Прионные болезни

      Проведенный сравнительный анализ показал, что  конформационные различия между  нормальным и инфекционным прионным белком заключаются в трехмерной конформации. Переход нормального  PrP^C в его патологическую форму имеет в своей основе перестройку укладки белка. Корреляция изменений во вторичной структуре PrP с изменениями его инфекционности вместе с изменением конформации PrP дает основания заключить, что конформация прионного белка может иметь главное значение для проявления его патогенных свойств.

      Были  изучены некоторые закономерности перехода клеточной формы приона PrP^C в его инфекционную форму и выявлено, что эффективность этой конверсии определяется видовой гомологией PrP^C и PrP^Sc и, следовательно, в условиях гетерологичности обеих форм прионного белка эффективность конверсии снижается. Этим и объясняется механизм низкой инфекционности прионов в гетерологичной системе (например, животные – человек). Значение этой конверсии в развитии инфекционного процесса было подчеркнуто в экспериментальных исследованиях, показавших, что мыши, не экспрессирующие PrP^C, устойчивы к инфекции прионами.

      В исследованиях in vitro, проведенных на модели агентов ТГЭ, также была установлена корреляция между эффективностью конверсии PrP^C в PrP^Sc и способностью к трансмиссии агентов скрепи, губкообразной энцефалопатии коров и болезни Крейтцфельдта – Якоба. Было продемонстрировано, что конверсия PrP^C в PrP^Sc в гетерологичной системе значительно снижена по сравнению с гомологичной системой. Авторы делают из своей сугубо экспериментальной работы практически важный вывод о том, что способность агентов скрепи и губкообразной энцефалопатии коров поражать людей после соответствующей экспозиции является ограниченной и низкой.

      Таким образом, в результате разносторонних исследований, особенно интенсивно проводившихся в 90-е годы, были получены и систематизированы имеющие принципиальное значение данные о структуре и физико-химических свойствах прионных белков. Получение и анализ этих сведений создали необходимые предпосылки для дальнейшего углубленного изучения биологических особенностей прионных белков и механизма развития вызываемых ими заболеваний людей и животных.  

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРИОНОВ 

      В последние годы вопрос о биологическом  значении PrP^C был подвергнут ревизии. На мышах, гомозиготных по потере гена PrP^C, было показано, что эти животные после рождения росли нормальными, но спустя 70 нед у них развивались прогрессирующие симптомы атаксии, нарушалась моторная координация и отмечалась экстенсивная потеря клеток Пуркинье. Авторы сделали вывод о том, что PrP^C играет важную роль в выживании клеток Пуркинье. Помимо этого, указывается на роль PrP^C в регуляции циркадианных ритмов, на возможное участие PrP^C в активации лимфоцитов и на его роль в качестве трофического фактора для некоторых популяций нейронов. Сохранность PrP^C имеет значение для реализации нормальной функции синапсов. В последние годы опубликованы данные, свидетельствующие о роли PrP^C в регуляции сна и продемонстрировано значение нарушения нормальной функции PrP^C в возникновении смертельной семейной бессонницы. В исследованиях in vitro было также показано, что PrP^C вовлекается в процессы регуляции содержания внутриклеточного Са²⁺ в нейронах, Интенсивные исследования биологической роли PrP^C позволили прийти к заключению о значении нормального приона PrP^C в сохранении резистентности нейронов и астроцитов к окислительному стрессу.

      Таким образом, за последние годы были значительно  расширены представления о биологической значимости PrP^C. Было установлено, что PrP^C синтезируется в эндоплазматической сети и довольно быстро деградирует: продолжительность его полураспада составляет всего 5 – 6 ч. Синтезированный PrP^C, проходя через аппарат Гольджи, транспортируется на поверхность клетки, где он связывается с гликофосфатидилинозитолом. Синтезированный PrP^C в дальнейшем переносится вдоль аксона при помощи быстрого антероградного транспорта. В отличие от PrP^C инфекционный прионный белок PrP^C первично аккумулируется в клетках, накапливаясь в цитоплазменных везикулах. Дальнейшее накопление PrP^Sc в синаптических структурах и связанная с этим дезорганизация синапсов, возможно, являются причиной развития глубоких неврологических дефектов и деменции.

