Все известные возбудители инфекций — бактерии, грибы, паразиты, вирусы — содержат нуклеиновую кислоту, в которой записана информация для их размножения. Прионы — исключение: это белки, способные «размножаться» без ДНК и РНК, заставляя нормальные молекулы того же белка принимать неправильную форму. Прионы вызывают смертельные болезни мозга человека и животных. Но выяснилось, что тот же механизм — передача формы от белка к белку — используется и в нормальной жизни клеток, а также участвует в болезнях Альцгеймера и Паркинсона. В статье по порядку разобраны: что такое прион, как он размножается, какие болезни вызывает, как его открыли, почему прионы так устойчивы, функциональные прионы у дрожжей и животных и прионоподобные белки при нейродегенеративных болезнях.
- 1. Что такое прион
- 2. Как прион размножается
- 3. История открытия
- 4. Прионные болезни
- 5. Почему прионы так устойчивы
- 6. Штаммы и видовой барьер
- 7. Прионы дрожжей
- 8. Полезные прионы и амилоиды
- 9. Прионоподобные белки при болезнях мозга
- 10. Что нужно знать к ЕГЭ
- 11. Для олимпиад
- Задания с разбором
1. Что такое прион
Прион (от англ. «белковая инфекционная частица») — белок в неправильной пространственной форме, способный превращать в такую же форму нормальные молекулы того же белка.
У человека и млекопитающих прионный белок называется PrP. Его нормальная форма — PrPC («клеточная») — есть на поверхности многих клеток, особенно нейронов; белок прикреплён к наружной стороне плазмалеммы. Его функции изучены не до конца; предполагают участие в поддержании миелина и в связывании ионов меди. Болезнетворная форма — PrPSc (от «скрейпи» — болезни овец).
| Признак | PrPC (нормальный) | PrPSc (прион) |
|---|---|---|
| Первичная структура | Та же самая | Та же самая |
| Вторичная структура | Преобладают α-спирали | Преобладают β-слои |
| Растворимость | Растворим, существует в виде отдельных молекул | Нерастворим, образует агрегаты и нити (амилоидные фибриллы) |
| Чувствительность к протеазам | Легко расщепляется | Устойчив |
| Инфекционность | Нет | Есть |
Главное: прион и нормальный белок имеют одинаковую последовательность аминокислот и кодируются одним геном хозяина. Различается только пространственная укладка цепи. Это опровергает упрощённое представление «одна последовательность — одна форма»: одна и та же цепь может иметь две устойчивые укладки.
2. Как прион размножается
- Молекула или агрегат PrPSc контактирует с нормальной молекулой PrPC.
- Нормальная молекула присоединяется к краю агрегата и перестраивается, принимая β-структуру, — агрегат служит шаблоном (матрицей) для изменения формы.
- Нить (фибрилла) удлиняется. Когда она разламывается, образуются два новых «зародыша», и число шаблонов растёт.
- Нормальный белок постоянно синтезируется клетками, поэтому «сырья» для превращения всегда достаточно; прионов становится всё больше.
Таким образом, прион передаёт не информацию о последовательности (как нуклеиновые кислоты), а информацию о форме. Мыши, у которых выключен ген Prnp (нет нормального белка PrPC), не заболевают при заражении прионами: им нечего превращать.
3. История открытия
- XVIII век. В Европе описана скрейпи — болезнь овец, при которой животные чешутся о заборы («скребутся»), теряют координацию и погибают.
- 1950-е годы. Американский врач Карлтон Гайдузек изучал куру — болезнь народа форе в Папуа — Новой Гвинее. Болезнь передавалась при ритуальном поедании умерших родственников. После прекращения обычая заболеваемость резко снизилась. Гайдузек показал, что куру передаётся шимпанзе через многие месяцы и годы после заражения (Нобелевская премия 1976 года). Возбудителя считали «медленным вирусом».
- 1960-е годы. Тиквах Альпер обнаружила, что возбудитель скрейпи не теряет инфекционности при дозах ультрафиолета и ионизирующего излучения, разрушающих любую нуклеиновую кислоту. Математик Джон Гриффит в 1967 году предположил, что возбудителем может быть белок, способный изменять форму других белков.
