Прионы - принципиально новый класс возбудителей заболеваний, открытый и классифицируемый относительно недавно, несмотря на то, что некоторые заболевания, вызываемые этими возбудителями, были известны уже около столетия. Термин «прион» образован как анаграмма английских слов «белковая инфекционная (частица)» - "proteinaceous infectious (particles)". Прионы определяют как «малую белковую инфекционную частицу, устойчивую к инактивирующим воздействиям, которые модифицируют нуклеиновые кислоты», иными словами прионы - это обычные белки организма, которые по неким причинам (которые пока неизвестны) начинают вести себя «неправильно».

Открытие прионов тесно связано с историей открытия и становления учения о медленных инфекциях, когда в 1954 г. Б. Сигурдссон (Швеция) изложил результаты своих многолетних исследований массовых заболеваний среди овец, завезенных в 1933 г. из Германии на о. Исландия для развития каракулеводства. Несмотря на явные клинические различия и неодинаковую локализацию повреждений органов и тканей, шведский ученый сумел обнаружить среди изученных им заболеваний принципиальное сходство, которое в современном виде может быть суммировано в виде четырех главных признаков, отличающих медленные инфекции:

Необычно продолжительный (месяцы и годы) инкубационный период;
- медленно прогрессирующий характер течения;
- необычность поражения органов и тканей;
- неизбежность смертельного исхода.

Среди заболеваний овец была подробно исследована давно и хорошо знакомая во многих странах болезнь этих животных, известная под названием «скрэпи», полностью отвечавшая всем четырем характеристикам медленных инфекций.

Три года спустя на о. Новая Гвинея обнаружили и описали новое заболевание среди папуасов-каннибалов, которое известно сегодня под названием «куру». Болезнь носила массовый характер и успешной передачей сначала шимпанзе, а позднее и низшим обезьянам была доказана ее инфекционная природа. Очень скоро было выявлено большое сходство между эпидемиологий, клиническими проявлениями и патоморфологической картиной при куру у человека и при скрэпи у овец, на основании чего стало очевидным, что медленные инфекции могут поражать не только животных, но и людей.

Нормальный прионный белок играет чрезвычайно важную роль в жизнедеятельности организма: он участвует в передаче нервных импульсов и, самое главное, клеточный прионный белок регулирует суточные циклы активности и покоя в клетках, органах и в организме в целом. В организме людей и животных, страдающих прионными заболеваниями, прионный белок обнаруживается в другой форме. Изменение прионных белков представляет собой посттрансляционный процесс, включающий глубокое конформационное изменение, которое и является фундаментальным событием, лежащим в основе размножения инфекционных прионов. Следует добавить, что помимо приобретенной прионным белком инфекционности, другими его принципиальными отличиями от нормальной (клеточной) изоформы оказываются: приобретенная высокая устойчивость к нагреванию, ультрафиолетовому свету, проникающей радиации и переваривающему действию протеазы К. Механизм накопления инфекционного прионного белка в зараженном организме сегодня точно не известен. Однако имеющиеся сведения дают основание считать, что инфицирующий прионный белок вызывает в здоровом до этого организме трансформацию нормального (клеточного) прионного белка в его инфекционную форму за счет его конформационных (пространственных) изменений.

Группа прионных заболеваний включает такие болезни животных, как уже упоминавшаяся выше скрэпи овец и коз, трансмиссивная энцефалопатия норок, хроническая изнуряющая болезнь некоторых видов оленей и лосей, губкообразная энцефалопатия крупного рогатого скота, губкообразная энцефалопатия кошек и губкообразная энцефалопатия экзотических копытных.

У человека прионные болезни представляют редкие страдания, регистрирующиеся с частотой один на миллион в общей популяции в год. Исключение составляют лишь несколько регионов в мире, где заболеваемость оказывается значительно выше: в Словакии, Израиле и Чили. К настоящему времени у людей описаны четыре прионные болезни: болезнь Крейтцфельда-Якоба, куру, синдром Герстманна-Штреусслера-Шейнкера и смертельная семейная бессонница. При этом куру и синдром Герстманна-Штреусслера-Шейнкера представляют собой клинические разновидности болезни Крейтцфельда-Якоба, различающиеся соотношением интенсивности спонгиоза, амилоидоза и глиоза в мозговой ткани. Отсюда понятно, что болезнь Крейтцфельда-Якоба служит как бы главным показателем степени риска заражения человека.

Особого внимания заслуживает то обстоятельство, что, в отличие от всех известных инфекционных заболеваний, из 100% заболевающих в 85% случаев болезнь Крейтцфельда-Якоба возникает как спорадическое заболевание, как правило, у людей 40-69-летнего возраста; в 10-15% - как наследственное, и менее чем в 1-5% случаев эта болезнь развивается как инфекционная, то есть в результате типичного внешнего заражения - медицинских манипуляций или пересадок тканевых материалов от человека к человеку.

Поэтому, принимая во внимание высокую степень возможного риска подобного или иного пути заражения, в разных странах уже давно проводятся широкие эпидемиологические исследования болезни Крейтцфельда-Якоба с целью определения частоты заболевания, географического распространения, семейных очагов, возможных связей с особенностями пищевого рациона и проч. Последнее представляется особенно важным, так как на протяжении уже более 25 лет различные исследователи приводят статистические данные о возможной роли в возникновении этой болезни таких факторов, как употребление в пищу плохо проваренного мяса, мозга свиней и коров, особенно мозга и глазных яблок овец.

