белок прион что это
КАК ПРИОНЫ ВТОРГАЮТСЯ В МОЗГ? ПОЧЕМУ ВЫМЕРЛИ КАННИБАЛЫ И ЧЕМ СТРАШНО КОРОВЬЕ БЕШЕНСТВО?
Ученые установили, что в головной мозг прионы распространяются подобно рабдовирусам и герпесвирусам.
Прионы — название, предложенное нобелевским лауреатом профессором неврологии и биохимии Стенли Прузинером в 1982 году, происходит от английского «protein» (белок) + «infection» (инфекция).
Neuron synapse — 3d rendered image on black background Synapse and Neuron cells sending electrical chemical signals.
Прионы составляют отдельный класс инфекционных агентов; они имеют белковую основу и не содержат генома, состоящего из нуклеиновых кислот. Концепция существования прионов включает в себя идею о новой, белковой наследственности — измененных формах белков в организме-хозяине, которые при переносе в новый организм могут вызвать в получателе изменение фенотипа. Большинство прионов являются патогенами, но по сравнению с другими классами патогенов (например, вирусами, бактериями, грибами, паразитами) они уникальны тем, что распространяются внутри и между хозяевами без переноса или репликации собственных ДНК или РНК. Прион — это белок с аномальной третичной структурой, способный катализировать конформационное превращение гомологичного ему нормального клеточного белка в себе подобный (прион). Как правило, при переходе белка в прионное состояние его α-спирали превращаются в β-слои.
29 ноября 2018 года в журнале PLOS Pathogens было опубликовано новое исследование швейцарских ученых Кафедры Нейрохирургии и нейропатологии University Hospital Zürich: доктора Annika Keller и ее коллег. Согласно исследованию распространение прионов в мозг не происходит путем прямого преодоления гематоэнцефалического барьера. Как отмечают авторы, понимание того, как прионы попадают в мозг, может привести к разработке эффективных стратегий предотвращения нейродегенерации даже после того, как инфицирование вне нервной системы (за пределами головного мозга) уже началось.
Прионовая болезнь или трансмиссивная губчатая энцефалопатия является неизлечимым заболеванием головного мозга, вызванным модификациями белка приона. Прионы передаются через хирургические инструменты, кровь и зараженные продукты питания.
Например, «медленные вирусы» — прионы, стали причиной вымирания последнего племени каннибалов Новой Гвинеи от эпидемии болезни Куру и принесли ее исследователю Карлтону Гайдузеку нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1976 году. Болезнь Крейтцфельдта — Якоба (псевдосклероз спастический, синдром кортико-стриоспинальной дегенерации, трансмиссивная спонгиоформная энцефалопатия, коровье бешенство) передается людям от крупного рогатого скота. Это прогрессирующее дистрофическое заболевание коры большого мозга, базальных ганглиев и спинного мозга считается основным проявлением губчатой энцефалопатии со смертностью в 85 % случаев при лёгкой форме, и невозможностью излечения – при тяжёлой форме.
Для разработки лекарств, предотвращающих распространение прионов в мозг после воздействия пищи или медицинских процедур, необходимо получить представление о том, как прионы распространяются от места проникновения уже в мозг.
В ходе исследования ученые попытались выяснить, могут ли прионы из крови проникнуть в головной мозг через кровеносные сосуды. Исследователи использовали генетически модифицированных мышей с высокопроницаемым гематоэнцефалическим барьером. Показатели выживаемости после заражения были схожи у генетически модифицированных и немодифицированных мышей. Данные результаты демонстрируют, что проникновение прионов в головной мозг через гематоэнцефалический барьер может не являться значимым для развития заболевания. Ученые полагают, что, подобно рабдовирусам и герпесвирусам, прионы достигают головного мозга, передвигаясь по нервам из других участков организма.
Авторы исследования отмечают, что полученные ими результаты могут стать основой для разработки методов эффективной вторичной профилактики прионовой болезни.
Читайте больше интересного и нового о головном мозге на страницах сайта медицинского центр ЭВО, например, здесь.
