Прионы как инфекционные агенты План: Введение: прионы как инфекционные агенты История прионных заболеваний Классификация прионных заболеваний Причины возникновения прионных заболеваний Межвидовые барьеры Структура приона Механизм размножения прионов Гипотезы о составе прионов 1985г. С.Прузинер получил из мозга хомяка зараженного скрепи безнуклеиновый низкомолекулярный белок, который он назвал инфекционный прионный белок – прион PrP - прионный белок PrPSc – инфекционный прионный белок PrPc - неинфекционный прионный белок PRNP – ген, кодирующий синтез клеточного прионного белка в организме человека, локализованный на 20 хромосоме Поскольку было показано, что инфекционный прионный белок отличается от обычного третичной структурой, т.е. конформационно, вскоре появилось новое понятие - “конформационные болезни” (Carrel R.W.) Этим термином стали обозначать болезни, вызываемые изменением третичной структуры белков, т.е. нарушением исходной пространственной организации белковых молекул свойственной здоровому организму. “Конформационные болезни” характеризуются тем, что вследствие изменения конститутивных белков, они (белки) могут превратиться из жизненно необходимых в смертельно опасные и вызывать фатальные для организма последствия. Рис. № - Способность приона хомяков Sc237 заражать и передаваться при введении в мозг или селезенку трансгенным мышам, имеющим прионный белок PrP овцы (tg338; белые мыши) или человека (tg7; серые мыши). Развитие медицинской вирусологии и молекулярной биологии позволило сделать следующий шаг в изучении медленных инфекций в период с 1985 по 1997гг (Oesch B., Prusiner S.B.) и теория “необычных вирусов” была окончательно опровергнута. Американский биохимик Prusiner S.B. в 1997г доказал, что инфекционный агент скрепи является модифицированной изоформой нормального белка организма хозяина, кодируемого геномом организма хозяина и не содержит в своем составе нуклеиновых кислот. Prusiner S.B. назвал этот инфекционный агент прионом (от англ. словосочетания “protein only infectious agent”) Таким образом, был идентифицирован новый класс инфекционных агентов, и значение этого открытия сопоставимо по своей важности с открытием мира микробов и вирусов. Была открыта принципиально новая группа этиологических агентов инфекционных болезней человека и животных, не нуждающихся для репродукции в нуклеиновых кислотах, а использующих для воспроизведения гены и белки инфицированного организма Источником нормального белка является сама клетка, в которой постоянная экспрессия гена PRNP создает пул белка PrPc — нормального компонента клеточных мембран. Контакт с инфекционным прионом PrPsc (sc — скрепи) вызывает переход нормального белка в конформационное состояние PrPsc. Этот переход осуществляется в период посттрансляционного процессинга предобразованного нормального клеточного белка. Нормальный белок PrPc локализуется в цитоплазматической мембране и участвует в функционировании сигнальных систем клеток, в частности нейронов, и предположительно в биогенезе и развитии нервной системы. Его конформационная модификация вызывает нарушение этих процессов. Кроме того, конформеры индуцируют апоптоз инфицированных клеток и генерируют нейротоксические полипептиды, предположительно образующие поры в нейронах и связывающие нуклеиновые кислоты, а также блокируют репликацию митохондрий, вызывая их дегенерацию. Последнее лежит в основе многих неврологических заболеваний. История Пути возникновения: 1) Спорадическая. Спонтанная трансформация здорового белка головного мозга в инфекционный болезнь может развиваться в мозге десятилетиями. 2) Ятрогенная. Прион заносится непреднамеренно во время медицинских вмешательств — через кровь, ткани глаза, нейрохирургические, патологоанатомические инструменты. 3) Наследственная 4) нвБКЯ («новый вариант»), когда прион заносится в организм от мяса животных, зараженных «коровьим бешенством». 