Резко возросший интерес к группе прионных болезней вообще и роли в их возникновении пищевого фактора - в особенности, во многом обусловлен начавшейся в 1986 г. эпизоотией губкообразной энцефалопатии крупного рогатого скота («болезнь бешенства коров») в Великобритании, на пике которой в 1992 г. регистрировалось около 1000 случаев заболеваний коров в неделю. Источником инфекционного прионного белка оказалась длительное время широко употреблявшаяся для выкармливания молодняка мясо-костная мука, при производстве которой еще с начала 1980-х годов стали использовать продукты убоя и головы овец, изменив при этом технологию обработки полуфабриката и сделав ее (для повышения питательной ценности) более щадящей.

Помимо коров заболевание в Великобритании было зарегистрировано у ряда экзотических копытных (в том числе у 5 видов антилоп), что также явилось следствием использования в зоопарках для выкармливания молодняка этих животных мясо-костной муки. Последующие звенья этой цепи событий включают многочисленные случаи прионных заболеваний и у некоторых представителей семейства кошачьих: болезнь была зарегистрирована сначала у бродячих, а затем и у домашних кошек, а также у пум, оцелотов, гепардов и даже у тигра. Причины возникновения у них губкообразной энцефалопатии связаны с употреблением в пищу внутренностей и голов зараженных коров, что было доказано результатами сравнительного анализа инфекционного прионного белка, выделенного от этих животных.

Прионные болезни крупного рогатого скота, кроме Великобритании, зарегистрированы и в других странах: в Швейцарии, Ирландии, Португалии, Франции, Германии, Нидерландах, Италии, Омане, Канаде, Дании и на Фолклендских островах. Все эти случаи связаны либо с импортом этими странами зараженных животных, либо с импортом зараженной мясо-костной муки.

В Великобритании, а позднее и во Франции были обнаружены атипичные случаи болезни Крейтцфельда-Якоба среди людей молодого (до 40 лет) возраста.

В настоящее время лекарства от этих болезней не существует. Во многих странах население отказалось от употребления в пищу мозгов и других субпродуктов.

Загадочные прионы

В науке бывает так, что решение одной проблемы неожиданно заставляет взглянуть по-новому на другую, давно, казалось бы, забытую. В последнее время масс-медиа вновь проявляют интерес к биологическим дискуссиям о механизмах наследственности, которые велись в 30−50−е годы прошлого века между сторонниками классической генетики и последователями «мичуринской биологии» в версии Трофима Денисовича Лысенко. Как известно, способы ведения тех дискуссий далеко выходили за рамки научной этики, а их результаты имели трагические последствия для отечественной генетики. Тем не менее кто-то утверждает, что новейшие сенсационные находки ученых, такие, как открытие белковой наследственности, подтверждают правоту Лысенко.
Так ли это?

О вреде каннибализма

Еще не забылась недавняя паника, связанная с импортными поставками мяса скота, зараженного коровьим бешенством. Эта болезнь поражает мозг коров, но может передаваться и человеку через говядину, употребляемую в пищу. Заражение случается редко - однако если оно произошло, то предотвратить летальный исход практически невозможно.

Надо сказать, что подобные болезни - так называемые медленные инфекции - уже довольно давно известны медикам (долгое время считалось, что они вызываются неким «медленным» вирусом, который так никогда и не был выделен). К их числу относятся куру, семейная смертельная бессонница, а также аналогичные заболевания млекопитающих. Их инфекционная природа впервые была установлена в 1957 году для куру, открытой американским вирусологом Даниелем Карлтоном Гайдушеком в Новой Гвинее. Болезнь эта была распространена в племени форе, традиции которого предписывали сыновьям есть сырой мозг умерших родителей. Гайдушек доказал связь заражения куру с ритуальным каннибализмом и затратил немало сил для того, чтобы искоренить этот опасный обычай. Болезнь была побеждена, а в 1976 году Гайдушек совместно с Барухом Бламбергом был удостоен Нобелевской премии.

Не вирус, а белок

Загадочные агенты «медленной инфекции» были найдены лишь в 1982 году американским биохимиком Стенли Прусинером, а в 1997−м его открытие было отмечено Нобелевской премией.

Этот исследователь и предложил термин «прион» (от английского prion - белковая инфекция) для обозначения белка - возбудителя ряда тяжелых заболеваний. Прионы - крайне необычные и во многом еще загадочные образования. Сам термин «прион» пока незнаком даже многим биологам, не говоря уж о широкой публике. Вместе с тем открытие прионов - это, безусловно, одно из ярких достижений молекулярной генетики последних двадцати лет.

Понятно, что болезнетворный агент должен размножаться, иначе он не представляет угрозы зараженному организму. До сих пор науке был известен только один способ размножения вирусов и живых организмов (от одноклеточных до высших животных) - при посредстве носителей наследственности, молекул ДНК и РНК (дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая кислоты).

Прионы - не клетки и не вирусы, а всего лишь особые белковые молекулы - не содержат ни ДНК, ни РНК . Однако, попав в клетку, прионы способны заражать ее и, в известном смысле, размножаться в ней.

Прусинер выяснил, из чего состоят плотные тяжи и бляшки, которые образуются в мозгу животного, пораженного прионным заболеванием. Оказалось, что молекулы одного из белков существуют в клетках нервной ткани в двух формах - нормальной и «аномальной» (прионной). Обе разновидности белка имеют идентичную последовательность аминокислот, однако их молекулы различаются по пространственной упаковке. И если нормальный белок ничуть не мешает клетке жить (хотя до сих пор не вполне понятно, какова его функция), то «аномальный» белок (он же прион), попав в нервную ткань, образует нерастворимые агрегаты.

