Прионы ("медленные инфекции")

Размещено на http://www.allbest.ru/

12

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Прионы

История

Свойства молекул

Молекулярные основы патогенеза

Классификация

Этиология

Пути заражения

Прионы и медицинские инструменты

Прионные заболевания человека

Потенциальная опасность для человека

Исследования прионов дрожжей и других микромицетов

Критика

Литература

Прионы

Приомны (от англ. proteinaceous infectious particles -- белковые заразные частицы) -- особый класс инфекционных агентов, чисто белковых, не содержащих нуклеиновых кислот, вызывающих тяжёлые заболевания центральной нервной системы у человека и ряда высших животных (так называемые «медленные инфекции»).

Прионный белок, обладающий аномальной трёхмерной структурой, способен прямо катализировать структурное превращение гомологичного ему нормального клеточного белка в себе подобный (прионный), присоединяясь к белку-мишени и изменяя его конформацию. Как правило, прионное состояние белка характеризуется переходом б-спиралей белка в в-слои.

История

Во второй половине XX века врачи столкнулись с необычным заболеванием человека -- постепенно прогрессирующим разрушением головного мозга, происходящим в результате гибели нервных клеток. Это заболевание получило название губчатой энцефалопатии. Похожие симптомы были известны давно, но наблюдались они не у человека, а у животных (скрейпи овец), и долгое время между ними не находили достаточной обоснованной связи.

Открытие прионов тесно связано с историей открытия и становления учения о медленных инфекциях, когда в 1954 г. Б. Сигурдссон (Швеция) изложил результаты своих многолетних исследований массовых заболеваний среди овец, завезенных в 1933 г. из Германии на о. Исландия для развития каракулеводства. Несмотря на явные клинические различия и неодинаковую локализацию повреждений органов и тканей, шведский ученый сумел обнаружить среди изученных им заболеваний принципиальное сходство, которое в современном виде может быть суммировано в виде четырех главных признаков, отличающих медленные инфекции:

- необычно продолжительный (месяцы и годы) инкубационный период;

- медленно прогрессирующий характер течения;

- необычность поражения органов и тканей;

- неизбежность смертельного исхода.

Среди заболеваний овец была подробно исследована давно и хорошо знакомая во многих странах болезнь этих животных, известная под названием «скрэпи», полностью отвечавшая всем четырем характеристикам медленных инфекций.

Три года спустя на о. Новая Гвинея обнаружили и описали новое заболевание среди папуасов-каннибалов, которое известно сегодня под названием «куру». Болезнь носила массовый характер и успешной передачей сначала шимпанзе, а позднее и низшим обезьянам была доказана ее инфекционная природа. Очень скоро было выявлено большое сходство между эпидемиологий, клиническими проявлениями и патоморфологической картиной при куру у человека и при скрэпи у овец, на основании чего стало очевидным, что медленные инфекции могут поражать не только животных, но и людей.

Новый интерес к их изучению возник в 1996 году, когда в Великобритании появилась новая форма заболевания, обозначаемая как «новый вариант болезни Крейтцфельдта-Якоба (nvCJD)».

Важным событием было распространение «коровьего бешенства» в Великобритании, эпидемия которого была сначала в 1992--1993 годов, а потом и в 2001 году охватила несколько европейских государств, но тем не менее экспорт мяса во многие страны не был прекращён. Заболевание связывают с использованием «прионизированной» костной муки в кормах и премиксах, изготовленной из туш павших или заболевших животных, возможно, и не имевших явных признаков заболевания.

Пути переноса причинного фактора болезни, механизмы проникновения прионов в организм и патогенез заболевания изучены пока недостаточно.

В 1997 г. американскому врачу Стенли Прузинеру была присуждена Нобелевская премия за изучение прионов.

Свойства молекул

Прионовые белки млекопитающих не сходны с прионовыми белками дрожжей по аминокислотной последовательности. Несмотря на это, основные структурные особенности (формирование амилоидных волокон и высокая специфичность, препятствующая передаче прионов от одного вида организмов к другому) у них общие. Вместе с тем, прион, отвечающий за коровье бешенство, обладает способностью передаваться от вида к виду.

