Загадка прионов: как молекула без ДНК угрожает человечеству и можно ли ее остановить

Биология и медицина активно развиваются. Ученые описывают новые заболевания и все новые микроорганизмы, которые ответственны за их развитие. Открытие в 1982 году Стэнли Прузинером феномена новой формы жизни, которая противоречила самому ее определению, было настолько трудно принять ученому сообществу, что вручение ему Нобелевской премии по физиологии и медицине произошло только 15 лет спустя. Прионы — уникально устроенные белковые молекулы оказались одним из самых главных сюрпризов биохимии и медицины конца XX века. В них нет нуклеиновых кислот, но при этом прионные белки способны размножаться, мутировать, адаптироваться и развиваться, вызывать целый ряд смертельных заболеваний, передаваться по наследству и, возможно, подвергаться действию естественного отбора. И при этом они смертельно опасны.

Зомби-заболевания 

Впервые широкой общественности прионные инфекции стали известны при освещении в СМИ разразившейся с 1986 года в Великобритании эпидемии коровьего бешенства. Животные становились крайне пугливыми, чувствительными к любому прикосновению и звуку, у них нарушалась координация движений и появлялись приступы бешенства. В головном мозге погибших коров наблюдалась массовая гибель нейронов, образование полостей и формирование губкообразного состояния мозговой ткани с избыточной продукцией глии. 

Несмотря на карантинные мероприятия, болезнь продолжала стремительно распространяться, охватила практически все графства королевства и перекинулась на континентальные страны Европы. Количество заболевших животных постоянно увеличивалось, достигнув максимума в 1992 году, когда каждую неделю регистрировали до 1000 случаев заболевания. Как оказалось, причиной возникновения эпидемии послужила банальная жажда наживы. Патоген попадал в организм молодых животных при их вскармливании мукой, источником которой служили кости умерших животных. По технологии получения костной муки требовалось использование активных жирорастворителей и термообработка при 130 °С. Однако предприниматели решили одновременно сэкономить на реагентах и терморежиме, при этом повысить питательную ценность костной муки за счет уменьшения количества веществ, экстрагирующих жир и снижения температуры до 110 °С. Именно эти методы «оптимизации» технологии сыграли роковую роль, запустив масштабную эпидемию, принесшую колоссальные убытки. За десятилетие в Великобритании погибло около 200 000 животных. Остановить болезнь не удалось, невзирая на то, что уже в 1988 году кормление белковосодержащими смесями было прекращено, и все животные даже с малейшим подозрением на губчатую энцефалопатию подлежали убою и сжиганию в электрических печах.

В 2000-х годах стали фиксироваться случаи заболевания среди людей. Болезнь начиналась с изменения поведения и возникновения депрессии. Пациенты теряли вес, нарушалась координация движений, они становились неспособны к самообслуживанию. В итоге все больные умирали из-за нарушения жизненно важных функций организма.

Так эпидемия среди крупного рогатого скота привела к появлению нового варианта известной еще с 1920 года болезни Крейтцфельдта — Якоба. В отличие от классического он характеризуется четырехлетним инкубационным периодом и поражением преимущественно молодых людей. Слабоумие наступает лишь в терминальной стадии, т.е. пациент очень долго находясь в рассудке, осознает угасание своих жизненных функций.

Прионные болезни людей 

Прионные заболевания встречаются у домашних (коровы, овцы, кошки) и диких животных (обезьяны, лоси, антилопы). У человека известны три механизма их передачи. Прямой путь — заражение происходит через пищу, так как прионные белки не разрушаются ферментами пищеварительного тракта; или при попадании в кровь при проведении медицинских манипуляций. Также возможна наследственная передача болезни и спонтанный механизм — необъяснимое появление патологического белка или мутации в гене, кодирующим соответствующий белок. В 2011 году была установлена возможность заражения прионами воздушно-капельным путем, и этот факт очень насторожил эпидемиологов. Считается, что инфицирование может произойти под действием 100 000 прионных частиц, однако нельзя исключить, что для этого достаточно и всего нескольких молекул.