Источники: ScienceDaily, How prions invade the brain
PLOS/ Prion pathogenesis is unaltered in a mouse strain with a permeable blood-brain barrier
Новая терапевтическая стратегия в лечении прионных заболеваний
Антисмысловые олигонуклеотиды могут уменьшать уровень прионных белков, что способствует более длительной выживаемости на животных моделях
В журнале Nucleic Acids Research издательства Оксфордского университета была опубликована работа о новой потенциальной терапевтической стратегии против прионной болезни.
Прионы — особый класс инфекционных патогенов, представленных белками с аномальной третичной структурой, не содержащими нуклеиновые кислоты. Одна из наиболее распространенных форм заболевания – болезнь Крейтцфельдта-Якоба. Прионы способны увеличивать свою численность, используя функции живых клеток и в этом отношении прионы схожи с вирусами. Как правило, при переходе белка в прионное состояние его α-спирали превращаются в β-слои. Появившиеся в результате такого перехода прионы могут в свою очередь перестраивать новые молекулы белка; таким образом, запускается цепная реакция, в ходе которой образуется огромное количество неправильно свёрнутых молекул. Прионы — единственные известные инфекционные агенты, размножение которых происходит без участия нуклеиновых кислот.
Прионная болезнь после длительного инкубационного периода начинает быстро прогрессировать, приводя к смертельному исходу. В настоящее время заболевание является неизлечимым.
Ведущий автор описываемого исследования также страдает этим заболеванием. Вместе со своей командной они зафиксировали, что некоторые антисмысловые олигонуклеотиды могут уменьшать уровень прионных белков, что способствует более длительной выживаемости на животных моделях. На настоящий момент оценка эффективности находится на доклинической стадии исследования.
Работа проводилась совместно с Гарвардским и Массачусетским университетами.
В результатах работы указывается, что снижение уровня прионных белков может утроить сроки выживаемости у животных, зараженных прионной болезнью. При этом даже небольшое снижение уровня белков, что является клинически решаемой задачей, приводит к значительному улучшению выживаемости.
Терапию, направленную на снижение уровня прионных белков, можно начинать еще до проявления первых симптомов. Также в результатах было показано, что даже одна доза такого препарата может улучшить картину заболевания по маркерам конгломератов в нервной ткани мозга.
Прионовые болезни
Прионовые болезни – это прогрессирующие нейродегенеративные заболевания с летальным исходом. Механизм возникновения прионовых болезней изучен не до конца, однако в настоящее время считается, что заболевание развивается при накоплении в клетках центральной нервной системы избыточного количества патологического прионного белка.
Прионовые болезни встречаются очень редко – ежегодно регистрируется один случай на миллион человек. На данный момент известны 5 разновидностей этой патологии – спорадическая болезнь Крейцфельда-Якоба, новый вариант болезни Крейцфельда-Якоба, куру, синдром Герстманна-Штройслера-Шейнкера и фатальная семейная инсомния. Наиболее широко распространена спорадическая болезнь Крейцфельда-Якоба.
Болезнь может возникать попадании в организм патологического прионного белка извне (от человека или животного), иметь наследственную природу или возникать спонтанно как следствие генетических аномалий de novo. Течение определенных вариантов зависит от типа прионного белка. Инкубационный период может достигать 15 лет. Продолжительность жизни пациентов с прионными болезнями чаще всего составляет около года, реже – чуть более двух лет. Лечениесимптоматическое.
Трансмиссивная губчатая энцефалопатия.
Human prion diseases, transmissible spongiform encephalopathies, TSE.
Симптомыпатологии могут возникнуть в период от полугода до 10-15 лет после заражения. Проявления болезни могут развиваться постепенно, с неспецифических симптомов – бессонницы, вялости, апатии, заторможенности. В ряде случаев болезнь начинается внезапно и может напоминать делирий. Наиболее частыми проявлениями прионовых болезней являются:
Все проявления прионных болезней неуклонно прогрессирую, приводя в конечных стадиях болезни к акинетическому мутизму и коме.
