Прионы как и вирусы являются инфекционными агентами

Главная ≫ Инфотека ≫ Биология ≫ Видео ≫ Общие свойства прионов // Виталий Кушниров

Прионы по определению — это белковая инфекция. Это значит, что это инфекционный агент, который не имеет генома в виде РНК или ДНК. На самом деле это очень серьезно, потому что если мы возьмем какой-нибудь вирус, то эти вирусы миллиарды лет тренировались в том, чтобы проникать в организм хозяина, накопили всяческие приспособления, которые старательно записали в своем геноме. У приона ничего этого нет, и в этом его маленькое чудо.

Может быть, за это кто-то назовет его неживым, что будет совершенно справедливо. Но посмотрим, как он это делает. Весь секрет приона в том, что это белок, который может принимать различные структуры. Более того, одна из этих структур, которая является патогенной, обладает способностью к информационному катализу, то есть она, встретившись с нормальной белковой молекулой, изменяет ее структуру так, что та становится патогенной молекулой.

В результате эти молекулы начинают агрегировать, образовывать отложения внутри организма. Кроме того, они активируются, теряют свою функцию. Но это, может быть, не так важно, потеря функции не столь важна, страшна для организма, как именно накопление этих белков. Дело в том, что в своей патогенной форме они весьма устойчивы к протеазам, как правило, и поэтому они накапливаются и дальше нарушают жизнедеятельность клетки, потом и целого организма, и затем с неизбежностью наступает смерть.

В практической медицине прионы в силу своих необычных свойств также отличаются необычными свойствами, а именно — их очень трудно инактивировать. Обычно всяческую инфекцию, бактерии или вирусы, уничтожают, например, автоклавированием, то есть прогревом до 120 градусов. В случае приона это далеко не всегда срабатывает. Еще один способ инактивации — обработка формалином, который просто ковалентно прошивает белковые молекулы. В случае приона это опять же не срабатывает совершенно, потому что внутренняя прошивка для него неважна, для него имеет значение лишь внешняя поверхность.

Прионные болезни известны примерно с начала XVIII века. Тогда никто не понимал, что они прионы и что это такое вообще. Но наблюдали болезнь скрейпи у овец, по-русски называемую почесухой. Болезнь проявлялась в сильном зуде, и овцы, соответственно, стремились тереться обо что угодно.

Дальше пауза, где-то в начале XX века Крейцфельд и Якоб обнаружили еще одну болезнь, позже названную прионной. Собственно, она и носит их имя. Это болезнь уже у человека, опять же нейродегенеративное заболевание, то есть нарушающее нервную систему, при котором в мозге образовывались обширные микрополости. То есть мозг превращался в подобие губки. Объяснение пришло значительно позже.

Но дальше уже началось серьезное изучение приона, который все более и более вставал загадкой. Было понятно, что это вирус, то есть некая инфекция, которая фильтруется через достаточно тонкие фильтры.

Но, в отличие от обычных вирусов, которые сравнительно быстро развивали болезнь, этот вирус развивал болезнь очень медленно.

Инкубационный период мог длиться десятилетиями.

В те времена, где-то в районе 1960-х годов, был такой популярный метод определения размера инфекционных агентов — его обрабатывали радиацией. И чем больше размер генома, тем менее устойчив к радиации он был. И английский радиобиолог Тиквах Альпер определила радиационную устойчивость приона. Оказалось, что его размер должен быть совершенно маленьким, порядка 100 нуклеотидов. И понятное дело, что на 100 нуклеотидов никакой нормальный даже белок невозможно закодировать.

Дальше в дело вступили уже более серьезные силы. В частности, Стенли Прузинер в Калифорнии попытался выделить этот белок. Большой прогресс в его работе связан с тем, что он перешел на маленьких модельных животных, а именно на мышей и хомячков, что, конечно, позволило сильно ускорить работу. А там ведь, когда выделяешь этот агент, его нужно постоянно тестировать. То есть ты выделил и вколол мышкам, чтобы они, бедные, через год заболели и умерли. Тоже недолго, тоже все это очень трудоемко.

За эти исследования Прузинер в конце концов получил Нобелевскую премию, что я считаю совершенно справедливым, поскольку он практически ввел новый принцип, хотя не он его придумал, но он его доказал — прионный принцип, что инфекция может происходить без ДНК и РНК.

