Открытие прионов

Прион

Прион, субмикроскопическая инфекционная частица, вызывающая дегенерацию головного мозга. В отличие от вирусов, построенных из белка и нуклеиновой кислоты (ДНК и РНК), прионы представляют собой еще более мелкие белковые частицы, не содержащие молекул наследственного вещества – нуклеиновой кислоты. Прион состоит в основном, а может быть, и целиком, из молекул аномального прионного белка, который обнаруживается преимущественно на поверхности нервных клеток. Нормальный прионный белок кодируется. Однако нарушения в процессе синтеза этого нормального белка приводят к появлению необычных, атипичных молекул, которые становятся инфекционными. Термин «прион» происходит от начальных букв английских слов: proteinaceous – белковый, infective – инфекционный; on – окончание, означающее «частица».

Для прионных болезней характерно образование в нервной ткани вакуолей (окруженных мембраной пузырьков) и т.н. амилоидных бляшек (скоплений аномального прионного белка); в итоге постепенно формируется своеобразное губчатое строение ткани мозга («губчатая дегенерация»). К настоящему времени установлено прионное происхождение по крайней мере трех неврологических заболеваний человека. Все они относятся, по счастью, к редким. Среди аборигенов Новой Гвинеи описана болезнь куру, распространение которой связано с ритуальным каннибализмом – поеданием мозга умерших родственников. Семейная (поражаюшая несколько членов одной семьи) болезнь Крейтцфельдта – Якоба и сходный с ней синдром Герштманна – Штраусслера – Шейнкера связаны с мутациями в гене прионного белка и являются наследственными заболеваниями. Спорадически (т.е. в единичных случаях) возникающая болезнь Крейтцфельдта – Якоба – наиболее распространенное прионное заболевание человека; механизм ее развития остается невыясненным. Указанные заболевания, определяемые как спонгиоформные (губчатые) энцефалопатии, – медленные инфекции, вызывающие поражение серого вещества головного мозга; они приводят к двигательным нарушениям, психическим расстройствам, слабоумию и, в конечном итоге, к смерти. Различия между этими энцефалопатиями определяются разным распределением участков поражения мозга и степенью выраженности отдельных признаков поражения. К прионным болезням у животных относятся почесуха (скрейпи) у овец и коз, губчатые энцефалопатии у коров («бешенство коров») и по-видимому, некоторые другие инфекции домашних животных. С разразившейся в Великобритании эпидемией губчатой энцефалопатии у коров и поеданием мяса зараженных животных связывают последние случаи возникновения болезни Крейтцфельдта – Якоба в Европе; они отличались ранним проявлением заболевания и, по данным микроскопического исследования мозга погибших больных, сходством изменений в нервной ткани с тем, что обнаруживается при куру. В настоящее время широко изучается почесуха, так как ученым удалось осуществить передачу возбудителя этой инфекции лабораторным животным (мышам и хомякам) и таким образом получить экспериментальную модель, позволяющую развернуть молекулярно-биологические исследования. Создателю этой модели Стенли Прусинеру в 1997 была присуждена Нобелевская премия за открытие принципиально нового типа инфекций.

Открытие прионов тесно связано с историей открытия и становления учения о медленных инфекциях, когда в 1954 г. В. Sigurdsson [1-3] изложил результаты своих многолетних исследований массовых заболеваний среди овец, завезенных в 1933 г. из Германии на о. Исландия для развития каракулеводства. Несмотря на явные клинические различия и неодинаковую локализацию повреждений органов и тканей, В. Sigurdsson сумел обнаружить среди изученных им заболеваний принципиальное сходство, которое в современном виде может быть суммировано в виде четырех главных признаков, отличающих медленные инфекции:

- необычно продолжительный  (месяцы и годы) инкубационный  период;

- медленно прогрессирующий  характер течения;

- необычность  поражения органов и тканей;

- неизбежность  смертельного исхода.

Среди изученных  В. Sigurdsson заболеваний овец была подробно исследована давно и хорошо знакомая во многих странах болезнь этих животных, известная под названием "скрепи", полностью отвечавшая всем четырем характеристикам медленных инфекций [3].