Общая информация о заболевании
Прионные болезни встречаются как у человека, так и среди животных. Патогенез прионных болезней связывают с накоплением в организме патологического прионного белка. Прионный белок в норме присутствует в клетках организма животных и человека – это так называемый нормальный прионный белок. Он находится в наибольших количествах в нейронах и частично в клетках лимфоидной ткани. Прионный белок устойчив к высоким температурам, радиации, действию протеаз и химических веществ – алкоголя, формалина и других. Функции прионных белков неизвестны. Информация о структуре этих полипептидов закодирована в коротком плече 20 хромосомы у человека.
При изменении конфигурации нормальный прионный белок может превращаться в патологический. Патологический прионный белок, в свою очередь, способен запускать механизм преобразования нормального прионного белка в патологическую форму. Патологический прионный белок может возникать в организме спонтанно. В некоторых случаях накопление патологического прионного белка связано с наследственными генетическими нарушениями. На данный момент известно порядка 30 вариантов генетических нарушений, в результате которых меняется структура прионного белка. В ряде случае прионные болезни носят инфекционную природу. Это означает, что патологический прионный белок может попасть в организм человека извне – при пересадке роговицы, твердой мозговой оболочки, нейрохирургических операциях. В данном случае большое значение имеет устойчивость прионов к любым видам стерилизации. Известны случаи заражения патологоанатомов. Считается, что существует вероятность заражения человека при употреблении мяса коров, зараженных коровьим бешенством.
Несмотря на то, что часть прионных заболеваний имеет инфекционную природу, прионы отличаются от других инфекционных агентов – в их составе отсутствуют нуклеиновые кислоты (ДНК или РНК). Это осложняет процесс изучения патогенеза прионовых болезней. Известно, что накопление патологического прионового белка приводит к разрушению клеток нервной системы, мультифокальным спонгиоформным (губкоподобным) повреждениям тканей нервной системы, астроглиозу при отсутствии признаков воспалительной реакции. В связи с устойчивостью к действию протеаз, патологический прионный белок не может быть выведен из организма. Около 85% пациентов погибают в течение года после появления первых симптомов болезни.
Кто в группе риска?
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.
Публикации в СМИ
Дарвиновская эволюция без участия генов
Прионы — инфекционные агенты белковой природы, вызывающие смертельные заболевания у животных и человека. Прионы представляют собой неправильно свернутые молекулы прионного белка PrP, способные «размножаться», превращая нормальные молекулы PrP в подобие самих себя. Оказалось, что у прионов есть нечто похожее на наследственную изменчивость, что позволяет им эволюционировать под действием естественного отбора. Они могут приспосабливаться к разным типам клеток и даже вырабатывать устойчивость к лекарствам.
Земная жизнь основана на размножении репликаторов определенного типа — полинуклеотидов РНК и ДНК. Но это далеко не единственный тип репликаторов, который в принципе может существовать в природе. Многие философы и социологи считают, что в культурной эволюции большую роль играют мемы — единицы культурной информации, которые используют человеческий разум для собственного выживания и размножения примерно так же, как гены используют клетку. Предполагается (хотя и не доказано окончательно), что мемы, как и гены, обладают двумя ключевыми свойствами, необходимыми для «дарвиновской» эволюции. Первое из них — способность мутировать и передавать мутации по наследству («наследственная изменчивость»). Второе — способность возникающих мутаций влиять на эффективность размножения репликатора («дифференциальное размножение»). Если репликатор обладает двумя этими свойствами, он автоматически начинает эволюционировать, приспосабливаясь к среде своего обитания. Сочетание наследственной изменчивости с дифференциальным размножением называют «естественным отбором».
Прионы — «нестандартные» биологические репликаторы, представляющие собой особым образом свернутые молекулы прионного белка PrP. Этот белок в норме присутствует на мембранах нейронов и выполняет какие-то полезные функции, связанные с передачей сигналов. Какие именно — пока еще не совсем ясно (Chiesa R., Harris D.A., 2009. Fishing for Prion Protein Function // PLoS Biol 7(3): e1000075). Безобидный прионный белок превращается в смертоносный прион в результате «неправильного сворачивания» (см. рисунок).