Молекулярные основы патогенеза

Предполагаемый механизм «размножения» прионов.

В ходе исследований мозговых тканей умерших от прионных инфекций животных было показано, что прионы не содержат нуклеиновых кислот, а представляют собой белки. Одним из первых охарактеризованных прионных белков стал PrP (от англ. prion-related protein или protease-resistant protein) массой около 35 кДа. Известно, что PrP может существовать в двух конформациях -- «здоровой» -- PrPC, которую он имеет в нормальных клетках (C -- от английского cellular -- «клеточный»), в которой преобладают альфа-спирали, и «патологической» -- PrPSc, собственно прионной (Sc- от scrapie), для которой характерно наличие большого количества бета-тяжей. При попадании в здоровую клетку, PrPSc катализирует переход клеточного PrPC в прионную конформацию. Накопление прионного белка сопровождается его агрегацией, образованием высокоупорядоченных фибрил (амилоидов), что в конце концов приводит к гибели клетки. Высвободившийся прион, по-видимому, оказывается способен проникать в соседние клетки, также вызывая их гибель.

Функции белка PrPC в здоровой клетке -- поддержание качества миелиновой оболочки, которая в отсутствии этого белка постепенно истончается. В норме белок PrPC ассоциирован с клеточной мембраной, гликозилирован остатком сиаловой кислоты. Он может совершать циклические переходы внутрь клетки и обратно на поверхность в ходе эндо- и экзоцитоза. Один такой цикл длится около часа. В эндоцитозном пузырьке или на поверхности клетки молекула PrPC может разрезаться протеазами на две примерно равные части.

До конца механизм спонтанного возникновения прионных инфекций не ясен. Считается (но ещё не полностью доказано), что прионы образуются в результате ошибок в биосинтезе белков. Мутации генов, кодирующих прионный белок (PrP), ошибки трансляции, процессы протеолиза -- считаются главными кандидатами на механизм возникновения прионов. Согласно недавно проведённым исследованиям прионы способны к дарвиновской эволюции за счёт действия естественного отбора.

Есть данные, дающее основание считать, что прионы являются не только инфекционными агентами, но и имеют функции в нормальных биопроцессах. Так, например, существует гипотеза, что через прионы осуществляется механизм генетически обусловленного стохастического старения.

Классификация

Этиология

Человек может заразиться прионами, содержащимися в пище, так как они не разрушаются ферментами пищеварительного тракта. Беспрепятственно проникая через стенку тонкого кишечника, они в конечном итоге попадают в центральную нервную систему. Так переносится новый вариант болезни Крейтцфельдта-Якоба (nvCJD), которой люди заражаются после употребления в пищу говядины, содержащей нервную ткань из голов скота, больных бычьей губчатой энцефалопатией (BSE, коровье бешенство).

Прионы могут проникать в тело и парентеральным путем. Были описаны случаи заражения при внутримышечном введении препаратов, изготовленных из человеческих гипофизов (главным образом гормоны роста для лечения карликовости), а также заражение мозга инструментами при нейрохирургических операциях, поскольку прионы устойчивы к применяемым в настоящее время термическим и химическим методам стерилизации. Эта форма болезни Крейтцфельдта-Якоба обозначается как ятрогенная (1CJD).

При определённых, неизвестных условиях, в организме человека может произойти спонтанная трансформация прионного белка в прион. Так возникает так называемая спорадическая болезнь Крейтцфельдта-Якоба (sCJD), впервые описанная в 1920 г. независимо друг от друга Гансом Герхардом Крейтцфельдтом и Альфонсом Марией Якобом. Предполагается, что спонтанное возникновение этой болезни связано с фактом, что в норме в человеческом теле постоянно возникает небольшое количество прионов, которые эффективно ликвидируются клеточным Аппаратом Гольджи. Нарушение этой способности «самоочищения» клеток может привести к повышению уровня прионов выше допустимой границы нормы и к их дальнейшему неконтролируемому распространению. Причиной возникновения спорадической болезни Крейтцфельдта-Якоба согласно этой теории является нарушение функции Аппарата Гольджи в клетках.

