Природные медленные инфекции (подострые спонгиозные энцефалопатии), вызываемые «неканоническими вирусами», известны давно. Это куру, болезнь Крейцфельдта-Якоба, синдром Герстманна-Штраус-слера-Шейнкера и смертельная семейная бессонница у людей, скрепи у овец и коз, губчатообразная энцефалопатия у крупного рогатого скота и др. Основной особенностью этих заболеваний является то, что все они связаны с патологией центральной нервной системы (продолговатый и средний отделы головного мозга). Размножение инфекционного агента при таких заболеваниях идет очень медленно и сопровождается нарастанием симптомов энцефалопатии в течение нескольких месяцев или лет с последующей деменцией и неизбежной смертью. Инфекционный агент не вызывает иммунного ответа, не способен индуцировать интерферон и не чувствителен к его действию. За доказательство небактериальной инфекционной природы куру, скрепи и болезни Крейцфельдта-Якоба в 1976 году Гайдушеку была присуждена Нобелевская премия.
На первых этапах изучения природы инфекционных агентов этих заболеваний в тканях мозга умерших были обнаружены белковые фибриллы размером 10-20x100 нм, способные к агрегации с образованием еще больших филаментов, однако морфологически различимые вирионы обнаружены не были. Также не было обнаружено и присутствие в фибриллах нуклеиновой кислоты. Долгое время считалось, что отсутствие нуклеиновой кислоты у инфекционных агентов куру и скрепи связано с методическими ошибками. Однако интенсивное развитие молекулярной биологии вирусов позволило уяснить, что это не так, и что причиной спонгиозных энцефалопатий является новый инфекционный агент белковой природы — прион. Концепция прионовой природы губчатообразных спонгиозных энцефалопатии разработана американским ученым Стенли Прузинером, за что в 1997 г. он также получил Нобелевскую премию. Таким образом, за расшифровку природы прионовых заболеваний в разное время исследователи получили две Нобелевские премии, что отражает исключительную сложность и драматизм решаемой ими проблемы.
Прионы (proteinaceous infections particle) — белковые инфекционные частицы. Новый инфекционный агент белковой природы, не содержащий нуклеиновой кислоты, классифицирован в пределах царства Vira в виде неопределенного таксона Prione. Инфекционный модифицированный прион обозначают PrP (от screpi). Этот белок имеет нормальный клеточный аналог PrP (от cellular), который превращается в модифицированный PrP в ходе посттрансляционных изменений.
Нормальный клеточный прионовый белок играет чрезвычайно важную роль в жизнедеятельности организма: участвует в передаче нервных импульсов и в поддержании суточных ритмов, регулируя циклы активности и покоя в клетках, органах и в организме в целом.
Нормальная клеточная изоформа приона (PrP) — это белок с м.м. 33-35 кД. Его концентрация в норме достигает 1 мкг/г ткани мозга. Белок является мембранной молекулой, заякоренной на поверхности клеток гликозилинозитольным фосфолипидным якорем (GPI). PrP синтезируется в шероховатом эндоплазм этическом ретикулюме. Затем от M-конца отщепляется сигнальный пептид длиной 22 аминокислоты, а от C-конца — пептид длиной 23 аминокислоты, после чего к C-концу прикрепляется GPI и белок транспортируется на поверхность клетки. Человеческий PrP состоит из 253 аминокислот. Из них 40% аминокислот находится в составе α-спиралей и 3% — в виде β-структур.
В молекуле приона установлено наличие 4 α-спиральных доменов -H1, H2, HЗ и H4. Домен H1 соответствует трансмембранному участку и отсутствует у искусственно созданных рекомбинантных секретируемых форм. M-конец прионового белка связывает два атома меди. Медь влияет на содержание α-спирали в белке. Предполагается, что накопление в нервной ткани прионовых белков может привести к нарушению метаболизма меди вследствие его повышенного связывания. Снижение уровня меди может приводить к дисфункции ЦНС, как это показано для человека и животных, но не доказано в отношении прионов.
Инфекционная форма приона (PrP) также обнаруживается на поверхности нервных клеток, но в гораздо больших концентрациях — более 10 мкг/г ткани мозга. PrP имеет ту же первичную структуру, что и PrP, но отличается от нормального белка вторичной и третичной структурой — то есть характером укладки полипептидной цепи. В структуре PrP, в отличие от PrP, обнаруживается существенно больше β-складчатых структур (43%) при одновременном уменьшении содержания ?-спиралей. Белок PrP является конформационным изомером нормального прионового белка. Изменение конформации происходит при непосредственном взаимодействии нормального и прионового белка. Идентифицировано два участка белковой молекулы, с помощью которых происходит взаимодействие. Эти участки соответствуют аминокислотам в положении 95-170 и 180-205.