Прион обладает двумя удивительными свойствами. Во-первых, он заставляет нормальные прионные белки сворачиваться неправильно, превращая их в свои копии. Так прион «размножается». Во-вторых, он устойчив к действию протеолитических ферментов, задача которых состоит в уничтожении отслуживших белковых молекул. По-видимому, оба свойства связаны со способностью прионов слипаться в большие комки из множества молекул. Первые несколько слипшихся прионов становятся «центром кристаллизации», к которому затем прилипают всё новые и новые молекулы. В конце концов это приводит к нарушению работы нервной клетки.
Самое неприятное, что нейрон, в котором «завелись» прионы, заражает ими соседние нейроны, и в результате прионная инфекция распространяется по нервной системе. Способность к размножению, устойчивость к протеолитическим ферментам и заразность делают прионы опасными инфекционными агентами, похожими по своим свойствам на вирусы. Как и вирусы, прионы могут размножаться только за счет ресурсов, предоставляемых хозяйской клеткой. Вирусу необходимо, чтобы клетка синтезировала для него вирусные белки согласно инструкциям, записанным в вирусной ДНК или РНК. Приону необходимо, чтобы клетка синтезировала для него нормальные молекулы прионного белка, а прион уже сам превращает их в свои копии. Разница между вирусом и прионом весьма существенна для молекулярного биолога, но совсем не так заметна для эпидемиолога или, тем более, заболевшего животного. Прионы вызывают ряд смертельных нейродегенеративных заболеваний у человека и других млекопитающих, в том числе коровье бешенство и куру.
То, что прионы являются самыми настоящими репликаторами, сомнений не вызывает. Но до сих пор было неясно, есть ли у них весь необходимый «джентльменский набор» для дарвиновской эволюции. Способны ли прионы мутировать и передавать мутации по наследству, и если да, то могут ли эти мутации влиять на эффективность размножения прионов? Иными словами, действует ли на прионы естественный отбор? Способны ли они приспосабливаться к меняющимся условиям — например, к лекарственным препаратам, предназначенным для борьбы с прионными инфекциями?
Статья американских ученых, опубликованная в последнем номере журнала Science, позволяет ответить на эти вопросы положительно.
Ранее было замечено, что встречаются разные «штаммы» (разновидности) прионов, которые могут развиваться в нейронах одного и того же вида животных или в одной и той же клеточной культуре. Например, у мышей из одной и той же лабораторной линии, имеющих одинаковые прионные белки PrP, может встречаться 15 или даже более разных прионных инфекций, различающихся по скорости развития болезни и неврологическим симптомам. Было также замечено, что если взять штамм прионов у одного вида животных, заразить им другой вид, а потом взять прионы у второго вида и снова заразить ими первый, то симптомы в некоторых случаях оказываются уже другими.
Это позволило предположить, что у белка PrP есть несколько разных вариантов неправильного сворачивания и превращения в прион, причем каждый из вариантов устойчиво наследуется, то есть сохраняется в ряду «поколений» прионов. Возможно, прионы могут «мутировать» и передавать свои мутации по наследству. Мутации прионов, очевидно, не связаны с изменениями аминокислотной последовательности белка, а представляют собой изменения вторичной или третичной структуры (то есть способа сворачивания) белковой молекулы.
Чтобы проверить эти предположения, авторы провели множество экспериментов с разными штаммами прионов и разными клеточными культурами. Они обнаружили, что свойства прионов закономерным образом меняются, когда их пересаживают из одних клеток в другие, причем изменения происходят не сразу, а постепенно.
