Прионы и амилоиды:
ключевые свойства и роль в природе
B.В.Кушниров
Почти все инфекционные агенты, будь то вирусы, бактерии или простейшие, имеют геном в виде ДНК или РНК, определяющий жизненный цикл и «план захвата» организма-хозяина. Удивительным исключением из этого правила являются прионы — инфекционные агенты белковой природы, не имеющие какого-либо генома. Наиболее известные из при-онных заболеваний — болезнь Крейцфельдта-Якоба, синдром Герстманна-Штраусслера-Шейн-кера, болезнь каннибалов куру («смеющаяся смерть»), а также бычья губчатая энцефалопатия («коровье бешенство») и скрей-пи («почесуха») овец. Все эти заболевания имеют нейродеге-неративный характер, неизлечимы и приводят к смерти*.
Первые упоминания скрейпи относятся к XVIII в., но причина прионных болезней была установлена лишь в 1982 г., когда американский исследователь Стенли Прузинер (Б.В.Ргизтег)**
* Подробнее см.: РойхельВ.М. Медленные болезни человека и животных, вызванные прионами // Природа. 2002. №2.
C.14—20. — Примеч. ред.
** За открытие прионов и их белковой природы С.Прузинер получил в 1997 г Нобелевскую премию. Подробнее см.: Кушниров В.В., Тер-Аванесян М.Д. Лауреаты Нобелевской премии 1997 года: по физиологии и медицине — С.Прузинер // Природа. 1998. №1. С.112—116. — Примеч. ред.
© Кушниров В.В., 2014
Виталий Владимирович Кушниров,
доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории молекулярной генетики Института биохимии имени А.Н.Баха РАН. Область научных интересов — механизмы возникновения и существования прионов и амилоидов, способы выявления и моделирование амилоидных заболеваний.
выделил инфекционный белок и предложил термин «прион» (англ. prion — анаграмма из слов protein и rnfection). Прузинер установил, что прион представляет собой структурно измененную форму белка, в норме присутствующего в клетках организма-хозяина [1]. Выявленный белок был обоначен PrP (англ. prion protein), а его патологическая форма PrPSc(Sc от англ. scrapie — скрейпи). Инфекционность PrPSc связана с тем, что он способен, взаимодействуя с нормальным белком PrP, вызывать в нем структурную перестройку и превращать его в подобие себя. PrPSc не подвержен деградации, он накапливается в организме, в первую очередь в мозге, нарушая функцию и вызывая гибель нейронов. Поскольку PrP является собственным белком организма, прионные болезни не вызывают иммунного ответа. Работу с прионами осложняет и то, что они устойчивы к кипячению и обработке формалином.
Прионы дрожжей
Все прионные болезни млекопитающих связаны с превращением единственного белка — РгР [1]. Прионы были также обнаружены у низших эукариот, причем в значительно большем количестве. Сейчас прионные свойства выявлены у девяти белков дрожжей Saccharomyces cerevisiae и у одного белка мицелиального гриба Podospora anserina. Правда, следует отметить, что эти прионы проявляют себя не как инфекционные агенты, а как генетические элементы с нестандартными свойствами. Дрожжи и грибы облада-
ют весьма прочной клеточной стенкой, предотвращающей проникновение какой-либо инфекции, и потому прионы могут передаваться лишь от родителей к потомкам, а также при скрещивании. Прионы низших эукариот в большинстве случаев не только не представляют существенного вреда для клеток хозяина, но и могут быть даже полезны.
У дрожжей лучше всего изучен так называемый детерминант [Р5У+], соответствующий прионной форме белка 8ир35, известного также как фактор терминации трансляции eRF3. Этот белок необходим для завершения синтеза белков (трансляции), которое происходит на некодирующих (нонсенс) кодонах. В результате мутаций внутри кодирующей области генов могут возникать преждевременные нонсенс-кодоны, прерывающие синтез белка. [Р5У+] снижает активность Бир35, что позволяет прочитывать полностью такие гены, не прерываясь на преждевременных нонсенс-кодонах. [Р57+] стал популярной моделью, давшей очень много для понимания общих свойств прионов.
Детерминант [Р57+] был обнаружен еще в 1965 г. Брайаном Коксом (В.Б.Сох) [2]. Но объяснить природу этого белка удалось лишь в 1994 г. Риду Уик-неру ^.В.'Шскпег), который предположил, что [Р57+] отражает переход белка Бир35 в неактивную прионную форму [3]. Эта гипотеза вскоре подтвердилась. Мы и одновременно сотрудники лаборатории Сьюзан Линдквист (S.Lindquist) выяснили, что в клетках, содержащих [Р57+], белок Sup35 переходит в агрегированное состояние [4, 5], и эти агрегаты обладают характерным свойством прионов — способны переводить неагреги-рованный белок Sup35 из неприонных клеток [Р57] в агрегированную форму [6].
Мономер или полимер?
Известны две модели прионного превращения, которые полагаются на различные представления о природе этой формы белков. Первая модель [7] пришла вместе с прионной концепцией для РгР, которая помогла связать загадочные детерминанты дрожжей с прионным явлением. В соответствии с этой моделью, известной как «гетеродимерная», прионная форма белка представляет собой мономер с измененной структурой, а превращение белка происходит в результате взаимодействия прионной и неприонной молекул, после чего две прионные молекулы отделяются друг от друга.
