Прионы внутри нас

Вот загадка: есть нечто – неживое, но способное размножаться, видоизменяться и приобретать сопротивляемость…

Это прионы. Профессор Вейсман из Института Скриппса во Флориде обнаружил у прионов такие эволюционные свойства, как способность адаптации к новым условиям и быстрое появление новых, резистентных форм в среде, содержащей те или иные ингибиторы. «Эти свойства, – говорит Вейсман, – сближают прионы со всеми обычными биологическими видами живых существ, позволяя назвать их „псевдовидом“».

Почему «псевдо»? Потому что прионы – не живые существа, не микроорганизмы и даже не вирусы. Прионы – это просто особый класс белковых молекул. Но особость их состоит в том, что они способны воспроизводить себе подобных, хотя не содержат никаких генов. Более того – размножившиеся прионы имеют тенденцию склеиваться или срастаться в разного рода большие колонии – микросети, микропленки, длинные цепи и т. п. В некоторых условиях такие колонии могут быть даже полезны организмам. Например, прионы некоторых бактерий, склеиваясь, образуют пленку, которая помогает колониям этих бактерий удерживаться на разных поверхностях. А уже упоминавшийся выше нейробиолог Эрик Кандель открыл, что сгустки прионов одного морского моллюска играют важную роль в образовании долговременной памяти – они помечают синапсы, помогая им связаться в единую цепь, хранящую некое воспоминание.

Однако у склеивания прионов есть оборотная сторона, и ее вред превышает любую их пользу. Как известно на нынешний день, клубки прионов, образующиеся в клетках мозга, вызывают около двадцати различных нейродегенеративных болезней, почти всегда неизлечимых и смертельных. Самые известные среди них – это нашумевшее в свое время коровье бешенство, овечья почесуха и болезнь Кройцфельда – Якоби у человека. А исторически первым исследованным прионным заболеванием была болезнь куру, некогда хронически распространенная среди людей племени форе на Новой Гвинее, а в 1950‑е годы даже вызвавшая эпидемию. В свое время она считалась одной из величайших медицинских загадок. Непонятно было, почему куру, распространяясь как инфекция, не вызывает тех признаков, которые обычно сопровождают инфекцию. Она, в частности, не вызывала никакой ответной реакции защитных систем организма. Загадочным был и ее диморфизм: она поражала женщин и детей в восемь‑девять раз чаще, чем мужчин. Решение загадки предложил Даниэль Гайдушек (в 1976 году получивший за это Нобелевскую премию). Он показал, что пересадка обезьянам клеток мозга умерших от куру людей вызывает у них аналогичное заболевание, а затем выдвинул гипотезу, что болезнь людей форе передается из поколения в поколение в ходе присущих этим людям каннибалистических ритуалов (поедания мяса умерших родичей); при этом женщинам и детям много чаще мужчин достаются объедки, в том числе мозги покойников, зачастую зараженные переносчиком болезни. И действительно, отказ племени от этих ритуалов вскоре свел эпидемию на нет.

Гайдушек не сумел опознать возбудителя болезни, и только в 1982 году Стенли Прузинер из Калифорнийского университета, проведя тщательное исследование клеток больных овец, предположил, что таким переносчиком является особый белок, который он назвал «прионом» (от слов «протеин» и «инфекция»). Его гипотеза вызвала яростное сопротивление и длительную дискуссию в научной прессе, но в последующие десять лет Прузинер вместе с Вейсманом и другими сотрудниками сумели ее убедительно доказать, выделив загадочный белок, и в 1997 году Прузинер был удостоен за это открытие Нобелевской премии. Справедливость требует отметить, что предположение о белковой природе возбудителя некоторых нейродегенеративных болезней первой выдвинула еще в 1967 году Тиква Альпер, открывшая, что этот возбудитель не разрушается УФ‑лучами, которые всегда разрушают ДНК; но тогда эта мысль показалась совсем уж еретической, поскольку противоречила основной догме, утверждавшей, что информация передается только от ДНК к белку, но не от белка к белку и т. п.

Сегодня уже известно, что предшественники прионов, или, как их называют, «нормальные прионы» (они именуются PrPC), – это вполне нормальные белки в мембранах клеток многих видов живых существ, включая человека; известны все 400 с лишним аминокислот, составляющие эти белки (они несколько различаются у разных видов животных); известна и их пространственная структура (они в основном свернуты в так называемые альфа‑спирали). Установлено, что в результате каких‑то «сбоев» в процессе деления клетки молекулы этих белков способны претерпевать изменение структуры – из «в основном спиральных» они становятся «в основном листовыми» (то есть складываются в виде так называемых бета‑листов). В этом состоянии (его наименование «PrPSc») они становятся весьма инфекционными (и называются просто «прионами»).

Как только такая испорченная молекула попадает в мозг, происходит следующее: встречаясь с нормальным прионом, она немедленно изменяет структуру этого белка, превращая его в свое подобие; затем эти две испорченные молекулы изменяют структуры следующих встреченных ими нормальных прионов; и в результате этот процесс «заражения» (то есть изменения структуры) расширяется сначала по всей клетке, а потом и по другим клеткам мозга. При этом «испорченные» молекулы имеют тенденцию склеиваться в цепь, свободный конец которой работает как квазифермент: он понуждает все приближающиеся к нему нормальные молекулы прионов тут же превращаться в испорченные и приклеиваться к нему; тем самым цепь непрерывно удлиняется. Такие цепи рождаются из каждого испорченного приона, так что невольно вспоминается выражение: «Паршивая овца все стадо портит» – тем более справедливое здесь потому, что первыми, у кого этот процесс был изучен, стали именно овцы.

