько молекул этого фактора собрались вместе — тогда они могут сесть на ДНК и начать транскрипцию. Кроме того, стоит упомянуть, что амилоиды широко используются бактериями для укрепления клеточных стенок, для образования биопленок, то есть что-то, помогающее им совершить инвазию; используются насекомыми в качестве оболочки для яиц. И в целом количество таких примеров год от года растет, и каждый новый пример появляется там, где его не ожидали. Число известных случаев использования амилоида живой природой будет только нарастать, что является существенным дополнением к той картине мира, которая была сформирована прежде, в которой белки играют только лишь канонические роли, а их агрегаты являются болезнью.

Виталий Кушниров