- 1982 год. Стэнли Прузинер выделил инфекционную фракцию и показал, что она состоит в основном из белка, разрушается при обработке, денатурирующей белки, и не разрушается нуклеазами. Он ввёл термин «прион». Позже был найден ген белка у самого хозяина. Нобелевская премия 1997 года.
4. Прионные болезни
Прионные болезни — трансмиссивные губчатые энцефалопатии: в мозге образуются мелкие пустоты, и под микроскопом ткань напоминает губку. Нейроны гибнут, развивается слабоумие, нарушение движений; болезни всегда смертельны, лечения нет. Инкубационный период — годы и десятилетия.
| Болезнь | Кто болеет | Происхождение |
|---|---|---|
| Скрейпи | Овцы, козы | Передаётся между животными |
| Губчатая энцефалопатия крупного рогатого скота («коровье бешенство») | Коровы | Распространилась в Великобритании в 1980-е годы через мясо-костную муку из переработанных туш, добавлявшуюся в корм |
| Хроническая изнуряющая болезнь | Олени, лоси | Передаётся между животными в дикой природе (Северная Америка, Скандинавия) |
| Болезнь Крейтцфельдта — Якоба | Человек | Спорадическая (самопроизвольная, около 85 % случаев, примерно один на миллион человек в год); наследственная (мутации гена PRNP); приобретённая (медицинские инструменты, препараты гормона роста из гипофиза умерших) |
| Вариант болезни Крейтцфельдта — Якоба | Человек | Заражение от больных коров при употреблении мяса; около 230 случаев, в основном в Великобритании |
| Куру | Народ форе | Ритуальное поедание умерших |
| Фатальная семейная бессонница | Человек | Наследственная мутация гена PRNP |
Таким образом, прионные болезни уникальны: одна и та же болезнь может быть инфекционной, наследственной и спорадической. Наследственные формы вызывают мутации, облегчающие переход белка в прионную форму; спорадические — случайное неправильное сворачивание.
5. Почему прионы так устойчивы
Агрегаты PrPSc построены из плотно упакованных β-слоёв, соединённых множеством водородных связей вдоль оси нити. Такая структура:
- не разрушается протеазами, поэтому прион не переваривается в кишечнике и сохраняется в тканях;
- выдерживает обычное кипячение и стерилизацию, ультрафиолет и ионизирующее излучение, формалин;
- не вызывает иммунного ответа: это «свой» белок с той же последовательностью, что и нормальный.
Инструменты, контактировавшие с тканью мозга больных, обеззараживают обработкой концентрированной щёлочью или автоклавированием при 134 °C длительное время, а нередко просто уничтожают.
6. Штаммы и видовой барьер
У прионов, как у вирусов, есть штаммы — варианты с разным инкубационным периодом и поражением разных областей мозга. Но у прионов нет нуклеиновой кислоты. Различия штаммов — это разные варианты неправильной укладки одной и той же цепи. Каждая укладка воспроизводит сама себя.
Заражение от животного другого вида происходит хуже, чем от своего, — это видовой барьер. Он возникает из-за различий в последовательности PrP: шаблон хуже «подходит» к чужой молекуле. На восприимчивость человека влияет и собственный полиморфизм гена: в положении 129 белка может быть метионин или валин. Почти все заболевшие вариантом болезни Крейтцфельдта — Якоба были гомозиготны по метионину; гетерозиготы более устойчивы, потому что молекулы двух вариантов хуже встраиваются в общие агрегаты. У народа форе после эпидемии куру гетерозиготы оказались чаще, чем ожидалось, — пример естественного отбора в человеческой популяции.
7. Прионы дрожжей
У пекарских дрожжей обнаружены белки, ведущие себя как прионы: они переходят в агрегированную форму, которая передаётся при делении клеток в цитоплазме и наследуется не по законам Менделя.
- Прион [PSI+] — агрегированная форма белка Sup35, участвующего в остановке синтеза белка на стоп-кодонах. Когда Sup35 собран в агрегаты, рибосомы чаще «проскакивают» стоп-кодоны, и синтезируются удлинённые белки. Это меняет свойства клеток.
- Прион [URE3] — агрегированная форма белка Ure2, регулирующего обмен азота.