У человека выделяют несколько прионных болезней, и все они смертельны: куру, синдром Герстманна — Штраусслера — Шейнкера (СГШШ), смертельная семейная бессонница и два варианта болезни Крейтцфельдта — Якоба. В классическом варианте при болезни Крейтцфельдта — Якоба инфекционные прионы появляются в мозге спонтанно в результате мутации. Само заболевание характеризуется длительным инкубационным периодом — обычно начинается в возрасте после 50 лет и манифестирует с изменения настроения, потери интереса к окружающим событиям и кратковременных нарушений памяти. Затем возникают расстройства зрения и речи, появляются галлюцинации. В терминальной фазе быстро прогрессирует деменция и отмечаются ритмические подергивания мышц.

Куру было подробно описано в середине XX века в племени Форе в горных районах Папуа Новой Гвинеи. Заболевание передавалось при ритуальном каннибализме, преимущественно заражались женщины и дети. Сначала появлялись головокружение и усталость, затем возникала головная боль, судороги и, наконец, типичная для этой болезни дрожь.

Синдром Герстманна — Штраусслера — Шейнкера вызван повреждением гена прионного протеина и передается по наследству. Эта болезнь встречается крайне редко, медленно прогрессирует с постепенным нарушением координации движений, развитием тяжелой деменции и неизбежным летальным исходом.

Фатальная семейная бессонница — еще одно редкое прионное заболевание с наследственным путем передачи. На сегодняшний день известно всего 40 семей с этой болезнью. Механизм развития связан с точечной мутацией в гене, который кодирует прионный белок, в результате чего аспарагин замещается на аспарагиновую кислоту — форма белковой молекулы изменяется, и она трансформируется в патогенный прион. Запускается цепная реакция, в результате которой нормальные белковые молекулы безудержно превращаются в прионы. Они накапливаются в таламусе (центре регуляции циклов сна и бодрствования), что и лишает человека сна. Причем никакие снотворные средства при этом не помогают. Болезнь характеризуется крайне длительным бессимптомным периодом — нарушения сна обычно начинаются в возрасте 50 лет. Сначала у пациентов, помимо нарастающей бессонницы, возникают панические атаки и различные фобии, через некоторое время появляются галлюцинации. Больные из-за отсутствия сна теряют вес, у них нарушается речь, отсутствуют реакции на внешние раздражители. Их страдания продолжаются от полугода до трех лет, после чего наступает смерть.

Загадочный прионный белок 

Пусковым фактором развития всех этих заболеваний являются особые структуры — прионовые протеины. В норме в прионном белке (PrP) преобладают альфа-спирали, а вот его патологическая конформация характеризуется большим количеством бета-тяжей. Находясь на клеточной мембране и совершая циклические переходы внутрь клетки и обратно, белок PrP играет важную роль в организме. Он обеспечивает регуляцию концентрации внутриклеточного кальция и метаболизм меди, передачу нервных импульсов, нормальную работу синапсов и устойчивость нейронов в условиях окислительного стресса. Этот белок принимает участие в формировании памяти, является элементом системы межклеточного узнавания, обладает антибактериальными свойствами и регулирует циркадные ритмы организма. И как раз потеря функции переключения режимов сна и бодрствования приводит к развитию фатальной бессонницы. 

При трансформации в патологическую форму прион образует высокоупорядоченные фибриллы (амилоиды), которые накапливаясь преимущественно в нервной ткани, приводят к гибели нейронов. В результате чего головной мозг приобретает губчатую структуру с полостями внутри. Прионы устойчивы к большинству дезинфицирующих средств, в том числе к формальдегиду, высоким температурам, радиации и ультрафиолетовому излучению. Эти инфекционные агенты можно уничтожить только с использованием агрессивных методов, разрушающих их крайне прочную структуру. До сих пор непонятна биоциркуляция прионов в окружающей среде. В некоторых исследованиях удалось установить, что определённые свойства почвы могут как повышать, так и снижать их инфекционность, в частности в зависимости от концентрации в ней глины.