Для начала авторы заразили клеточную культуру PK1 прионами штамма 22L из мозга больной мыши. Оказалось, что чем дольше прионы живут и размножаются в клетках PK1, тем сильнее они отличаются по своим свойствам от исходных, «диких» прионов из мозга мыши. Исходные прионы 22L успешно заражают другую клеточную культуру, использовавшуюся в экспериментах (R33). Кроме того, эти прионы нечувствительны к действию вещества SWA (swainsonine). Авторы ранее установили, что SWA замедляет размножение некоторых разновидностей прионов в некоторых клеточных культурах. Однако по мере жизни прионов в клетках PK1 они постепенно утрачивали способность инфицировать клетки R33 и становились всё более чувствительными к SWA.
По-видимому, это означает, что популяция прионов в мозге больной мыши исходно была гетерогенной (разнородной), и в ней преобладали прионы, устойчивые к SWA и заразные по отношению к R33. Однако жизнь в клетках PK1 приводит к тому, что в популяции постепенно растет доля прионов, чувствительных к SWA и не способных заражать R33. Можно предположить, что прионы с этими свойствами быстрее размножаются в клетках PK1, то есть налицо эволюция под действием естественного отбора (если пользоваться «минималистским» определением, согласно которому эволюция — это изменение численного соотношения наследственных вариантов в популяции).
Способны ли прионы восстанавливать утраченную устойчивость к лекарственному препарату? Чтобы выяснить это, авторы пересаживали прионы, чувствительные к SWA, из клеток PK1 в мозг мышей. К тому времени, когда заболевание у зараженных мышей достигло терминальной стадии (через 147 дней после заражения), прионы полностью восстановили устойчивость к SWA.
Еще более наглядные результаты были получены в экспериментах с клеточными культурами, в которых «жили» прионы, чувствительные к SWA. Оказалось, что если выращивать зараженные клетки в присутствии небольших концентраций SWA, то прионы довольно быстро вырабатывают устойчивость к этому препарату. Таким образом, эти необычные репликаторы приспосабливаются к меняющимся условиям совсем как какие-нибудь вирусы или бактерии.
Выработка устойчивости в этих экспериментах могла происходить либо за счет преимущественного размножения устойчивых разновидностей прионов, которые уже существовали в исходной популяции (хоть и в малом количестве), либо за счет появления новых мутаций в ходе эксперимента. При помощи очень сложных дополнительных опытов авторы показали, что прионы-мутанты, устойчивые к SWA, спонтанно возникают в популяции, на 100% состоящей из неустойчивых прионов, даже в отсутствии SWA, то есть когда в такой мутации нет необходимости. Частота таких мутаций — примерно один случай на миллион клеточных делений.
Таким образом, прионы мутируют, передают мутации по наследству, и эти мутации влияют на эффективность размножения прионов в разных условиях. Иными словами, у прионов есть всё необходимое, чтобы эволюционировать под действием естественного отбора. Правда, пока не ясно, как далеко может зайти такая эволюция. По идее, у прионов должно быть гораздо меньше эволюционных возможностей, чем у тех же вирусов, потому что число возможных пространственных конфигураций белка PrP вряд ли может сравниться с невообразимо громадным числом возможных последовательностей нуклеотидов в геноме. Не ясно также, может ли естественный отбор у прионов быть «накопительным», то есть создавать новые свойства путем последовательного закрепления множества небольших наследственных изменений. Скорее, отбор у прионов всё-таки «одноразовый», работающий с единичными мутациями, причем набор возможных мутаций невелик.
Авторы исследовали эволюцию только двух «фенотипических признаков» прионов — устойчивости к SWA и способности заражать клетки R33. Не исключено, что естественный полиморфизм у прионов затрагивает также и многие другие их свойства, влияющие на эффективность размножения прионов в разных условиях. В этом случае реальная частота мутирования прионов может быть существенно выше. Возможно, к популяциям прионов приложимо даже понятие «квазивид», которое до сих пор применяли только к вирусам (см.: Вирусы-мутанты помогают друг другу в борьбе за выживание, «Элементы», 14.12.2005).
