Генетика и молекулярная биология

Генетический форум
Текущее время: Пт ноя 24, 2017 9:28 am

Часовой пояс: UTC + 4 часа




Начать новую тему Ответить на тему  [ Сообщений: 2 ] 
Автор Сообщение
СообщениеДобавлено: Чт апр 26, 2007 1:28 pm 
Не в сети
Новичок
Новичок

Зарегистрирован: Ср апр 25, 2007 6:36 pm
Сообщения: 11
В 1997 году Нобелевской премии по физиологии и медицине был удостоен Стэнли Прузинер за исследования прионов.
Что же такое прионы, в чем их уникальность и каково их значение?
Прионы отличаются от всех прочих инфекционных патогенов (вирусов, бактерий и др.) тем, что у них отсутствует какой-либо геном, т.е. ДНК или РНК. Предполагается, что именно такие инфекционные агенты вызывают группу неизлечимых дегенеративных заболеваний центральной нервной системы человека и животных. Наиболее известные из них у человека - это болезнь Крейцфельда - Якоба (БКЯ) и синдром Гертсмана - Штраусслера - Шейнкера (ГШШ), а у животных - скрeйпи овец и губчатая энцефалопатия крупного рогатого скота, называемые иногда в средствах массовой информации чесоткой овец и коровьим бешенством или губчатым энцефалитом. Эти заболевания, независимо от того, у кого они возникли - у человека или животных, сопровождаются морфологическими изменениями тканей мозга и появлением в них амилоидоподобных бляшек, содержащих палочкообразные белковые агрегаты. Уникальная особенность этих заболеваний состоит в том, что они возникают не только в результате инфекции: известны спорадические и наследственные формы БКЯ и ГШШ, причем вне зависимости от своего происхождения болезнь может передаваться далее инфекционным путем.
Заболевания, ныне относимые к прионным, известны у животных более 200 лет, а у людей - с начала века, однако их активные исследования стали возможны лишь в последние 50 лет. В 60-х годах работы К.Гайдушека (D.C.Gajdusek), удостоенного в 1976 г. Нобелевской премии, показали, что заболевания, ныне относящиеся к прионным, инфекционны1. Первое наблюдение инфекционности скрейпи в 1946 г. было случайным: стадо овец иммунизировали вакциной, выделенной из животного, которое, как оказалось впоследствии, было больно скрейпи. Несмотря на то, что эту вакцину обработали формалином, около 10% привитых животных заболели скрейпи. Впоследствии удалось подтвердить, что ткани мозга больных овец действительно содержат инфекционный агент, который при инъекции здоровому животному может вызвать скрейпи. У человека болезни этого типа также отнесли к инфекционным, поскольку мозг людей, умерших от БКЯ, содержал инфекционное начало, способное заразить человекообразных обезьян. Веским аргументом в пользу гипотезы о заразности такого заболевания для человека стали и эпидемилогические исследования на о-вах Новой Гвинеи. До 70-х годов нашего века коренное население островов страдало от эпидемии болезни, называемой там "куру". Длительные исследования позволили установить, что передача данного заболевания связана с обычаем ритуального каннибализма, при котором в знак уважения к умершим родственникам их полагалось съедать. С прекращением этой традиции исчезла и эпидемия куру. В сумме подобные исследования привели к выводу об инфекционности данного класса нейродегенеративных заболеваний человека и животных.
Дальнейший прогресс в изучении прионов связан с введением в обиход модельных животных - мышей и хомячков, что позволило сократить длительность экспериментов по передаче скрейпи с нескольких лет до нескольких месяцев. Выяснилось, что агент скрeйпи свободно проходит через фильтры, задерживающие одноклеточные патогены (бактерии, грибы и т.д.), вследствие чего некоторое время скрейпи считали особым, "медленным" вирусом. Однако затем обнаружилось, что этот агент устойчив к воздействиям, убивающим вирусы и любые живые клетки (обработка формалином, ультрафиолетовое облучение). В то же время инфекционный агент был чувствителен к протеазам и воздействиям, денатурирующим белок. Таким образом, получалось, будто данный патоген представляет собой инфекционный белок, что находилось в серьезном противоречии с основными постулатами молекулярной биологии. Чтобы разрешить этот парадокс, математик Дж.Гриффит (J.S.Griffith) предположил, что данный вирус имеет совершенно необычную природу - не содержит никакого генетического материала, а представляет собой особую измененную форму одного из клеточных белков, способную воспроизводить свои свойства за счет автокаталитического механизма. В то время эта гипотеза была лишь одной из многих, и лишь последующие труды Прузинера и других исследователей показали, что она верна.
Исследования прионов, принесшие впоследствии широкое признание, Прузинер, медик по образованию, начал в 1972 г., после гибели одного из своих пациентов от деменции, вызванной БКЯ. В 1982 г. он вместе с коллегами выделил агент скрейпи и показал, что это белок. Прузинер назвал этот агент прионом (PROtein INfectious agent), а белок - PrP (Prion Protein). Определение аминокислотной последовательности PrP позволило в 1985 г. идентифицировать кодирующий его ген Prnp. Этот ген обнаружили в геномах всех млекопитающих, а также у птиц. Получение антител к PrP позволило определить его тканеспецифическую экспрессию и субклеточную локализацию - он оказался мембранным белком, экспрессирующимся независимо от прионной инфекции. Функция белка PrP неясна, однако он не является жизненно важным. Удаление гена Prnp делало животных невосприимчивыми к прионной инфекции, что подтвердило ключевую роль PrP. Прионная форма PrP (PrPSc) отличается от нормальной клеточной формы (PrPC) повышенной гидрофобностью и склонностью к агрегации, а также гораздо более высокой устойчивостью к протеазам. Поиск первопричины этих отличий обнаружил, что прионная форма PrP не отличается какими-либо ковалентными модификациями, но имеет измененную конформацию с повышенным содержанием бета-складчатой структуры. Эти результаты составляют основу современного знания о прионах. Конечно, Прузинер и его лаборатория не были единственными, кто получил все описанные результаты, однако его лидирующая роль несомненна. В настоящее время концепцию прионов как инфекционных белков можно считать доказанной, хотя время от времени и появляются работы, пытающиеся связать инфекционность прионов с вирусами. Присуждение Нобелевской премии, видимо, свидетельствует о победе прионной теории.
