Прионовые инфекции

Прионы — особый класс инфекционных агентов, белковых, не содержащих нуклеиновых кислот, вызывающих тяжёлые заболевания центральной нервной системы у человека и ряда высших животных («медленные инфекции»).

 

Открытие прионов тесно связано с историей открытия и становления учения о медленных инфекциях, когда в 1954 г. В. Sigurdsson изложил результаты своих многолетних исследований массовых заболеваний среди овец, завезенных в 1933 г. из Германии на о. Исландия для развития каракулеводства.

 

Были выделены четыре главных признаков, отличающих медленные инфекции:

— необычно продолжительный (месяцы и годы) инкубационный период;

— медленно прогрессирующий характер течения;

— необычность поражения органов и тканей;

— неизбежность смертельного исхода.

 

Три года спустя в противоположном регионе — на о.Новая Гвинея D.Gajdusek и V.Zigas 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.

 

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 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.

 

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.

 

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.

 

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

 

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               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.

 

Результаты исследований последних 15 лет полностью подтвердили прионную природу возбудителей ТГЭ  и на этом основании эти заболевания обозначают теперь как «прионные болезни».

 

Прионный белок, как оказалось, может существовать в двух формах.

Его нормальная или клеточная форма, обозначенная как РrРC (аббревиатура от англ. — Prion Protein of Cell), обнаруживается в организме всех млекопитающих, включая и человека.

 

Нормальный прионный белок РrРC играет чрезвычайно важную роль в жизнедеятельности организма: он участвует в передаче нервных импульсов и, самое главное, клеточный прионный белок играет определяющую роль в поддержании так называемых «циркадианных» ритмов (от лат. cirka — около и dies — день), регулируя суточные циклы активности и покоя в клетках, органах и в организме в целом.

 

В организме людей и животных, страдающих прионными заболеваниями, прионный белок обнаруживается в другой форме, обозначаемой как РrРSc. Подобная аббревиатура обусловлена тем, что природным резервуаром инфекционной формы прионов служат овцы и козы, у которых спонтанно может развиваться уже упомянутое выше заболевание под названием «скрепи» (Scrapie).

 

Конверсия РrРC в РrРSc представляет собой посттрансляционный процесс, включающий глубокое конформационное изменение, которое и является фундаментальным событием, лежащим в основе размножения инфекционных прионов.

 

Следует добавить, что помимо приобретенной прионным белком инфекционности, другими его принципиальными отличиями от нормальной (клеточной) изоформы оказываются: приобретенная высокая устойчивость к нагреванию, ультрафиолетовому свету, проникающей радиации и переваривающему действию протеазы К.

 

На этом основании сам S. Prusiner дал наиболее лаконичное определение понятия «прион», определив его как «малую белковую инфекционную частицу, устойчивую к инактивирующим воздействиям, которые модифицируют нуклеиновые кислоты».

 

Представленные характеристики инфекционного прионного белка достаточно убедительно свидетельствуют о том, что прионы представляют собой совершенно новый класс инфекционных агентов, принципиально отличный от мира простейших, бактерий, грибов, вирусов и вироидов. Эти отличия выглядят еще более рельефными при рассмотрении процессов размножения инфекционных прионов и особенностей вызываемых ими заболеваний.

 

Механизм накопления инфекционного прионного белка в зараженном организме сегодня точно не известен. Однако имеющиеся сведения и представление о том, что это посттрансляционный процесс, дают основание считать, что инфицирующий прионный белок вызывает в здоровом до этого организме трансформацию нормального (клеточного) прионного белка в его инфекционную форму за счет его конформационных (пространственных) изменений.

 

У человека прионные болезни представляют редкие страдания, регистрирующиеся с частотой один на миллион в общей популяции в год. Исключение составляют лишь несколько регионов в мире, где заболеваемость оказывается значительно выше: в Словакии, Израиле и Чили.

 

К настоящему времени у людей описаны четыре прионные болезни (см. табл. 1): болезнь Крейтцфельда-Якоба, куру, синдром Герстманна-Штреусслера-Шейнкера и смертельная семейная бессонница. Из упомянутых, куру и синдром Герстманна-Штреусслера-Шейнкера представляют собой клинические разновидности болезни Крейтцфельда-Якоба, различающиеся соотношением интенсивности спонгиоза, амилоидоза и глиоза в мозговой ткани. Отсюда понятно, что болезнь Крейтцфельда-Якоба служит как бы главным показателем степени риска заражения человека.

 

Особого внимания заслуживает то обстоятельство, что, в отличие от всех известных инфекционных заболеваний, из 100% заболевающих

  • в 85% случаев болезнь Крейтцфельда-Якоба возникает как спорадическое заболевание, как правило, у людей 40-69-летнего возраста;
  • в 10-15% — как наследственное,
  • и менее чем в 1-5% случа ев эта болезнь развивается как инфекционная, то есть в результате типичного внешнего заражения.

 

 

Здесь речь идет о так называемых ятрогенных случаях, связанных с медицинскими манипуляциями или пересадками тканевых материалов от человека к человеку.