Молекулярно-генетические исследования с использованием трансгенов показали, что PrP действует в качестве матрицы для рефолдинга (изменения конформационной структуры) PrP в PrP. В этом процессе принимает участие дополнительный белок (X-фактор), который, по всей вероятности, является шапероном (вспомогательным белком, поддерживающим конформационное состояние белка). В ходе превращения нормального клеточного прионового белка в PrP, часть его α-спиральных и неупорядоченных участков переходит в форму β-структуры.
Наиболее существенным является то, что при этом аминокислотная последовательность остается соответствующей нормальному белку. На протяжении более чем 25 лет общепринятым было то, что аминокислотная последовательность определяет одну биологически активную конформацию белка. На примере прионового белка показано, что одна и та же первичная структура может принимать, по крайней мере, 2 разные конформации, что и объясняет существование PrP и PrP. Другими словами, репликация инфекционного приона представляет собой уникальный механизм конформационной перестройки белковой молекулы, индуцируемой и облегчаемой другой белковой молекулой.
Ограниченный протеолиз PrP, происходящий на клеточной поверхности, приводит к отщеплению с N-конца 67 аминокислот. В результате образуется белок 27-30 кД, который и является протеазоустойчивым и термостабильным инфекционным прионом. Этот белок гидрофобен и склонен к образованию как in vitro, так и в мозговой ткани агрегатов в виде нерегулярных стержнеподобных фибрилл неправильной формы, сходных с фибриллами амилоида. Процесс агрегации происходит спонтанно и может приобретать характер цепной реакции. Образование на поверхности нейрона агрегатов миелоидоподобных фибрилл и бляшек приводит на ранних стадиях инфекции к слиянию и гибели отдельных клеток, а позже — к очаговому дегенеративному перерождению серого вещества мозга. У больных губчатообразной энцефалопатией в головном мозге образуются полости. Мозг становится похожим на губку.
Уникальной особенностью прионовых заболеваний является то, что они могут возникать двумя путями. Известны две формы прионовых болезней — наследственная и инфекционная. Нужно заметить, что вне зависимости от возникновения заболевания, оно может быть передано далее инфекционным путем.
Наследственная форма прионовых заболеваний проявляется редко, предполагается, что у людей наследственная форма прионового заболевания возникает с частотой 1 случай в год на 1 млн. человек. Эта форма заболевания является результатом точковых мутаций в гене PrP, определяющих изменение первичной структуры белка и обеспечивающих его превращение в инфекционный прион, который индуцирует превращение всех вновь синтезированных молекул в конформационно измененную форму.
Ген PrP расположен у человека в коротком плече хромосомы 20, а у мыши — в коротком плече хромосомы 2. Животные, гомозиготные по делеции гена PrP, устойчивы к прионовым заболеваниям, т. к. не имеют клеточного белка, способного к конформационным изменениям. Нормальный ген PrP имеет одну OPC внутри одного экзона, которая ограничена 5' и 3' HTP. Такая особенность гена белка-приона исключает возможность происхождения различных форм прионового белка путем альтернативного сплайсинга РНК.
Ген PrP является высококонсервативным и характеризуется высоким уровнем экспрессии в нейронах, где концентрация мРНК PrP в 50 раз выше, чем в глии. В настоящее время известно более 20 мутаций PrP-гена, приводящих к наследуемой прионовой болезни. Все известные точковые мутации PrP, имеющие биологическое значение, происходят или внутри или рядом с зонами, определяющими вторичную структуру PrP, и дестабилизируют ее. Показано существование внутримолекулярной дисульфидной связи, наличие которой необходимо для образования PrP. Мутантный ген PrP генетически связан с развитием семейной прионовой болезни.
Еще одна форма наследственной прионовой болезни может возникать как следствие увеличения N-концевых повторов аминокислотной последовательности прионового белка. На N-конце обычно находится 5 повторов, состоящих из 8 аминокислот, которые играют существенную роль в организации структуры белка и влияют на возможность его превращения в прион-инфекционную форму. Показано, что увеличение числа повторов до 12 приводит к наследственной прионовой болезни.
Инфекционная форма заболевания распространена гораздо шире. Примером могут служить болезни куру, скрепи, губчатый энцефалит крупного рогатого скота. Болезнь Крейцфельдта-Якоба также вызывается инфекционным прионом. Однако до 15% случаев заболевания имеют наследственную природу. Инфекционная форма заболевания возникает вследствие попадания в организм измененной формы прионового белка с последующим превращением нормальных белковых молекул в патогенную форму приона.