Современные представления о прионах позволяют предполагать следующий механизм инфекции: патогенный белок PrPSc, попадая в клетку (или связываясь с ней, поскольку PrPC в норме локализован на поверхности клеток), способствует путем белок-белковых взаимодействий превращению нормального клеточного белка PrPC в прион PrPSc. В случае спорадических или наследственных прионных заболеваний возникновение PrPSc из PrPC происходит спонтанно. При этом наследственные болезни связаны с аллелями Prnp, кодирующими белки, которые имеют повышенную склонность к такому спонтанному превращению. Сам механизм прионного превращения до сих пор не ясен. Например, неизвестно, участвуют ли в этом процессе какие-либо другие молекулы, кроме PrP. При смешивании очищенных PrPC и PrPSc нормальный белок превращается в патогенный, однако эффективность этого процесса весьма низка. Таким образом, участие других молекул не обязательно, но может играть вспомогательную роль.
Существуют две основные модели, описывающие передачу прионных свойств белком PrPSc (см. рисунок). Согласно первой, гетеродимерной модели Прузинера, прионное состояние присуще мономеру PrP, который катализирует конформационный переход PrPC в PrPSc через образование комплекса PrPC : PrPSc. При этом агрегация PrPSc рассматривается как вторичный процесс, несущественный для прионообразования. Однако многие исследователи, в том числе авторы данной статьи, придерживаются иной, полимеризационной модели. В этой модели прион - это упорядоченный полимер PrP, который можно было бы назвать одномерным кристаллом. Наличие такого полимера необходимо для дальнейшей полимеризации, подобно тому, как кристаллизация соли из перенасыщенного раствора требует присутствия мельчайших кристалликов в качестве затравки. Особенность прионной кристаллизации состоит в том, что одновременно с присоединением белковой молекулы к кристаллу значительно меняется ее конформация. Этот механизм не беспрецедентен: предполагается, что так образуются фибриллы амилоидообразующих белков, которых сейчас известно 16. Вероятно, прионы представляют собой инфекционную разновидность амилоидных фибрилл.
Несмотря на отсутствие генома, у прионов существуют межштаммовые отличия, которые сохраняются при пассировании в линейных мышах, т.е. на выравненном генетическом фоне. Наличие штаммов прионов плохо объясняется гетеродимерной моделью Прузинера: нельзя представить множество различных конформаций мономера PrP, не только обладающих стабильностью, но и способных к точному воспроизведению. В полимерной же модели межштаммовые отличия объясняются различными типами укладки белка PrP в фибриллы. Возможность укладки одного белка в различные кристаллические формы неоднократно наблюдалась ранее в случае обычной, трехмерной кристаллизации. Понятно, что каждый тип укладки может воспроизводиться при полимеризации неограниченно долго.
Первичная структура белка PrP имеет лишь небольшие отличия у разных видов млекопитающих и человека. Это открывает неприятную возможность передачи прионных заболеваний от животных к человеку, хотя на самом деле она сильно затруднена между различными видами. Этот эффект, называемый межвидовым барьером, отражает необычайно высокую чувствительность прионообразования к изменениям аминокислотной последовательности приона. В последнее время, в связи с распространением бычьей энцефалопатии (БСЕ), активно обсуждается вопрос о вероятности передачи ее человеку через зараженное мясо. Принципиальную возможность такой передачи сейчас можно считать доказанной, но на практике она достаточно мала: в мире насчитывается не более 20 случаев, в которых предполагается заражение людей БСЕ. При уменьшении масштабов эпизоотии БСЕ и надлежащем контроле за качеством мяса вероятность заражения можно свести к минимуму.
Разработка теории прионов и ее признание позволили выявить прионоподобные механизмы у совершенно иных организмов - у дрожжей Saccharomyces и гриба Podospora. В свою очередь открытие прионов у низших эвкариот придает новое звучание самой проблеме, подчеркивая, что эти белки - общебиологическое явление, а не экзотический случай.
У пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae известны два нехромосомно наследуемых генетических фактора - [PSI+] и [URE3]. По своему фенотипическому проявлению они совсем не похожи: один связан с дефектом терминации синтеза белка, а другой - с регуляцией метаболизма азота. Однако их генетические характеристики очень близки и отличаются от свойств обычных генов: они наследуются как детерминанты, локализованные в цитоплазме; на них не действуют обычные мутагены, зато их можно устранить при помощи разнообразных воздействий, вызывающих стресс. В частности, эти факторы крайне чувствительны к малым концентрациям гидрохлорида гуанидина, вещества, которое вызывает денатурацию белков, но лишь при гораздо более высоких концентрациях; существование каждого из этих нехромосомных факторов зависит от наличия белков Sup35 (фактора трансляции) или Ure2 (регулятора метаболизма азота) соответственно. Оба фактора не могут представлять собой какие-либо эписомные плазмиды, поскольку их потери обратимы - после исчезновения факторы могут возникать вновь, причем частота их возникновения возрастает в сотни раз при сверхэкспрессии соответствующего белка.