Авторы отмечают, что обнаруженная у прионов способность к «дарвиновской» эволюции хорошо объясняет некоторые странные особенности прионных инфекций, которые ранее не имели четкого объяснения. Например, было замечено, что при переходе инфекции от одного вида животных к другому сначала, как правило, наблюдается очень медленное развитие болезни и низкая инфекционность. Но уже после нескольких циклов внутривидового перезаражения прион становится более заразным, и болезнь развивается стремительнее. Очевидно, это объясняется тем, что прионам требуется время, чтобы приспособиться к новому хозяину.
Данная работа показала, что при разработке лекарств от прионных болезней лучше бороться не с конкретными штаммами прионов — к таким лекарствам прионы могут приспособиться, — а пытаться повысить устойчивость пространственной конфигурации нормального прионного белка, чтобы он всегда сворачивался правильно. Самым радикальным средством борьбы с этими болезнями является полное отключение гена, кодирующего белок PrP. Правда, пока не ясно, к каким побочным последствиям это может привести. Мыши с отключенным геном прионного белка выживают и даже не имеют каких-то особо тяжелых дефектов, но у них наблюдается множество мелких странностей: от нарушенного суточного ритма до склонности к ишемии и судорогам.
Код вставки на сайт
Дарвиновская эволюция без участия генов
Прионы — инфекционные агенты белковой природы, вызывающие смертельные заболевания у животных и человека. Прионы представляют собой неправильно свернутые молекулы прионного белка PrP, способные «размножаться», превращая нормальные молекулы PrP в подобие самих себя. Оказалось, что у прионов есть нечто похожее на наследственную изменчивость, что позволяет им эволюционировать под действием естественного отбора. Они могут приспосабливаться к разным типам клеток и даже вырабатывать устойчивость к лекарствам.
Земная жизнь основана на размножении репликаторов определенного типа — полинуклеотидов РНК и ДНК. Но это далеко не единственный тип репликаторов, который в принципе может существовать в природе. Многие философы и социологи считают, что в культурной эволюции большую роль играют мемы — единицы культурной информации, которые используют человеческий разум для собственного выживания и размножения примерно так же, как гены используют клетку. Предполагается (хотя и не доказано окончательно), что мемы, как и гены, обладают двумя ключевыми свойствами, необходимыми для «дарвиновской» эволюции. Первое из них — способность мутировать и передавать мутации по наследству («наследственная изменчивость»). Второе — способность возникающих мутаций влиять на эффективность размножения репликатора («дифференциальное размножение»). Если репликатор обладает двумя этими свойствами, он автоматически начинает эволюционировать, приспосабливаясь к среде своего обитания. Сочетание наследственной изменчивости с дифференциальным размножением называют «естественным отбором».
Прионы — «нестандартные» биологические репликаторы, представляющие собой особым образом свернутые молекулы прионного белка PrP. Этот белок в норме присутствует на мембранах нейронов и выполняет какие-то полезные функции, связанные с передачей сигналов. Какие именно — пока еще не совсем ясно (Chiesa R., Harris D.A., 2009. Fishing for Prion Protein Function // PLoS Biol 7(3): e1000075). Безобидный прионный белок превращается в смертоносный прион в результате «неправильного сворачивания» (см. рисунок).
Прион обладает двумя удивительными свойствами. Во-первых, он заставляет нормальные прионные белки сворачиваться неправильно, превращая их в свои копии. Так прион «размножается». Во-вторых, он устойчив к действию протеолитических ферментов, задача которых состоит в уничтожении отслуживших белковых молекул. По-видимому, оба свойства связаны со способностью прионов слипаться в большие комки из множества молекул. Первые несколько слипшихся прионов становятся «центром кристаллизации», к которому затем прилипают всё новые и новые молекулы. В конце концов это приводит к нарушению работы нервной клетки.
