Геном

Почти забытым остался тот факт, что первые случаи скрепи были описаны у суффол кских овец, и вполне вероят­но, что имбридинг привел к появлению и обострению это­го заболевания. Постепенно стали появляться факты, что в некоторых случаях (до 6% от всех зарегистрированных слу­чаев) болезнь может носить семейный характер, т.е. переда­ваться по наследству. Ключ к пониманию скрепи лежал не в руках патологоанатомов, а в руках генетиков. Возбудитель скрепи находился в геноме. Новое поразительное откры­тие произошло в Израиле. Когда в середине 1970-х годов первые случаи БКЯ были зарегистрированы в этой стране, израильские ученые заметили одну интересную законо­мерность. Все 14 случаев заболевания были обнаружены у небольшой группы прибывших из Ливии эмигрантов, что в 30 раз превышает случайную вероятность. Сразу же под подозрение попала особенность их национальной кухни, центральное место в которой занимает особым образом приготовленный мозг овцы. Но версия оказалась ложной.

Причина была генетической: все заболевшие были отпры­сками одной древней семьи. У всех у них в геноме была вы­явлена мутация, общая для этой семьи и для некоторых дру­гих семей в Словакии, в Чили и у ряда американских семей немецкого происхождения.

Мир скрепи представлялся зловещим, загадочным и противоречивым. Одни ученые настаивали на генетиче­ской природе заболевания, другие же предлагали револю­ционную, или скорее даже еретическую гипотезу, которая, как казалось на первый взгляд, вела их в противоположном направлении. Еще в 1967 году впервые возникло предполо­жение, что у возбудителя скрепи может не быть ни ДНК, ни РНК. Возможно, это единственный живой организм на пла­нете, который не использует нуклеиновые кислоты и не со­держит ни единого гена. В середине прошлого века, когда только что был раскрыт секрет структуры ДНК и Фрэнсис Крик полушутя провозгласил «основную доктрину генети­ки» — ДНКОРНКОбелок, — предположение возможности существования организмов без ДНК было таким же неже­лательным, как проповеди Мартина Лютера в Риме.

В 1982 году генетик Стенли Прузинер (Stanley Prusiner) предложил свое объяснение парадоксального явления од­новременного существования лишенного ДНК существа и вызываемой им болезни, которая тесно связана с геномом человека. Прузинер обнаружил белковые образования, не­поддающиеся разрушению обычными протеазами, которые присутствовали в нервных клетках у больных животных, но отсутствовали у здоровых. Выделив белок, ученый опреде­лил его аминокислотный состав, рассчитал вероятную по­следовательность нуклеотидов в гене и постарался найти похожий ген среди генов мыши, а затем в геноме человека. В конце концов Прузинер нашел этот ген, назвал его РКР (protease-resistant protein — устойчивый к протеазам белок) и привел казавшуюся еретической теорию к вратам храма науки. Его теория, которая с годами обрастала все новыми и новыми фактами, гласит: PRP является нормальным ге­ном человека и мышей, и его белок выполняет свои опре­деленные полезные функции у всех организмов. Этот ген не имеет никакого отношения к вирусам. Но его продукт, известный как белок прион, обладает необычными свой­ствами. Прион может внезапно изменять свою простран­ственную конформацию, в результате чего он становится «липким» и устойчивым к протеазам клетки. Постепенно этот неправильный белок накапливается в клетке в виде белковых комков, нарушающих работу клетки, и ведет к ее гибели. Теория и так уже получилась революционной, но Прузинер пошел еще дальше. Он предположил, что изме­ненные прионы обладают свойством изменять форму обыч­ных прионов, преобразуя их в себе подобных. При этом не изменяется последовательность аминокислот в белке или последовательность нуклеотидов в гене, но меняется спо­соб свертывания аминокислотной нити белка в трехмер­ную структуру (Prusiner S. В., Scott М. R. 1997. Genetics of prions. Annual Review of Genetics 31: 139-175).