Затем следующий заметный эпизод: в середине 1990-х годов прион показал свою силу и опасность. Была известная история с эпидемией бешенства коров, которая произошла в Великобритании в середине 1990-х годов. Дело в чем? Экономные британцы в рацион своим коровам добавляли измельченную костную муку, то есть останки других животных. И в какой-то момент оказалось, что некоторые из этих животных имели прионную болезнь. Здесь-то все и началось. Оказалось по ходу, что человек также восприимчив к коровьему приону, хотя и не очень сильно восприимчив, но тем не менее. Почти 300 человек заразились прионной болезнью, поедая говядину. И надо сказать, что все они умерли: эта болезнь не имеет лечения.

Кроме того, был нанесен весьма приличный урон животноводству Великобритании, счет шел на миллиарды фунтов. Многие тысячи коров были убиты, сожжены в печах. Но эпидемию удалось легко преодолеть, следуя заветам, наработанным еще Гайдушеком, а именно — не употреблять в пищу тех веществ, которые могут быть заражены. Но вылечить, понятное дело, никого не удалось.

Поскольку я перечислил несколько прионных болезней, по-разному называющихся у разных животных, то будет уместно сказать, что все прионные болезни млекопитающих и человека фактически связаны с одним-единственным белком, называемым PrP. Несмотря на это, болезнь может иметь разные проявления, и эти проявления зачастую называют штаммами приона. То есть в дополнение ко всему у этой инфекции, как бы она ни была проста, есть еще какая-то штаммовая вариация, и этим определяются немного различные проявления болезни.

Виталий Кушниров, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник Лаборатории молекулярной генетики Института биохимии им. А.Н. Баха РАН.
ПостНаука

К неклеточным формам жизни относятся вирусы, вироиды и прионы. Согласно одной из точек зрения, их считают неживыми и рассматривают как молекулярные инфекционные агенты, которые не живут сами, а лишь изменяют жизнедеятельность клеток-хозяев.

Первым искусственно созданным вирусом стал вирус полиомиелита, разработанный в университете Нью-Йорка в 2002 г.

Введение бактериофагом своей нуклеиновой кислоты в цитоплазму клетки-хозяина:

5 — хвостовые нити;

6 — нуклеиновая кислота бактериофага

Попадание вируса в клетку обеспечивает его оболочка. Сама она или остается снаружи клетки, или утрачивается после проникновения вириона внутрь клетки.

Репликация вирусов осуществляется специальными ферментами. Особенностью РНК-содержащих ретровирусов является наличие фермента обратной транскриптазы, синтезирующей ДНК по РНК. Вирусная ДНК встраивается в хромосомную ДНК клетки. На матрице такой вирусной ДНК синтезируется новая вирусная РНК, которая определяет синтез вирусных белков, образующих капсид.

Вирусная инфекция может проходить различными путями:

1. Острая (литическая) инфекция. Вирус активно размножается, в клетке образуются новые вирусные единицы. При их массовом выходе клетка-хозяин, как правило, погибает.

2. Носительство. Вероятно, самая распространенная форма взаимодействия вируса и клетки-хозяина. При попадании в клетку вирус начинает размножаться, он встраивается в генетический аппарат клетки и становится его составляющей. При этом происходит репликация вирусной нуклеиновой кислоты в составе клеточной ДНК во время деления клетки. Болезнетворное действие вируса никак не проявляется, и новые вирусные частицы не образуются. Вирус может переходить в острую инфекцию (иногда через много лет) в результате общего ослабления организма.

3. Стойкая инфекция. Вирус размножается в клетке, но вирусные частицы покидают клетку постепенно, не разрушая, а лишь изменяя ее функционирование.

Как внутриклеточные паразиты, вирусы поражают любые клетки. Значительный вред они наносят сельскохозяйственным растениям, вызывая образование пятен на листьях, наростов и опухолей. К опасным вирусным болезням растений относятся мозаичная болезнь табака, томатов, огурцов, скручивание листьев, карликовость, и т. д. Бактериофаги могут наносить значительный ущерб промышленным культурам бактерий. Их можно использовать для борьбы с бактериальными инфекциями, такими как дизентерия, холера, брюшной тиф. Многие вирусы являются возбудителями опасных инфекций человека и других животных. Они вызывают ящур, чуму свиней и птиц, инфекционную анемию лошадей, рак и т. д. В число опасных для человека вирусов входят возбудители ВИЧ, гриппа, кори, оспы, полиомиелита и др.

Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ):

1 — РНК; 2 — белковый капсид; 3 — липопротеиновая мембрана

Бактериофаги — классический объект молекулярной биологии.

Вирусы могут передаваться различными путями: воздушно-капельным, с пищей, при непосредственном физическом контакте, через переносчиков (кровососущих беспозвоночных и т. п.). Некоторые вирусы попадают в организм человека при использовании плохо продезинфицированных медицинских инструментов, переливании крови и т. д.

Существует несколько механизмов защиты организма от вирусной инфекции. Вирусы, проникающие во внутреннюю среду животных, поглощаются лейкоцитами. Это вызывает иммунный ответ и синтез антител. Антитела связывают антигены (в данном случае вирусы) и запускают процесс удаления этих комплексов. Именно с формированием антител определенного типа связано формирование длительного иммунитета после перенесения некоторых болезней. С этой же целью используют вакцины, содержащие ослабленные, убитые вирусы или их определенные участки. Во время заболевания применяют лечебные сыворотки — жидкости, содержащие готовые антитела, которые получают из крови людей (или других животных), перенесших эту вирусную инфекцию. Они не обеспечивают длительный иммунитет. Известны сыворотки против гепатита, бешенства и т. д.

В зараженных клетках часто запускается механизм апоптоза (запрограммированной гибели клетки), что препятствует распространению вирусов. При контакте с вирусом клетки могут продуцировать противовирусные белки — интерфероны.

Интерфероны применяют для профилактики и лечения вирусных болезней. Однако излишнее их количество в организме может вызвать заболевания щитовидной железы и других органов. Как правило для лечения человека используют интерферон, который получают при заражении культуры клеток человека или генно-инженерным путем.

Характеристики некоторых вирусных заболеваний человека представлены в таблице.

Фото: M24.ru/Евгения Смолянская

За свою историю человечество сталкивалось с огромным количеством войн, эпидемий, стихийных бедствий и других катаклизмов. В XXI веке, когда с эпидемиями, казалось, было покончено, у человечества появился новый вызов – прионы. Что это такое, чем они грозят людям и почему прионами так интересуются ученые всего мира – в материале M24.ru.

Ты помнишь, как все начиналось

В двадцатые годы прошлого столетия врачи столкнулись с новым и неизведанным доселе заболеванием. Немецкий невропатолог Ганс Герхард Крейтцфельдт наблюдал в своей клинике одну пациентку – 20-летнюю девушку. На начальной стадии болезни у нее была нарушена чувствительность в руках и ногах, быстро прогрессировали расстройства памяти, нервной деятельности, больная все чаще впадала в бессознательное состояние. Через несколько месяцев девушка умерла от расстройств дыхания и сердечной деятельности. Невропатолог, который в будущем станет видным нацистским врачом и будет принимать участие в программе "Эвтаназия", задокументировал ход болезни.

Спустя несколько месяцев доктор Альфонс Мария Якоб из Гамбурга столкнулся с тремя аналогичными пациентами. Молодые люди страдали от расстройств нервной деятельности, глотания, практически не осознавали происходящее вокруг и вскоре умерли. При вскрытии Якоб увидел интересное явление, которое раньше врачам наблюдать не приходилось, – поражен у больных был только мозг. Была зафиксирована массовая гибель клеток серого вещества головного мозга, а сохранившиеся нейроны отличались необычным набуханием. Ни в одном другом органе не было зафиксировано никаких патологических изменений. В память о двух первооткрывателях заболевание получило название болезни Крейтцфельдта – Якоба.

В те далекие годы вирусология как наука находилась еще в зачаточной стадии. Поэтому заболеванию было суждено долгое время оставаться в забвении. Этому поспособствовали Великая депрессия и Вторая мировая война. И лишь в пятидесятые годы прошлого века ученые начали активно интересоваться, что же все-таки происходит с людьми, которым не посчастливилось подхватить болезнь Крейтцфельдта – Якоба.

В то же время ученые открывают еще два заболевания, которые по своим симптомам и течению весьма и весьма напоминают описанный выше страшный недуг – куру и скрейпи. Первая болезнь была распространена среди народности форе на острове Папуа – Новая Гвинея, а вторым страдали овцы по всему миру. Но важным оказалось другое: симптомы болезней несколько отличались от болезни Крейтцфельдта – Якоба, но характер поражений был практически идентичен – образование пустот в тканях головного мозга и массовая гибель нервных клеток.