Особую группу прионовых заболеваний представляют собой наследственные (врожденные) болезни, вызванные мутацией гена прионового белка, который делает возникший прионовый белок более подверженным спонтанному изменению пространственной конфигурации и превращения их в прионы. К этой группе наследственных заболеваний относится и наследственная форма болезни Крейтцфельдта-Якоба (fCJD), которая наблюдается в ряде стран мира.

При прионовой патологии наивысшая концентрация прионов обнаружена в нервной ткани заражённых людей. Значительное количество прионов встречается в лимфатической ткани. Наличие прионов в биологических жидкостях, включая слюну, пока не было однозначно подтверждено. Если представление о постоянном возникновении небольшого количества прионов верно, то можно предположить, что новые, более чувствительные методы диагностики откроют это количество прионов, разбросанное по различным тканям. В данном случае, однако, речь пойдёт о «физиологическом» уровне прионов, которые не представляют собой никакой угрозы для человека.

Пути заражения

Очень мало известно о молекулярном характере прионов, вызывающих заболевания. Заражение могут вызвать примерно 100 000 молекул, которые в большинстве случаев образуют большие скопления. Значение агрегации отдельных молекул в ассоциации для вирулентности прионов -- устойчивость к действию ферментов, расщепляющих белки, ставшие ненужными. Нельзя исключить, что вирулентными являются и отдельные молекулы прионов. Из некоторых экспериментов следует, что для возникновения прионов в ткани достаточно лишь временного контакта ткани с материалом, содержащим прионы, и нет необходимости, чтобы прионы были навсегда внесены в организм. Этот риск является актуальным, например, в связи с использованием хирургических инструментов, заражённых прионами. Процесс трансформации «здоровых» прионовых белков в прионы может быть инициирован простым контактом здоровых тканей с прионами, зафиксированными на хирургическом инструменте.

Ход болезни и распространение прионов по организму зависит от типа приона. Прионы отличаются составом аминокислот, характерных для данного вида, определяемых видовым геном прионового белка, а также так называемыми посттрансляционными модификациями или степенью гликозилирования базовой белковой цепочки. Посттрансляционная модификация значительно влияет на характеристики прионов и именно ей приписывают разницу между так называемыми прионовыми родами. В случае нового варианта (nvCJD) был пока что описан лишь один вид приона, сходный с прионами скота, заражённого бычьей губчатой энцефалопатией. Поэтому течение заболевания у человека и животных, заражённых новым вариантам, практически одинаково. У прочих видов живых существ, однако, известно много прионовых родов. У овец были описаны примерно два десятка таких родов, которые не вирулентны для человека. Течение овечьего прионового заболевания в зависимости от рода прионов значительно отличается -- от очень быстрого, с практически внезапной гибелью, до медленного, затяжного.

Нетипичные случаи клинического течения нового варианта у скота, заражённого бычьей губчатой энцефалопатией, которые имели место в Японии и Италии, наводят на мысль о существовании большего количества родов бычьих прионов. Если бы этот род бычьих прионов попал в организм человека, следовало бы ожидать возникновение нового варианта с симптомами и клиническим течением, отличными от известных случаев.

У пациентов, больных болезнью Крейтцфельдта-Якоба, прионы распространяются в нервной системе, тканях глаза и лимфатических тканям, включая миндалины, селезенку, а также в слепой кишке. Наибольшее количество прионов находится в нервной системе, а наименьшее -- в лимфатической ткани.

Пока что не был зарегистрирован ни один случай переноса нового варианта болезни Крейтцфельдта-Якоба (nvCJD) при медицинском вмешательстве, что является, разумеется, хорошей новостью. С другой стороны, специалисты предупреждают о преувеличенном оптимизме, прежде всего в условиях Великобритании, так как инкубационный период может быть достаточно долгим (от 5-8 месяцев до 10-15 лет).