Самое неприятное, что нейрон, в котором «завелись» прионы, заражает ими соседние нейроны, и в результате прионная инфекция распространяется по нервной системе. Способность к размножению, устойчивость к протеолитическим ферментам и заразность делают прионы опасными инфекционными агентами, похожими по своим свойствам на вирусы. Как и вирусы, прионы могут размножаться только за счет ресурсов, предоставляемых хозяйской клеткой. Вирусу необходимо, чтобы клетка синтезировала для него вирусные белки согласно инструкциям, записанным в вирусной ДНК или РНК. Приону необходимо, чтобы клетка синтезировала для него нормальные молекулы прионного белка, а прион уже сам превращает их в свои копии. Разница между вирусом и прионом весьма существенна для молекулярного биолога, но совсем не так заметна для эпидемиолога или, тем более, заболевшего животного. Прионы вызывают ряд смертельных нейродегенеративных заболеваний у человека и других млекопитающих, в том числе коровье бешенство и куру.
То, что прионы являются самыми настоящими репликаторами, сомнений не вызывает. Но до сих пор было неясно, есть ли у них весь необходимый «джентльменский набор» для дарвиновской эволюции. Способны ли прионы мутировать и передавать мутации по наследству, и если да, то могут ли эти мутации влиять на эффективность размножения прионов? Иными словами, действует ли на прионы естественный отбор? Способны ли они приспосабливаться к меняющимся условиям — например, к лекарственным препаратам, предназначенным для борьбы с прионными инфекциями?
Статья американских ученых, опубликованная в последнем номере журнала Science, позволяет ответить на эти вопросы положительно.
Ранее было замечено, что встречаются разные «штаммы» (разновидности) прионов, которые могут развиваться в нейронах одного и того же вида животных или в одной и той же клеточной культуре. Например, у мышей из одной и той же лабораторной линии, имеющих одинаковые прионные белки PrP, может встречаться 15 или даже более разных прионных инфекций, различающихся по скорости развития болезни и неврологическим симптомам. Было также замечено, что если взять штамм прионов у одного вида животных, заразить им другой вид, а потом взять прионы у второго вида и снова заразить ими первый, то симптомы в некоторых случаях оказываются уже другими.
Это позволило предположить, что у белка PrP есть несколько разных вариантов неправильного сворачивания и превращения в прион, причем каждый из вариантов устойчиво наследуется, то есть сохраняется в ряду «поколений» прионов. Возможно, прионы могут «мутировать» и передавать свои мутации по наследству. Мутации прионов, очевидно, не связаны с изменениями аминокислотной последовательности белка, а представляют собой изменения вторичной или третичной структуры (то есть способа сворачивания) белковой молекулы.
Чтобы проверить эти предположения, авторы провели множество экспериментов с разными штаммами прионов и разными клеточными культурами. Они обнаружили, что свойства прионов закономерным образом меняются, когда их пересаживают из одних клеток в другие, причем изменения происходят не сразу, а постепенно.
Для начала авторы заразили клеточную культуру PK1 прионами штамма 22L из мозга больной мыши. Оказалось, что чем дольше прионы живут и размножаются в клетках PK1, тем сильнее они отличаются по своим свойствам от исходных, «диких» прионов из мозга мыши. Исходные прионы 22L успешно заражают другую клеточную культуру, использовавшуюся в экспериментах (R33). Кроме того, эти прионы нечувствительны к действию вещества SWA (swainsonine). Авторы ранее установили, что SWA замедляет размножение некоторых разновидностей прионов в некоторых клеточных культурах. Однако по мере жизни прионов в клетках PK1 они постепенно утрачивали способность инфицировать клетки R33 и становились всё более чувствительными к SWA.
По-видимому, это означает, что популяция прионов в мозге больной мыши исходно была гетерогенной (разнородной), и в ней преобладали прионы, устойчивые к SWA и заразные по отношению к R33. Однако жизнь в клетках PK1 приводит к тому, что в популяции постепенно растет доля прионов, чувствительных к SWA и не способных заражать R33. Можно предположить, что прионы с этими свойствами быстрее размножаются в клетках PK1, то есть налицо эволюция под действием естественного отбора (если пользоваться «минималистским» определением, согласно которому эволюция — это изменение численного соотношения наследственных вариантов в популяции).
