Прионовые болезни – такие как б-нь коровьего бешенства и Creutzfeldt-Jakob disease (CJD) у людей – обнаруживают уникальную и мистическую связь с неправильно упакованными белками.
Головной мозг жертв убиваемый прионовыми болезнями обычно забит глыбками prion protein (PrP) в редком, неправильно сложенном состоянии, называемом PrPSc. Исследователи из Whitehead Institute Director Susan Lindquist и Jiyan Ma, assistant professor из , выдвинули унифицирующую теорию, которая м. объяснить, как эти разрушительные заболевания начинаются и как они убивают. Результаты представлены в двух работах October 17, 2002 журнала Science, показавших, что малые количества PrP накапливаются в клеточном пространстве, называемом цитозолем, убивающим нейроны (cytosol kill neurons), в культивируемых клетках и у трансгенных мышей. Мыши, страдающие нейродегенерацией и потерей контроля над мышцами, сходны с пациентами с CJD и др. прионовыми болезнями. Агрегаты PrPSc, выделенные из этих токсических видов, не являются непосредственно ответственными за гибель клеток.
The brains of three-week-old transgenic mice, which produce PrP protein directly in the cytosol (left) look normal. At seven weeks, (right), the brains of the transgenic mice are filled with holes (white areas) where neurons have died, demonstrating the rapid progression of neurodegeneration.
PrP обычно располагаются на клеточной поверхности. Но если они сложнены неправильрно прежде, чем попасть на поверхность, то механизм контроля качества клеток посылает их в цитозоль для деструкции. Если система контроля оказывается подавленной, то даже небольшие количества PrP в цитозоле будут убивать нейроны.
В сопутствующем сообщении также отмечается, что неправильно сложенные PrP накапливаются в цитозоле и иногда м. превращаться в глыбки PrPSc-подобной формы. Ключевым свойством prion гипотезы является предположение, что "infectious" природа их измененной формы однажды образует PrPSc, и она м. заставить и др. прионовые белки принять этот альтернативный способ укладки и м. заставлять их собираться в глыбки. Lindquist и Ma нашли механизм, с помощью которого эти инфекционные изменения в форме возникают и продемонстрировали их само-репродуцируемый (self-propagating) характер.
Предложен механизм, объясняющий как нормальный PrP м. превращаться в высоко токсичную форму, которая убивает нейроны, он отличен от само-воспроизводящейся PrPSc формы белка. Lindquist отмечает: "Мы полагаем, что эта токсичность не была выявлена ранее просто из-за малых количеств PrP, необходимых для клеточной гибели и потому, что др. формы белка присутствуют в значительно боелее высоких концентрациях."
Mammalian Prion Proteins
Болезнь коровьего бешенства привлекла внимание ученых в 1986 в Великобритании. 10 лет позднее установлено, что молодые люди приобретали это заболевание, по-видимому, благодаря потреблению в пищу инфицированного мяса. (У людей ранее болезнь обнаруживалась только в пожилом возрасте.) Приблизительно 150 молодых людей приобрели этот новый вариант болезни Creutzfeldt-Jakob. Недавно, сходное заболевание, известное как "wasting disease," распространилось по США среди популяций оленей и лосей
Все млекопитающие, включая и человека, продуцируют prion protein PrP, но редко, misfolded state (PrPSc), только у млекопитающих с передаваемыми прионовыми болезнями. Эта измененная форма, по-видимому, является заразной она превращает др. нормальные молекулы PrP в PrPSc конформацию и вызывает их агрегацию. Однако механизм, запускающий инициальную редкую конформацию PrPSc, неизвестен.
Прионы противоречат фундаментальным принципам, что присутствие нуклеиновых ки слот, таких как ДНК, необходима для наследования и инфекции. Затем прионы образуют глыбки в головном мозге, которые являются инфекционными даже без участия нуклеиновых кислот.
Считается, что PrPSc являются инфекционными агентами в передающейся форме болезни, ответственными за старт смертельной цепочки событий неправильной упаковки PrP. Но PrPSc, по-видимому, не являются непосредственными убийцами нейронов. PrPSc не обнаруживаются при некоторых наследственных и экспериментально индуцированных формах болезни и PrPSc не обнаруживает токсичности при инъекции в генетически измененных мышей. которые не способны продуцировать свой собственный PrP белок.