Прионы и медицинские инструменты

Прионы очень стойки к обычным методам дезинфекции. Ионизирующее, ультрафиолетовое или микроволновое излучение на них практически не действует. Дезинфекционные средства, обычно используемые в медицинской практике, действуют на них лишь в очень ограниченной мере. Надёжно их ликвидируют дезинфицирующие реактивы -- сильные окислители, разрушающе действующие на белки. Другое затруднение представляет собой стойкость прионов к высоким температурам. Даже при автоклавировании при 134 °C в течение 18 минут невозможно достичь полного разрушения прионов, и прионы «выживают» в форме, способной вызвать заражение. Стойкость к высоким температурам ещё более возрастает, если прионы засохнут на поверхности металла или стекла или если образцы перед автоклавированием были подвергнуты действию формальдегида.

В Великобритании, где новый вариант является очень серьёзной проблемой, по этим причинам уже используются одноразовые хирургические инструменты для тонзиллэктомии. В будущем напрашивается альтернативное решение: создания новых инструментов, с учётом повышенных требований к очистке и обеззараживанию. Одноразовое использование инструментов согласно принципам ВОЗ требуется в случае стоматологического обслуживания пациентов с диагностированным прионным заболеванием или в случае подозрения на него.

Намного более сложным решением этой проблемы является лечение пациентов группы риска. К ним относятся пациенты, которые подверглись операциям, при которых была использована потенциально заражённая твёрдая мозговая оболочка, или пациенты из семей с наследственной формой болезни Крейтцфельдта-Якоба. ВОЗ в этом случае не требует никаких специальных мер. Британский Консультационный научный комитет по губчатой энцефалопатии в своём решении в 1998 года счёл возможным ограничиться более тщательной очисткой и обеззараживанием инструментов, в сочетании с более длительным автоклавированием.

Прионные заболевания человека

Наиболее известные прионные инфекции, связанные с поражением головного мозга:

· болезнь Кройтцфельдта -- Якоба (Creutzfeldt-Jakob disease);

· фатальная семейная бессонница (Fatal Familial Insomnia);

· болезнь Куру (Kuru), связана с ритуальным каннибализмом народности Форе в восточной части Новой Гвинеи;

· синдром Герстманна -- Штройслера -- Шейнкера (Gerstmann-Strдussler-Scheinker disease).

Потенциальная опасность для человека

Несмотря на незначительное количество явных случаев прионных заболеваний у людей, многие специалисты считают, что имеется высокая степень опасности «медленных» инфекций для человека.

прион заболевание инфекция

Имеются данные, что источником распространения могут быть стоматологические процедуры, связанные с попаданием прионов в кровяное русло.

Под подозрение попал также лецитин животного происхождения, что вызвало сокращение применения его в фармакологической промышленности, и вытеснение растительным (в основном, соевым) лецитином.

Исследования прионов дрожжей и других микромицетов

У дрожжей обнаружен ряд прионных белков, из которых хорошо исследованы только два - Sup35 и Ure2. Остальные открыты сравнительно недавно и о них известно не много.

Детерминант [Psi+] кодируется геном Sup35, фактором терминации трансляции дрожжей. Он наследуется нехромосомно и фенотипически проявляется по усилению действия слабого серин-специфического нонсенс-супрессора SUQ5 (кодирует серин-специфическую тРНК с антикодоном, комлементарным нонсенс кодону UAA), который не супрессирует ade2-1 нонсенс мутацию в отсутствии детерминанта [Psi+]. Клетки, имеющие такой фенотип, растут на среде без аденина и имеют белый цвет колоний, когда клетки имеют фенотип [Psi-], они не могут расти на среде без аденина и имеют красный цвет колоний. Когда "семена" прионов - агрегаты белка Sup35 - попадают в клетку (обычно при скрещивании [Psi+] и [Psi-] штаммов дрожжей), клеточный Sup35 изменяет свою конформацию и присоединяется к фибриллам. Находясь в агрегированном состоянии, он не может осуществлять свою функцию терминации трансляции. Таким образом, стоп кодоны перестают быть сигналом терминации для рибосомы и происходит их сквозное прочтение и встраивание на их место серина (за счет имеющегося в клетке небольшого количества специфических аминоацил-тРНК с антикодоном комплементарным нонсенс кодонам), также возможен сдвиг рамки считывания. Следовательно, на рибосомах с большей вероятностью начинают синтезироваться более длинные белки. До сих пор не ясно, влияет ли это на выживаемость организма, но известно, что клетки, имеющие фенотип [Psi+], жизнеспособны.