Но вот что самое странное: оказывается, нормальные молекулы белка, стоит им вступить в контакт с прионами, сами превращаются в них, меняют свою пространственную структуру! Достаточно лишь небольшого числа прионизирующих молекул, чтобы запустить цепную реакцию, разрушительную для клетки. Прион выступает как инфекционный агент, заражающий нормальные молекулы и таким способом воспроизводящий свою пространственную структуру. Это и есть его способ размножения.

Сказанное явно не вписывается в сложившиеся представления о путях передачи наследственной информации в клетке.

Нас в школе учили, что все свойства белковой молекулы определяются последовательностью ее аминокислот, которая считывается с молекулы РНК, а та, в свою очередь, синтезируется на гене, то есть на матрице ДНК. Открытие прионов показало, однако, что последовательность аминокислот определяет далеко не все ее свойства.

Мы видим, что один и тот же белок может быть прионом - но может и не быть им! И, что гораздо важнее: заражая нормальную молекулу, прион фактически передает ей информацию о своей упаковке, никак не сообщаясь с ДНК или РНК.

Под впечатлением от этих сенсационных данных и возникла гипотеза белковой наследственности, то есть наследственности без ДНК. Эта гипотеза активно обсуждалась в конце 70−х - начале 80−х годов.

Сенсация, однако, продержалась недолго , так как вскоре был открыт ген, ответственный за вышеупомянутый белок, который может существовать и в нормальной, и в прионной форме

Мыши, лишенные этого гена, вполне жизнеспособны, но не заболевают, если их инфицировать прионом: у них ведь просто нет белка, который можно превратить в зловредные тяжи и бляшки.
Успехи отечественной прионологии

Новый этап в истории изучения прионов начался в 1993 году, когда они перестали быть диковиной, свойственной лишь млекопитающим, и были найдены у грибов, в первую очередь - у дрожжей. О прионах заговорили как об общебиологическом явлении, а у прионологии появились новые перспективы.

Ведь с дрожжами работать несравненно удобнее, чем с мышами или коровами, а тем более с людьми: они дешевы, быстро размножаются, да и этических проблем с ними не возникает. Кроме того, молекулярная биология дрожжей изучена очень подробно: известна даже полная последовательность ДНК их генома. И, что немаловажно, прионы дрожжей абсолютно безопасны для человека.

Исследования прионов у дрожжей составляют предмет отечественного приоритета. Они ведутся в трех коллективах: на кафедре генетики Санкт-Петербургского университета, возглавляемой членом-корреспондентом РАН Сергеем Инге-Вечтомовым, в московском Кардиологическом центре Минздрава (лаборатория профессора Михаила Тер-Аванесяна) и в Институте молекулярной биологии РАН им. В. А. Энгельгардта (лаборатория члена-корреспондента РАН Льва Киселева) в кооперации с некоторыми зарубежными коллегами.

Изучение одного из таких дрожжевых белков (ген, который за него отвечает, именуется SUP35) ведется Инге-Вечтомовым и его коллегами с середины 1960−х годов. История обнаружения дрожжевых прионов такова. Известно, что мутантный ген SUP35 может вызывать нарушения сборки белковых молекул. Оказалось, что подобные нарушения у дрожжей могут передаваться от материнских клеток к дочерним без участия гена. Их виновником оказался некий белок, названный пси-фактором. Он был обнаружен в 1965 году британским ученым Брайаном Коксом.

Долгое время физическую природу его воздействия объяснить не удавалось . В начале 90−х годов, однако, Инге-Вечтомов с сотрудниками выдвинули гипотезу о прионной природе пси-фактора, которая в дальнейшем блестяще подтвердилась.

Впервые словосочетание «прионы дрожжей» появилось в статье американского ученого Рида Уикнера в 1994 году.

Уже в 1997 году в лаборатории Сьюзен Линдквист в США было показано, что прионы дрожжей образуют в клетках такие же агрегаты, как и прионы млекопитающих - в тканях мозга.

В том же году инфекционность пси-фактора in vitro (то есть в пробирке, вне живой клетки) была доказана изящными экспериментами, поставленными группой Тер-Аванесяна.

Помимо пси-фактора к настоящему времени обнаружено еще 2 белка-приона у дрожжей и один - у грибка Podospora anserina.

Можно ожидать открытия прионных свойств и у других белков, их находок у новых организмов.

Существование прионов указывает на то , что в клетке, наряду с копированием последовательностей ДНК и РНК, идут и матричные процессы совсем иного рода, а именно: копирование конформации (пространственной упаковки) белковых молекул.

Но коль скоро информация о некоторых признаках организма может передаваться без помощи нуклеиновых кислот - значит, помимо генетического аппарата в клетке существуют и иные (так называемые эпигенетические) механизмы наследования.

Раньше эти феномены лежали на периферии интересов ученых; сейчас же генетика занимается не только генами, но все больше обращается к эпигенетической наследственности и изменчивости.

Кто прав?

Но не означает ли это, что вновь стало востребовано наследие Лысенко, сыгравшего мрачную роль в истории отечественной биологии? Действительно, Лысенко отрицал существование генов, стремясь объяснить явления наследственности и изменчивости «взаимодействием организма и среды».

В 30−е годы прошлого века, когда уже были установлены важнейшие закономерности наследования, но почти ничего не было известно о материальной природе генов, такая точка зрения казалась экстравагантной, но все же допустимой.

После успехов молекулярной биологии, однако, никому и в голову не приходит сомневаться в существовании генов. Исследователям прионов - в том числе.