Эти и некоторые другие свойства обоих факторов не поддавались объяснению с точки зрения "нормальной" генетики, однако все они стали совершенно понятными, когда в 1994 г. Р.Уикнер (R.B.Wickner) предположил, что наличие в клетке факторов [PSI+] или [URE3] связано с прионоподобным состоянием белков Sup35 или Ure2. За короткий срок гипотезу подтвердили биохимики, показав, что свойства этих белков действительно весьма похожи на свойства прионов. В прионном состоянии Sup35 или Ure2 образуют агрегаты и проявляют повышенную устойчивость к протеазам. Поскольку в отличие от прионов млекопитающих функции этих белков известны, удалось объяснить и фенотипы, вызываемые их прионным состоянием. Агрегация препятствует основной функции этих белков, и поэтому фенотипы [PSI+] и [URE3] соответствуют снижению или отсутствию активности Sup35 и Ure2. Кроме того, прионное превращение Sup35 воспроизвели in vitro с весьма высокой эффективностью. Также in vitro было замечено, что очищенный белок Sup35p способен самопроизвольно полимеризоваться в высокоупорядоченные фибриллы, подобные амилоидным у человека. Такие фибриллы, вероятно, составляют структурную основу прионных агрегатов Sup35p in vivo. Столь быстрый прогресс во многом связан с тем, что дрожжи S.cerevisiae - один из наиболее разработанных молекулярно-биологических объектов. Путь, который Прузинер и другие исследователи прионов млекопитающих начали в 1982 г., в генетике дрожжей пройден за три года. А некоторые результаты, полученные на дрожжах, не имеют аналогов в исследованиях PrP и, значит, дополняют их.
Так, использование дрожжей выявило новый фактор, существенный для поддержания дрожжевых прионов. Стабильное поддержание фактора [PSI+] зависело от активности одного из белков теплового шока, Hsp104, который в норме необходим для разрушения агрегатов денатурированных белков. Интересно, что как отсутствие, так и сверхэкспрессия Hsp104 изгоняли фактор [PSI+]. Это наблюдение может иметь простое, хотя и парадоксальное объяснение. Не исключено, что Hsp104 действует на прионные агрегаты Sup35p так же, как и на агрегаты денатурированных белков, т.е. пытается их растворить, отделяя от них молекулы и возвращая им правильную конформацию. Если в клетке белка Hsp104 много, он растворяет все агрегаты и, следовательно, изгоняет [PSI+]. При нормальном уровне Hsp104 он успевает лишь делать разрывы в фибриллах Sup35p. При этом возрастает количество концов фибрилл, по которым происходит полимеризация, а значит, возрастает и общая скорость полимеризации. Таким образом, конечный эффект Hsp104 противоположен его исходной функции! Кроме того, фрагментация важна и для наследования прионов, т.е. для их передачи в дочерние клетки при клеточных делениях, поскольку один агрегат, хоть и очень большой, трудно разделить на две клетки. Таким образом, фрагментация белком Hsp104 замыкает жизненный цикл приона Sup35, который можно представить себе как чередование роста и фрагментации.
Прионы млекопитающих скорее всего также представляют собой одномерно-кристаллические фибриллы, и для них возможен аналогичный механизм. Действительно, у животных имеется белок, подобный Hsp104, хотя, возможно, в фрагментации PrPSc участвуют и какие-то другие факторы - это предстоит выяснить. В любом случае фрагментация полимера PrPSc критична для размножения патогена, и воздействие на ген HSP104 или другие факторы фрагментации могло бы стать одним из перспективных подходов при лечении прионных болезней.
Выявление прионов у дрожжей показало их широкую распространенность в природе и стимулировало их поиск у других организмов. Так, у мицелиального гриба Podospora найден белок Het-s, прионные свойства которого определяют совместимость различных штаммов этого гриба при скрещивании.
Изначально прионам приписывали роль инфекционных агентов белковой природы, ответственных за возникновение некоторых нейродегенеративных заболеваний человека и животных. Обнаружение прионоподобных белков у низших эвкариот расширило круг прионов, в котором ни инфекционность, ни болезнетворность не обязательны. Например, амилоиды, образование которых характерно не только для прионных заболеваний, по большей части неинфекционны, а прионы дрожжей инфекционны лишь в ограниченном смысле: они передаются с цитоплазмой, но не через внеклеточное пространство. У млекопитающих прионы и амилоиды ассоциируются с болезнями, однако у гриба Podospora и у дрожжей наследуемое переключение активности белков, вызванное их переходом в прионное состояние, скорее всего имеет адаптивное значение. Значит, инфекционность прионов - это лишь частный случай некоторого более широкого явления. Ключевое звено этого феномена - уникальный механизм передачи конформации между молекулами одного белка, который, вероятно, реализуется через образование одномерно-кристаллических фибрилл. Такой механизм - действительно неизвестное ранее фундаментальное свойство белковых молекул. Сомнительно, чтобы в природе не нашлось полезного применения такому уникальному свойству. По всей видимости, в скором будущем можно ожидать открытия новых процессов, использующих прионный принцип, в том числе и у высших организмов. Например, некоторые авторы считают, что способность к наследуемой регуляции функции прионных белков могла бы использоваться при клеточной дифференцировке и раковой трансформации.
Таким образом, исследования Стенли Прузинера могут оказаться лишь началом интересного и многообещающего направления в современной биологии - изучения прионов.