Казалось бы, все ясно. Имеется болезнь, ее вызывает какой-то вирус или бактерия, давайте разберемся, кто является возбудителем и устраним причину. Но не тут-то было! Все оказалось не так просто.

"Познавательные фильмы": Вакцины

Исследования

Ученым удалось достаточно быстро установить, почему болеют папуасы. Выяснилось, что заболевают только те из них, кто участвовал в ритуальном поедании тел погибших от куру родственников. Согласно местным верованиям того времени, дети должны были обязательно отведать мозга умершего, считалось, что от этого у них прибавится ума. Неизвестно, прибавлялось ли у детей от этого ума, но все малолетние, участвовавшие в таких трапезах, обязательно оказывались зараженными куру.

Особенно масштабные исследования развернулись с агентом скрейпи. Для начала определили его размеры, они оказались стандартными для вирусов – 17–27 нанометров. После этого вирусологи всего мира стали разбираться в свойствах неизвестного возбудителя заболевания, и тут их ждали сюрпризы. Оказалось, что инфекционный агент совершенно невосприимчив к формалину, пепсину и трипсину, не реагирует на ферменты, разрушающие ДНК и РНК, устойчив к кипячению, ультрафиолетовому излучению и. проникающей радиации! С такими вирусами ученым сталкиваться еще не приходилось.

Фото: M24.ru/Александр Авилов

Больше того, возбудителя заболевания никак не удавалось увидеть в электронный микроскоп, что было уж совсем странно. В то время ученые уже умели распознавать вирусные частицы намного мельче, чем 17 нанометров, но вирус скрейпи (почесуха) так никто и не увидел – наблюдали лишь фрагменты клеточных мембран.

Еще одной интересной загадкой оказалось всякое отсутствие иммунного ответа организма больных. Организм людей, больных куру, и овец, страдавших от скрейпи, никак не реагировал на течение заболевания. При обычных болезнях, вроде гриппа и простуды, в организме увеличивается синтез интерферона (отвечает за иммунитет), что ведет к быстрому выпуску антител, которые соединяются с вирусными частицами и растворяют их. Ученые пытались обнаружить признаки хоть каких-либо антител, но потерпели неудачу.

Отчаявшиеся исследователи начали выдвигать гипотезы, что возбудителем является не вирус, а молекула полисахарида или же белка, но подтверждения эта версия так и не нашла. Ученые топтались на месте, пока в 1982 году американский невролог Стэнли Прузинер не заявил об открытии нового класса инфекционных агентов – прионах.

Что такое прион

До открытия прионов считалось, что болезни человека и животных могут вызываться исключительно живыми организмами или хотя бы вирусами, содержащими нуклеиновую кислоту. Однако все оказалось не так просто. Прион – это особый вид белка, который присутствует в любом человеческом организме.

Выяснилось, что либо под воздействием непонятных факторов, либо из-за мутаций в организме некоторых людей нормальный прионный белок, входящий в состав клеточных мембран, заменяется "неправильным". Второй вид прионного белка имеет другую структуру, вызывает гибель клеток, но самое интересное – способен самостоятельно размножаться (без каких-либо ДНК и РНК!) и менять нормальные прионы в соседних клетках на дефектные.

"Познавательный фильм": Вирусы и защита от эпидемий

Таким образом, прионы оказались единственным видом инфекционных агентов, которых никак нельзя причислить к живым существам. Ведь, по своей сути, они не содержат никакой генетической информации и самостоятельно синтезируются организмом.

Естественно, исследователей заинтересовал самый главный вопрос – а зачем вообще в человеческом организме нужны прионы? В настоящее время известно уже достаточно много прионных болезней. Все они являются экстремально редкими, самая распространенная – болезнь Крейтцфельдта – Якоба – наблюдается у одного из миллиона человек. Также известно о синдроме Герстманна – Штраусслера – Шайнкера, фатальной семейной бессонице и куру. Некоторые исследователи включают в группу прионных заболеваний человека также болезнь Альперса у детей, амиотрофический лейкоспонгиоз (описан белорусскими учеными в конце прошлого века, болели работники одной из ферм) и спонгиоформный миозит (мышечное истощение).

Все эти заболевания являются смертельными, и лекарств от них пока не предложено. Но все же зачем организм синтезирует прионы? Какую он отводит роль для них?

Зачем нужны прионы?