5) каннибализм Инфекционный агент - белок Болезнь Крейтцфельдта-Якоба Симптоматика болезни Крейтцфельдта-Якоба характеризуется постепенной трансформацией ткани головного мозга в губчатую массу. Протекает этот процесс стадийно, по трем стадиям. Первая стадия – продромальный период (больной мучается бессоницей, у него снижается аппетит, ухудшается внимание, память, он теряет в весе, идет процесс изменения личности). Вторая стадия – инициальный период (больного мучают головные боли, нарушается зрение, развивается парестезия). И третья стадия – развернутые период заболевания (этот период проявляется развитием спастического паралича). Болезнь Крейтцфельдта-Якоба Эта разновидность прионной инфекции довольно многообразна, потому что в настоящее время принято выделять несколько ее форм: спорадическую (классическую); семейную (наследственную); ятрогенную; новую атипичную форму, возникающую в результате инфицирования мясом крупного рогатого скота, пораженного «бешенством коров», то есть эта форма представляет собой аналог «коровьего бешенства» у людей. Семейная форма связана с мутациями в области 20-й хромосомы. Составляет около 5-6% всех случаев болезни КрейтцфельдаЯкоба. Заболевание носит аутосомно-доминантный характер Первые признаки заболевания возникают приблизительно на 5-10 лет раньше, чем при спорадической форме Фатальная семейная бессонница Фатальная семейная бессонница (англ. fatal familial insomnia, FFI) — редкое неизлечимое наследственное, нейродегенеративное (доминантно-наследуемое) прионное заболевание, при котором больной неизбежно умирает от бессонницы Болезнь открыта в 1979 году итальянским доктором Иньяцио Ройтером, наблюдавшим поочерёдную смерть от бессонницы двух родственниц жены. В конце 1990-х удалось идентифицировать мутацию, ответственную за болезнь. Оказалось, что в кодоне 178 гена PRNP, находящегося в 20-й хромосоме, аспарагиновая кислота заменена на аспарагин. В результате форма белковой молекулы изменяется, и она из нормального превращается в болезнетворный прион. Под воздействием аномального приона другие нормальные белковые молекулы тоже превращаются в болезнетворные прионные. Это приводит к накоплению амилоидных бляшек в таламусе, отделе мозга, отвечающем за сон. Вначале амилоидные бляшки вызывают бессонницу, осложнения и летальный исход спустя несколько месяцев. Фатальная семейная бессонница Болезнь начинается в возрасте от 13 до 60 лет, чаще всего в 50-52. Болезнь продолжается от 7 до 36 месяцев, после чего больной умирает. Выделяют 4 стадии развития болезни. Пациент страдает от всё более тяжёлой бессонницы, панических атак и фобий. Эта стадия длится в среднем 4 месяца. Панические атаки становятся серьёзной проблемой, и к ним присоединяются галлюцинации. Эта стадия длится в среднем 5 месяцев. Полная неспособность спать, сопровождаемая быстрой потерей веса. Эта стадия длится в среднем 3 месяца. Пациент перестаёт говорить и не реагирует на окружающее. Это последняя стадия болезни, длящаяся в среднем 6 месяцев, после чего пациент умирает. Симптомами данной болезни являются обильное потоотделение, узкие зрачки, внезапное наступление менопаузы у женщин и импотенция у мужчин, ригидность шеи и повышение артериального давления и частоты пульса. Запор также является обычным явлением. По мере того, как болезнь прогрессирует, человек застревает в состоянии предсонной неопределённости или гипнагогии, которое у здоровых людей является состоянием непосредственно перед сном Куру Куру была подробно описана в 1957 г. австралийским врачом Зигасом и американцем словако-венгерского происхождения Карлтоном Гайдушеком. За открытие инфекционного характера болезни куру Карлтон Гайдушек был удостоен в 1976 г. Нобелевской премии по физиологии и медицине. Деньги премии он пожертвовал племени форе Ку́ру — редкое неизлечимое смертельное нейродегенеративное прионное заболевание, встречающееся в высокогорных районах Новой Гвинеи у аборигенов племени форе. Представляет собой форму трансмиссивной губчатой энцефалопатии (TSE), вызванную передачей аномально свернутых белков (прионов), что приводит к таким симптомам, как тремор и потеря координации изза нейродегенерации. Впервые обнаружено в начале XX века. Термин куру происходит от слова племени форе куриа или гурия («трястись») из-за дрожи тела, которая является классическим симптомом заболевания. Куру само по себе означает «дрожь». Также известна как «болезнь смеха» из-за патологических приступов смеха, которые являются симптомом заболевания. В