В.В.Кушниров, кандидат биологических наук
М.Д.Тер-Аванесян, доктор биологических наук
Кардиологический научный центр МЗ РФ

_________________
Когда долго смотришь в бездну, бездна начинает смотреть в тебя. Фридрих Ницше


Вернуться к началу
 Профиль  
Ответить с цитатой  
 Заголовок сообщения:
СообщениеДобавлено: Пн апр 21, 2008 5:15 pm 
Не в сети
Новичок
Новичок

Зарегистрирован: Вс апр 20, 2008 6:32 pm
Сообщения: 4
Откуда: г. Москва
Подобные прионам молекулы могли быть предками вирусов вообще, и их изучение - интересно с эволюционной точки зрения. Интересно и происхождение предков подобных пионам нынешним. Например, это либо простая самосборка пептидов или нуклеотидов, или это "оружие" бактерий (если это НК-прион, то это могли быть плазмиды, кодирующие ферменты, мешающие транскрипции некоторых жизненонеобходимых генов), против других бактерий конкурентов, которое научилось жить самостоятельно. Да и вобще очень интересная вещь, всё же самые простые вещества, обладающие сособностью к самовоспроизведению.

_________________
В. И. Ленин


Вернуться к началу
 Профиль  
Ответить с цитатой  
Показать сообщения за:  Поле сортировки  
Начать новую тему Ответить на тему  [ Сообщений: 2 ] 

Часовой пояс: UTC + 4 часа


Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и гости: 1


Вы не можете начинать темы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете добавлять вложения

Найти:
Перейти:  
cron