Существует несколько вариантов укладки конформационно измененных молекул. Такие варианты воспроизводятся при последующем попадании прионового белка в новый организм Важным является то, что при этом не происходит каких-либо изменений в первичной структуре белка и в строении кодирующего его гена.
Инфицирование патогенными прионами здоровых лиц может происходить при попадании в организм ксеногенных образцов тканей, и в первую очередь — мозговых тканей, а также в результате использования недостаточно стерилизованного инструментария (парентерально). Основным механизмом передачи инфекционных прионов признан алиментарный, осуществляемый в процессе питания. Так, распространение первого из описанных хронических нейродегенеративных заболеваний человека — куру (дрожание, тряска), поражавших аборигенов Новой Гвинеи, было связано с ритуальным каннибализмом.
Источником заболеваний крупного рогатого скота губчатообразной энцефалопатией, приобретавших характер эпизоотии, явилось добавление в рацион их питания мясокостной муки, получаемой из туш овец, среди которых были животные, больные скрепи. Возможность осуществления пищевого пути передачи прионных инфекций связана с особенностями свойств прионного белка, его уникальной устойчивостью к воздействию физико-химических факторов. Отметим его протеазоустойчивость и устойчивость к высоким температурам.
Инфекционные прионы, попав в организм тем или иным путем, аккумулируются в клетках органов иммунной системы (миндалинах, тимусе, лимфатических узлах, особенно в селезенке). Прионы обнаруживаются в В-лимфоцитах, разносятся током крови по организму. Нормальный прионовый белок является мембранным протеином и синтезируется клетками иммунной системы. В 2001 году он был включен в номенклатуру дифференцировочных антигенов клеток иммунной системы и обозначен как CD232 антиген.
Предполагается, что из клеток иммунной системы инфекционные прионы или их производные могут каким-то образом передаваться на мембрану нервных клеток и транспортироваться вдоль аксонов в разные участки головного мозга. Здесь они служат причиной конформационных перестроек нормального клеточного белка и образования агрегатов кристаллической формы, состоящих из конформационно модифицированного приона.
Начавшаяся в 1986 г. эпизоотия коровьего бешенства в Великобритании явилась причиной обсуждения проблемы межвидовой трансмиссии инфекционных прионов. Эпизоотия была связана с кормлением животных мясокостной мукой, полученной из туш овец, среди которых были больные скрепи. Возможность трансмиссии была подтверждена в эксперименте на трансгенных мышах, оказавшихся чувствительными к прионам хомяка. Вопрос о преодолении прионами межвидового барьера был поднят повторно, когда в 1995 г. от новой болезни, очень похожей ,на болезнь Крейцфельдта-Якоба, впервые стали умирать люди молодого возраста. Официальная причина — употребление в пищу говядины, зараженной возбудителем коровьего бешенства. К 2001 г. умерли 80 больных. Следствием произошедших событий явилось ограничение потребления говядины в Европе.
В большинстве случаев межвидовые барьеры не абсолютны, они не препятствуют, а лишь затрудняют передачу инфекционных агентов от особей одного вида к особям другого вида. Перенос прионов между видами почти всегда сопровождается продолжительным инкубационным периодом в ходе первого переноса и его уменьшением в ходе последующих пассажей. На сроки инкубационного периода влияют:
— величина различий в аминокислотной последовательности прионовых белков донора и реципиента, поскольку прионы, синтезируемые de novo, отражают последовательность гена хозяина, а не донорской инфекционной молекулы;
— недавно обнаруженные штаммовые особенности приона, проявляющиеся в различной третичной структуре инфекционного белка. Они обусловлены наличием естественного полиморфизма, возникающего в результате мутаций гена, или же появлением новых форм прионов без изменений первичной структуры белка;
— видовая специфичность X-фактора, связывающего клеточный прион и ускоряющего его переход в инфекционную форму.
Феномен прионов распространен в природе более широко, чем представлялось ранее. Белки с прионоподобными свойствами обнаружены у низших эукариот — у дрожжей Saccharomyces и гриба Podospora.
Последнее обновление страницы: 28 ноября 2006 E-mail: vira-ss@narod.ru
(от screpi). Этот белок имеет нормальный клеточный аналог PrP
(от cellular), который превращается в модифицированный PrP
в ходе посттрансляционных изменений.
) — это белок с м.м. 33-35 кД. Его концентрация в норме достигает 1 мкг/г ткани мозга. Белок является мембранной молекулой, заякоренной на поверхности клеток гликозилинозитольным фосфолипидным якорем (GPI). PrP