Приони: смертоносні молекули-зомбі

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 63

«Найстрашніше в них те, що вони діють не як хижаки, а як віруси. Хижаки за природою своєю розумні і не знищують всіх жертв поголовно… А вони — просто розмножуються, заражають і пожирають. Все інше їм абсолютно байдуже «, — так пояснює свій жах перед зомбі автор бестселера» Світова війна Z «Макс Брукс. Але те ж можна сказати і про приони — справжні смертоносні молекули-зомбі.

Порівняння з ходячими мерцями напрошується. Як і вони, приони в буквальному сенсі слова руйнують мозок, перетворюючи людину спершу на овоч, а потім — у труп. Як зомбі з людей, так і вони з’являються з найбільш звичайних білків. Їх вкрай складно знищити, зате самі вони смертельні в ста відсотках випадків. Втім, важко було б очікувати іншого від інфекційних агентів, яких взагалі не можна назвати живими. Кілька століть вони вислизали від вчених — і навіть потім у їхнє існування повірили далеко не відразу. А тепер у них іноді бачать навіть джерело життя.

Вівці та людожери

Перша «навала зомбі» відзначена на рубежі XVII і XVIII століть, коли в Англії щосили громихала промислова революція. Серед величезних стад, що забезпечували вовною швидкозростаючі текстильні підприємства, то й справа стали попадатися «паршиві вівці». Напасти розвивалася повільно, але невідворотно: тварини болісно, до крові чесалися об огорожу, потім порушувалася координація рухів, частіше і частіше траплялися судоми — через тиждень-місяць все закінчувалося смертю.

Минули століття, Пастер описав бактеріальні інфекції, а після робіт Іванівського і Бейерінка з’явилися уявлення і про вірусні захворювання. Але «почесуха овець», або скрейпі, залишалася загадкою. Все говорило про ураження мозку, тканини якого хвороба перетворювала на щось, схоже на губку, вилучену нерівними порами. Але на питання про її збудника фахівцям залишалося лише розводити руками: ні бактерій, ні вірусів знайдено не було. Зате знайшлися у скрейпі послідовники.

Інкубаційний період скрейпі може розтягнутися на роки. Але як тільки у тварини починають проявлятися перші симптоми, можна бути впевненим, що через кілька тижнів настане смерть

В одному і тому ж 1920 році, але незалежно один від одного, Ганс Крейтцфельдт і Альфонс Якоб описали невиліковну і невблаганну поразку нервової системи людини. Виникаючи з невідомої причини, зазвичай у літньому віці, хвороба часто починалася проблемами зі сном і ослабленням когнітивних функцій, розвивалася втратою координації рухів і деменцією, а кілька років потому вінчалася паралічем і функціональними порушеннями, остаточно несумісними з життям. Тканини мозку знову нагадували губку — і знову ніяких слідів збудника.

Рідкісне захворювання могло вивчатися ще довго і неквапливо, не створюючи особливого ажіотажу, якби у нього не виявився дивний родич у протилежній частині світу. На початку 1954 року чиновники Нової Гвінеї, тоді ще колишньої частини Австралії, склали звіт, в якому повідомляли про спалах дивовижної місцевої хвороби куру. «Першою ознакою смерті стає недоумство, за яким слід загальна слабкість аж до нездатності самостійно стояти на ногах, — говорилося в повідомленні. — На наступному етапі жертва лежить, не в силах навіть прийняти допомогу, поки, нарешті, не настане загибель». Описом хвороби зайнялися медики Вінсент Зігас і Карлтон Гайдушек, які з’ясували, що вражає вона лише одне з новогвинейських племен, форе, що виділяється серед сусідів своєю пристрастю до канібалізму. Навряд чи можна вважати цю традицію якоюсь особливо жорстокою: існування в умовах серйозного дефіциту життєвих ресурсів породжує і не такі звичаї. Так що після смерті аборигена форі його родичі поїдали останки, причому за традицією м’ясо діставалося чоловікам, а жінки і діти задовольнялися іншим, в тому числі і мозком. Як правило, захворювали саме вони, причому мозок уражався в першу чергу: губчаста маса нервової тканини була все тією ж, що і при скрейпі овець, і при хворобі Крейтцфельдта — Якоба. Тож незабаром лікарі вирішили, що мають справу з повільною вірусною інфекцією, яка вражає нервову тканину і передається аліментарним шляхом (як «зомбованість»), через поїдання хворого мозку. Тільки ось виділити вірус знову ніяк не вдавалося.