 Оказалось, что прионы не единственны в своем роде. Были открыты некоторые другие белки, конформационные из­менения которых не только ведут к патологическим из­менениям их собственных функций, но измененные белки также катализируют аналогичные изменения в нормаль­ных белках. Возникает цепная реакция, ведущая к гибели нервных клеток и, как следствие, к нейродегенеративной болезни. К таким белкам относится медь/цинк-зависимая супероксид-дисмутаза (S0D1). Мутация в гене этого белка ведет к развитию семейного амиотрофического латераль­ного склероза (FurukawaY.etal. 2006. Disulfide cross-lin-ked protein represents a significant fraction of ALS-associated Cu, Zn-superoxide dismutase aggregates in spinal cords of model mice. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA 103(18): 7148-7153). Есть версии, что причиной болез­ней Альцгеймера и Паркинсона являются такие же изме­ненные белки. Впрочем, пока нет фактов заражения других людей измененными белками, в отличие от прионов.

Семена теории Прузинера попали на каменистую почву. Надо признать, что данная теория не могла адекватно объ­яснить некоторые особенности скрепи и других подобных болезней, в частности, почему заболевание, вызываемое од­ним и тем же белком, имеет такие разные проявления. Как грустно отмечал сам Прузинер, «гипотеза вызвала мало энту­зиазма». Я очень хорошо помню то пренебрежение, с каким эксперты в области скрепи воспринимали новую теорию Прузинера, когда я задавал им вопрос об их отношении к данной гипотезе. (Я как раз готовил статьи о прионах и ин­тересовался мнением разных ученых.) Но затем стали появ­ляться новые факты, подтверждающие версию Прузинера. Например, стало известно, что мышей с удаленным геном приона невозможно заразить ни одной из этих нейродегене- ративных болезней, тогда как всего нескольких измененных молекул прионов было достаточно, чтобы вызвать болезнь у контрольных мышей. Таким образом, болезнь вызывается из­мененными прионами и передается с их помощью. Прузинер получил всеобщее признание и, вслед за Гайдучеком, поехал в Стокгольм за Нобелевской премией. Тем не менее следует признать, что в чаще прионового леса осталось немало зава­лов и несрубленных деревьев. Сами прионы все еще остают­ся тайной, и основная загадка состоит в том, зачем вообще они существуют в природе. ген PRP не только присутствует во всех изученных геномах млекопитающих, но и оказался весьма консервативным геном, мало изменившимся в ходе эволюции. Это указывает на то, что в организме белок вы­полняет очень важную функцию. Данная функция наверняка связана с работой мозга, поскольку экспрессия гена включа­ется именно в этом органе. Работа приона может быть свя­зана с обменом ионами меди, которые имеют с белком близ­кое сродство. Но из эмбриона мыши с удаленными обеими копиями гена вырастает нормальная мышь. Следовательно, какой бы важной ни была функция приона, организм мыши может обойтись без этого гена. Пока нет ни одной правдопо­добной гипотезы, которая связывала бы этот потенциально опасный ген с какой-либо полезной для организма функцией (Brown D. R. et al. 1997. The cellular prion protein binds copper in vivo. Nature 390: 684-687).

 Данные последних лет заставляют нас удивляться не толь- ко зловредности прионов, но и многообразию их положи- деЯВг тельных функций в организме. (Естественно, положитель- ные функции проявляются только тогда, когда прион на- ходится в нормальной конфигурации.) Оказалось, что без прионов невозможна регенеративная работа стволовых клеток (Couzin J. 2006. The prion protein has a good side? You bet. Science 311: 1091), без них невозможно правиль­ное развитие центральной нервной системы (Steele A. D. et al. 2006. Prion protein (PrPc) positively regulates neural precursor proliferation during developmental and adult mam­malian neurogenesis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA 103:3416-3421), а мутация, связанная с заменой валина метионином в 129-й позиции белка при- она, существенно влияет на память (Papassotiropoulos A. et al. 2005. The prion gene is associated with human long-term memory.Human Molecular Genetics 14:2241-2246).

