БЕШЕНЫЕ КОРОВЫ, ДРОЖЖИ И «БЕЛКОВАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ»
Член-корреспондент РАН С.Г. ИНГЕ-ВЕЧТОМОВ, Л.Н. МИРОНОВА,
кафедра генетики и селекции Санкт-Петербургского государственного университета
В 2002 г. в Калифорнии состоялся III международный симпозиум «Прионы дрожжей»». Четверть его участников составляли наши соотечественники (преимущественно молодые), выходцы из России и бывшего СССР, в большинстве — с кафедры генетики и селекции Санкт-Петербургского государственного университета. Сам по себе факт
примечательный, поскольку если с физикой, химией и математикой дела у нас обстоят еще благополучно, то о биологии этого не скажешь. Этот форум примечателен и тем, что был посвящен новейшему направлению науки — изучению белков-носителей наследственной информации.
Современные представления о хранении и передаче наследственной, или генетической, информации лучше всего выразил англичанин, лауреат Нобелевской премии 1962 г. Ф. Крик еще в 50-е годы XX в. в виде центральной догмы молекулярной биологии. Согласно ей, гены — это дезоксирибо-нуклеиновая кислота (ДНК). Она способна к самовоспроизведению и передает зашифрованную в ней информацию на молекулы мРНК (матричная рибонуклеиновая кислота), в свою очередь служащие матрицами для синтеза белков. Именно последние осуществляют все химичес-
кие реакции в клетке и организме, но не служат переносчиками генетической информации. Центральная догма справедлива и сегодня, однако в последние годы появилась необходимость слегка ее отредактировать. Оказалось, некоторые белки все же переносят наследственную информацию, правда, не посредством репликации (самовоспроизведением), как делают нуклеиновые кислоты, а благодаря конформаци-онной перестройке уже синтезированных молекул.
Вклад наших ученых в разработку этой области биологии признан мировым научным сообществом. А
смешанные чувства возникают в связи с тем, что многие выпускники нашей кафедры генетики, в том числе и определяющие «погоду» в этой области, работают не в России, а за рубежом, как правило, в США.
Все началось с того, что американцы Д. К. Гайдушек— врач, вирусолог, биохимик, этнограф, нобелевский лауреат 1976 г. — и Б.С. Бламберг в 50-е годы раскрыли причину смертельного инфекционного заболевания куру, распространенного в племени форе на Новой Гвинее, где было зарегистрировано около 2,5 тыс. пораженных этой болезнью (примерно 1% от общей
-ш
А
В
ДНК
о
ДНК
Белок
численности населения). Свое название «куру», или смеющаяся смерть, это заболевание получило потому, что ее сопровождают беспричинные приступы смеха, и человек вскоре погибает. Возникло подозрение, что этот нейродегенера-тивный недуг связан с ритуальным каннибализмом, поскольку чаще всего болели женщины и дети: им обычно доставался головной и спинной мозг умершего родственника. Предположение, что инфекционное начало находится именно там, подтвердилось, когда удалось заразить человекообразных обезьян инъекцией сыворотки, полученной из мозга человека, пораженного куру. Самое разумное объяснение данного факта — вирусное заболевание. Его характерной особенностью является длительный инкубационный период — годы и даже десятилетия.
Сходные с куру неиродегенера-тивные заболевания у человека — болезнь Кройцфельда-Якоба, синдром Герштмана-Штресслера-Шейн-кера, а также смертельная бессонница; у овец — скрэпи, или почесуха, и похожие у коз, коров, мышей, других млекопитающих относятся к категории губчатых энцефалопатий. Они названы так, поскольку мозг больного на последних стадиях заболевания на срезах напоминает губку или швейцарский сыр.
Но вот что интересно: хотя «вирусная» гипотеза в течение нескольких десятилетий была общепринятой.
тем не менее, несмотря на упорные усилия специалистов, соответствующих переносчиков так и не нашли. Более того, инфекционное начато всегда ассоциировалось с белками, выделенными из мозга больных, в частности, с так называемыми амилоидными тяжами и бляшками, образующимися при губчатых энцефа-лопатиях. В результате родилась концепция природы возбудителя, подчеркивавшая, что для его передачи необходим и достаточен именно белок, а не нуклеиновые кислоты. Этот белок получил название прион (анаграмма от proteinacious infection). За развитие этой концепции американец С. Прусинер в 1997 г. получил Нобелевскую премию.
Исследования ученого и его коллег выявили: инфекционные амилоиды представляют собой агрегаты из молекул белка, идентичных по своей первичной структуре, т. е. но чередованию аминокислот в полипептидной цепи, белку нервной системы РгРс (РгР — от prion protein, а С — от cellular, клеточный). Функция этого белка неизвестна до сих пор. Но ясно одно: превращение нормального белка в инфекционную прионную форму, обозначаемую как PrPSc (Sc — от scrapie), связано с изменением его пространственной структуры. Она обогащена гак называемыми (3-слоями, которые, по-видимому, ответственны за агрегацию отдельных молекул с образованием амилоидов.
Центральная догма молекулярной биологии в формулировке Ф. Крика (А) и в современной модификации (В). Сплошные стрелки отражают обычный путь переноса генетической информации, прерывистые — более редко используемые способы.
