Прионы: белки-убийцы

Лениво читать?
Посмотри видос

Вся земная жизнь состоит из белков. Они обеспечивают прохождение химических реакций метаболизма и формируют прочные структуры. Некоторые из них очень токсичны: яды змей, пауков и насекомых — все белковой природы.
Но гораздо опасней всякого яда инфекция, которая множится и передаётся от одного заражённого к другому. Обычно инфекции вызывают вирусы или бактерии. Иногда грибки.

Рис.1 — Передаётся ли вызванная прионами CWD-болезнь оленей человеку? Учёные по всему свету пытаются это узнать, но лучше бы не передавалась. Кадры из фильма “Evil Dead 2” (1987)

Чтобы вызвать инфекцию просто белков недостаточно. Проблема в том, что они не могут хранить информацию — только реализовать её. Для передачи наследственной информации даже самые маленькие вирусы используют ДНК или РНК. Почему так? С одной стороны, это историческое положение вещей, с другой — действительно сложно совмещать в одном объекте и его функцию и его описание. Представьте, что вы собираете фигурку оригами — вам нужно как минимум 2 бумажки: одна с инструкцией, а вторая для собственно сбора.
Но в 1980х стало ясно, что болезнь куру, фатальную семейную бессонницу, почесуху, коровье бешенство и некоторые другие серьёзные болезни нервной системы вызваны именно белками. За открытие белков-прионов, вызывающих их, в 1997 была присвоена Нобелевская премия по физиологии (Nobelprize.org).

Рис.2 — Стэнли Прузинер в 1997 получил Нобелевскую премию за открытиеприонов, инфекционных белков.

У обычных белков бывает только одна стабильная структура, а повреждённые молекулы, с неправильной структурой, разрушаются в протеасомах клетки. Прионы же имеют несколько стабильных структур, и ничем хорошим это не заканчивается (Baskakov, 2007).
Две конформации приона, или PrP: нормальная клеточная с-форма и крайне опасная, инфекционная sc-форма. PrPc — растворимый белок, встречающийся на поверхности клеток по всему организму млекопитающих и сконцентрированный в мозге. Его естественная функция — поддержание миелиновой изоляции на отростках нейронов (Bremer, 2010). Есть и сообщения о его роли в делении стволовых клеток крови (Zhang, 2006)
PrPsc — его злой брат-близнец. Он нерастворим и не разлагается ферментами организма. Но самое страшное в том, что PrPsc может обращать здоровые с-прионы в себе подобные.

Имея одинаковую аминокислотную последовательность, 3D-структура двух форм кардинально различаются. Механизм, по которому здоровый прион превращается в инфекционный, пока не раскрыт. Некоторые считают, что это происходит автокаталитически. Кто-то — что для этого нужен ещё и белок посредник. До сих пор звучат сомнения о том, а не вызываются ли прионные болезни вирусами, содержащими НК (Botsios, 2016)?
В любом случае, слипающиеся вместе молекулы PrPsc образуют стержни, растущие на концах. При обломе одного стержня появляются четыре конца и прион растёт в два раза быстрей. В результате стержни группируются в т.н. амилоидные бляшки, нарушающие структуру ткани. Быстрее всего бляшки накапливаются в мозге, который из-за этого становится похожим на губку.

Рис.3 — две структуры белка PrP: нормальная с-форма (a) и патогенная sc-форма (b). Обилие плоских бета-листов в sc-форме приводит к слипанию молекул в аггрегаты, разрушаюие мозг

В прионных болезнях есть, конечно, фактор наследственности: при проигрыше в генетическую лотерею ваш организм сам производит PrPsc . Но прионы опасны именно тем, что могут заражать генетически здоровые организмы через пищу или раны.Cамый верный способ подхватить прионы — съесть больное животное, как было показано при исследовании болезни куру. Болезнь куру — болезнь папуасов, практикующих ритуальный каннибализм. В племени Форе трупы родственников не закапывали, а съедали дети и женщины. Мозг с наибольшим содержанием прионов традиционно доставался детям, чтобы те набирались ума. В итоге заражались куру именно дети и женщины. Через 5–20 лет после инфицирования больной перестаёт ходить, начинает трястись, бесконтрольно смеяться, потом полностью перестаёт двигаться, и наконец, умирает через год после проявления первых симптомов. Естественно, мозг усопшего отправляется на детский столик и цикл замыкается. На борьбу с этой болезнью около 50 лет и последний её случай был зафиксирован в 2005. (Alpers, 2008)

Рис.4 — при болезни Крейцфельда-Якоба (СJD), вызванной прионами, в мозге образуются амилоидные бляшки (белые), нарушающие его структуру. Болезнь может бессимптомнео развиваться десятки лет, но после проявления первых симптомов у больного есть в лучшем случае год. (Окрашивание: гематоксилин-эозин)

И казалось бы, прионы не так уж и опасны — чтобы ими не заразиться нужно просто не кушать мозг больных людей. Но оказывается, что прионы могут перескакивать через видовой барьер и передаваться людям от диких и домашних животных. Самый яркий пример этого — коровье бешенство (Dance, 2008).