Корови і радіація

Схожість хвороб (незвично довгий інкубаційний період і неминучість летального результату, заразність і, звичайно, характерні переродження нервової тканини мозку) дозволило припустити у них і загальну причину і об’єднати в групу трансмісивних губчастих енцефалопатій.

Інкубаційний період у хвороби Крейтцфельда — Якоба настільки тривалий, що деякі люди, які отримали прионний білок ще під час спалаху «коров’ячого сказу» 1980-х років, лише тепер починають демонструвати симптоми захворювання

Вже в 1960-х британські вчені припустили, що джерелом їх може виявитися білок: таємничий інфекційний агент не інактивувався смертельною навіть для вірусів дозою випромінювання. Це можна було пояснити крихітним розміром його частинок, набагато менших, ніж навіть віруси. Гіпотеза здалася не позбавленою сенсу, хоча в корені суперечила «основній догмі молекулярної біології», яка постулювала односпрямований потік інформації, властивий всьому живому: від ДНК через РНК до білка. Чи можливо викинути з цього короткого ланцюжка цілих дві ланки — і зберегти багато властивостей живого?

У 1970-ті пошуками збудника зайнявся каліфорнійський невролог Стенлі Прузінер. Робота йшла нешвидко: використовуючи біологічні рідини хворих на скрейпи овець, вчені підтвердили, що хвороба невблаганна і розвивається у всіх до єдиної заражених мишей, хоча інкубаційний період затягується на півроку, а то й довше. Зате результати багаторічних експериментів виявилися сенсаційними: знову і знову, виділяючи раніше невловимий інфекційний агент, вчені переконувалися, що це «голий» білок.

Прийняти таке вдалося не відразу. Чи жарт: патоген, який не має навіть натяку на ДНК, а між тим — інфекційний, розмножується і, як покажуть подальші дослідження, навіть мутуючий. Зізнання сталося багато в чому за прислів’ям: «Не було б щастя, та нещастя допомогло». Наприкінці 1980-х у Великобританії вибухнула епідемія губчастої енцефалопатії великої рогатої худоби — «коров’ячого сказу». Хвороба поширилася так широко, що за наступні роки її виявили майже у 200 000 голів, було зафіксовано кілька сотень випадків передачі її людям. І це, безумовно, був білок: коровам він міг передатися від овець або з’явитися в спільноті випадково, а потім поширитися через кормові добавки, вироблені з кісткового борошна забитих тварин. В результаті в 1990-х приони, як назвав смертоносні білки Прузинер, який схрестив слова «протеїн» і «інфекція», отримали майже загальне визнання, а в 1997 році сам вчений удостоївся Нобелівської премії. «Прионний білок скрейпі» PrP^Sc, що викликав губчасті енцефалопатії, був виділений і охарактеризований, а незабаром знайшли і його здорового попередника, який — унікальний випадок! — отримав ім’я на честь свого аномального родича, ставши «клітинним прионним білком» PrP^C. Він зустрічається на мембранах клітин у багатьох частинах тіла і тканинах здорових людей і тварин, хоча найбільше — в клітинах нервової системи, як в самих нейронах, так і в підтримуючих їх клітинах нейроглії. Судячи з усього, він виключно важливий, але для чого?