      Напомним, что заболевания, вызываемые прионами, характеризуются рядом признаков, сочетание которых определяется биологическими особенностями их возбудителей, это прежде всего длительный инкубационный период (от месяцев до десятков лет), отсутствие воспалительных изменений, хронически прогрессирующая патология, отсутствие ремиссий и выздоровления. Для прионных болезней характерен ряд отрицательных признаков, которые не наблюдаются при заболеваниях, вызываемых вирусами. К ним относятся отсутствие продукции интерферона и нечувствительность к интерферону, отсутствие в составе возбудителя инфекционных нуклеиновых кислот и неспособность прионов интерферировать с вирусами. Для прионных болезней характерны нечувствительность к иммуносупрессирующему или иммунопотенцирующему действию АКТГ, кортизона, циклофосфамида, g-лучей, антилимфоцитарной сыворотки, тимэктомии и спленэктомии, отсутствие влияния адъювантов. Для прионных болезней характерна также интактность В- и Т-клеток. Комбинация всех перечисленных признаков, каждый из которых не является чем-то уникальным, и определяет своеобразие прионных болезней.

      Получение новых данных в отношении биологических  особенностей прионов позволило заключить, что прионные болезни являются нейродегенеративными заболеваниями, в возникновении которых фундаментальную роль играют конформационные изменения, а сам механизм развития болезни является беспрецедентным.

      Результаты  проведенных исследований позволили  с новых позиций подойти к  вопросу о природе агентов  ТГЭ, а вся сумма полученных новых  знаний о прионах послужила основанием для оптимистического высказывания С.Прузинера о том, что "эра черного ящика биологии скрепи и болезни Крейтцфельдта – Якоба, возможно, подходит к концу". В 1997 г. за свои многолетние исследования медленных инфекций, вызываемых прионами, американский биохимик С.Прузинер был удостоен Нобелевской премии по биологии и медицине. Таким образом, мы встречаемся с не очень частым случаем, когда Нобелевская премия присуждается дважды на протяжении 20 лет за исследование одной и той же проблемы, что, безусловно, свидетельствует о значимости самой проблемы и о темпах ее изучения. 

ПРИОННЫЙ  ГЕН 

      Современный этап в исследовании молекулярных основ  прионных заболеваний человека и  животных связан с идентификацией гена, кодирующего прионный белок. Расшифровка аминокислотной последовательности этого белка, позволила выяснить структуру кодирующей области соответствующего гена. Этот ген, получивший название PRNP, был вскоре выделен и исследован в лаборатории Ч.Вэйссманна. Выделение гена PRNP позволило использовать для исследования этиологии и патогенеза прионных заболеваний весь арсенал современных методов молекулярно-генетического анализа. В настоящее время структура белка PrP и соответствующего гена известна для многих организмов. Ген PRNP оказался эволюционно-консервативным: он найден у многих млекопитающих и птиц. В структурном отношении гены PRNP млекопитающих тоже схожи: в генах всех млекопитающих область, кодирующая PrP, локализована только в одном экзоне (экзоны - области гена, представленные в структуре зрелой иРНК). У человека этот ген локализован на хромосоме 20, у мышей - на хромосоме 2. Ген PRNP присутствует и экспрессируется не только у больных, но и у здоровых животных. При этом, несмотря на то, что иРНК гена PRNP в тканях мозга взрослых животных экспрессируется конститутивно, у молодых животных ее количество меняется с возрастом. Наибольшее количество иРНК PRNP зарегистрировано в нейронах.