Беда в том, что для отстаивания своих идей Лысенко использовал не столько научные аргументы, сколько идеологические средства, а заодно и репрессивный аппарат тоталитарного государства.

Но где появляется идеология - там исчезает само различение истины и лжи, а потому рассуждения о правоте или неправоте Лысенко просто лишены научного смысла. Так что не стоит смешивать добротную науку молекулярную биологию с замшелыми идеологическими доктринами…

Достижения прионологии позволят, возможно, научиться лечить и предупреждать ряд тяжелых заболеваний. Речь идет не только о губчатой энцефалопатии, но и гораздо более распространенных болезнях Альцгеймера и Паркинсона, при которых тоже наблюдается образование белковых агрегатов в нервной ткани.

И дрожжи тут могут оказаться удобной моделью: уже разработаны лекарства, блокирующие их прионы.

Прионология сейчас находится только в самом начале своего пути. От нее можно ожидать чрезвычайно интересных фундаментальных открытий, сулящих к тому же и практический выход. Российские (и не в последнюю очередь - петербургские) ученые занимают сейчас лидирующие позиции в этой, без преувеличения, стратегической области научного поиска.

Увы, блестящий прорыв, за которым стоит многолетний кропотливый труд и традиции отечественных научных школ, легко может сведен на нет из-за банальной нехватки средств на исследования.

Как правило, прионное состояние белка характеризуется переходом α-спиралей белка в β-слои. Прионы - единственные инфекционные агенты, размножение которых происходит без участия нуклеиновых кислот.

Важным событием было распространение «коровьего бешенства » в Великобритании, эпидемия которого была сначала в 1992-1993 гг, а потом и в 2001 г охватила несколько европейских государств, но тем не менее экспорт мяса во многие страны не был прекращён. Заболевание связывают с использованием «прионизированной» костной муки в кормах и премиксах , изготовленной из туш павших или заболевших животных, возможно, и не имевших явных признаков заболевания.

Пути переноса причинного фактора болезни, механизмы проникновения прионов в организм и патогенез заболевания изучены пока недостаточно.

Молекулярные основы патогенеза

В ходе исследований мозговых тканей умерших от прионных инфекций животных было показано, что прионы не содержат нуклеиновых кислот, а представляют собой белки. Одним из первых охарактеризованных прионных белков стал PrP (от англ. p rion-r elated p rotein или p rotease-r esistant p rotein) массой около 35 Да . Известно, что PrP может существовать в двух конформациях - «здоровой» - PrP C , которую он имеет в нормальных клетках (C - от англ. cellular - «клеточный»), в которой преобладают альфа-спирали , и «патологической» - PrP Sc , собственно прионной (Sc - от scrapie ), для которой характерно наличие большого количества бета-тяжей. При попадании в здоровую клетку, PrP Sc катализирует переход клеточного PrP C в прионную конформацию. Накопление прионного белка сопровождается его агрегацией, образованием высокоупорядоченных фибрил (амилоидов), что в конце концов приводит к гибели клетки. Высвободившийся прион, по-видимому, оказывается способен проникать в соседние клетки, также вызывая их гибель.

Функции белка PrP C в здоровой клетке - поддержание качества миелиновой оболочки, которая в отсутствие этого белка постепенно истончается. В норме белок PrP C ассоциирован с клеточной мембраной, гликозилирован остатком сиаловой кислоты. Он может совершать циклические переходы внутрь клетки и обратно на поверхность в ходе эндо - и экзоцитоза . Один такой цикл длится около часа. В эндоцитозном пузырьке или на поверхности клетки молекула PrP C может разрезаться протеазами на две примерно равные части.

До конца механизм спонтанного возникновения прионных инфекций не ясен. Считается (но ещё не полностью доказано), что прионы образуются в результате ошибок в биосинтезе белков. Мутации генов , кодирующих прионный белок (PrP), ошибки трансляции , процессы протеолиза - считаются главными кандидатами на механизм возникновения прионов. Согласно недавно проведённым исследованиям прионы способны к дарвиновской эволюции за счёт действия естественного отбора.

Есть данные, дающие основание считать, что прионы являются не только инфекционными агентами, но и имеют функции в нормальных биопроцессах. Так, например, существует гипотеза, что через прионы осуществляется механизм генетически обусловленного стохастического старения.

Классификация

Этиология

Человек может заразиться прионами, содержащимися в пище, так как они не разрушаются ферментами пищеварительного тракта . Так как стенками кишечника они не адсорбируются, то могут проникать в кровь только через поврежденные ткани. В конечном итоге они попадают в центральную нервную систему. Так переносится новый вариант болезни Крейтцфельдта-Якоба (nvCJD) , которой люди заражаются после употребления в пищу говядины, содержащей нервную ткань из голов скота, больных бычьей губчатой энцефалопатией (BSE, коровье бешенство).

На практике доказана возможность прионов заражать организм мышей воздушно-капельным путем.

Прионы могут проникать в тело и парентеральным путем. Были описаны случаи заражения при внутримышечном введении препаратов, изготовленных из человеческих гипофизов (главным образом гормоны роста для лечения карликовости), а также заражение мозга инструментами при нейрохирургических операциях, поскольку прионы устойчивы к применяемым в настоящее время термическим и химическим методам стерилизации . Эта форма болезни Крейтцфельдта-Якоба обозначается как ятрогенная (1CJD) .