Структура «здорового» білка PrP^C містить ділянку з трьох лід-спіралів і дволіпочкового антипараллельного лас-шару. У «хворої» форми PrP^Sc цей домен утворений переважно лід-шарами. Таку структуру можна назвати «заразною»: її поява стимулює нормальні молекули PrP^C переходити в таку ж аномальну форму PrP^Sc. Поодинці мономери PrP^Sc не існують і складаються у досить стійкі амілоїдні утворення з десятків, сотень і тисяч частинок. Розщеплюючись на фрагменти, ці утворення поширюються і «інфікують» нові молекули PrP^C

Явище зомбі

Було показано, що PrP^C має високе споріднення з іонами міді, що може вказувати на його можливу роль у видаленні з клітини токсичних для неї важких металів. З іншого боку, максимальна концентрація PrP^C спостерігається у контактів між нейронами деяких областей мозку. Клітинні мембрани тут буквально всіяні цим білком, що, можливо, говорить про те, що він грає якусь роль у формуванні або стабілізації синаптичних контактів. Інша група гіпотез говорить про те, що PrP^C необхідний для видалення забруднень з поверхні клітин. Зв’язуючи їх, білок змінює форму, і, коли на мембрані нейрона накопичиться досить багато таких змінених білків, в ньому запускається механізм знищення, а клітина гине.

«Існує, напевно, 20 або 30 гіпотез про те, яке саме завдання може виконувати нормальна клітинна форма прионного білка. Але якоїсь певної, чіткої функції у нього не знайдено, тому і виникають дебати, — розповів нам професор Медичної школи Меріленду Ілля Баскаков, який не один рік присвятив вивченню прионів і прионних хвороб. В останні роки активно обговорюється можлива роль PrP^C в процесі розвитку нервової системи. Він може бути необхідний для того, щоб зі стовбурових клітин дозрівали нові нейрони — експерименти показали, що, якщо у стовбурової клітини вимкнений кодуючий цей білок ген PRNP, вона не може перетворитися на нервову «.

Функції здорового білка залишаються невідомими, але вони явно дуже важливі: ген PRNP характеризується високою консервативністю і мало відрізняється у людей та інших ссавців. Теоретично це і дозволяє приону передаватися між будь-якими видами тварин, що мають PrP^C, — недарма губчасті енцефалопатії зафіксовані не тільки у людей, овець і корів, але і у кішок, норок, антилоп, оленів і навіть страусів. Передбачається, що перший білок- «зомбі» в популяції може з’явитися випадково, в результаті неправильно сформованої просторової форми здорового білка Pr^PC. Ця помилка, на перший погляд незначна, змінює все.

Подібно зомбі, ряди яких множаться з кожним укусом, інфекційна форма PrP^Sc призводить до переродження нормальних молекул PrP^C в нові приони — процес розвивається як автокаталітична реакція, продукти якої самі прискорюють її. Як і зомбі, приони люблять «ходити» незліченними ордами: частинки PrP^Sc складаються одна на іншу стосами, утворюючи досить стійкі волокна, так що кожен кінець такої освіти стає центром тяжіння для все нових і нових прионів.

Зомбі у спадок

Хвороба Крейтцфельдта — Якоба, синдром Герстмана — Штраусслера — Шейнкера та інші прионні захворювання (а відомо їх вже кілька десятків) розрізняються не тільки характером ураження і течії, а й механізмами виникнення.

Вважається, що одні з них частіше розвиваються в результаті спонтанного виникнення в клітці PrP^Sc або отримання його з їжею, а інші мають генетичну природу.

Вперше «передача зомбі у спадок» виявилася на рубежі 1970-х і 1980-х років, коли наполегливий італійський доктор Ігнаціо Ройтер провів власне «розслідування» смерті родичок своєї дружини, які померли від вкрай рідкісної причини — фатального безсоння. Після смерті одного з родичів мозок його вивчили і виявили мутацію в 178-й позиції гена PRNP. Неправильна, схильна до «прионного переродження» конформація PrP^C передається у спадок і зазвичай дає про себе знати вже в зрілому віці, коли людина починає страждати від все більш важкого безсоння і згасає за лічені місяці. Сьогодні фатальне безсоння діагностовано в 40 сім’ях — приблизно у сотні людей.