      Примерно 10% всех прионных заболеваний человека относятся к так называемым семейным формам или болезням с наследственной предрасположенностью. Идентификация прионного гена позволила связать семейные формы этих заболеваний с конкретными мутациями в гене PRNP. Так, например, мутация, вызывающая замену пролина на лейцин в 102-м положении PrP оказалась связана с развитием синдрома Герстманна-Штреусслера-Шейнкера. Интересно, что эта мутация приводит к заболеванию не только людей, но и мышей. Мутация в 178-м кодоне может быть связана как с развитием болезни Крейтцфельдта-Якоба (БКЯ), так и смертельной семейной бессонницы. Интересно, что оба случая связаны с заменой аспарагиновой кислоты на аспарагин. Разница, по всей видимости, заключается в том, что мутантная аллель при смертельной семейной бессоннице в 129-м положении несет кодон для метионина, в то время как в случае БКЯ это положение занимает кодон для валина. Наследственная предрасположенность к прионным заболеваниям может быть связана не только с определенными аминокислотными заменами в PrP, но и с его гораздо более существенными изменениями. Так, в аминоконцевом районе PrP имеется 5 расположенных подряд идентичных последовательностей из 8 аминокислот. Некоторые формы семейной БКЯ оказались связанными с увеличением количества таких повторов. Механизм образования этих повторов неясен. Однако понятно, что в отличие от случаев, описанных ранее, они возникли не за счет точковых мутаций, а в результате рекомбинационных событий. Всего в настоящее время в гене PRNP человека известно около 20 мутаций, связанных с семейными формами прионных заболеваний.

      У животных аллельный полиморфизм по гену PRNP тоже связан с вероятностью развития прионных болезней. Тем не менее вопрос о том, влияют ли изменения в структуре этого гена на вероятность спонтанного заболевания животных или они связаны с подверженностью животных прионным инфекциям, остается открытым.

      Важной  особенностью прионов как инфекционных агентов является наличие межвидовых барьеров на пути их передачи, хотя PrP лишь незначительно отличается по первичной структуре у разных видов млекопитающих. В большинстве случаев эти барьеры не абсолютны, иными словами, они не препятствуют, а лишь значительно затрудняют передачу инфекции от особей одного вида особям другого вида. Вместе с тем известно по крайней мере одно исключение из этого правила: у кроликов не удается вызвать заболевание после заражения их инфекционным прионным белком, выделенным из мозга самых разных животных. Хотя причина устойчивости кроликов к прионной инфекции точно неизвестна, анализ структуры гена, кодирующего PrP кролика, показал, что она может быть связана с некоторыми особенностями первичной структуры этого белка.

      Существенный  прогресс в исследовании прионов  стал возможным после передачи скрепи мышам и хомякам. Как уже было упомянуто, делеция гена PRNP не приводит к немедленной смерти животных. Это позволило установить, что особи, лишенные гена PRNP, не заражаются прионами и, вероятно, вообще не подвержены этим заболеваниям. Интересно, что в подобных экспериментах было показано, что удаление аминоконцевой последовательности PrP мыши за счет делеции соответствующей области гена PRNP не препятствует развитию прионных заболеваний. Ранее было отмечено, что некоторые семейные формы БКЯ связаны с увеличением количества аминокислотных повторов в этой области белка PrP человека. Таким образом, эти изменения влияют на вероятность заболевания, хотя его наличие не является критичным для прионного превращения белка.

      Увеличение  экспрессии гена PRNP (количество PrP) способствует возникновению заболевания. В силу существования межвидовых барьеров мыши устойчивы к заражению прионами, выделенными из мозга больных хомяков, но трансгенных мышей, несущих ген PRNP хомяка, легко заразить с помощью инокуляции суспензии клеток мозга больного хомяка. Все перечисленные факты полностью согласуются с теорией о белковой природе прионов. Животные, лишенные гена PRNP, не заболевают просто потому, что их клетки не содержат белка, подверженного конформационной перестройке. При увеличении количества молекул этого белка должна возрастать вероятность спонтанного перехода какой-либо из молекул в патогенную форму. Существование наследственной предрасположенности к прионным заболеваниям связано с тем, что мутации увеличивают вероятность прионного превращения белка PrP. Менее выраженная способность к инфицированию у "чужого" приона при межвидовом заражении может объясняться пониженной способностью PrP^Sc передавать свое патогенное состояние PrP^C несколько отличающемуся от него по первичной структуре.