настоящее время широко распространено мнение, что куру передавалась среди членов племени форе в Папуа — Новой Гвинее через погребальный каннибализм. Рис. № - Ребёнок с тяжёлой стадией болезни куру. Он не мог ни стоять, ни сидеть без поддержки Куру Клиническая картина болезни Куру складывается из следующих симптомов: Затруднения акта ходьбы в первой стадии заболевания. Грубая атаксия, миоклонии, хорея (насильственные движения) и снижение мышечного тонуса в поздних стадиях. Деменция, сходящееся косоглазие и дизартрия присоединяются в конце течения заболевания. Нарастание симптомов происходит на протяжении от 4 месяцев до 2-3 лет. В 100 % случаев наступает смертельный исход, в основном от осложнений: пневмония, пролежни, сепсис и т.д. Патоморфологически болезнь Куру проявляется в демиелинизации, гибели нейронов, скоплении лейкоцитов и мононуклеарных клеток в головном мозге. Запрет эндоканнибализма в 1950 году привел к снижению эпидемии. Однако, эта болезнь сохраняется и в нынешнем веке из-за инкубационного периода, который может превышать 50 лет. В последнее время (с 2003 по 2008) было зарегистрировано только два смертельных случая. Синдром Герстмана — Штраусслера — Шейнкера Синдром Герстмана — Штраусслера — Шейнкера (Gerstmann-Sträussler-Scheinker syndrome) — очень редкое, обычно семейное, смертельное нейродегенеративное заболевание, поражающее пациентов в возрасте от 20 до 60 лет. Классифицируется как трансмиссивная спонгиоформная энцефалопатия, причиной заболевания является мутация гена прионового белка. Впервые было описано австрийскими неврологами Йозефом Герстманом (1887—1969), Эрнстом Штраусслером (1872—1959) и Ильёй Шейнкером (1902—1954) в 1936 году. Синдром встречается у лиц в 40-50 лет и характеризуется, главным образом, мозжечковой атаксией, расстройствами глотания и фонации, прогрессирующей деменцией на протяжении от 6 до 10 лет (средняя продолжительность болезни составляет 59,5 месяцев), после чего наступает смерть. Инкубационный период длится от 5 до 30 лет. Отличительной его чертой является наличие большого количества концентрических амилоидных пластин, которые выявляются чаще в молекулярном слое коры мозжечка, но также их можно обнаружить и в коре мозга.. Сходство с болезнью Альцгеймера заключается в наличии нейрофибриллярных структур в цитоплазме нейронов. Отличительной чертой является то, что главный белковый компонент амилоидных ядер — это прионный белок PrP, а не AB-пептид. Причины возникновения прионных болезней Соматическая мутация PRNP или спонтанная конверсия PrPc в PrPSc при спорадических прионных болезнях Мутация PRNP при наследственных прионных болезнях Инвазия PrPSc в случае приобретенных прионных болезнях Достоверно доказанное приобретенное воздействие прионов на человека Эпидемия Куру, связанная с ритуальным каннибализмом Эпизоотия спонгиоформной энцефалопатии крупного рогатого скота (“коровье бешенство”) в Великобритании (с 1986г) К 2000г уже были получены неопровержимые доказательства того, что человек заражается новым вариантом БКЯ (нвБКЯ) от больных животных употребляя в пищу инфицированные продукты животного происхождения Феномен межвидового барьера Особенности передачи прионных болезней устойчивость некоторых видов животных и Прионы имеют ограниченный спектр хозяев, но способны адаптироваться к новому хозяину, т. е. преодолевать межвидовые барьеры 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 исключение из этого правила: у кроликов не удается вызвать заболевание после заражения их инфекционным прионным белком, выделенным из мозга самых разных животных. Так же подобная устойчивость была выявлена у обыкновенной собаки и лошади Структура приона Изоформы Белок, из которого состоят прионы (PrP), можно найти во всех частях тела у здоровых людей и животных. Однако в поражённых тканях присутствует PrP, имеющий аномальную структуру и устойчивый к протеазам (ферментам, гидролизующим белки). Как сказано выше, нормальная форма называется PrPC, а инфекционная — PrPSc[22]. При определённых условиях можно достичь сворачивания более или менее структурированных изоформ PrP in vitro, которые способны к заражению здоровых организмов, хотя и с меньшей степенью эффективности, чем