Коровье бешенство — ещё одно смертельно опасное прионное заболевание. В своей терминальной стадии оно приводит к слепоте, эпилепсии, нарушениям психической и двигательной функции организма.
Больше всего от этой болезни пострадала Англия. Там до 1987 в коровьи корма добавлялись перемолотые останки животных. При их термической обработке в то время применяли сравнительно низкие температуры, тогда как прионы сохраняют свою инфекционность даже после испепеляющих 600oС (Brown, 2000). В итоге такого крупно-рогатого каннибализма за 1980е Англия выпустила в оборот мясо от 400’000 заражённых коров, от чего к 2014 погибло почти 200 человек. До сих пор в Англии, несмотря на истребление заражённого скота и усииленный контроль кормов, ежегодно от коровьего бешенства гибнут 2–5 человек (cjd.ed.ac.uk). Из-за инкубационного периода прионных болезней, который длится от нескольких до десятков лет, сложно сказать когда именно произошло заражение.
Коровье бешенство поразило не только Англию. В странах по всему миру описаны случаи смерти от этой необычной болезни. Из-за прионной угрозы в России до 2012 действовал запрет на ввоз английской говядины (газета.ру).

До сих пор неясно, чем был вызван всплеск коровьего бешенства в Англии. Согласно одной из теорий, во всём виновата костяная мука, импортируемая из Индии. В этой муке часто встречались людские останки, среди которых могли оказаться ткани человека с прионной болезнью. Теория, мягко говоря, притянутая за уши, но в то же время известно, что подобным образом в Англии ежегодно происходили вспышки сибирской язвы скота с 1887 по 1971 года (Pennington, 2006).

Рис.5 — число жертв коровьего бешенства среди людей к маю 2016 превысило 200 человек, несмотря на строгие меры контроля, введённые после эпидемии этой болезни в Англии в 1980х (cjd.ed.ac.uk)

Сейчас, чтобы избежать подобных эпидемий, в лабораториях по всему свету активно исследуются возможности прионов животных заражать человека (Concepcion, 2005). Больше всего внимания уделяется почесухе овец и CWD-болезни оленей (Comoy, 2015).
Прионные заболевания скота могут передаваться и через навоз заражённых животных, который попадает в воду, почву и траву. Прионы очень стабильны и могут длительное время сохраняться при уличных условиях, а для заражения достаточно всего нескольких молекул (Tamgüney, 2009). Насколько такой путь инфекции распространён пока неясно, но он может быть причиной эпизодов прионных болезней скота и человека даже при соблюдении всех правил прионной гигиены в сельском хозяйстве.

Ещё один способ заразиться прионами — хирургические процедуры. На сегодня в мире зафиксировано более 500 случаев заражения CJD при врачебном вмешательстве. Большинство случаев связано с инъекциями несинтетического гормона роста и пересадкой твёрдой мозговой оболочки, чьими донорами были больные люди. Часть случаев связана с нестерильным инструментом, переливанием крови и пересадкой роговицы. Сегодня, в связи с признанием опасности прионов, применяются усиленные меры стерилизации хирургического оборудования и осуществляется повышенный контроль донорских тканей. Так, в Америке запрещено сдавать кровь людям, бывшим в 1980х в Англии в разгар эпидемии коровьего бешенства (red cross). И тем не менее каждый год в мире случаются несколько смертей от CJD, вызванной медицинскими процедурами (Brown, 2012).

До сих пор не разработано средств, которые бы могли бороться с прионами. Одна из главных проблем при разработке таких лекарств — необходимость их действия в мозге, отделяемого от всего организма ГЭБ. Сейчас уже выявлены АА-остатки, необходимые для образования амилоидных стержней — слабые точки прионов (Concepcion, 2005). Даже созданы антитела, связывающие прионы в мозге (Jones, 2010), открыты разлагающие их ферменты (Johnson, 2011), разработан сверхчувствительный метод диагностики прионных болезней до наступления симптомов (Chang, 2009), но всё это — ещё на стадии испытаний.

Поэтому пока что самый дельный совет, как защищитить себя от прионов — не кушать чужой мозг.