От смертельной болезни нас отделяет всего одна или не­сколько мутаций. Ген PRP человека содержит 253 «слова», каждое длиной в три буквы. Из них первые 22 или послед­ние 23 слова обрезаются сразу же после окончания синтеза белка. Мутации в четырех точках гена ведут к возникно­вению прионового заболевания, причем каясдая мутация связана только со своей определенной формой болезни. Например, замена в 102-й позиции пролина лейцином вы­зывает болезнь Герстманна-Штройсслера-Шейнкера — на­следуемая версия хронического нервного заболевания, ведущего к смерти в преклонном возрасте. Замена 200-й аминокислоты — лизин вместо глутамина — ведет к версии БКЯ, обнаруженной у ливанских евреев. Замена аспартата аспарагином в позиции 178 является причиной классиче­ской БКЯ. Но в дополнение к последней мутации может произойти еще замена валина метионином в 129-й пози­ции белка приона, что ведет к самому мучительному из всех прионовых заболеваний — фатальной семейной инсомнии. Это заболевание является довольно редкой формой насле­дуемой генетической болезни, при которой больной уми­рает после нескольких мучительных месяцев бессонницы. При фатальной семейной инсомнии происходит разруше­ние таламуса (зрительного бугра), который, среди многих прочих функций, отвечает за чередование бодрствования и сна. Скорее всего, различия в симптомах разных прионо- вых заболеваний определяются тем, какая область головно­го мозга повреждается первой.

В течение десятилетия после того как эти факты стали известны, ученые задействовали все свои ресурсы и супер­современные технологии, чтобы продвинуться вглубь та­инственной области знаний. С помощью экспериментов непостижимой сложности, проводимых в лаборатории Прузинера и во многих других лабораториях мира, откры­вались все новые стороны и особенности прионов. У «пло­хих» прионов происходит изменение структуры централь­ной области (между 108-й и 121-й аминокислотами). Любые мутации внутри этой области вели к такому фатальному из­менению функций прионов, что экспериментальные мыша­та умирали в утробе или сразу после рождения. Те мутации, которые ведут к описанным выше прионовым заболевани­ям, происходят на периферии белка и лишь косвенно из­меняют структуру центральной области. Наука постепенно получает все новые и новые сведения о прионах, но новые знания ставят перед нами все больше новых вопросов и от­крывают новые просторы неизвестности.

Почему изменения структуры белков оказываются столь пагубными? Прузинер предполагал, что существует еще один неизвестный белок X, на который влияет изменен­ный прион. Но почему этот белок никому не удалось обна­ружить? Мы этого не знаем.

 Вероятно, виной всему образование дисульфидных мо­стиков между остатками аминокислоты цистеина в бел­ковой цепочке. Дисульфидные мостики стабилизируют молекулу белка, но также могут сшивать между собой соседние молекулы, в результате чего образуются нерас­творимые и неподдающиеся ферментации белковые кон­гломераты. Белки с «неправильной» структурой могут ме­шать сборке вновь синтезируемых белков, образуя с ними сульфидные связи. Такой механизм развития заболевания был показан для амиотрофического латерального склеро­за, вызванного мутацией в гене SOD1, который также на­ходится на хромосоме 21 (Rakhit R., Chakrabartty А. 2006. Structure, folding, and misfolding of Cu, Zn superoxide dismu- tase in amyotrophic lateral sclerosis.Biochimica et biophysica Acta, Epub ahead of print).

Почему белок, синтезируемый во всех областях мозга, в зависимости от места мутации по-разному влияет на мозг? Например, у коз одна мутация в гене приона ведет к сонли­вости, а другая — к гиперактивности. Ответ на этот вопрос до сих пор не найден.

Почему существуют межвидовые барьеры, препятствую­щие передаче заболевания от вида к виду? Эффективность заражения существенно возрастает только при инъекции непосредственно в мозг. Но и при пероральном приеме за­раженного материала вероятность развития заболевания сохраняется. Нам пока еще не известны механизмы зара­жения и факторы, оказывающие влияние на этот процесс.

Не вполне понятна зависимость развития инфекции от дозы зараженного материала. Чем больше дефектных при­онов вводили в мышь в экспериментах, тем быстрее разви­валось заболевание. Но скорость и вероятность возникно­вения заболевания зависели также от числа копий гена PEP в геноме мыши.

На вероятность возникновения заболевания также ока­зывает влияние гетерозиготность генотипа. Например, если в одной копии гена PEP в 129-й позиции находится ва- лин, а в другой — метионин, то такие люди более устойчивы к прионовым инфекциям (за исключением фатальной се­мейной инсомнии), чем в том случае, если в обеих копиях гена будут два валина или два метионина. Почему так про­исходит, мы не знаем.