В 70-е годы прошлого века два английских исследователя – Паттисон и Джебет – изучали на мышах действие вещества под названием купризон. В нормальных условиях оно связывает в организме ионы меди. Животным включили купризон в обязательную диету с целью посмотреть, какое действие он произведет на грызунов. И поразились! После 30 с лишним дней купризоновой диеты совершенно здоровые до этого мыши превратились в тяжелобольных. Причем все признаки заболевания полностью отвечали симптомами скрепи. Часть мышей, участвовавших в эксперименте, вскрыли и посмотрели – оказалось, что в головном мозгу животных произошли абсолютно те же изменения, что и при прионных болезнях.

Возник вопрос: а что если купризон мышам больше не давать? Попробовали – и через несколько дней грызуны выздоровели. Уже через 30 дней у них исчезли и вызванные купризоном изменения в мозговой ткани.

Спустя много лет было выяснено, что прионы весьма и весьма похожи на положительно заряженные частицы двухвалентной меди. И изменения, которые они вызывают в организме, практически идентичны. Таким образом, исследователи сделали вывод о том, что в нормальном состоянии прионы отвечают за оборот металлов, в частности меди. Но эти данные пока остаются лишь гипотезой.

Фото: ТАСС/Станислав Красильников

Еще одна группа американских исследователей принялась копать в другом направлении. Им удалось получить данные, что прионы помогают клеткам мозга прикрепляться друг к другу и участвуют в передаче сигналов внутри клетки. Это означает, что отсутствие прионов или их дефекты не позволяют клеткам мозга получать сигнал о других клеток, что ведет к развитию тяжелых нарушений в работе нервной и других систем организма.

Но самым интересным является предположение о том, что прионы участвуют в механизмах клеточного старения. Не секрет, что долгое время прионные болезни относили к группе старческих болезней, потому что вызываемые ими изменения весьма сходны с другими заболеваниями (вроде болезни Пика, Альцгеймера и других неврологических недугов). Наличие прионной инфекции как бы подталкивает организм к ускоренному старению. Естественно, это ставит очень важный вопрос: если лекарство от таких болезней будет найдено, не станет ли оно своеобразным ключом к долголетию или даже бессмертию организма? Но ответ на этот вопрос пока дать невозможно, поскольку функции прионов изучены еще недостаточно хорошо.

Способы заражения

В заключение поговорим о способах заражения. Их четыре. В первом и самом распространенном случае заболевание возникает как бы из ниоткуда. То есть жил себе человек, да вдруг взял и заболел. Этот путь возникновения болезни называется спорадическим и, кстати сказать, является наиболее распространенным. По нынешним представлениям, это происходит спонтанно под действием каких-то пока не установленных факторов.

Второй способ – наследственный. Некоторые виды болезней являются семейными и возникают из-за мутаций. В свою очередь, гены передаются потомству. Известно около 40 семей, страдающих фатальной бессоницей. Каждый десятый страдающий болезнью Крейтцфельдта – Якоба – страдает семейной формой этого заболевания.

Фото: M24.ru/Михаил Сипко

Третий способ – ятрогенный. Это означает, что заражение прионами произошло по вине медицинских работников при проведении каких-либо оперативных вмешательств. Однако описаны лишь несколько таких случаев, и все они произошло в 70-е годы прошлого века, когда о свойствах прионов еще никто не знал. Так, одна женщина заболела после того, как ей пересадили роговицу глаза от страдавшего болезнью Крейтцфельдта – Якоба мужчины.

А вот последний способ наиболее коварен и опасен. Дело в том, что человек восприимчив к прионам, которые поражают крупный рогатый скот. И при употреблении в пищу мяса больных животных заболевают и люди – у них развивается болезнь Крейтцфельдта – Якоба. В девяностые годы прошлого века настоящая эпидемия этого страдания разразилась в Англии.

Лечения пока нет. Однако ученые уже выяснили, что некоторые виды прионов разлагаются лишайниками, другим удалось описать особые антиприонные антитела (к инфекционным прионам).

Иными словами, перед исследователями стоит весьма непростая задача, которая не только поможет найти лекарство от тяжелых заболеваний, но и, возможно, поможет открыть секрет долголетия. Для этого нужно только одно – понять прионы.