В 1994 году Рид Уикнер предположил, что необычно наследуемые признаки дрожжей объясняются прионами. Большой вклад в изучение дрожжевых прионов внесла ленинградская (петербургская) школа генетики под руководством Сергея Георгиевича Инге-Вечтомова; выпускник этой школы Юрий Чернов показал, что для поддержания [PSI+] необходим белок-шаперон Hsp104, разрезающий агрегаты на «зародыши».
Дрожжевые прионы не вредны однозначно: в некоторых условиях клетки с [PSI+] выживают лучше, потому что синтезируют новые варианты белков. Возможно, прионы служат дрожжам механизмом быстрой «пробы» новых признаков без изменения ДНК.
8. Полезные прионы и амилоиды
Белковые нити из β-слоёв, подобные прионным, называют амилоидами. Долго их считали только признаком болезни, но многие организмы используют их в нормальной жизни:
- у бактерий амилоидные нити (керли) входят в состав биоплёнок;
- в меланоцитах человека белок Pmel17 образует амилоидные нити, на которых откладывается пигмент меланин;
- у моллюска аплизии белок CPEB, регулирующий синтез белков в синапсах, переходит в прионоподобную форму при долговременной памяти; самоподдерживающаяся форма белка может сохранять изменение синапса;
- некоторые гормоны хранятся в секреторных гранулах в виде амилоида.
9. Прионоподобные белки при болезнях мозга
При самых распространённых нейродегенеративных болезнях в мозге тоже накапливаются агрегаты неправильно свёрнутых белков:
| Болезнь | Белок |
|---|---|
| Болезнь Альцгеймера | Бета-амилоид (бляшки вне нейронов) и тау-белок (клубки внутри нейронов) |
| Болезнь Паркинсона | Альфа-синуклеин (тельца Леви) |
| Боковой амиотрофический склероз | TDP-43, SOD1 и др. |
| Болезнь Хантингтона | Хантингтин с удлинённым участком из глутаминов |
Оказалось, что агрегаты этих белков тоже работают как шаблоны: переходят из клетки в клетку и превращают нормальные молекулы в неправильные. Поэтому поражение мозга распространяется по связанным областям в определённом порядке, как описал анатом Хейко Браак. У пациентов с болезнью Паркинсона, которым пересадили нейроны зародыша, через 10–15 лет в пересаженных клетках нашли агрегаты альфа-синуклеина — белок «перешёл» из больных клеток в здоровые. Такие белки называют прионоподобными; от настоящих прионов они отличаются тем, что не передаются между людьми при обычных контактах.
Повторить уровни структуры белка можно в статье «AlphaFold и структура белка», в уроке «Структура белка» и в тренажёре по теме 2.2.
10. Что нужно знать к ЕГЭ
- Прионы — инфекционные белки без нуклеиновых кислот; вызывают губчатые энцефалопатии.
- Прион отличается от нормального белка пространственной (вторичной и третичной) структурой, а первичная структура та же.
- Прионы не являются вирусами: у них нет генома и белковой оболочки (капсида), они не размножаются внутри клетки как вирусы.
Частые ошибки. 1) «Прионы — вирусы» — у них нет нуклеиновой кислоты. 2) «Прион отличается от нормального белка последовательностью аминокислот» — последовательность одинакова, различается укладка. 3) «Прионы размножаются делением» — нормальные молекулы превращаются в прионные по шаблону. 4) «Прионные болезни только инфекционные» — бывают также наследственные и спорадические.
11. Для олимпиад
Как доказать, что белок — возбудитель
Самое строгое доказательство — получить прион из чистого белка, синтезированного в бактериях (где нет никаких нуклеиновых кислот животного), превратить его в пробирке в неправильную форму и вызвать этим болезнь у животного. Для дрожжевых прионов это сделано в 2004 году: агрегаты, собранные из очищенного белка Sup35, вводили в клетки, и они становились [PSI+]. Для прионов млекопитающих это тоже удалось, хотя выход инфекционности был низким.