У эукариот есть два фактора, отвечающих за функцию терминации трансляции: eRF1 (release factor 1) - фактор, узнающий все три нонсенс кодона и eRF3 - фактор, который стимулирует гидролиз пептидил-тРНК в присутствии ГТФ. Оба фактора взаимодействуют друг с другом, причем ГТФазная активность eRF3 зависит от его взаимодействия с рибосомой и eRF1. Гены дрожжей Sup45 и Sup35 кодируют факторы eRF1 и eRF3 соответственно. Как и их гомологи у млекопитающих, белки Sup35 и Sup45 взаимодействуют друг с другом, образуя комплексы, причем на Sup35 обнаружено два сайта связывания с Sup45. Делеционный анализ показал, что белок Sup35 состоит из трех функционально различных доменов: N-концевой домен необходим для возникновения прионной конформации и фенотипа [Psi+], но не важен для терминации трансляции; С-концевой домен эволюционно консервативен, необходим для жизнедеятельности клетки и осуществляет функцию терминации трансляции; домен М не имеет никакой незаменимой функции. Белок Sup35 связывается с Sup45 в двух участках, один из которых расположен в С домене, а второй в N и М доменах.

Доменная структура белка Sup35.Числами обозначены номера аминокислот

Было показано, что агрегация белка Sup35 в клетках [Psi+] ингибирует его активность как фактора терминациии трансляции и приводит к нонсенс супрессорному фенотипу. Так как Sup45 связывается с Sup35, то при [Psi+] фенотипе этот белок тоже встраивается в агрегат и его функция тоже ингибируется. Это сразу должно дополнительно снизить эффективность терминации и увеличить неправильное прочтение нонсенс кодонов. Было показано, что сильная сверхэкспрессия Sup35 при фенотипе [Psi+] летальна, но если одновременно происходит сверхэкспрессия Sup45, то клетки выживают. Можно предположить, что увеличенное количество агрегированного белка Sup35 связывает большее количество Sup45. Это приводит к понижению уровня количества растворимого белка Sup45 и неэффективной терминации трансляции, недостаточной для жизнедеятельности клетки. Следовательно, можно сказать, что N домен белка Sup35 является цис-действующим репрессором функции своего С домена и транс-действующим репрессором функции белка Sup45. Известно, что шаперон дрожжей Hsp104 также включается в агрегаты Sup35. Возможно, что существуют другие белки, которые могут связываться с этими агрегатами и инактивироваться при фенотипе [Psi+].

Пока еще непонятно имеет ли детерминанта [Psi+] у дрожжей какое-нибудь биологическое значение. Так как при фенотипе [Psi+] увеличивается пропуск нонсенс кодонов и происходит трансляция (прочтение) стоп кодонов на некоторых мРНК, то могут возникать белки с удлиненным С-концом, обладающие модифицированной или совсем новой функцией. Хотя для дрожжей такие примеры пока неизвестны, не исключено, что такие белки существуют и что при определенных условиях [Psi+] клетки с увеличенным уровнем пропуска нонсенс кодонов могут иметь некоторые преимущества.

Детерминант [URE3] был обнаружен при исследовании генетики метаболизма азота у дрожжей. Эти исследования основывались на следующем наблюдении. Мутанты дрожжей S. сerevisiae, дефектные по активности аспартат-транскарбомоилазы, могут расти на среде с уреидосукцинатом только в отсутствии ионов аммония, так как аммоний подавляет перенос уреидосукцината из среды в клетку. Оказалось, что рост мутантов на этой среде может восстанавливаться за счет мутаций в гене Ure2 или за счет появления нехромосомно наследуемого детерминанта [URE3]. При этом фенотип мутантных клеток и клеток, несущих детерминант проявляется одинаково. Для [URE3] преимущества прионного состояния довольно очевидны, поскольку переход белка Ure2 в прионную форму позволяет дрожжам использовать некоторые плохо усваиваемые азотистые соединения. Неприонное состояние этого белка может оказаться предпочтительным в присутствии легко усваиваемых источников азота.