Три года спустя в противоположном регионе - на о.Новая Гвинея D.Gajdusek и V.Zigas [4] обнаружили и описали новое заболевание среди папуасов-каннибалов, которое известно сегодня под названием "куру". Болезнь носила массовый характер и успешной передачей сначала шимпанзе, а позднее и низшим обезьянам была доказана ее инфекционная природа [5, 6].

Очень скоро  было выявлено большое сходство между  эпидемиологий, клиническими проявлениями и патоморфологической картиной при куру у человека и при скрепи у овец, на основании чего стало  очевидным, что медленные инфекции могут поражать не только животных, но и людей [7].

Массовый характер медленных инфекций естественно  ставил вопрос об их этиологии, и начавшиеся энергичные поиски в этом направлении  вскоре принесли свои плоды.

В 1960 г. В. Sigurdsson [8] обнаруживает, что одна из типичных медленных инфекций овец - висна - вызывается вирусом, оказавшимся по структурным, химическим и биологическим свойствам весьма сходным с представителями хорошо известного семейства онкорнавирусов. Вполне понятно, что это открытие в большой мере способствовало укреплению представления о вирусной этиологии всех медленных инфекций человека и животных и на многие годы предопределило поиски в этом, казалось бы, единственно правильном направлении.

Спустя несколько  лет утверждению вирусной этиологии  якобы всех без исключения медленных  инфекций способствовало и открытие вирусной природы известной еще  с 1933 г. типичной медленной инфекции детей и подростков - подострого склерозирующего панэнцефалита. Оказалось, что это смертельное заболевание вызывает вирус кори, уже много лет известный как возбудитель широко распространенной детской заразной болезни [9].

За короткое время был накоплен большой и  весьма неожиданный фактический  материал: оказалось, что очень многие вирусы, давно и хорошо известные  как возбудители острых заболеваний, способны при определенных условиях вызывать в организме медленный  инфекционный процесс, полностью отвечающий всем четырем признакам медленных  инфекций. В числе таких вирусов  вскоре оказались вирусы кори, краснухи, герпеса, клещевого энцефалита, лимфоцитарного хориоменингита, африканской лихорадки свиней, инфекционной анемии лошадей, бешенства, вирусы семейства папова, гриппа, иммунодефицита человека и др. [10].

Следует особо  подчеркнуть, что уже начиная с первых сообщений В. Sigurdsson в литературе постепенно накапливались данные об особой группе медленных инфекций человека и животных, патоморфология которых весьма существенно отличалась выраженным своеобразием, проявляющимся только в поражении центральной нервной системы, где на основе первично-дегенеративных процессов (без признаков воспаления) развивается характерная картина формирования так называемого губкообразного состояния (status spongiosus) серого и/или белого вещества головного, а иногда и спинного мозга, что может сопровождаться образованием амилоидных бляшек и выраженным глиозом

Подобное своеобразие  патоморфологической картины определило и первичное (и до сих пор используемое) название всей группы этих необычных  страданий как "трансмиссивные губкообразные энцефалопатии" (ТГЭ). Именно трансмиссивность губкообразных изменений только в центральной нервной системе и является их патогномоничным признаком [10, 11].

На протяжении нескольких десятилетий все попытки  обнаружить возбудителей ТГЭ заканчивались  неудачей, хотя инфекционная природа  их была точно доказана многочисленными  опытами передачи заболеваний различным  животным и потому не вызывала сомнений [12, 13].

Вместе с тем  на протяжении этих лет накапливались  данные, которые не прямо, но косвенно позволяли судить, по крайней мере, о некоторых свойствах возбудителей ТГЭ. И первые же положительные результаты подтвердили если неправомерность, то во всяком случае эффективность вирусологического подхода в изучении этиологии ТГЭ.