Прототипом прионной болезни было трансмиссивное нейродегенеративное заболевание овец — таинственная смертоносная скрейпи (или почесуха овец). Ранние исследования показали, что агент скрейпи необычайно устойчив к лечению, которое нейтрализует другие патогены, и может годами оставаться на пастбищах. То, что агент скрейпи проявляет устойчивость, в частности, к радиации, привело к тому, что в 1960-х годах Дж. С. Гриффит и Тиквах Альпер предположили, что он представляет собой новый класс патогенов, который не имеет собственного нуклеинового генома и может быть аномальной самовоспроизводящейся формой белка или мембраны. Между тем описания патологии мозга, вызванной человеческой болезнью куру в Папуа — Новой Гвинее, которые выполнил Карлтон Гайдушек, привели Уильяма Хэдлоу к мысли, что куру похожа на скрейпи овец, и Хэдлоу порекомендовал, чтобы куру испытали на передаваемость от людей к другим приматам. Гайдушек успешно проделал эту работу и показал, что люди племени форе заболевали куру во время ритуальных каннибалистских праздников. Яркой особенностью куру и других прионных заболеваний, часто скрывавшей их причины, является длительный инкубационный период между заражением и появлением клинических признаков, который у людей может превышать четыре десятилетия.

Моя лаборатория в сотрудничестве с Питером Лэнсбери показала, что связанные с заболеваниями формы PrP сами могут вызвать трансформацию нормальных молекул PrP в аномальные формы. В этих реакциях превращения мы выявили поразительные биохимические особенности, которые помогли объяснить характеристики известных штаммов прионов и барьеры их передачи между разными видами. Однако, чтобы однозначно доказать, что прионы состоят из повторно свернутых агрегатов PrP и им не нужны специфически-прионные нуклеиновые кислоты, потребовалось разработать методы непрерывной бесклеточной амплификации прионов или реакции образования прионов de novo. Они первоначально были созданы лабораториями Сото, Супаттапоне и Прузинера в 2000-х годах; до того времени было трудно полностью исключить вероятность того, что эти заболевания вызваны неопознанными вирусами.

К сожалению, многие из стандартных методов, на которых долгое время базировались исследования обычных патогенов, — генетика патогенов, серология, рентгеноструктурный анализ, спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) — чрезвычайно трудно применить к прионам. Без каких-либо специфических патогенных генов, которые можно было бы секвенировать или подвергнуть мутации, многие стандартные генетические и обратные генетические подходы к выявлению структуры и функции патогенов не работают. Поскольку прионы состоят из белков организма-хозяина, иммунный ответ хозяина на патоген очень мал; таким образом, провести простое серологическое обнаружение прионных инфекций, основанное на взаимодействии с антителами, очень сложно. Кроме того, прионы млекопитающих, как правило, плотно упакованы, сильно гликозилированы и связаны с другими молекулами организма-хозяина, и поэтому даже специфические прионные конформационные эпитопы (поверхности, распознаваемые антителами) на агрегатах PrP трудно обнаружить и использовать. Все попытки определить трехмерные структуры прионов на протяжении уже долгого времени заходят в тупик, так как очищенные прионы имеют агрегированный, но некристаллический характер.

В течение многих лет единственным способом обнаружения и анализа прионов млекопитающих был биоанализ животных, который даже на самых быстрых моделях — грызунах — длился от нескольких месяцев до одного года. В конкретном организме разные штаммы обычно можно различить по периодам инкубации, невропатологическим паттернам и биохимическим признакам связанных с болезнью отложений PrP или прионов.

К счастью, в последнее время были разработаны мощные бесклеточные амплификационные анализы прионов, такие как циклическая амплификация прионной формы белка (PMCA), вибрационно-индуцированный конверсионный анализ в режиме реального времени (RT-QuIC) и анализ клеток скрейпи. Эти методы основаны на присущем прионам механизме репликации. И PMCA, и RT-QuIC чрезвычайно чувствительны: они могут усилить присутствие прионов в триллион раз, почти до точки обнаружения нескольких прионных частиц. Реакции PMCA распространяют инфекцию прионов, тем самым отражая и освещая многие аспекты прионной биологии, в то время как анализы RT-QuIC, как правило, не распространяют полностью инфекционные прионы, но обеспечивают более быстрые, более практичные и более высокопроизводительные методы их обнаружения, и, таким образом, они стали самыми современными инструментами в диагностике прионных заболеваний. Как PMCA, так и RT-QuIC в некоторых случаях помогают различать важные штаммы прионов у определенных видов организмов-хозяев.

