ОБЗОРЫ
УДК 575.21
ПРИОНЫ ДРОЖЖЕЙ КАК МОДЕЛЬ НЕЙРОДЕГЕНЕРАТИВНЫХ ИНФЕКЦИОННЫХ АМИЛОИДОЗОВ ЧЕЛОВЕКА © 2011 г. С. Г. Инге-Вечтомов
Санкт-Петербургский государственный университет, СПб Филиал Института общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН 199034 Санкт-Петербург, Университетская наб. 7/9, E-mail: ingevechtomov@gmail.com Поступила в редакцию 21.09.2010 г.
Окончательный вариант получен 14.10.2010 г.
Ряд нейродегенеративных заболеваний человека (т.н. болезней зрелого возраста) связан с образованием белковых агрегатов — амилоидов. Прионные заболевания: куру, болезни Кройтцфельдта-Яко-ба, Герштмана-Штросслера-Шайнкера, смертельная семейная бессонница и др. — примеры инфекционных амилоидозов. Благодаря открытию прионов у дрожжей, разработана модельная система для изучения механизмов амилоидогенеза и его инфекционной природы. Существование прион-ных сетей, т.е. взаимодействия между разными прионами, обнаруженное у дрожжей, находит в последнее время подтверждение и в форме взаимодействия различных амилоидов у человека. Потенциальная опасность амилоидозов заложена в самой структуре практически любых белков в виде участков, образующих в-слои, которые будучи экспонированными приводят к агрегации белков. Вместе с тем известно несколько ярких примеров адаптивной ценности амилоидных агрегатов: фактор цитоплазматической несовместимости Podospora anserina, паутина пауков, цитоплазматиче-ские стресс-гранулы в клетках млекопитающих, прионная форма белка CPEB Aplisia, ответственная за регуляцию активности нейронов и др. Все эти факты следует учитывать при поисках антиамилоидных препаратов. Открытие белковой наследственности у низших эукариот изменяет наши представления о роли матричного принципа в биологии, дополняя его идеей конформационных матриц (матриц II рода), вовлеченных в воспроизведение пространственной структуры надмолекулярных комплексов клетки.
Ключевые слова: амилоиды, прионы, нейродегенеративные заболевания, дрожжи, белковая наследственность.
1. Амилоиды и амилоидозы
Многие нейродегенеративные заболевания человека и других млекопитающих сопровождает образование внутриклеточных и внеклеточных амилоидных тяжей и бляшек, представляющих собой агрегаты различных белков. Предшественниками амилоидов служат нормальные клеточные белки или их фрагменты (Ргазтег, 2001). Амилоидозы и соответственно амилоиды подразделяют на инфекционные и неинфекционные (см. табл. 1). К инфекционным амилоидозам относят: куру, болезнь Кройтц-фельдта-Якоба (СТО), болезнь Герштмана-Штросслера-Шайнкера, смертельную семейную бессонницу у человека, а также бычью губчатую энцефалопатию ("Коровье бешенство"), скрэпи (овец,
1 Работа получила финансовую поддержку программы Президиума РАН "Происхождение и эволюция биосферы", грантов НШ-6455.2010.4, ГК 02.740.11.0 698. НИР проводили в рамках реализации ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 — 2013 годы (П799).
коз, оленей) и аналогичные заболевания других животных. Все остальные амилоидозы считаются неинфекционными.
Открытие инфекционных амилоидов вызвало сенсацию в свое время. Впервые инфекционность экстрактов мозга овец, больных скрэпи была показана в 1962 г. (Parry, 1962). Позже С. Прузинер разработал концепцию "protein only", подразумевавшую, что именно белок-прион представляет собой инфекционное начало в случае прионных заболеваний (они же инфекционные амилоидозы). За эти работы в 1997 г. С. Прузинер был удостоен Нобелевской Премии (Prusiner, 1998). Вскоре были опубликованы данные нескольких лабораторий, осуществивших белковую трансформацию, в результате которой обычный клеточный белок был превращен в прион. Этот результат получен с использованием модельного объекта — дрожжей Saccharomyces cerevisiae, у которых также обнаружены белки-прионы (см.: Fink, 2005).
Таблица 1. Наиболее распространенные инфекционные и неинфекционные амилоидозы человека и др. млекопитающих (по: Ргштег, 2001)
Неинфекционные:
Болезнь Альцгеймера Болезнь Паркинсона
Болезнь Хантингтона и спиноцеребральная атаксия (поли Q)
Фронтотемпоральная деменция Болезнь Пика
Прогрессирующий супрануклеарный паралич Амиотрофный латеральный склероз Инфекционные: Куру
Болезнь Кройцфельда-Якоба (СГО)
Болезнь Герштмана-Штросслера-Шайнкера
Смертельная семейная бессонница
Бычья губчатая энцефалопатия ("Коровье бешенство")
Скрэпи (овцы, козы, олени)
До сих пор нет четкого представления о том, чем отличаются инфекционные и неинфекционные амилоиды. В обоих случаях структурную основу амилоидов представляют собой белки, обогащенные р-слоями, посредством которых происходит их взаимодействие, приводящее к образованию амилоидных агрегатов (Ргазтег, 1998, 2001). Для прионов млекопитающих показано, что прионизация белка РгР сопровождается обогащением молекулы р-сло-ями, которые образуются из неорганизованной части полипептидной цепи, а, возможно, также из а-спиральных участков (см. рис. 1). Некоторые исследователи высказывают точку зрения, согласно которой неинфекционные амилоиды могут превращаться в прионы, т.е. в инфекционные амилоиды (Шек, 2006; см также: Вгапёт, 2010).