Не имея возможности  работать с самим этиологическим агентом, исследователи предприняли  разностороннее изучение инфицированной мозговой ткани, наиболее высокое содержание инфекционного агента в которой было давно установлено. При этом оказалось, что предполагаемый инфекционный агент:

1) способен проходить  через бактериальные фильтры  с диаметром пор от 25 до 100 нм;

2) не способен размножаться на искусственных питательных средах;

3) воспроизводит  феномен титрования (вызывает гибель  зараженных животных при высоких  значениях инфицирующей дозы  для 50% животных - ИД₅₀); 4) накапливается до титров 10⁵-10¹¹ ИД₅₀ на 1 г мозговой ткани;

5) способен первоначально репродуцироваться в селезенке и других органах ретикулоэндотелиальной системы, а затем в мозговой ткани;

6) способен к адаптации к новому хозяину, что нередко сопровождается укорочением инкубационного периода;

7) характеризуется  наличием генетического контроля  чувствительности некоторых хозяев (например, у овец и мышей для  возбудителя скрепи);

8) имеет специфический  (для конкретного штамма) круг  хозяев;

9) может изменять  патогенность и вирулентность  для различного круга хозяев;

10) может селекционироваться из штаммов дикого типа;

11) характеризуется  возможностью воспроизведения феномена  интерференции (например, медленно  репродуцирующегося штамма возбудителя  скрепи с быстро репродуцирующимся  штаммом в организме мышей);

12) обладает способностью  к персистенции в культуре  клеток, полученных из органов  и тканей зараженного организма  [12, 13].

Обнаружение перечисленных  выше признаков, характерных для  широко известных вирусов человека и животных, достаточно убедительно  объясняет многолетний устойчивый интерес вирусологов к возбудителям ТГЭ.

Однако, наряду с приведенными, у возбудителей ТГЭ  были обнаружены свойства, которые  принципиально отличались от таковых  у известных вирусов. Так, возбудители  ТГЭ оказались устойчивыми к  действию бета-пропиолактона, формальдегида, глютаральдегида, ЭДТА, нуклеаз (РНКазы А и III, ДНКазы I), псораленов, нагревания до 80 њС (при неполной инактивации в условиях кипячения), Уф-лучей, ионизирующей радиации, ультразвука [13]. Более того, ни одним из инфекционных материалов, полученным от животных или людей, погибших от ТГЭ, долгое время не удавалось заразить интактные клеточные культуры.

Перечисленные выше своеобразные свойства дали основание  рассматривать возбудителей ТГЭ  как "необычные вирусы". В этой связи и сами заболевания некоторое  время подразделяли на две группы: медленные инфекции, вызываемые обычными вирусами, и медленные инфекции, вызываемые необычными вирусами

Однако в начале 80-х годов эти нечеткие определения  были значительно конкретизированы, а в дальнейшем и уточнены, что  целиком и полностью связано  с успехами в расшифровке природы  возбудителей ТГЭ. Американский биохимик S. Prusiner, используя новые подходы к накоплению и очистке инфекционного начала в мозговой ткани зараженных агентом скрепи хомяков, показал, что возбудителем наиболее распространенной в природе ТГЭ - скрепи (заболевание, которое в природе встречается среди овец и коз) является безнуклеиновый низкомолекулярный (27-30 кДа) белок [14]. S. Prusiner назвал его "инфекционный прионный белок", а в качестве инфекционной единицы предложил наименование "прион". Термин "прион" образован как анаграмма английских слов "белковая инфекционная (частица)" - "proteinaceous infectious (particles)". Прион, как инфекционная единица, состоит из молекул инфекционного прионного белка [15].

Результаты исследований последних 15 лет полностью подтвердили  прионную природу возбудителей ТГЭ [16, 17] и на этом основании эти заболевания обозначают теперь как "прионные болезни" [18].

Прионный белок, как оказалось, может существовать в двух формах. Его нормальная или клеточная форма, обозначенная как РrР^C (аббревиатура от англ. - Prion Protein of Cell), обнаруживается в организме всех млекопитающих, включая и человека. Ген, кодирующий синтез РrР^C, расположен в коротком плече хромосомы 20 у человека и хромосомы 2 - у мыши. Ген является высококонсервативным и очень высокие уровни его экспрессии обнаруживаются в нейронах, где концентрация иРНК для РrР^C примерно в 50 раз выше, чем в глии. Более низкие уровни экспрессии гена можно обнаружить и в других тканях. РrР-ген регулируется в процессе развития и поддерживает устойчивую экспрессию во время всей жизни организма [19, 20].