В выявлении базовой структуры прионов наблюдается медленный прогресс. При помощи полупроводниковых ЯМР-исследований была обнаружена молекулярная архитектура некоторых прионов грибов и прионоподобных фибриллярных структур PrP млекопитающих. Электронная кристаллография, дифракция волокон и криоэлектронные микроскопические исследования помогли описать ключевые структурные ограничения прионов млекопитающих, но применение этих и, возможно, других структурных биологических методов еще нужно улучшить.

Разобраться в структуре и механизмах репликации прионов млекопитающих, по крайней мере на молекулярном уровне, крайне сложно. Сначала нужно объяснить, как неправильно свернутые белки могут распространяться в роли патогенов, не перенося своего собственного нуклеинового генома. Затем следует также объяснить, как белки с единой последовательностью аминокислот, такие как PrP того или иного животного-хозяина, могут образовывать разные штаммы прионов, которые исправно распространяются и вызывают различные фенотипы болезни без генетических мутаций, объясняющих вариации штаммов в обычных патогенах.

Множество исследований указывает на то, что прионы млекопитающих — это упорядоченные скопления нескольких молекул PrP, плотно упакованных и часто фибриллярных или нитевидных. Молекулы PrP (мономеры) в прионах по сравнению с нормальными свободными молекулами PrP пересвернуты практически полностью. Когда правильные молекулы PrP включаются в растущие прионные агрегаты, эти агрегаты вызывают их рефолдинг, причем прионы действуют как штамм-специфические шаблоны или затравки, которые каким-то образом придают свои собственные аберрантные формы каждой входящей молекуле, контролируя стабильную репликацию своего штамма.

За рамками этого грубого описания детали структуры и распространения прионов на молекулярном уровне остаются неясными. Также нерешенным остается вопрос о том, как прионы распространяются за пределы исходного места заражения в организме-хозяине. Существующие данные свидетельствуют о том, что наиболее эффективная межклеточная передача прионов связана с мембранозными структурами, такими как экзосомы или туннелирующие нанотрубки, — скорее всего, потому, что прионы обычно связаны с мембранами липидными якорями; однако возможность этих мембранных структур способствовать распространению прионов in vivo еще предстоит определить. Очень важно понять механизмы распространения прионов, поскольку способности различных неправильно свернутых белковых агрегатов распространяться внутри и между клетками, тканями и индивидами определяют то, действуют ли они как инфекционные патогены или являются относительно безобидными сбоями белкового метаболизма.

Многие виды млекопитающих, включая людей, низших приматов, крупный рогатый скот, овец, коз, оленей, лосей, кошек, норок, грызунов и различных экзотических копытных, восприимчивы к прионным заболеваниям PrP. Но такими являются не все виды: собаки и лошади, судя по всему, представляют собой заметные исключения. Разные виды обычно экспрессируют несколько разные нормальные молекулы PrP, и различия в аминокислотной последовательности PrP могут сильно влиять на восприимчивость хозяина к входящим прионным инфекциям. Например, люди, как известно, до некоторой степени восприимчивы к губчатой энцефалопатии крупного рогатого скота (ГЭКРС), но, по-видимому, устойчивы к скрейпи овец и, насколько нам известно, хронической изнуряющей болезни оленей. По какой-то причине лесные полевки и беличьи обезьяны необычайно восприимчивы к широкому спектру прионных инфекций других видов.

Механизмы, с помощью которых прионные инфекции вызывают нейродегенеративные заболевания, нам пока неизвестны. Агрегаты различных прионных штаммов в организмах-хозяевах разных видов могут накапливаться преимущественно в разных областях центральной нервной системы и вызывают ряд невропатологических расстройств. Очевидно, что конечным эффектом по крайней мере частичного повреждения является сбой в работе нейронов и их потеря, что вызывает множество клинических симптомов и приводит к летальному исходу. Известно, что ряд нейрофизиологических процессов и путей нарушается, но многое еще предстоит определить относительно того, связаны ли такие нарушения с прямой или косвенной токсичностью прионов и в какой степени та или иная недостаточность или комбинация недостаточностей наиболее ответственна за кончину больного.