При определённых, неизвестных условиях, в организме человека может произойти спонтанная трансформация прионного белка в прион. Так возникает так называемая спорадическая болезнь Крейтцфельдта-Якоба (sCJD) , впервые описанная в 1920 г. независимо друг от друга Гансом Герхардом Крейтцфельдтом и Альфонсом Марией Якобом. Предполагается, что спонтанное возникновение этой болезни связано с фактом, что в норме в человеческом теле постоянно возникает небольшое количество прионов, которые эффективно ликвидируются клеточным Аппаратом Гольджи . Нарушение этой способности «самоочищения» клеток может привести к повышению уровня прионов выше допустимой границы нормы и к их дальнейшему неконтролируемому распространению. Причиной возникновения спорадической болезни Крейтцфельдта-Якоба согласно этой теории является нарушение функции Аппарата Гольджи в клетках.

Особую группу прионовых заболеваний представляют собой наследственные (врожденные) болезни, вызванные мутацией гена прионового белка, который делает возникший прионовый белок более подверженным спонтанному изменению пространственной конфигурации и превращения их в прионы. К этой группе наследственных заболеваний относится и наследственная форма болезни Крейтцфельдта-Якоба (fCJD) , которая наблюдается в ряде стран мира.

При прионовой патологии наивысшая концентрация прионов обнаружена в нервной ткани заражённых людей. Прионы встречаются в лимфатической ткани. Наличие прионов в биологических жидкостях, включая слюну, пока не было однозначно подтверждено. Если представление о постоянном возникновении небольшого количества прионов верно, то можно предположить, что новые, более чувствительные методы диагностики откроют это количество прионов, разбросанное по различным тканям. В данном случае, однако, речь пойдёт о «физиологическом» уровне прионов, которые не представляют собой никакой угрозы для человека.

Пути заражения

Гистологический препарат, поражение ткани прионами с образованием характерной губчатой структуры.

Очень мало известно о молекулярном характере прионов, вызывающих заболевания. Заражение могут вызвать примерно 100 000 молекул, которые в большинстве случаев образуют большие скопления. Значение агрегации отдельных молекул в ассоциации для вирулентности прионов - устойчивость к действию ферментов , расщепляющих белки, ставшие ненужными. Нельзя исключить, что вирулентными являются и отдельные молекулы прионов. Из некоторых экспериментов следует, что для возникновения прионов в ткани достаточно лишь временного контакта ткани с материалом, содержащим прионы, и нет необходимости, чтобы прионы были навсегда внесены в организм. Этот риск является актуальным, например, в связи с использованием хирургических инструментов, заражённых прионами. Процесс трансформации «здоровых» прионовых белков в прионы может быть инициирован простым контактом здоровых тканей с прионами, зафиксированными на хирургическом инструменте.

Ход болезни и распространение прионов по организму зависит от типа приона. Прионы отличаются составом аминокислот, характерных для данного вида, определяемых видовым геном прионового белка, а также так называемыми посттрансляционными модификациями или степенью гликозилирования базовой белковой цепочки. Посттрансляционная модификация значительно влияет на характеристики прионов и именно ей приписывают разницу между так называемыми прионовыми родами. В случае нового варианта (nvCJD) был пока что описан лишь один вид приона, сходный с прионами скота, заражённого бычьей губчатой энцефалопатией . Поэтому течение заболевания у человека и животных, заражённых новым вариантам , практически одинаково. У прочих видов живых существ, однако, известно много прионовых родов. У овец были описаны примерно два десятка таких родов, которые не вирулентны для человека. Течение овечьего прионового заболевания в зависимости от рода прионов значительно отличается - от очень быстрого, с практически внезапной гибелью, до медленного, затяжного.

Нетипичные случаи клинического течения нового варианта у скота, заражённого бычьей губчатой энцефалопатией, которые имели место в Японии и Италии, наводят на мысль о существовании большего количества родов бычьих прионов. Если бы этот род бычьих прионов попал в организм человека, следовало бы ожидать возникновение нового варианта с симптомами и клиническим течением, отличными от известных случаев.

У пациентов, больных болезнью Крейтцфельдта-Якоба , прионы распространяются в нервной системе, тканях глаза и лимфатических тканях, включая миндалины , селезенку , а также в слепой кишке . Наибольшее количество прионов находится в нервной системе, а наименьшее - в лимфатической ткани.

Пока что не был зарегистрирован ни один случай переноса нового варианта болезни Крейтцфельдта-Якоба (nvCJD) при медицинском вмешательстве, что является, разумеется, хорошей новостью. С другой стороны, специалисты предупреждают о преувеличенном оптимизме, прежде всего в условиях Великобритании, так как инкубационный период может быть достаточно долгим (от 5-8 месяцев до 10-15 лет).

Прионы и медицинские инструменты

Прионы очень стойки к обычным методам дезинфекции . Ионизирующее, ультрафиолетовое или микроволновое излучение на них практически не действует. Дезинфекционные средства, обычно используемые в медицинской практике, действуют на них лишь в очень ограниченной мере. Надёжно их ликвидируют дезинфицирующие реактивы - сильные окислители, разрушающе действующие на белки .

Другое затруднение представляет собой стойкость прионов к высоким температурам. Даже при автоклавировании при 134 °C в течение 18 минут невозможно достичь полного разрушения прионов, и прионы «выживают» в форме, способной вызвать заражение. Стойкость к высоким температурам ещё более возрастает, если прионы засохнут на поверхности металла или стекла или если образцы перед автоклавированием были подвергнуты действию формальдегида .

В Великобритании, где новый вариант является очень серьёзной проблемой, по этим причинам уже используются одноразовые хирургические инструменты для тонзиллэктомии. В будущем напрашивается альтернативное решение: создания новых инструментов, с учётом повышенных требований к очистке и обеззараживанию. Одноразовое использование инструментов согласно принципам ВОЗ требуется в случае стоматологического обслуживания пациентов с диагностированным прионным заболеванием или в случае подозрения на него.