выделенный из больных организмов PrPC PrPC — нормальный мембранный белок млекопитающих, который у человека кодируется геном PRNP. мРНК PRNP человека кодирует полипептид длиной 253 аминокислотных остатка , который в процессе созревания укорачивается клеточными ферментами. Образование PrPC происходит в ЭПР, дальнейшее созревание — в комплексе Гольджи, откуда он при помощи мембранных везикул доставляется к плазматической мембране. После этого он либо закрепляется на мембране после разрушения эндосомы, либо же подвергается эндоцитозу и разрушается в лизосомах. В отличие от нормальной, растворимой формы белка, прионы осаждаются высокоскоростным центрифугированием, что является стандартным тестом на наличие прионов. PrPC обладает высоким сродством к катионам двухвалентной меди. Значение этого факта неясно, но, возможно, это имеет какое-то отношение к его структуре или функциям. Есть данные, что PrP играет важную роль в прикреплении клеток, передаче внутриклеточных сигналов, а потому может быть вовлечён в коммуникацию клеток мозга. Тем не менее, функции PrP исследованы недостаточно. Структура 23-230 аминокислот белка, образующего прион PrPSc Инфекционная изоформа PrP — PrPSc — способна превращать нормальный белок PrPC в инфекционную изоформу, изменяя его конформацию (то есть третичную структуру); это, в свою очередь, изменяет взаимодействия PrP с другими белками. Хотя точная пространственная структура PrPSc неизвестна, установлено, что в ней вместо α-спиралей преобладают β-слои. Такие ненормальные изоформы объединяются в высокоструктурированные амилоидные волокна, которые, скапливаясь, формируют бляшки. Неясно, являются ли эти образования причиной повреждения клеток или всего лишь побочным продуктом патологического процесса. Конец каждого волокна служит своего рода затравкой, к которой могут прикрепляться свободные белковые молекулы, в результате чего фибрилла растёт. В большинстве случаев присоединяться могут только молекулы PrP, идентичные по первичной структуре PrPSc (поэтому обычно передача прионов видоспецифична). Однако, возможны и случаи межвидовой передачи прионов Структура 23-230 аминокислот белка, образующего прион Механизм размножения прионов Первой гипотезой, объясняющей размножение прионов без участия других молекул, в частности, нуклеиновых кислот, была гетеродимерная модель. Согласно этой гипотезе, одна молекула Sc PrP присоединяется к одной молекуле PrPC и катализирует её переход в прионную форму. Две молекулы PrPSc после этого расходятся и продолжают превращать другие PrPC в PrPSc. Однако модель размножения (репликации) прионов должна объяснять не только механизм размножения прионов, но и то, почему спонтанное появление прионов столь редко. Манфред Эйген (лат. Manfred Eigen) показал, что такой проблемы не возникает, если допустить, что PrPSc существует только в агрегированной (например, амилоидной) форме, где кооперативность выступает как барьер для спонтанного перехода в прионную форму Механизм размножения прионов Альтернативная фибриллярная модель предполагает, что PrPSc существует только в виде фибрилл, при этом концы фибрилл связывают PrPС, где он превращается в PrPSc. Позднее была предложена модель прионного перехода, представляющая вариант полимеризационной модели с дополнительными допущениями .Было показано существование интермедиатов прионного превращения – олигомерных комплексов, менее структурированных, чем прионные фибриллы и напоминающих мицеллы. Для того, чтобы такой олигомерный комплекс мог катализировать прионный переход, он должен сформировать стабильное «ядро», обладающее прионной конформацией. Пол. объясняет необычайно долгий инкубационный период прионных заболеваний и быстрое развитие симптомов после их проявления, т.