Детерминант с похожими прионными свойствами был обнаружен у мицелиального гриба Podospora anserina. Этот детерминант называется [Het-s] и регулирует образование гетерокарионов при скрещивании различных штаммов этого гриба. [Het-s] скорее всего тоже функционально важен. Этот детерминант является необходимым элементом системы вегетативной несовместимости, ограничивающей возможность скрещивания между дальнородственными штаммами этого гриба. Такого рода скрещивания потенциально полезны, так как увеличивают генетическое разнообразие популяции. Но это может быть и опасно в связи с возможностью распространения в популяции вирусов (у дрожжей и грибов они передаются только при слиянии клеток). Таким образом, в зависимости от обстоятельств, может быть выгодно и прионное и неприонное состояние.

Также существуют еще несколько прионов дрожжей. Это детерминанты [Pin], [Tau], и только что найденные прионные белки, Rnq1 и New1, для которых неизвестен фенотипический эффект. Детерминант [Pin] определяет, будет ли [Psi+] образовываться самопроизвольно при его сверхэкспрессии. Детерминант [Tau] тоже может модулировать функцию терминации трансляции, влияя на детерминант [Psi+].

Все эти цитоплазматически наследуемые детерминанты имеют основные прионные свойства, как-то устойчивость к некоторым денатурирующим агентам, плохая растворимость (склонность к агрегации), способность к конверсии клеточной формы своего белка в прионную изоформу. Также дрожжевые прионы могут быть элиминированы малыми концентрациями гуанидин-хлорида (GuHCl), белок-денатурирующего агента, не имеющего мутагенного эффекта. Штаммы с клеточной (неприонной) формой белка могут с низкой частотой приобретать прионное состояние, причем частота реверсий сильно увеличивается в присутствии плазмид, сверхэкспрессирующих белок (например, для URE2 это увеличение составляет 2 порядка). Такое быстрое изменение прионного фенотипа по сравнению с генным, позволяет популяции меняться, чтобы подстраиваться под изменчивые условия окружающей среды.

Известно что поли-глутамин-аспарагин-богатые (Q/N-богатые) последовательности обладают склонностью формировать амилоидные фибриллы. В последовательностях прионных белков дрожжей в больших количествах присутствуют повторы глутамина и аспарагина. Однако прионный белок млекопитающих и гриба P. anserina не содержит Q/N-богатых районов.

Q/N-богатые домены эукариот, по-видимому, обладают консервативной функцией, заключающейся в способности осуществлять специфические белок-белковые взаимодействия. Скрининг на эти домены позволяет выявлять белки, которые потенциально могут иметь прионные или/и амилоидо-образующие свойства. Такие белки уже были выявлены у дрожжей (белки Rnq1 и New1) и для них было показано существование прионных свойств. Однако в обычных условиях белки с Q/N-богатой последовательностью могут и не проявлять своих прионных свойств, таким образом, являясь "скрытыми прионами". Их можно попытаться выявить, изменяя концентрации факторов, влияющих на образование прионных агрегатов.

Критика

Mark Purdy и David R. Brown предположили, что металлоионы, взаимодействуя с белками приона, могут быть причиной развития прион-индуцированных (prion-mediated) заболеваний.

Purdy провёл кластерное эпидемиологическое исследование при прионных заболеваниях в районах с низкой концентрацией меди в почвах.

Литература

1. И.С. Шкундина, М.Д. Тер-Аванесян. Прионы. Успехи биологической химии, т. 46, 2006 (обзор)

2. Григорьев В.Б. -- Прионные болезни человека и животных. -- Вопросы вирусологии, т.49(№ 5), с.4-12, 2004 (обзор)

3. Покровский В.И., Киселев О.И., Черкасский Б.Л. -- Прионы и прионные болезни -- РАМН, 2004, 384 стр.

4. Википедия. Прионы [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D1%80%D0%B8%D0%BE%D0%BD

5. И.М. Александров. Шапероны и прионы: регуляция конформационных сотояний прионного белка дрожжей SUP35 [Электронный ресурс] / Александров И. М. - режим доступа: http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1163831&uri=1.html

Размещено на Allbest.ru