Намного более сложным решением этой проблемы является лечение пациентов группы риска. К ним относятся пациенты, которые подверглись операциям, при которых была использована потенциально заражённая твёрдая мозговая оболочка , или пациенты из семей с наследственной формой болезни Крейтцфельдта-Якоба . ВОЗ в этом случае не требует никаких специальных мер. Британский Консультационный научный комитет по губчатой энцефалопатии в своём решении в г. счёл возможным ограничиться более тщательной очисткой и обеззараживанием инструментов, в сочетании с более длительным автоклавированием.

Прионные заболевания человека

Наиболее известные прионные инфекции человека, связанные с поражением головного мозга:

• болезнь Крейтцфельдта - Якоба (Creutzfeldt-Jakob disease), делится на iCJD, vCJD, fCJD, sCJD;
• фатальная семейная бессонница (Fatal Familial Insomnia);
• болезнь Куру (Kuru), связана с ритуальным каннибализмом народности Форе в восточной части Новой Гвинеи;
• синдром Герстманна - Штройслера - Шейнкера (Gerstmann-Sträussler-Scheinker disease).

Потенциальная опасность для человека

Несмотря на незначительное количество явных случаев прионных заболеваний у людей, многие специалисты считают, что имеется высокая степень опасности «медленных» инфекций для человека.

Имеются данные, что источником распространения могут быть стоматологические процедуры, связанные с попаданием прионов в кровяное русло.

Purdy провёл кластерное эпидемиологическое исследование при прионных заболеваниях в районах с низкой концентрацией меди в почвах.

См. также

• Субвирусные частицы

Примечания

Литература

• И. С. Шкундина, М. Д. Тер-Аванесян . Прионы. Успехи биологической химии, т. 46, 2006 (обзор)
• Григорьев В. Б. - Прионные болезни человека и животных. - Вопросы вирусологии, т.49(№ 5), с.4-12, 2004 (обзор)
• Покровский В. И., Киселев О. И., Черкасский Б. Л. - Прионы и прионные болезни - РАМН, 2004, 384 стр., ISBN 5-7901-0038-4
• Prion biology and diseases, edited by S.B.Prusiner, Cold Spring Harbor, NY, 1999, ISBN 0-87969-547-1

Источники

1. ing. Jaroslav Petr, DrSc. Phony a ustni dutina. Progresdent, 2004, № 2, s. 12-16

Ссылки

На английском языке

• Mad Cow Disease Информация о коровьем бешенстве, Center for Global Food Issues.
• Madcowering A BSE-TSE blog.
• The Pathological Protein - Mad Cow, Chronic Wasting, and Other Deadly Prion Diseases (2003, updated online 2005). Philip Yam,

Подготовка к ЗНО. Биология.
Конспект 37. Вирусы. Прионы. Вироиды

Вирусы

Прионы

Прионы – особый класс инфекционных агентов, представленных белками с аномальной третичной структурой и не содержащих нуклеиновых кислот. Белок с аномальной трёхмерной (третичной) структурой, способный катализировать конформационное превращение гомологичного ему нормального клеточного белка в себе подобный (прион).
Для размножения приона необходимо исходное наличие нормально уложенного клеточного прионного белка; организмы, у которых отсутствует нормальная форма прионного белка, не страдают прионными заболеваниями. Прионная форма белка чрезвычайно стабильна и накапливается в поражённой ткани, вызывая её повреждение и, в конечном счёте, отмирание. Устойчивы к денатурации под действием химических и физических агентов, поэтому уничтожить эти частицы или сдержать их рост тяжело.
Все известные прионные заболевания млекопитающих вызываются белком PrP . У различных млекопитающих – трансмиссивные губчатые энцефалопатии у, в том числе губчатую энцефалопатию крупного рогатого скота («коровье бешенство»). У человека прионы вызывают болезнь Крейтцфельдта-Якоба, вариант болезни Крейтцфельдта-Якоба (vCJD), синдром Герстмана-Штраусслера-Шейнкера, фатальную семейную бессонницу и куру. Все известные прионные заболевания поражают головной мозг и другие нервные ткани, в настоящее время неизлечимы и в конечном итоге смертельны.

Вироиды

Вироиды – инфекционные агенты, представляющие собой низкомолекулярную одноцепочечную кольцевую РНК, не кодирующую собственные белки. Вызывают болезни растений. Механизм репликации вироидов окончательно не выяснен. Предполагается, что вироиды в клетках растений индуцируют синтез вироидных РНК, используя ферменты растений хозяев. Не кодируют каких либо белков, в т.ч. и специфических ферментов репликации, и не функционируют в качестве информационных РНК.
Вироиды от хозяина к хозяину обычно передаются при вегетативном размножении, а также механически. Некоторые виды распространяются через семена и пыльцу. Только для вироида «планто мачо» томата обнаружена передача с помощью насекомых переносчиков, а именно тлей.
Самые малые вироиды scRNA (малые цитоплазматические РНК) вируса жёлтой крапчатости риса имеют длину всего 220 нуклеотидов. Для сравнения: геном самого маленького известного вируса, способного вызывать инфекцию, имеет размер около 2000 оснований.

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Прионные заболевания - феномен, открытый в двадцатом веке, и в нем же начавший играть большую роль: увеличение продолжительности жизни в развитых странах привело к тому, что все больше людей стало доживать до «своего Альцгеймера» или «своего Паркинсона». Природа нейродегенеративных заболеваний продолжает оставаться туманной, и ученые пока исследуют только отдельные их аспекты - например, причину развития именно в старческом возрасте или способность передаваться от одних видов живых существ другим.