Способны ли прионы восстанавливать утраченную устойчивость к лекарственному препарату? Чтобы выяснить это, авторы пересаживали прионы, чувствительные к SWA, из клеток PK1 в мозг мышей. К тому времени, когда заболевание у зараженных мышей достигло терминальной стадии (через 147 дней после заражения), прионы полностью восстановили устойчивость к SWA.
Еще более наглядные результаты были получены в экспериментах с клеточными культурами, в которых «жили» прионы, чувствительные к SWA. Оказалось, что если выращивать зараженные клетки в присутствии небольших концентраций SWA, то прионы довольно быстро вырабатывают устойчивость к этому препарату. Таким образом, эти необычные репликаторы приспосабливаются к меняющимся условиям совсем как какие-нибудь вирусы или бактерии.
Выработка устойчивости в этих экспериментах могла происходить либо за счет преимущественного размножения устойчивых разновидностей прионов, которые уже существовали в исходной популяции (хоть и в малом количестве), либо за счет появления новых мутаций в ходе эксперимента. При помощи очень сложных дополнительных опытов авторы показали, что прионы-мутанты, устойчивые к SWA, спонтанно возникают в популяции, на 100% состоящей из неустойчивых прионов, даже в отсутствии SWA, то есть когда в такой мутации нет необходимости. Частота таких мутаций — примерно один случай на миллион клеточных делений.
Таким образом, прионы мутируют, передают мутации по наследству, и эти мутации влияют на эффективность размножения прионов в разных условиях. Иными словами, у прионов есть всё необходимое, чтобы эволюционировать под действием естественного отбора. Правда, пока не ясно, как далеко может зайти такая эволюция. По идее, у прионов должно быть гораздо меньше эволюционных возможностей, чем у тех же вирусов, потому что число возможных пространственных конфигураций белка PrP вряд ли может сравниться с невообразимо громадным числом возможных последовательностей нуклеотидов в геноме. Не ясно также, может ли естественный отбор у прионов быть «накопительным», то есть создавать новые свойства путем последовательного закрепления множества небольших наследственных изменений. Скорее, отбор у прионов всё-таки «одноразовый», работающий с единичными мутациями, причем набор возможных мутаций невелик.
Авторы исследовали эволюцию только двух «фенотипических признаков» прионов — устойчивости к SWA и способности заражать клетки R33. Не исключено, что естественный полиморфизм у прионов затрагивает также и многие другие их свойства, влияющие на эффективность размножения прионов в разных условиях. В этом случае реальная частота мутирования прионов может быть существенно выше. Возможно, к популяциям прионов приложимо даже понятие «квазивид», которое до сих пор применяли только к вирусам (см.: Вирусы-мутанты помогают друг другу в борьбе за выживание, «Элементы», 14.12.2005).
Авторы отмечают, что обнаруженная у прионов способность к «дарвиновской» эволюции хорошо объясняет некоторые странные особенности прионных инфекций, которые ранее не имели четкого объяснения. Например, было замечено, что при переходе инфекции от одного вида животных к другому сначала, как правило, наблюдается очень медленное развитие болезни и низкая инфекционность. Но уже после нескольких циклов внутривидового перезаражения прион становится более заразным, и болезнь развивается стремительнее. Очевидно, это объясняется тем, что прионам требуется время, чтобы приспособиться к новому хозяину.
Данная работа показала, что при разработке лекарств от прионных болезней лучше бороться не с конкретными штаммами прионов — к таким лекарствам прионы могут приспособиться, — а пытаться повысить устойчивость пространственной конфигурации нормального прионного белка, чтобы он всегда сворачивался правильно. Самым радикальным средством борьбы с этими болезнями является полное отключение гена, кодирующего белок PrP. Правда, пока не ясно, к каким побочным последствиям это может привести. Мыши с отключенным геном прионного белка выживают и даже не имеют каких-то особо тяжелых дефектов, но у них наблюдается множество мелких странностей: от нарушенного суточного ритма до склонности к ишемии и судорогам.