Клетка XVIII. Прионы
Для разговора о прионах, необходимо осознавать многие моменты и положения связанные с ними в окружающей нас действительности. В рамках ограниченного объема статьи мы не сможем с одинаковым уровнем подробности изложить все полезные сведения, но в преамбуле перечислим, назовем многие из них. Прионы это особый класс инфекционных агентов, представленных белками с аномальной третичной структурой, лишённые, в отличие от всех известных патогенов (вирусов, бактерий и пр.), генома в виде ДНК или РНК.
Образование прионов обнаружено у млекопитающих, птиц и рыб, прионы формируют необычайно прочные агрегаты фибриллярной структуры — амилоиды.
Для таких белков важную роль играют изменения характера укладки полипептидной цепи при превращении белка PrPC в прион PrPSc, механизмы копирования конформации, структура гена PRNP, а также возможные функции прионов в регуляции клеточных процессов. Важной причиной внимания к прионам служат существующие заболевания, связанные с прионами — губчатые (спонгиформные) энцефалопатии — и свойства, отличающие прионные болезни от других инфекционных заболеваний. Необходимо также упомянуть о проблемах диагностирования прионных заболеваний человека (наследственные, инфекционные, спорадические) и существовании межвидового барьера. Интерес представляют молекулярные основы прионных заболеваний — роли прионного белка РrРc в организме, структуре и свойствам клеточного белка PrPc.
Цель публикации в первую очередь образовательная, познавательная, популяризация науки, а также стремление привлечь в ряды исследователей, в науку приток новых молодых умов, вызвать в таких умах стремление к поиску ответов на возникающие вопросы. Масштабность темы требует ввести разумные ограничения на излагаемый материал после краткого панорамного ее рассмотрения.
Введение
Прио́ны (англ. prion от protein «белок» + infection «инфекция»; слово было предложено в 1982 году Стенли Прузинером[1]) — особый класс инфекционных патогенов, не содержащих нуклеиновых кислот. Прионы представляют собой белки с аномальной третичной структурой. Это положение лежит в основе прионной гипотезы, однако насчёт состава прионов существуют и другие точки зрения.
Прионы — единственные известные инфекционные агенты, размножение которых происходит без участия нуклеиновых кислот. Все известные прионы способны увеличивать свою численность путем перестраивания имеющихся в организме гомологичных им нормальных клеточных белков в себе подобные белки, используя функции живых клеток (в этом отношении прионы схожи с вирусами). Прионная форма белка чрезвычайно стабильна и накапливается в поражённой ткани, вызывая её повреждение и, в конечном счёте, отмирание.Все известные прионные заболевания поражают головной мозг и другие нервные ткани, в настоящее время неизлечимы и в конечном итоге смертельны. У человека прионные заболевания вызываются белком PrP. Они вызывают болезнь Крейтцфельдта — Якоба, вариант болезни Крейтцфельдта — Якоба (vCJD), синдром Герстмана — Штраусслера — Шейнкера, фатальную семейную бессонницу и куру.
Все молекулы и атомы взаимодействуют за счёт электромагнитных полей. Точно также за счёт полей происходит фолдинг (укладка) белка. Белки с неправильной укладкой (прионы) своими полями изменяют трёхмерную структуру у нормальных белков.
Рисунок А — Возникновение аномалий (неправильная укладка — фолдинг) при синтезировании бел
Как правило, при переходе белка в прионное состояние его α-спирали превращаются в β-слои. Все известные прионы вызывают формирование амилоидов — белковых агрегатов, включающих плотно упакованные β-слои. Прионы существуют в нескольких формах — штаммах, каждый со слегка отличной структурой. Большинство известных на данный момент прионов имеют амилоидную природу: амилоидные фибриллы — тот самый инфекционный агент, который переносится от клетки к клетке и определяет их прионный фенотип.