Всё началось с того, что в 20 веке учёные заинтересовались природой необычных заболеваний человека и животных: куру , Крейтцфельда-Якоба , скрэпи . Заметное сходство патологии этих болезней дало основание для гипотезы об их инфекционности, что впоследствии было экспериментально подтверждено. Тогда возник вопрос о возбудителе данных заболеваний. Прежде чем был найден ответ, были выявлены необычайные свойства возбудителей: они не размножаются на искусственных питательных средах, устойчивы к высокой температуре, формальдегиду, различным видам излучений, действию нуклеаз. Очистка инфекционного материала и его изучение позволило провозгласить о том, что «во всём виноват» белок, который 30 лет назад получил название прион (от англ. pr ion - белковая инфекция).

Так, известные американские учёные - вирусолог и врач Д.К. Гайдушек , раскрывший инфекционную природу прионных болезней, в 1976 г. и биохимик С.Б. Прузинер , который определил прионы и разработал прионную теорию, в 1997 г., - были удостоены Нобелевских премий. Их работы стали импульсом для последующих исследований, благодаря которым были изучены новые виды прионных инфекций. Но, даже несмотря на неугасающий интерес к «прионной теме», образование прионов до сегодняшнего дня остаётся загадкой.

Биологическая сущность прионов

Рисунок 1. Метафора нейродегенеративного поражения мозга - это губка, в которую превращается нервная ткань в результате массовой гибели нейронов.

Молекула приона не является чем-то экзотическим: в «нормальной» форме она имеется на поверхности нервных у каждого из нас. При этом мы отлично себя чувствуем, и наши нервные клетки живы и здоровы. Однако это всё до тех пор, пока наш нормальный белок не «переродится» в аномальную форму. А если это случится, то приведёт к ужасающим последствиям: инфекционная форма прионов имеет свойство «склеиваться» с другими молекулами и, мало того, «конвертировать» их в эту же самую форму, вызывая «молекулярную эпидемию». В результате этой полимеризации на нервной клетке появляются токсичные белковые бляшки , и она погибает . На месте погибшей клетки образуется пустота - вакуоль, заполненная жидкостью. С течением времени будет исчезать один нейрон за другим, а в мозге - образовываться всё больше «дыр», пока, наконец, мозг не превратится в губку (рис. 1), за чем неминуемо последует смерть.

Существует упрощенное представление, что полимеризованные прионные фибриллы «протыкают» нейрон, что вызывает его гибель. На самом деле это не совсем так: предшествующие фибриллярной стадии сферические агрегаты прионов также обладают токсичностью (по крайней мере, для болезни Альцгеймера): «Альцгеймеровский нейротоксин: ядовиты не только фибриллы ». - Ред.

Но как может нормальный природный белок (обозначается PrP C) вдруг стать патологическим (PrP Sc ; Sc - от слова «scrapie»)? Что должно произойти? Как и в случае «обычной» инфекции, для такой трансформации необходима встреча с молекулой инфекционного приона. Существуют два пути передачи этой молекулы: наследственный (за счёт мутаций в гене, кодирующего белок) и инфекционный. То есть внедрение приона может произойти неожиданно - например, при употреблении в пищу недостаточно хорошо прожаренного или сваренного мяса (в котором должна присутствовать форма PrP Sc), при переливании крови, при трансплантации органов и тканей, при введении гормонов гипофиза животного происхождения.

И тогда происходит удивительное событие: нормальные молекулы белка, контактируя с патологическими, сами превращаются в них, изменяя свою пространственную структуру (механизм трансформации остаётся загадкой и по сей день) . Таким образом прион, как самый настоящий инфекционный агент, заражает нормальные молекулы, запуская цепную реакцию, разрушительную для клетки.

Некоторые сведения о прионах

Исследователи отмечают:

Условия возникновения заболеваний

Условия возникновения прионовых болезней уникальны. Они могут формироваться по трём сценариям: как инфекционные, спорадические и наследственные поражения. В последнем варианте главную роль играет генетическая предрасположенность .

Знаменитый исследователь прионов Стэнли Прузинер (Stanley Prusiner ) выделяет две поразительные особенности, присущие таким нейродегенеративным заболеваниям, как болезнь Крейтцфельда-Якоба , болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона . Первая заключается в том, что более 80% случаев заболевания - спорадические (то есть, случайные, возникающие «сами собой»). Вторая: несмотря на то, что большое количество мутантных белков, специфичных к определённой болезни, экспрессируется в процессе зародышевого развития, формы наследования этих нейродегенеративных заболеваний проявляются позже. Это предполагает, что некоторые процессы происходят во время старения, которое «дает волю» болезнетворным белкам . Более 20 лет назад автор утверждал, что данный процесс включает случайный рефолдинг (пересворачивание) белка в неправильно свёрнутый, что соответствует переходу в инфекционное состояние - прион.

Интересные факты насчет болезни Альцгеймера: ее вероятность может повышаться вследствие хронического недосыпания («Новый шаг к пониманию болезни Альцгеймера: возможно, недосыпание является одним из факторов риска »), а сам альцгеймеровский нейропептид (β-амилоид Aβ) может быть частью системы врожденного иммунитета («Возможно, β-амилоид болезни Альцгеймера - часть врождённого иммунитета »). - Ред.