Диагностика по принципу «затравки»
Прионы трудно обнаружить: их мало, и иммунная система их не распознаёт. Методы диагностики используют способность приона служить шаблоном. Образец (например, спинномозговую жидкость) смешивают с избытком нормального белка, синтезированного в бактериях, и встряхивают циклами. Если в образце есть прион, он превращает нормальный белок, агрегаты разламываются и снова растут — подобно ПЦР для белков. Агрегаты обнаруживают по свечению красителя, связывающегося с β-слоями. Метод позволяет ставить прижизненный диагноз болезни Крейтцфельдта — Якоба.
Задания с разбором
Сначала ответьте сами, затем откройте разбор.
Задание 1
Чем прион отличается от нормального белка PrPC? Что у них общего?
Разбор
1) Общее: одинаковая первичная структура (последовательность аминокислот), кодируются одним геном. 2) Отличия: у приона больше β-слоёв и меньше α-спиралей; он нерастворим, образует агрегаты, устойчив к протеазам и нагреванию, способен превращать нормальные молекулы в прионную форму.
Задание 2
Почему прионы не вызывают иммунного ответа и почему их не удаётся уничтожить обычной стерилизацией?
Разбор
1) Прион имеет ту же последовательность аминокислот, что и собственный белок организма, и иммунная система воспринимает его как «своё». 2) Плотная β-структура агрегатов удерживается множеством водородных связей и не разрушается кипячением, обычным автоклавированием, ультрафиолетом, формалином. 3) В нём нет нуклеиновой кислоты, повреждение которой губит вирусы и бактерии.
Задание 3
Мыши без гена прионного белка не заболевают при введении прионов. Какой вывод следует из этого опыта?
Разбор
1) Для размножения прионов необходим нормальный белок хозяина: прион превращает его в свою форму. 2) Без нормального белка прион не может «размножаться». 3) Значит, болезнь вызывается превращением собственного белка, а прион служит шаблоном, а не самостоятельно размножающимся возбудителем.
Задание 4
Как распространилась губчатая энцефалопатия крупного рогатого скота в Великобритании в 1980-е годы? Какие меры остановили эпидемию?
Разбор
1) Туши животных, в том числе больных, перерабатывали в мясо-костную муку, которую добавляли в корм коровам. 2) Прионы не разрушались при переработке, и коровы заражались, поедая ткани своего же вида. 3) Запрет использования такой муки в корм жвачным, уничтожение больных животных и удаление из пищевых продуктов тканей мозга и спинного мозга коров остановили эпидемию.
Задание 5
Почему болезнь Крейтцфельдта — Якоба может быть и наследственной, и инфекционной? Объясните с точки зрения механизма.
Разбор
1) Механизм один — превращение нормального белка в прионную форму по шаблону. 2) При наследственной форме мутация гена PRNP облегчает самопроизвольный переход белка в прионную форму. 3) При инфекционной первичный шаблон попадает извне (с инструментами, препаратами, пищей). 4) При спорадической первая неправильная молекула образуется случайно.
Задание 6 (олимпиадное)
У народа форе после эпидемии куру среди выживших пожилых женщин (которые участвовали в обрядах) гетерозиготы по положению 129 гена прионного белка (метионин/валин) встречались чаще, чем ожидалось по закону Харди — Вайнберга. Объясните это.
Разбор
1) Гетерозиготы синтезируют два варианта белка, которые хуже встраиваются в общий агрегат, поэтому прион размножается медленнее, и болезнь развивается позже или не развивается. 2) Гомозиготы чаще заболевали и погибали, не дожив до старости. 3) Это естественный отбор в пользу гетерозигот (сверхдоминирование), сдвигающий частоты генотипов от равновесия Харди — Вайнберга среди выживших.
Литература
- Prusiner S. B. Novel proteinaceous infectious particles cause scrapie // Science. 1982. Vol. 216. P. 136–144.
- Wickner R. B. [URE3] as an altered URE2 protein: evidence for a prion analog in Saccharomyces cerevisiae // Science. 1994. Vol. 264. P. 566–569.
- Chernoff Y. O. et al. Role of the chaperone protein Hsp104 in propagation of the yeast prion-like factor [psi+] // Science. 1995. Vol. 268. P. 880–884.
- Инге-Вечтомов С. Г. Генетика с основами селекции. — СПб.: Изд-во Н-Л.
Обсуждение
Загружаем обсуждение…