В зарубежной литературе встречаются сокращения с указанием на прионы, полученные от конкретного вида, т.е. из тканей определённого животного или человека (PrPSc, PrPBSE, PrPCJD, PrPCWD, PrPСSE — от овец, коров, человека, оленей, кошек). Имеет место проблема межвидового барьера, диагностика прионных заболеваний.
Моделирование фолдинга (укладки) белковых цепочек привлекает уже искусственный интеллект (разработка Alfa Fold, руков-ль Джон Джампер в лондонском подразделении Google DeepMind). Создаются новые версии, которые вызваны как необходимостью обобщить работу модели на широкий спектр химических компонентов, так и на наблюдениях за работой модифицированных вариантов AlphaFold 2. Ключевой компонент AlphaFold 3 — видоизмененная версия модуля глубокого обучения Evoformer, на исходном варианте которого основывается работа AlphaFold 2. Новому варианту разработчики дали название Pairformer. Алгоритм AlphaFold 3 основан на парном представлении данных — это представление структурный модуль затем использует для генерации позиций атомов белка. С полученными координатами атомов работает диффузионный модуль, аналогичный тем, что используются в моделях для генерации изображений. AlphaFold 3 может предсказывать структуры по входным данным последовательностей белков и нуклеиновых кислот, модификаций остатков и лигандов, представленных в системе SMILES.
Также ученые продемонстрировали способность AlphaFold 3 предсказывать структуры РНК и комплексов белок-нуклеиновая кислота. По сравненю с алгоритмом модели RoseTTAFold2NA предсказание структур имеет более высокую точность.
Хроника
1700 Открыта трансмиссивная губчатая энцефалопатия — почесуха овец (скрепи).
1920 Описано прионное заболевание нервной системы человека Крейцфельда-Якоба
1936 Описан Синдром Герстмана — Штраусслера — Шейнкера (БГШШ) вызывается мутацией.
1957 Описана болезнь (куру) характеризуемая тремором, атаксией, слабостью и деменцией
1967 Установлено, что мыши могут болеть скрепи и патоген не содержит ДНК (это не вирус).
1970 Ф.Крик отметил важность белковой гипотезы Гриффита
1970 Открыта обратная транскрипция Д.Балтимором и Х. Темином
1976 К. Гайдузек удостоен Ноб. премии за открытие инфекционного характера б. куру
1979 Открыто неизлечимое заболевание фатальная семейная бессонница
1982 С. Прузинер ввел термин прион и выделил инфекционный агент, из белка.
1985 Установлена первичная последовательность белка PrP (Prione Protein PrP)
1991 Прионная гипотеза, выдвинутая Прузинером
1997 С. Прузинер удостоен Нобелевской премии за исследования в области прионов
2005 Предположение, что в норме PrP играет роль в поддержании долговременной памяти.
2006 Показано, что экспрессия гена Prnp необходима для самоподдержания костного мозга.
2007 Получены очищенные инфекционные прионы из PrPC.
2010 Описан способ обнаружить PrPSc даже тогда, когда его доля в ткани мозга равна (10−11).
2010 Получили инфекц прион из синтезированного бактер-ми клетками рекомбинантного PrP.
2011 Прионы передаются с гонадотропином, применяемым для лечения бесплодия.
2011 Открыто, что прионы могут разлагаться лишайниками
2012 Получили кофактор, способный катализировать формир-е большого числа прионов.
2016 У растения Arabidopsis thaliana (резуховидка Таля) нашли белки с прионными свойствами.
2018 В отсутствие НК были получены рекомбинантные изоформы PrPd (от disease — болезнь).
2022 Клиническое исследование (Фазы I и II) препарата МОDAG против прионного протеина
Прионы обнаружены также у пекарских дрожжей и мицелиального гриба Podospora anserinа. У дрожжей обнаружено около 10 прионов, но, возможно, их значительно больше. В отличие от млекопитающих, образование амилоидов у грибов происходит при участии разных белков, не совпадающих по структуре и функции.