В последнее десятилетие интерес к этой теме возобновился в связи с возможностью развития диагностики и эффективной терапии . Появилось множество различных объяснений для возрастных нейродегенеративных болезней, - например, окислительная модификация ДНК, липидов и/или белков; соматические мутации; измененный врождённый иммунитет; экзогенные токсины; несоответствия ДНК-РНК; нарушение работы шаперонов; отсутствие одного из аллелей гена . Альтернативным комплексным разъяснением служит то, что различные группы белков могут формировать прионы. Несмотря на то, что небольшое количество прионов может быть удалено посредством путей белковой деградации, их чрезмерное накопление с течением времени позволяет прионам самостоятельно распространяться в организме (рис. 2), что приводит к нарушению деятельности центральной нервной системы .

Рисунок 2. Процессы нейродегенерации, вызванной прионами. Сверху: накопление «нормального» прионного белка повышает его вероятность перехода в токсичную конформацию, которая описывается бóльшим содержанием β-структуры. Прионы наиболее патогенны в форме олигомеров; после образования фибрилл токсичность снижается. В зависимости от того, о каком конкретно прионном белке идет речь, в патологическом состоянии он может образовывать бляшки, клубки или тельца включения. Возможные пути лекарственного вмешательства: (I) снижение концентрации «нормального» белка-предшественника; (II) ингибирование образования прионной формы; (III) уничтожение токсичных агрегатов. Снизу: Наследственная старческая нейродегенерация объясняется двумя событиями: наличием мутантной формы предшественника и образованием из него приона, готового к олиго- и полимеризации с образованием токсичных форм.

Группы риска прионных заболеваний

Вот кого прионные заболевания могут настичь с наибольшей вероятностью:

• работники пищевой промышленности;
• ветеринары;
• патологоанатомы;
• хирурги;
• пациенты трансплантолога;
• каннибалы;
• лица, в семье которых были замечены синдромы Герстманна-Штрейслера-Шейнклера или фатальной инсомнии.

Лабораторная диагностика и лечение

Диагностика базируется на внутримозговом заражении мышат или хомяков, у которых медленно (до 150 дней) развивается соответствующее заболевание, если пациент был болен . Часто проводится гистологическое исследование головного мозга погибших животных .

К сожалению, до настоящего времени еще не разработаны эффективные методы лечения прионовых болезней, хотя попытки предотвратить конформационный переход нормального белка в аномальный производятся. Поэтому самым надёжным способом предупреждения развития инфекционных форм является профилактика .

Особенно актуальным становится решение «прионного вопроса» в связи с нарастающей угрозой возникновения эпидемии через инвазивные медицинские операции и даже при приёме лекарственных средств.

Перспективы

По-видимому, интерес к прионам не угаснет до тех пор, пока предположения на их счёт полностью не подтвердятся и не будут найдены эффективные способы лечения прионных заболеваний. В статье говорится о необходимости современного исследования, которое требует тщательного рассмотрения чужеродных прионов в экстраневрональных тканях.

В качестве модельных объектов авторы использовали мышей: две линии, которые трансгенно экспрессировали овечий прионный белок, и одну линию, которая экспрессировала человеческий прионный белок (рис. 3). Задачей было сравнить эффективность межвидовой передачи инфекции посредством тканей мозга и селезёнки. Внутримозговое заражение чужеродным прионным белком выражалось в отсутствии или небольшом количестве инфекционного агента в мозгах этих мышей. Однако инфекционные чужеродные прионы обнаруживались в селезёнке на более ранних этапах заражения в сравнении с моментом, когда были использованы нейротропные прионы, тем самым определяя, что лимфатическая ткань может быть более пермиссивной к распространению чужеродных прионов по сравнению с мозгом.

Рисунок 3. Способность приона хомяков Sc237 заражать и передаваться при введении в мозг или селезенку трансгенным мышам , имеющим прионный белок PrP овцы (tg338; белые мыши) или человека (tg7; серые мыши). Число заболевших/инъецированных мышей показано в скобках; ниже приведено среднее время жизни (в днях).

Чем вызвана эта предпочтительная репликация прионов в лимфатических тканях, пока неизвестно. Однако полученные данные показывают, что человек может быть более чувствительным к чужеродным прионам, чем предполагалось ранее на основании присутствия прионов в мозгу, и по этой причине бессимптомный переносчик прионной болезни может быть не распознан. Это ещё раз подтверждает, что такая могущественная биомолекула как прион таит в себе немало загадок, раскрытие которых, возможно, поможет в понимании ряда неразрешимых проблем человечества...

Литература

1. Абрамова З.И. Исследование белков и нуклеиновых кислот. Казань: Казанский государственный университет, 2006. - 157 с.;
2. Новиков Д.К., Генералов И.И., Данющенкова Н.М. Медицинская микробиология. Витебск: ВГУ, 2010. - 597 с.;
3. Прудникова С.В. Микробиология с основами вирусологии. Красноярск: ИПК СФУ, 2008;
4. Поздеев О.К., Покровский В.И. Медицинская микробиология. М.: Гэотар-мед, 2001. - 765 с.;
5. S. B. Prusiner. (2012). A Unifying Role for Prions in Neurodegenerative Diseases . Science . 336 , 1511-1513;
6. V. Beringue, L. Herzog, E. Jaumain, F. Reine, P. Sibille, et. al.. (2012). Facilitated Cross-Species Transmission of Prions in Extraneural Tissue . Science . 335 , 472-475;
7. Carolina Pola. (2012). Prion escape to spleen . Nat Med . 18 , 360-360;
8. Элементы: «10 фактов о прионах и амилоидах »;
9. Элементы: «Геометрия белковых тел »;
10. Charles Weissmann. (2012). Mutation and Selection of Prions . PLoS Pathog . 8 , e1002582.