к. стремительное развитие заболевания начинается после формирования устойчивой спирали Гипотезы о составе прионов Согласно наиболее устоявшейся точке зрения, прионы представляют собой чисто белковые инфекционные агенты. Однако у этой гипотезы («чисто белковой» гипотезы) имеются свои недостатки, в связи с чем появились и альтернативные мнения о сущности прионов. «Чисто белковая» гипотеза. До открытия прионов считалось, что все инфекционные агенты используют для размножения нуклеиновые кислоты. «Чисто белковая» гипотеза постулирует, что белковая структура может размножаться без участия нуклеиновых кислот. Первоначально считалось, что эта гипотеза противоречит центральной догме молекулярной биологии, согласно которой нуклеиновые кислоты служат единственным способом передачи наследственной информации, однако в настоящее время считается, что хотя прионы способны к переносу информации без участия нуклеиновых кислот, они неспособны передавать информацию на нуклеиновые кислоты. Доказательства, говорящие в пользу «чисто белковой» гипотезы прионные заболевания не удалось достоверно связать ни с вирусными, ни с бактериальными, ни с грибковыми возбудителями, хотя у дрожжей Saccharomyces cerevisiae известны нелетальные прионы, например, Sup35p инфективность прионов, насколько известно, не связана с нуклеиновыми кислотами; прионы устойчивы к нуклеазам и ультрафиолетовому излучению, губительно сказывающихся на нуклеиновых кислотах; у организма, заражённого прионом от другого вида, не обнаруживается PrPSc с аминокислотной последовательностью приона вида-донора. Следовательно, репликации приона донора не происходит; в семьях с мутацией гена PrP имеют место наследственные прионные заболевания. У мышей с мутацией этого гена тоже развивается прионное заболевание, несмотря на жёсткий контроль условий содержания, исключающий заражение извне; животные, не имеющие белка PrPC, не подвержены прионным заболеваниям. в 2018 году в искусственных условиях в отсутствие НК были получены рекомбинантные изоформы PrPd (от disease – болезнь) Мульти компонентная теория Низкая инфекционность прионов, полученных из чистого белка in vitro привела к появлению так называемой мультикомпонентной гипотезы, которая постулирует, что для образования инфекционного приона требуются другие молекулы-кофакторы. В 2007 году биохимик Surachai Supattapone получил очищенные инфекционные прионы из PrPC, соочищающихся липидов с белком и синтетической полианионной молекулы. Они также показали, что полианионная молекула, потребовавшаяся для образования приона, обладала высоким сродством к PrP и образовывала с ним комплексы. Это дало им основания предположить, что в состав инфекционного приона входит не только белок, но и другие молекулы организма, в том числе липиды и полианионные молекулы Вирусная гипотеза «Чисто белковая» гипотеза встретила критику со стороны тех, кто считает, что простейшим объяснением прионных заболеваний является их вирусная природа Более десяти лет нейрогистолог Йельского университета Лаура Мануелидис (англ. Laura Manuelidis) пытается доказать, что прионные заболевания вызываются неизвестным медленным вирусом. В январе 2007 года она и её коллеги сообщили, что обнаружили вирус в 10 % (или менее) клеток, заражённых скрепи в культуре Вирусная гипотеза утверждает, что ТГЭ вызываются способными к репликации информационными молекулами (скорее всего, нуклеиновыми кислотами), связывающимися с PrP. Известны штаммы прионов при ТГЭ, в том числе губчатой энцефалопатии крупного рогатого скота и скрепи, которые характеризуются специфическими биологическими свойствами, что, по мнению сторонников вирусной гипотезы, не объясняется «чисто белковой» гипотезой. Аргументы, говорящие в пользу вирусной гипотезы вариации между штаммами: прионы различаются по инфективности, инкубационному периоду, симптоматике и скорости развития заболевания, что напоминает различия между вирусами, особенно РНК-содержащими вирусами (вирусы, содержащие РНК в качестве единственного наследственного материала); долгий инкубационный период и быстрое развитие симптомов прионных болезней напоминает лентивирусную инфекцию. Например, схожим образом протекает ВИЧ-индуцированный СПИД; в некоторых клетках линий, заражённых скрепи или болезнью Крейтцфельдта — Якоба, были найдены вирусоподобные частицы, не состоящие из PrP Недавние исследования распространения губчатой энцефалопатии крупного рогатого скота в бесклеточных системах[63] и в химических реакциях с очищенными компонентами[53] чётко свидетельствуют против вирусной природы этого заболевания. Кроме того, против вирусной гипотезы говорит и вышеупомянутая работа Jiyan Ma Всего доброго!