Прионные амилоиды дрожжей размножаются за счёт фрагментации при помощи шаперонов, что способствует их попаданию в дочерние клетки, образующиеся в результате митотических делений, и таким образом обеспечивает наследование признаков. Прионы дрожжей также могут существовать в виде штаммов, различающихся по своим проявлениям и структурным особенностям амилоидов. Передача прионов грибов осуществляется только при слиянии клеток, они не вызывают развития неизлечимых патологий, их образование может играть адаптивную роль. Белки, образующие прионы, обнаруженные у некоторых грибов не имеют заметного отрицательного влияния на выживаемость,
Рисунок Б — Гетеродимерная модель размножения прионов
Болезни
Конформационные болезни человека — это нейродегенеративные патологии, связанные с изменением конформации некоторых белков, ее превращением из мономерной растворимой в полимерную фибриллярную.
Пути возникновения. Считается, что прионное заболевание может быть приобретено 3 путями:
— на долю наследственных заболеваний приходится около 15% всех случаев;
— случаи прямого инфекционного заражения. иногда для развития болезни требуется комбинация нескольких факторов.
— в большинстве случаев прионные заболевания возникают спорадически (спонтанно) по невыясненным причинам.
Структурные вариации прионной формы PrP обусловливают различия в характере заболеваний: могут различаться время инкубационного периода и клинические проявления, повреждаться разные отделы мозга. Функция белка PrP млекопитающих, синтезируемого в основном в клетках нервной системы и лимфоретикулярной ткани, пока полностью не выяснена, хотя показано участие нейронального PrP в формировании миелиновой оболочки нервных волокон. В основе прионных болезней лежит поражение ЦНС, что может сопровождаться образованием амилоидных бляшек.
От штамма приона зависит и возможность его передачи между особями разных видов.
Современная классификация прионных болезней человека и животных
Наиболее эффективно губчатые энцефалопатии передаются особям того же вида или близкородственных видов. Например, болезнь Крейтцфельдта — Якоба передаётся от человека человеку и от человека шимпанзе, скрейпи — между овцами и козами, но не передаётся шимпанзе и человеку. Прионные заболевания крупного рогатого скота могут передаваться человеку с пищей, хотя вероятность этого мала.
Болезнь Кре́йтцфельдта — Я́коба (БКЯ); синонимы: псевдосклероз спастический, синдром кортико-стриоспинальной дегенерации, трансмиссивная спонгиоформная энцефалопатия, иногда ошибочно называемая »коровьим бешенством») — редкое прогрессирующее прионное нейродегенеративное заболевание коры большого мозга, базальных ганглиев и спинного мозга. Поражает людей всех национальностей и рас, мужчин и женщин, взрослых и детей. Попадая в организм, прион оседает на поверхности клетки, взаимодействуя с нормальными белками и изменяя их структуру на патологическую. Белки запускают апоптоз (запрограммированный процесс смерти клетки).
Было обнаружено, что олигомерный модулятор anle138b сильно препятствует формированию патологических олигомеров прионного протеина и α-синуклеина in vitro и in vivo. С помощью пролекарства sery433, препарат может пройти через гематоэнцефалический барьер даже при пероральном приёме. MODAG, Немецкая биотехнологическая компания успешно завершила фазу I клинического исследования препарата, показывая отсутствие серьёзных побочных эффектов и концентрацию препарата в плазме выше полностью эффективного уровня в мышиной модели болезни Паркинсона. Фаза II началась 22 декабря 2020 года и её конец ожидается к декабрю 2022 года.
Болезнь фатальная бессонница (БФБ) открыта в 1979 году итальянским доктором Иньяцио Ройтером, В конце 1990-х удалось идентифицировать мутацию, ответственную за эту болезнь. Выяснилось, что в кодоне 178 гена PRNP, находящегося в 20-й хромосоме, аспарагиновая кислота заменена на аспарагин. В результате форма белковой молекулы изменяется, и нормальный белок превращается в болезнетворный прион.