      Итак, возможность заражения особей одного вида с помощью прионов, выделенных из тканей мозга особей другого вида, способствовала использованию лабораторных животных (мышей и хомяков) для изучения природы прионов и вызываемых ими болезней. В то же время отсутствие межвидовых барьеров на пути распространения прионов означает принципиальную возможность их передачи от животных человеку. Действительно, в последнее время проблема прионов приобрела существенное практическое значение в связи со вспышками соответствующих эпизоотии среди сельскохозяйственных животных в некоторых европейских странах, а также с появлением наблюдений о возможности передачи этих заболеваний от животных человеку. В настоящее время получен ряд серьезных свидетельств, указывающих на опасность заражения человека прионами животных. При этом наиболее убедительные доказательства базируются на результатах, полученных с использованием трансгенных лабораторных животных. 

ПАТОЛОГИЯ ЦЕНТРАЛЬНОЙ НЕРВНОЙ  СИСТЕМЫ 

ПРИ ПРИОННЫХ БОЛЕЗНЯХ ЧЕЛОВЕКА 

  В настоящее время известно 4 прионных заболевания: болезнь Крейтцфельдта- Якоба (БКЯ), куру, синдром Герстманна-Штреусслера-Шейнкера (СГШШ) и фатальная семейная инсомния (ФСИ). Основную массу прионных болезней составляет БКЯ, чаще всего в виде спорадических случаев, в 10% случаев БКЯ носит семейный характер. Наблюдается также ятрогенная форма БКЯ, которая, как и куру, манифестирует как инфекция в результате случайного заражения прионными болезнями. СГШШ и ФСИ являются доминантно наследуемыми прионными болезнями, которые, как было показано, вызываются мутациями прионного гена.

      В нашей стране опубликованы лишь единичные  работы с описанием морфологических  изменений ЦНС при спорадических случаях БКЯ. Нами опубликованы данные о прижизненной морфологической диагностике двух спорадических случаев БКЯ на основе исследования биоптатов коры большого мозга с использованием световой и электронной микроскопии, в которых диагноз в дальнейшем был подтвержден на аутопсии. Отсутствуют работы, посвященные морфологическим изменениям мозга при других формах прионных заболеваний. В то же время за рубежом в последние годы значительно возросло число публикаций, в том числе и обобщающих, в которых на основании уже довольно большого числа наблюдений подробно описаны особенности изменений ЦНС при всех на сегодняшний день известных формах прионных заболеваний, включая куру, БКЯ (спорадическую, наследственную, ятрогенную формы и новый вариант), СГШШ и ФСИ. Помимо морфологических исследований с использованием классических нейрогистологических методик, эти работы включают в себя и данные иммуноцитохимического исследования, направленные на выявление отложений патологической изоформы прионного белка (PrP^Sc) в гистологических срезах из различных областей мозга. Без преувеличения можно сказать, что именно эти методы, направленные на идентификацию отложений PrP^Sc в ткани мозга, "революционизировали" прижизненную или посмертную диагностику прионных заболеваний, позволяя поставить уверенно достоверный диагноз в ранних стадиях заболевания, в том числе и до развития в мозге характерных морфологических изменений. В последние годы под эгидой ВОЗ разработаны критерии морфологической диагностики этих заболеваний. Учитывая особую эпидемиологическую значимость и связь заболевания со спонгиоформной энцефалопатией крупного рогатого скота, основной акцент сделан на разработку критериев морфологической диагностики нового варианта БКЯ.