Альтернативная модель предполагает, что прион — это разновидность амилоида, т.е. неко-валентно-связанный белковый полимер. Амилоидами называют фибриллярные белковые агрегаты с регулярной структурой, признаваемые причиной более 30 неизлечимых возрастных заболеваний, таких, например, как болезни Альц-
геймера и Паркинсона [8]. Амилоиды подобны прионам по двум ключевым свойствам. Во-первых, укладка белка в составе амилоида существенно изменена и образует характерную структуру, называемую кросс-бета, в которой полипептидные цепи перпендикулярны оси фибриллы, а образуемые ими бета-слои параллельны оси. Во-вторых, амилоид катализирует структурное превращение и полимеризацию нормальной мономерной формы соответствующего белка.
Нам стало ясно, что верна именно вторая модель. Гетеродимерная модель имеет существенные слабости. Она предполагает довольно неправдоподобные свойства белка РгР. Наличие у белка двух альтернативных укладок само по себе необычно, но еще труднее представить, что одна из этих укладок способна превращать другую в себе подобную. Кроме того, известно, что существуют штаммы приона с различными свойствами, а, значит, альтернативных самовоспроизводящихся укладок должно быть множество — и это уже совершенно непредставимо. Не менее трудно объяснить и разделение двух прионных молекул после превращения одной из них, при условии, что процесс не расходует энергию в виде АТФ или ГТФ. В полимерной же модели таких проблем нет: наличие различных самовоспроизводящихся укладок в составе полимера хорошо известно, а разделение молекул в ходе полимеризации не требуется.
Следует заметить, что под формальное определение приона попадает как минимум одно явление, не связанное с амилоидами. Так, дрожжевой прион [Ь] представляет собой вакуолярную проте-азу В, которая синтезируется неактивной и активируется за счет удаления аминоконцевого пептида другой, активной, молекулой протеазы В. Затем наша молекула может активировать другие молекулы протеазы В, удаляя пептид, что, кстати, напоминает гетеродимерную модель [9].
Структура и размножение прионов
В поддержку полимерной модели для белка Sup35 Джон Гловер 0^^1оуег) и Сьюзан Линдквист показали, что т ьШо белок Sup35 образует амилоидные фибриллы [10]. Для этого, как и для поддержания прионного состояния, необходим только небольшой аминоконцевой домен Sup35. Аналогичные результаты были получены и для другого при-онного белка дрожжей, иге2. В дальнейшем выяснилось, что прионогенный аминоконцевой домен образует стержень амилоида, к которому прикреплены прочие домены белка, вероятно, сохранившие свою исходную структуру (рис.1). Похожее строение имеют все прионы дрожжей.
Обратим внимание, что ш ьИто Sup35, как и другие подобные белки, самодостаточен для амилоидного превращения. Однако в клетках
6
N
М
дрожжей поддержание приона в ряду поколений требует действия специфического шаперона (англ. еИарегопе — сопровождать; белки, обеспечивающие правильное сворачивание полипептидных цепей белков) — Шр104 [11]. Этот белок занимает особое место среди шаперо-нов: он извлекает белковые молекулы из агрегатов, образующихся в результате теплового шока. Парадоксальным образом к потере [Р57+] приводит не только отсутствие Шр104, но и во многих случаях его избыток.
Мы предложили гипотезу, которая описывает размножение прионов дрожжей и одновременно разрешает парадокс Нэр104 [12]. Мы исходили из предположений, что прионные частицы Бир35 представляют собой амилоидные фибриллы, а шаперон Шр104 распознает их, как агрегаты неправильно свернутого белка, и извлекает из них молекулы Бир35 (рис.2). Извлечение каждой молекулы из фибриллы должно разбивать ее на две части (при условии, что действие Шр104 происходит не на краю фибриллы). При этом удваивается количество концов фибрилл, катализирующих прионное превращение, что ускоряет переход белка в прионное состояние. Таким образом, при действии Нэр104 фактически происходит удвоение приона, несмотря на то, что количество агрегированного Бир35 не возрастает. В отсутствие Шр104 размножение приона не происходит (хотя прионное превращение продолжается), и он сравнительно быстро теряется из растущей популяции дрожжей.
Интересно отметить, что действие Шр104, необходимое для размножения прионов, направлено на растворение белковых агрегатов и уничтожение приона. Если активность Шр104 увеличить, то можно добиться того, что растворение прионных частиц будет происходить быстрее, чем их рост, и тогда прион будет потерян. И это действительно можно наблюдать при сверхпродукции Шр104 для многих вариантов [Р57+].
В дальнейшем полимерная модель получила убедительные экспериментальные подтверждения. Выяснилось, что в [Р57+] клетках дрожжей большая часть Бир35 находится в виде амилоид-
Sup35
Рис.1. Фибриллы, образованные белком БирЭБ (а) [10] и схематическая структура этих фибрилл и прионных частиц БирЭБ (б). Белок БирЭБ состоит их трех доменов: аминок
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.