Благодаря этим открытиям возникла идея о том, что белки сами по себе могут быть генетическим материалом, т. е. могут переносить и воспроизводить наследственную информацию без участия нуклеиновых кислот. Однако эта сенсация просуществовала не долго. Вскоре у млекопитающих открыли структурный ген РРЫР, кодирующий белок РгР Правда, и тот, и другой не очень-то нужны организму Мыши, лишенные этого гена, вполне жизнеспособны и не страдают какими-либо наследственными заболеваниями. Напротив, они становятся устойчивыми к заражению прионами, переносящими скрэпи. Значит, инфекционная молекула РгР5\ попадая в здоровый организм, «перестраивает» нормальный белок РгР1 «по своему образу и подобию» и тем самым приводит к лавинообразному росту амилоидов, разрушающих мозг больного.
Белок РгР — весьма консервативен у всех млекопитающих. Его первичная структура очень похожа у самых разных видов, особенно это характерно для начальной части белка, содержащей повторы аминокислот. Благодаря открытию структурного
Фшъш
—r-л Ч ■
мшш
Человеческий мозг на последней стадии болезни Кройцфельда-Якоба.
Амилоидные бляшки (окрашены в черный цвет) в тканях головного мозга человека, пораженного болезнью Кройцфельда-Якоба.
гена, кодирующего белок-прион, было доказано: ннфекдиош ¡ые ами-лоидозы — болезнь Кройцфельда-Якоба, синдром Герштмана-Штрес-слера-Шейнкера, смертельная бессонница у человека и заболевания, подобные скрэпн, у других млекопитающих— возникают тремя путями: инфекционным — при заражении прионами; наследственным — из-за мутаций гена РЯИР; спорадически — вследствие спонтанного превращения РгРс-^ РгР^.
У человека перечисленные выше амилоидозы сравнительно редки — в среднем регистрируют один случай на I млн. в год. Тем не менее интерес к этому классу заболеваний весьма высок, чему в немалой степени
Схема структурного преобразования белка РгР° при его превращении в прионную форму РгР*. а — спирали; /3 — слои; стрелки — |в-слои.
РгРС—РгРбс
способствовала вспышка коровьего бешенства (точнее, болезни BSE — Bovine Spongiform Encephaopathy — губчатая энцефалопатия коров) в 80-е годы XX в. в Великобритании. Эта эпизоотия принесла огромные убытки европейским производителям говядины. Более того, оказалось, что BSE заразна для людей. В последние годы зарегистрированы около 100 случаев новой формы болезни Кройцфельда-Якоба, при которой белок PrPSc, выделенный из мозга больных людей, напоминает по свойствам PrPSt коров, пораженных BSE. Еще одной особенностью новой формы болезни Кройцфельда-Якоба стало ее «омоложение»: ей теперь подвержены совсем молодые люди и даже подростки, в то время как ранее страдали только взрослые.
Белки-прионы обнаружены и у обычных хлебопекариььх дрожжей, и некоторых других грибов. Конечно, у них они не имеют никакого отношения к нервной системе и выполняют совсем другие клеточные функции. Однако по ряду свойств ведут себя как прионы млекопитающих. Их обнаружение — прекрасная иллюстрация того, что научные открытия, как правило, не внезапные озарения, а результат длительного труда коллектива. Проследим вкратце историю изучения одного из дрожжевых прионов.
В 1965 г. британский генетик Б. Кокс описал необычный цито-штазматический наследственный детерминант дрожжей и назвал его [PSI], Как мы теперь знаем, в присутствии [PS1] дрожжевая клетка
ошибается при считывании генетического кода. Это проявляется в том. что в несущих [PSI| клетках происходит считывание етоп-кодонов* как значащих. Поясним: речь идет о специальных сигналах, которыми заканчивается каждый ген. Они «дают понять» соответствующему считывающему устройству, где необходимо закончитьсинтез данной белковой молекулы. Такой сигнал состоит из трех нуклеотидов и может быть трех типов: УАА, УАГ или УГА (У -урацил, А — аденин, Г — гуанин). В норме они не считываются молекулами транспортных РН К, поскольку не кодируют ни одну из 20 аминокислот, из которых строятся молекулы белка. В этом можно убедиться, если за счет мутации любой из этих сигналов ввести не в конец, а в начало или в середину гена (это называют нонсенс-мутациями). В клетке возникает дефицит какого-либо метаболита или другие проблемы, связанные с отсутствием белка-продукта мутантного гена. Стоит, однако, появиться [ РS11, и «ложные» сигналы терминации считываются как значащие кодоны. Чуть позже мы поясним, почему так происходит, сейчас же важно, что в присутствии [PS1] синтез соответствующего белка возобновляется и клеточные функции восстанавливаются. Это явление названо нонсенс-супресси-ей, поскольку в его основе лежит подавление проявлений нонсенс-му-
* Кодок — единица генетического кола, состоящая из трех последовательных нуклеотидов в молекуле ДНК или РНК (прим. ред. ).
А
SliP35p
[psi']
.sl'P-'- 5i
<CJ
7
в
Агрегаты ' i^p
ШШШЙ)
шш
[PSI+] шя>
f
таций (правильнее говорить о восстановлении нормы).
Ставная особенность |PSI1 заключается в том, что его
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.