Болезнь является неизлечимой. Эффективность снотворных, как правило, полностью отсутствует, поскольку болезнь уничтожает сам механизм сна, а не нарушает его процессы. Однако в СМИ описан случай пациента из США, который самостоятельно принимал сильнодействующие снотворные (диазепам, закись азота, кетамин). Эффект такого лечения оказался временным и не предотвратил летальный исход, однако пациент прожил значительно дольше, чем другие заболевшие
Синдром Герстмана — Штраусслера — Шейнкера (Gerstmann-Sträussler-Scheinker syndrome) (БГШШ) — очень редкое, обычно семейное, смертельное нейродегенеративное заболевание.
Причиной заболевания является мутация гена прионового белка. Характерна замена пролина на лейцин в кодоне 102 PRNP.Впервые было описано австрийскими неврологами Йозефом Герстманом (1887—1969), Эрнстом Штраусслером (1872—1959) и Ильёй Шейнкером (1902—1954) в 1936 году.
рисунок В — Карта хромосомы с указанием места мутации и Превращение белка из нормальной формы в прионную
Структура «здорового» белка PrPC содержит участок из трех α-спиралей и двухцепочечного антипараллельного β-слоя. У «больной» формы PrPSc этот домен образован преимущественно β-слоями. Такую структуру можно назвать «заразной»: ее появление стимулирует нормальные молекулы PrPC переходить в такую же аномальную форму PrPSc. Поодиночке мономеры PrPSc не существуют и складываются в весьма устойчивые амилоидные образования из десятков, сотен и тысяч частиц. Расщепляясь на фрагменты, эти образования распространяются и «инфицируют» новые молекулы PrPC
Диагностика
К сожалению, на данный момент диагностика прионных болезней возможна лишь после возникновения клинических проявлений, то есть на этапе, когда болезнь зашла уже достаточно далеко. Раннее, пресимптоматическое выявление данной патологии невозможно. Схема диагностики прионных болезней не разработана окончательно.
Лабораторная диагностика:
— Исследование состава спинномозговой жидкости. При прионных болезнях состав спинномозговой жидкости не изменен или изменен незначительно.
— Выявление в крови патологического прионного белка методом вестерн-блотинга.
— Исследование аутопсийного материала. Позволяет выявить признаки характерных атрофических изменений в тканях нервной системы пациента.
— Генетические исследования. Позволяют выявить аномалии в структуре генов, кодирующих прионныебелки.
Инструментальная диагностика:
— Электроэнцефалография (ЭЭГ). Признаки патологических изменений в структуре головного мозга выявляются на ЭЭГ приблизительно у половины пациентов с прионными болезнями.
— Магнитно-резонансная и компьютерная томография (МРТ и КТ). Позволяют выявить изменения (признаки атрофии) коры головного мозга, расширения ликворопроводящей системы.
Лечение и профилактика
Лечение только симптоматическое.
Профилактика
— Использование стерильных и, в определенных случаях, одноразовых хирургических инструментов, индивидуальных средств защиты
— контроль качества мясных продуктов
Рекомендуемые анализы
— Цитологическое исследование материала, полученного при оперативном вмешательстве
— Белок общий в ликворе.
Заключение
Человечество находится в начале пути противостояния прионным заболеваниям.
Ключевой задачей молекулярной биологии остается понимание сложных межатомных взаимодействий в живых системах, и система AlphaFold 3 делает большой шаг в этом направлении. Обеспечивается высокая точность предсказаний различных структур, включая прионы, и их взаимодействий.
Причиной развития прионного заболевания бывает заражение инфекционной изоформой через еду, инъекции или хирургические инструменты. Однако путь, которым прион попадает из места заражения в мозг, точно не известен до сих пор.
Гематоэнцефалический барьер не играет принципиальной роли в распространении прионной инфекции. Проведенное исследование в Университетской клинике Цюриха позволяет предположить, что прионы попадают в мозг не через кровь, а через периферическую нервную систему.