У людей причины прионных заболеваний могут быть генетическими (из-за специфических мутаций гена PrP), приобретенными (вызванными заражением — например, воздействием куру, ГЭКРС или другим содержащим прионы материалом) или спорадическими (неизвестного происхождения; обычно предполагается, что они обусловлены спонтанным образованием прионов у конкретного индивидуума). Подавляющее большинство прионных заболеваний человека являются спорадическими, и среди них наиболее распространена спорадическая болезнь Крейтцфельдта — Якоба (sCJD), заболеваемость которой в год во всем мире составляет примерно один случай на миллион населения. Ряд различных мутаций в гене PrP может вызывать множество семейных прионных заболеваний, при этом некоторые мутации являются полностью пенетрантными (всегда вызывающими болезнь у носителей мутации), а другие — менее пенетрантными. Клинические симптомы и прогрессирование болезни могут заметно различаться в разных организмах-хозяевах и при разных типах прионных заболеваний, но могут включать деменцию, расстройство координации, бессонницу, галлюцинации, жесткость мышц, спутанность сознания, усталость и затрудненность речи.

В последнее время были достигнуты значительные успехи в том, чтобы точно и относительно неинвазивно диагностировать прионные заболевания человека у живых пациентов на основе новых прион-специфических тестов мазков из носа, спинномозговой жидкости, крови, мочи или кожи. Например, RT-QuIC-тестирование спинномозговой жидкости и/или материалов назальной щеточной биопсии может достигать 100% точности при диагностике спорадической болезни Крейтцфельдта — Якоба. Эти тесты выгодны потому, что измеряют возбудителей прионной болезни, но они еще не полностью проверены и не рекомендованы официально такими организациями, как ВОЗ. В остальном диагностика спорадических прионных заболеваний у людей зависит в первую очередь от совокупности клинических признаков, результатов сканирования мозга, электроэнцефалограмм и других биомаркеров, которые вместе могут иметь высокую диагностическую чувствительность, но не полностью специфичны для прионных болезней.

Несмотря на описанные выше недавние успехи в разработке новых прионных тестов, действующие руководящие принципы таковы: для окончательной диагностики спорадического или приобретенного прионного заболевания необходимо невропатологическое исследование тканей головного мозга, полученных в результате биопсии (что редко) или аутопсии. Полагаю, в скором времени эти рекомендации будут изменены, в них будут включены новые, менее инвазивные прижизненные тесты для выявления прионов. К сожалению, несмотря на то, что этот прогресс в раннем диагностировании прионных болезней должен улучшить перспективы разработки и применения терапевтических средств, в настоящее время доступных методов лечения, которые доказали бы свою эффективность в клинических испытаниях, не существует.

Действительно, последний вопрос представляет собой важный рубеж в изучении многих заболеваний, связанных с неправильным образованием белков, особенно тех, которые связаны с патогенным накоплением аномальных фибриллярных белковых отложений (например, амилоидных фибрилл и бляшек). Эти болезни включают в себя болезни Альцгеймера, Паркинсона и Гентингтона, а также боковой амиотрофический склероз, лобно-височные деменции, хроническую травматическую энцефалопатию и диабет второго типа. Различные белки организма-хозяина образуют скопления при этих и многих других заболеваниях, но, как и прионы, такие скопления обычно растут за счет включения в затравку нормальных растворимых молекул белка. Таким образом, потенциал для прионоподобного распространения белков существует на молекулярном уровне. Также растет количество доказательств того, что множество различных связанных с болезнями белковых отложений может расти и распространяться так же, как и прионы, вызывая патологии после инокуляции в локализованные участки у подопытных животных.

Результаты этих исследований поднимают насущные вопросы о том, могут ли многочисленные заболевания, основанные на повторном фолдинге белка, — а они зачастую гораздо более распространены, чем прионные заболевания, основанные на PrP, — быть переданы людям или животным в реальных условиях. Болезнь Крейтцфельдта — Якоба передается между людьми через трансплантацию тканей, инъекции гормонов, полученных от трупов, переливание крови и зараженные медицинские инструменты. Вторым фактором в таких ятрогенных передачах является тот факт, что прионы часто не полностью инактивируются стандартными процедурами клинической дезинфекции.

Еще предстоит установить, могут ли быть определены другие типы потенциально прионоподобных, ассоциированных с болезнями агрегатов белка, которые также могут быть устойчивы к инактивации и при этом способны инициировать или ускорять патогенные процессы у людей. Я не знаю никаких эпидемиологических указаний на то, что это так, но дальнейшее тщательное изучение этого вопроса кажется оправданным.

Читайте также:

Пожалуйста, не занимайтесь самолечением!
При симпотмах заболевания - обратитесь к врачу.