«Поодинці, мономерами, PrP^Sc взагалі не зустрічається, — каже Ілля Баскаков, — вони існують лише у формі агрегатів-мультимерів. Показано, що найменша частинка PrP^Sc може складатися приблизно з шести мономерів, але, виростаючи, вони доходять до сотень і тисяч одиниць «. Досягнувши великих розмірів, білкове волокно розламується на безліч нових фібрил, кожна з яких стає зародком нової армії зомбі-пріонів. Придушена скупченнями цих бляшок клітина гине, а Pr^PSc поширюються далі. Знищити їх вкрай непросто: експерименти показали, що приони неймовірно стійкі не тільки до радіації, але і до нагрівання, і навіть до дії потужних клітинних ферментів-протеаз.

Уламки PrP^Sc можуть потрапляти в організм і ззовні, через біологічні рідини і тканини хворих тварин, під час деяких медичних процедур і просто з їжею. Більшість білкових частинок, що переродилися, мабуть, руйнується в шлунково-кишковому тракті, але деяким вдається дістатися до місця дії, подолавши навіть гемато-енцефалічний бар’єр, що стоїть на кордоні між кров’ю і тканинами мозку. Здатність PrP^Sc проходити крізь цю досить надійну перешкоду залишається однією з головних його загадок.

Добрі монстри

Такі властивості характерні не тільки для PrP^C — навіть у дріжджів знайдено свій «прионний білок» Ure2, здатний переходити в нестандартну, але вкрай стійку амілоїдну форму. Можливо, це неспроста: «Приони можуть і не бути патогенними, — написав з цього приводу дослідник Рендал Халфманн, — вони можуть грати роль» ненуклеїнової «, білкової спадковості у здорових клітин і організмів». На підтвердження цієї ідеї Халфманн і його колеги показали, що дріжджовий білок Ure2, набуваючи нестандартної конформації, впливає на цілий ряд сигнальних шляхів клітини, в тому числі і на активність гена FLO11. У свою чергу, синтезований на цьому гені білок Flo11p необхідний клітинам дріжджів для того, щоб «зчеплятися» один з одним, формуючи стійкі до несприятливих умов плівки. Так «прионне переродження» білка Ure2 може сприяти адаптації і виживанню клітин.

Ще одну ложку меду до бочки прионного дьогтю додали роботи Джеймса Чена і його колег. Дослідники показали, що білок MAVS, один з необхідних для роботи нашої імунної системи, переходить в амілоїдну прионну форму не в зло, а виключно на благо. Виявивши інфіковану певними вірусами клітку, він «осідає» в ній, і його накопичення служить сигналом до посиленого синтезу інтерферонів і залучення макрофагів для знищення зараженої клітини разом з усім її небезпечним вмістом.

На зрізі ділянки мозку пацієнта з прионною хворобою амілоїдні скупчення білка видно як білі бляшки

«З цього приводу існує цікава гіпотеза, яка вказує на те, що такі амілоїдні форми можуть бути взагалі у всіх білків, що це загальна властивість поліпептидних ланцюгів, — продовжує Ілля Баскаков. — Мало того, такі структури найбільш стабільні. Тому висловлено припущення про те, що саме в таких формах білки могли існувати в «пребіотичному супі», в якому колись проходила хімічна еволюція молекул і зароджувалося життя «.

Дійсно, деякі еволюціоністи вважають, що амілоїдні конформації білків мають всі ключові здібності, необхідні для ролі «предків життя». Вони здатні змінюватися і розмножуватися, виконувати певні функції, передаючи свої особливості наступним поколінням. Якщо ця ідея справедлива, то ми живемо в дуже дивному світі, де все живе з’явилося на світ від дивних і небезпечних білків, які сьогодні ми можемо сприймати не інакше як безжальних зомбі.