ЛИТЕРАТУРА
Шкундина И. С., Тер-Аванесян М. Д. Прионы // Успехи биологической химии, т. 46, 2006 (обзор)
2. Григорьев В. Б. Прионные болезни человека и животных // Вопросы вирусологии. — 2004. — Т. 49, № 5. — С. 4—12.
Покровский В. И., Киселёв О. И., Черкасский Б. Л. Прионы и прионные болезни / Рос. акад. мед. наук. — 2-е изд. — М.: Издательство РАМН, 2004. — 384 с. — ISBN 5–7901–0038–4. [1]
Инге-Вечтомов С. Г. Генетика с основами селекции. — СПб.: Издательство Н-Л, 2010. — 718 с. — ISBN 978–5–94869–105–3. [2]
Prusiner S. B. Prion biology and diseases. — N. Y.: Cold Spring Harbor, 1999. — ISBN 0–87969–547–1.
Сара Мэннинг Пескин. В молекуле от безумия. Истории о том, как ломается мозг = Sara Manning Peskin. A Molecule Away from Madness: Tales of the Hijacked Brain. — М.: Альпина Паблишер, 2023. — С. 224. — ISBN 978–5–9614–7697–2.
Список русскоязычной литературы по теме «Прионы и прионные болезни»
Прионные заболевания человека: современные аспекты / Н.Н. Заваденко, Г.Ш. Хондкарян, Р.Ц. Бембеева, А.А. Холин, Е.Н. Саверская; ФГБОУ ВО «Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова» Минздрава России, Институт медико-социальных технологий ФГБОУ ВО «Московский государственный университет пищевых производств» // Журнал неврологии и психиатрии имени С.С. Корсакова. — 2018. — Т. 118, № 6. — С. 88–95. [3] (обзор)
Зуев В. А., НИИ эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи РАМН, Москва. Прионы — новый класс возбудителей инфекционных заболеваний // Антибиотики и химиотерапия. 1999. № 10. С. 33–38.
Патогенез и патологоанатомическая картина прионных болезней
Прионы // Успехи биологической химии, т. 46, 2006, с. 3–423.
С.Э. Шноль, Белки Прионы (видеолекция) // Univertv.ru и МГУ, 27.02.2009
Пирютко, Юрий. Прионы: опасные и удивительные. // Сайт Biomolecula.ru (27 сентября 2017). Дата обращения: 26 марта 2018.
Балахонова, Вероника. Прионы: исследования таинственных молекул продолжаются. // Сайт Biomolecula.ru (3 ноября 2012). Дата обращения: 26 марта 2018.
Паевский, Алексей. Разоблачитель белков-убийц. // Сайт Biomolecula.ru (26 апреля 2015). Дата обращения: 26 марта 2018.
Чугунов, Антон. Идентифицированы белки, «слипающиеся» при болезни Гентингтона. // Сайт Biomolecula.ru (14 мая 2007). Дата обращения: 26 марта 2018.
Дергалёв, Александр. Прионные и неприонные амилоиды: определяет ли конформация разницу в инфекционности? // Сайт Biomolecula.ru (25 ноября 2015). Дата обращения: 26 марта 2018.
Якупова, Эльмира. Агрегация белков: смерть или выживание? // Сайт Biomolecula.ru (25 сентября 2017). Дата обращения: 26 марта 2018.
Кондратенко, Юлия. Мутация, защищающая от всех известных прионных болезней. // Сайт Biomolecula.ru (9 июля 2015). Дата обращения: 26 марта 2018.
Григорьев Я. А. Прионные заболевания человека: симптоматика и перспективы лечения // Молодой учёный. — 2019. — № 42 (280). — С. 39–44.
Леонова З. А. Прионы и прионовые заболевания // Acta BiomedicaScientifica. Бюллетень ВСНЦ СО РАМН. — 2010. — № 6(76). — Часть 1.