На последнем этапе этого процесса цепи, состоящие из испорченных прионовых молекул, спонтанно скручиваются в амилоидные бляшки, которые покрывают целые участки мозга. С этого момента развитие нейродегенеративной болезни идет очень быстро. Испорченные прионы не поддаются ни воздействию протеаз (молекул, разрушающих другие испорченные белки), ни обработке теплом или излучением. Они также резистентны к химическим веществам, которые пытались применять для их разрушения (смотри описанные в начале результаты Вейсмана). Поэтому остановить или замедлить развитие болезни нельзя. В тех участках мозга, которые покрыты такими амилоидными бляшками, постепенно образуются многочисленные вакуоли, из‑за чего эти участки приобретают характерную губчатую структуру и теряют способность функционировать. Наступает смерть.

Тем не менее исследователи не теряют надежды и продолжают поиски. Но в последнее время в ходе этих поисков произошло существенное изменение. Оно не приближает пока к победе над прионными болезнями, но весьма расширяет фронт исследований, обещая – в случае успеха – куда больше, чем только излечение болезни Кройцфельда – Якоби или предотвращение новых вспышек коровьего бешенства. В последние годы многие ученые стали подозревать, что тот процесс, который лежит в основе прионных болезней, имеет куда более широкую распространенность и повинен также в целом ряде других человеческих нейродегенеративных заболеваний, в том числе таких важнейших, как болезни Альцгеймера, Паркинсона, Хантингтона и некоторые иные.

Эту мысль высказывали уже давно, но окончательное свое оформление она получила в недавней статье двух ведущих специалистов по молекулярной биологии нейродегенеративных заболеваний – американского нейробиолога Лари Уокера и немецкого ученого Матиаса Юкера. Их статья, озаглавленная «Самораспространение патогенных белковых агрегатов в нейродегенеративных заболеваниях», опубликованная в августе 2013 года, начиналась со слов: «Вот уже много лет ученые предполагали, что ключ к пониманию старческих нейродегенеративных заболеваний может быть найден в необычной биологии прионных болезней. В последнее время эта гипотеза получила сильную экспериментальную поддержку. В примечательно широком спектре болезней, от болезни Альцгеймера и до бокового амиотрофического склероза, были обнаружены специфические белки, способные неправильно скручиваться, порождая агрегаты, которые становятся зародышами такого же структурного изменения, неправильного свертывания и агрегирования других таких же белков. Эти зародыши, таким образом, становятся самораспространяющимися переносчиками болезни, наподобие прионов. Их отличие от прионов состоит лишь в том, что они не имеют инфекционного характера, то есть не могут быть переданы другому человеку, вызывая у него такую же болезнь».

О какой «экспериментальной поддержке» говорят авторы? Еще в мае 2009 года группа американских ученых показала, что нейрофибриллярные клубки тау‑белка, будучи внесены в здоровые клетки мыши, побуждают нормальные молекулы «тау» к такой же структурной перестройке. В июле того же года европейские исследователи ввели такие клубки в мозг живой мыши и обнаружили, что это вызвало массовое изменение нормальных тау‑белков и их агрегацию в месте инъекции. А в начале 2012 года, как мы уже знаем, Дафф и Смол обнаружили «прионоподобный» характер распространения таких тау‑клубков по всему мышиному мозгу.

Аналогичный результат был получен также для белка альфа‑синуклеин, который составляет главную часть клубков, обнаруживаемых (при посмертном вскрытии) в мозгу людей, страдавших болезнью Паркинсона и некоторыми видами слабоумия. В августе 2009 года группа американских и южнокорейских исследователей показала, что агрегаты альфа‑синуклеина, введенные в культуру здоровых мышиных нейронов, распространяются там из нейрона в нейрон, вызывая повсюду образование других таких же агрегатов. А в декабре 2012 года нейробиолог Вирджиния Ли из Филадельфии обнаружила, что такой же процесс имеет место в мозгу живых мышей, которым был введен искусственно созданный «неправильный» альфа‑синуклеин.

Несколько раньше, в феврале 2009 года, сходные результаты были найдены для белка хантингтин, который считается главным виновником болезни Хантингтона, – этот белок обнаружил способность проникать из межклеточной жидкости внутрь клеток культуры и вызывать там агрегирование. И уже есть данные о прионоподобном поведении белка SOD1, в котором подозревают главного виновника амиотрофического латерального склероза, или болезни Лу Герига, которая стала печально знаменитой из‑за пораженного и обездвиженного ею крупнейшего астрофизика современности Стивена Хокинга.

Список прионоподобных белков неумолимо расширяется, и общий их итог как раз и зафиксирован в статье Уокера и Юкера. Почему, однако, этот итог можно считать важным достижением, как полагает большинство специалистов? Ведь, казалось бы, заблокировать прионные механизмы невозможно. Какой же тогда прок от всех этих новых исследований? Исследователи, однако, видят свет в конце туннеля. Чем больше наше знание о процессе перехода прионоподобных белков из клетки в клетку, тем реальней становится возможность прервать этот процесс, атакуя испорченные белки на промежуточном этапе, во время их межклеточного существования. В конце концов это знание должно позволить ученым найти такие вещества, которые смогут соединяться с испорченными молекулами и тем самым прервать процесс их проникновения во все новые и новые клетки. И точно так же более глубокое понимание механизма неправильного скручивания прионоподобных белков рано или поздно может дать ученым возможность найти или создать такие химические молекулы, которые смогут соединяться с нормальными прионами или прионоподобными белками и пресекать их превращение в испорченные.

Иными словами: хотя и в данном случае многие знания умножают печали, но только эти многие знания, и только они, могут открыть также и обнадеживающие перспективы.