 

Резко возросший интерес к группе прионных болезней вообще и роли в их возникновении пищевого фактора — в особенности, во многом обусловлен начавшейся в 1986 г. эпизоотией губкообразной энцефалопатии крупного рогатого скота («болезнь бешеной коровы») в Великобритании, на пике которой в 1992 г. регистрировалось около 1000 случаев заболеваний коров в неделю

 

Доказательство возможности передачи прионного заболевания от животного человеку прежде всего еще раз подтверждает возможность для инфекционного прионного белка преодолевать межвидовые барьеры, впрочем так же, как это имело место при передаче инфекционного прионного белка от овец представителям крупного рогатого скота, семейства кошачьих и другим видам млекопитающих. Исследования, проведенные на трансгенных животных (главным образом на мышах), показали, что чувствительность или нечувствительность организма реципиента к инфекционному прионному белку (РrРSc) донора определяется структурной близостью клеточного прионного белка (PrPC) реципиента к заражающему белку РrРSc. Однако указанная закономерность не является абсолютной и должна рассматриваться скорее как тенденция, ибо приведенные выше многочисленные примеры, а главное — эпизоотия в Великобритании, убедительно свидетельствуют о возможности (в случае увеличения дозы и частоты введения) успешного преодоления межвидовых барьеров нечувствительности к прионным заболеваниям.

 

Наконец, нельзя не отметить еще одно своеобразие прионных болезней, имеющее принципиальное значение. Учитывая структурную близость инфекционного прионного белка и его нормальной (клеточной) изоформы, легко понять, что при развитии прионных заболеваний в организме людей и животных не обнаруживаются антитела на прионный белок РrРSc, который воспринимается иммунной системой как «свой», что, естественно, затрудняет лабораторную диагностику заболеваний, их иммунотерапию и иммунопрофилактику. Действительно, из очень большого числа испытанных противовирусных средств и иммуномодуляторов лишь преднизолон, арахисовое масло и полианионы заметно снижали чувствительность мышей к экспериментальному заражению возбудителем скрепи. Многочисленные попытки применения в клинической практике антибиотиков, стероидов, ацикловира или тиамина при болезни Крейтцфельда-Якоба заканчивались неудачей. По мнению экспертов Всемирной организации здравоохранения, наиболее перспективными следует признать подходы, основывающиеся на результатах молекулярно-биологических исследований трехмерной структуры прионов. Сегодня известно, что молекула нормального (клеточного) прионного белка состоит из четырех альфа-спиральных доменов, стабилизированных междоменными электростатическими взаимодействиями и S-S1-связью, в то время как в молекуле его инфекционной изоформы РrРSc два домена (Н3 и Н4) сохраняют свою первоначальную спирализованную форму, а два других (H1 и Н2) превращаются в четыре бета-тяжа, связанные друг с другом и с доменами Н3 и Н4. Подобное превращение оказывается возможным под действием самой молекулы инфекционного прионного белка, а также в результате порой даже незначительных мутационных изменений в РrР-гене, или может быть и под воздействием каких-нибудь реакционно активных (например, фосфорорганических) соединений.

 

Именно поэтому результаты молекулярно-биологических исследований структуры прионных белков обосновывают новое направление дальнейших подходов к терапии прионных болезней. Например, комбинируя трансгенные модели и технику компьютерного моделирования, можно рассчитывать на использование определенных антисмысловых олигонуклеотидов, способных «выключать» продукцию РrР, что, правда, может иметь непредсказуемые последствия. Поэтому возможно более успешным будет подход, предполагающий создание некоего «молекулярного клея», который смог бы преодолевать гематоэнцефалический барьер и связываться с гидрофобной сердцевиной РrРC. Такой химиопрепарат смог бы стабилизировать альфа-спирали в молекуле белка и таким образом эффективно предотвращать его трансформацию в РrРSc. Альтернативный подход основан на конструировании молекул, которые могут связывать поверхностное взаимодействие инфекционных РrРSc и таким образом прекращать (или приостанавливать) их способность к взаимодействию с молекулами нормального (клеточного) РrРC, прекращая процесс конформационных изменений последних. Если такое нетоксичное лекарство будет разработано, то оно может быть испытано на мышах со спорадической, наследственной и инфекционной формами прионных болезней.

 

В заключение следует еще раз подчеркнуть, что все возрастающий мировой интерес к прионам и прионным болезням обусловлен в первую очередь тем, что прионы представляют собой совершенно новый класс инфекционных агентов, открытие которых без преувеличения можно сравнить по своему значению с открытием А. Левенгуком микроорганизмов или с открытием Д.И. Ивановским вирусов. Можно не сомневаться в том, что сегодня мы знакомимся лишь с верхушкой айсберга, в то время как его главная и пока скрытая от нас часть, по-видимому, связана с проблемой, которая уже сегодня обозначена как «конформационные болезни», когда конститутивные белки подвергаются изменениям по размеру и/или форме и из жизненно необходимых могут превратиться в смертельно опасных, вызывающих тяжелые, а порой и фатальные страдания. Есть основания предполагать, что такие конформационные белки могут выполнять роль главных регуляторов в организме, в том числе и такого важнейшего процесса, как ограничение и самой жизни.

Во Франции прион квалифицирован как патоген максимальной степени опасности, в России — как патоген 2-й степени опасности по мерам предосторожности для медицинского персонала

Использованы материалы — http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1180872&s=