"Сенсация" о возможности репликации белков как инфекционных агентов просуществовала недолго. Вскоре был идентифицирован эволюционно-консервативный ген млекопитающих PRNP — структурный ген белка PrP — предшественника прионов (рис. 2). Функция белка — предшественника приона начинает проясняться только сейчас. В 2009 г. А. Агуцци и его коллеги показали, что этот белок нужен для образования миелиновых оболочек периферических нейронов. Деления соответствующего гена у мышей приводила к проявлению болезни, известной как полиневропатия хронической де-миелинизации (Bremer et al., 2010).
2. Прионы грибов
Серьезный прогресс в изучении амилоидов и амилоидогенеза достигнут благодаря открытию прионов у низших эукариот, преимущественно у дрожжей-сахаромицетов - модельного объекта с хорошо разработанной частной и молекулярной генетикой, геномикой. Жизненный цикл дрожжей представлен на рис. 3. Особую роль в этих исследованиях сыграло то, что у дрожжей прионы представляют собой нехромосомные наследственные факторы белковой природы, что позволяет применять логику генетического анализа к их исследованию. К 2010 г было известно 9 прионов у дрожжей-сахаромицетов и 1 у гриба Podospora anserina (табл. 2).
Подробнее других разработана система: ген SUP35— прион [PST]. SUP35(Инге-Вечтомов, 1964, Инге-Вечтомов, Андрианова, 1970) кодирует фактор терминации трансляции eRF3 (Zhouravleva et al. 1995), способный переходить в прионное состояние — цитоплазматический детерминант [PSI+], описанный Б. Коксом еще в 1965 г. (Cox, 1965). Гипотеза о его прионной природе была высказана Р. Викнером в 1994 г. (Wickner, 1994). Структурно-функциональная организация гена SUP35 и кодируемого им белка представлены на рис. 4. Мутации в
Таблица 2. Прионы грибов
[Прион] (фенотип, продукт) Структурный ген Вид Источник
[PSI+] (нонсенс-супрессия) SUP35 Saccharomyces cerevisiae Cox, 1965; Wickner, 1994
[URE3] (усвоение уреидо-сукцината) URE2 S. cerevisiae Wickner, 1994
[PIN+] (инициация [PSI]) RNQ1 S. cerevisiae Derkatch et al., 2001
[Het-s] (фактор несовместимости) HET-s Podospora anserina Coustou et al., 1997
[ISP+] (фактор транскрипции Sfpl) SFP1 S. cerevisiae Rogoza et al., 2010
[SW+] (регуляция хроматина) SWI1/SNF5 S. cerevisiae Du et al., 2008
[OCT+] (фактор транскрипции) CYC8/SSN6 S. cerevisiae Patel et al., 2009
[MCA] (метакаспаза) MCA1 S. cerevisiae Nemecek et al., 2009
[MOT3] (фактор транскрипции) MOT3 S. cerevisiae Alberty et al., 2009
[GAR+] (устойчивость к глюкозной репрессии) PMA1, STD1 S. cerevisiae Brown, Lindquist, 2009
Превращение PrPC ^ PrPSc
PrPC PrPSc
а = 43% а = 34%
Рис. 1. Превращение PrPC —- PrPSc (Prusiner, 1998).
PrPC — клеточный (C — cellular) белок. PrPSc — белок в прионной форме (Sc — от Scrapy).
16 32 40 48 56 6472 P1°2L
Octarepeat sequence P(Q/H)GGG(G/)WGO
V210I R208H
E200K
Рис. 2. Схематическое изображение гена РВКР человека (по: Ргдатег, 1998).
Сверху — примеры нормального полиморфизма РгРС; буквы — обозначения аминокислотных остатков, цифры — положение в полипептидной цепи. Снизу — мутационные изменения в первичной структуре белка, приводящие к нейродегенератив-ным заболеваниям. В левой нижней части аминокислотная последовательность, повторяющаяся в ^терминальной части белка.
Г
г
Рис. 3. Жизненный цикл дрожжей Saccharomyces сегеукше.
а
Прионизирующий домен:
Необходим для индукции и поддерживания прионной изоформы [Р£/+]
Функциональный домен:
Необходим для жизнеспособности и терминации трансляции
1
254
685
| (PQGGYQQ-YN)
QN-тракт R1 R2 R3 R4 R5 R6*
Рис. 4. Структурно-функциональная организация белка Sup35 (фактора терминации трансляции eRF3).
этом гене приводят к так называемой омнипотент-ной нонсенс-супрессии, т.е. к осмыслению всех трех стоп-кодонов. К такому же эффекту приводит и прионизация белка eRF3 (его инактивация вследствие включения в нерастворимые агрегаты-амилоиды) с той лишь разницей, что в первом случае эффект рецессивен, а во втором—доминантен. Ампли-
фикация SUP35 или усиление его экспрессии приводит к индукции фактора [Р£/+], о чем можно судить по проявлению нонсенс-супрессии, имея соответствующие нонсенс-аллели в других генах (Чернов и др., 1988, СИетой е! а1., 1993). Сходство фено-типического проявления мутации структурного гена и усиления синтеза кодируемого им белка служит
одним из критериев при идентификации новых прионов (Wickner, 1994).
N-терминальный фрагмент белка Sup35 (eRF3), включающий повторяющиеся аминокислотные последовательности, обогащенные аспарагином и глу-тамином (и соответствующий участок структурного гена), необходим для прионизации белка. Это — прионизующий пептид. Усиление экспрессии только этого участка гена при наличии в геноме полноразмерной копии SUP35 индуцирует прион [PS/+] с большей эффективностью, чем усиление экспрессии всего гена (Ter-Avanesyan et al., 1993). Прионизующий пептид и кодирующий его участок гена могут быть делегированы без ущерба для жизнеспо
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.