Существует гипотеза, что амилоидные белки (к которым относятся и прионы) были одной из первых форм жизни на нашей планете. В экспериментах, воссоздающих условия, существовавшие на Земле более 4 млрд лет назад, из смеси четырёх аминокислот удалось получить амилоидные структуры. Простота самосборки и устойчивость к факторам внешней среды позволяет предположить, что эти агенты являются предками всех живых организмов, сегодня населяющих Землю.

Огромная опасность прионов для живых существ не исключает вероятности, что когда-то став предтечью жизни, они однажды могут ее и уничтожить. Саймон Андердаун из Университета Брукс в Оксфорде полагает, что за вымирание неандертальцев ответственны как раз именно прионы. Возможно, что распространённый в те древние времена каннибализм привёл к развитию эпидемии трансмиссивных губчатых энцефалопатий, которые и уничтожили эту популяцию людей.

В поисках спасительного лекарства 

Развитие прионных заболеваний пытались предотвратить или хотя бы замедлить с помощью противовирусных, антибактериальных, противогрибковых и противопаразитарных средств, цитопротекторов, иммунномодуляторов, моноклональных антител и даже стволовых клеток (как инструмента для восстановления повреждённых нейронов), но все эти попытки потерпели фиаско. Сегодня ученые возлагают надежды на методы целевой генной терапии для замедления продукции прионных частиц с использованием антисмысловых олигонуклеотидов — коротких, химически модифицированных фрагментов нуклеиновых кислот, способных разрушить молекулу РНК, с которой осуществляется синтез аномальных белков. Соня Валлаб, одна из исследователей, занимающихся этой технологией, сама является носителем гена PRNP, приводящего к развитию фатальной семейной бессонницы. Она не стала дожидаться первых признаков заболевания, сменила профессию юриста на биолога и начала разработку способов борьбы со всей группой прионных болезней. Мужество и отвага этой женщины воистину достойны уважения и восхищения. На сегодняшний день технология целевой генной терапии является единственным шансом хотя бы замедлить прогрессирование заболевания, и на ее совершенствование возлагаются особые надежды. 

Для носителей мутаций PRNP-гена на стадии до проявления симптомов заболевания перспективным методом профилактики может послужить еще одно направление целевой генной терапии — РНК-интерференция. Эта технология уже открыла новые многочисленные возможности для разработки способов лечения различных наследственных неврологических заболеваний человека. Суть метода заключается во введении в клетки РНК, которая разрушает информационную молекулу, несущую на рибосомы чертежи синтеза патологического белка, или обеспечивает генный нокаут PRNP (целевое подавление дефектного гена в ДНК генома человека). 

В последние годы огромный интерес вызывает разработка методов направленной деградации белков. Ученые работают над получением вещества, которое бы избирательно разрушало прионы, не нарушая функцию нормальных белков клетки. Потенциальная терапевтическая молекула должна обладать высокой стабильностью и растворимостью, проникать через гематоэнцефалический барьер и быть эффективной в малых концентрациях, чтобы обладать низким риском развития побочных эффектов.

Хотя возможно, сама природа подскажет способ защиты от прионных инфекций. Как известно, эра антибиотиков началась с наблюдения за грибковой плесенью, которая обладала выраженным действием против бактерий, что впоследствии привело к созданию высокоэффективных антибактериальных средств, позволивших спасти миллионы человеческих жизней. Ученые обнаружили, что прионы могут разлагаться лишайниками. Существует три вида лишайников (уникальных организмов, выживающих в крайне сложных условиях окружающей среды), экстракты которых способны обезвреживать прионный белок у инфицированных хомяков, мышей и оленей. И, возможно, именно это направление исследовательского поиска приведет к появлению лекарства от пока неизлечимых прионных заболеваний.