MLA style: “The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1997”. Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014. Web. 11 Jun 2016.
Россия снимает запрет на мясо из Великобритании, введенный из-за «коровьего бешенства» в 1986 году, gazeta.ru
In-Depth Discussion of Creutzfeld-Jacob Disease (CJD) and Blood Donation, American Red Cross
VARIANTCJD CASES WORLDWIDE, NCJDRSU
Incidence of variant Creutzfeldt-Jakob disease diagnoses and deaths inthe UKJanuary 1994 — December 2011, NCJDRSU

Alpers, M. P. (2008). Review. The epidemiology of kuru: monitoring the epidemic from its peak to its end. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences, 363(1510), 3707–13. http://doi.org/10.1098/rstb.2008.0071

Baskakov, I. V., & Breydo, L. (2007). Converting the prion protein: What makes the protein infectious. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — Molecular Basis of Disease, 1772(6), 692–703. http://doi.org/10.1016/j.bbadis.2006.07.007

Botsios, S., & Manuelidis, L. (2016). CJD and Scrapie Require Agent-Associated Nucleic Acids for Infection. Journal of Cellular Biochemistry. http://doi.org/10.1002/jcb.25495

Bremer, J., Baumann, F., Tiberi, C., Wessig, C., Fischer, H., Schwarz, P., … Aguzzi, A. (2010). Axonal prion protein is required for peripheral myelin maintenance. Nature Neuroscience, 13(3), 310–8. http://doi.org/10.1038/nn.2483

Brown, P., Rau, E. H., Johnson, B. K., Bacote, A. E., Gibbs, C. J., & Gajdusek, D. C. (2000). New studies on the heat resistance of hamster-adapted scrapie agent: threshold survival after ashing at 600 degrees C suggests an inorganic template of replication. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 97(7), 3418–21. http://doi.org/10.1073/pnas.050566797

Brown, P., Brandel, J.-P., Sato, T., Nakamura, Y., MacKenzie, J., Will, R. G., … Schonberger, L. B. (2012). Iatrogenic Creutzfeldt-Jakob disease, final assessment. Emerging Infectious Diseases, 18(6), 901–7. http://doi.org/10.3201/eid1806.120116

Chang, B., Gray, P., Piltch, M., Bulgin, M. S., Sorensen-Melson, S., Miller, M. W., … Rubenstein, R. (2009). Surround optical fiber immunoassay (SOFIA): an ultra-sensitive assay for prion protein detection. Journal of Virological Methods, 159(1), 15–22. http://doi.org/10.1016/j.jviromet.2009.02.019

Comoy, E. E., Mikol, J., Luccantoni-Freire, S., Correia, E., Lescoutra-Etchegaray, N., Durand, V., … Deslys, J.-P. (2015). Transmission of scrapie prions to primate after an extended silent incubation period. Scientific Reports, 5, 11573. http://doi.org/10.1038/srep11573

Concepcion, G. P., David, M. P. C., & Padlan, E. A. (2005). Why don’t humans get scrapie from eating sheep? A possible explanation based on secondary structure predictions. Medical Hypotheses, 64(5), 919–24. http://doi.org/10.1016/j.mehy.2004.11.021

Dance, A. (2008). Prions jump species barrier. Nature. http://doi.org/10.1038/news.2008.1080

Johnson, C. J., Bennett, J. P., Biro, S. M., Duque-Velasquez, J. C., Rodriguez, C. M., Bessen, R. A., & Rocke, T. E. (2011). Degradation of the disease-associated prion protein by a serine protease from lichens. PloS One, 6(5), e19836. http://doi.org/10.1371/journal.pone.0019836

Jones, D. R., Taylor, W. A., Bate, C., David, M., & Tayebi, M. (2010). A camelid anti-PrP antibody abrogates PrP replication in prion-permissive neuroblastoma cell lines. PloS One, 5(3), e9804. http://doi.org/10.1371/journal.pone.0009804

Pennington, H., Colchester, A., Colchester, N., Labour, M. of, & Department for Environment, F. and R. A. (2006). Origin of bovine spongiform encephalopathy. The Lancet, 367(9507), 298. http://doi.org/10.1016/S0140-6736(06)68061-6

Tamgüney, G., Miller, M. W., Wolfe, L. L., Sirochman, T. M., Glidden, D. V, Palmer, C., … Prusiner, S. B. (2009). Asymptomatic deer excrete infectious prions in faeces. Nature, 461(7263), 529–32. http://doi.org/10.1038/nature08289

Zhang, C. C., Steele, A. D., Lindquist, S., & Lodish, H. F. (2006). Prion protein is expressed on long-term repopulating hematopoietic stem cells and is important for their self-renewal. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 103(7), 2184–9. http://doi.org/10.1073/pnas.0510577103