How Prion Proteins Kill Neurons
It’s All in the Fold
Белки, являющиеся основой жизни, обеспечивают строительными блоками, дыижущими частями и энергией. Подобно простым листкам бумаги, из которых складываются фигурки origami, белки складываются в огромное количество сложных и прекрасных форм. Иногда белки складываются неправильно случайно; в др. случаях мутации делают белки более склонными к неправильной упаковке. Т.к. неправильно уложенные белки м. нарушать клеточную функцию, то клетким используют систему строгого-качественного контроля для их элиминации.
Неправильно упакованные PrP, напр., не м. транспортироваться на поврехность клетки, в их обычное местоположение. Клетка выявляет неправильно уложенные белки PrP, и отправляет их в цитозоль. Ппротеосомы элиминируют неправильно сложенные белки. Обычно PrP деградируют так быст ро, что они не выявляются. Однако, когда активность протеосом изменена, напр., в результате естественно возникшего стресса или старения, то PrP накапливаются в цитозоле.
A key feature of prion hypothesis is the "infectious" nature of its shape change—once PrP converts to the PrPSc forms, it can coax other prion proteins into this alternative folding pattern and cause them to clump together. Lindquist and Ma have found a mechanism by which this infectious shape change can get started and demonstrated its self-propagating character. (protein model by Andrew Wallace, University of California,
В лаб. Lindquist использовали ингибиторы протеосом, чтобы блокировать удаление клетками мусора и посмотреть, что произойдет, если неправильно упакованные PrP будут накапливаться в цитозоле. Неожиданно, nнейроны погибьали еще до образовани я глыбок PrPSc.
В зависимости от того, насколько быстро PrP накапливаются в цитозоле они иногда приобретают PrPSc-подобную конформацию. "Когда белки высвобождаются в цитозоль для деструкции, они оказываются расправленными," - объясняет Lindquist. "Мы полагаем, что происходит конверсия, когда эти шаткие, липкие молекулы PrP находят другие в таком же точно состоянии. Если достаточное их количество собирается вместе в одно время, то они приобретают эту новую структуру."
Появившись однажды эта новая конформация привлекает др. PrP молекулы и производит в них то же самое изменение формы. Эта форма сохраняется даже после того, когда ингибитор удаляется и деградация др. белков возобновляется. PrPSc, однако, по-вилдимому, не убивает нейроны. Это делает фракция PrP, которая приобретает PrPSc-подобную форму.
Итак, имеется естественный биологический механизм для продукции PrPSc конформации внутри клетки. Самопроизвольные структурные изменения являются внутренне присущими и необычными свойствами самих PrP белков. "Это очень важная находка," - констатирует Lindquist. "Но нет доказательств, что эта конверсия достаточна для переноса от одного животного к др."
Далее необходимо получить трансгенных мышей с нормальным PrP белком непосредственно в цитозоле. Это будет убийственно. Даже очень небольшие количества растворимого PrP вызывают массивную дегенерацию нейронов, быстро разрушая головной мозг.
Фактически токсичность цитозольного PrP столь велика, что она м. служить путем убийства нейронов PrP, имеющим проблемы с укладкой. Будет лучше, если такой индивидуальный нейрон с проблемой укладки, погибнет, чем будут накапливаться в нем достаточные уровни PrP, чтобы создать ирнфекционную форму PrPSc, которая м. затем распространиться на др. клетки и убет весь мозг.
Implications for Proteasome Inhibitors
Некоторые протеосомные ирнгибиторы находятся на клинических испытаниях в отношении их способности селективно убивать опухолевые клетки. Lindquist и Ma предупреждают, что такие протеосомные ингибиторы м. убивать нейроны, поэтому их использовать надо с осторожностью. Они добавляют, т.к. ингибиторы в клинических испытаниях не пересекают мембран, защищающих головной мозг, то их потенциальный вред сильно снижен.
The brains of three-week-old transgenic mice, which produce PrP protein directly in the cytosol (left) look normal. At seven weeks, (right), the brains of the transgenic mice are filled with holes (white areas) where neurons have died, demonstrating the rapid progression of neurodegeneration. 
A key feature of prion hypothesis is the "infectious" nature of its shape change—once PrP converts to the PrPSc forms, it can coax other prion proteins into this alternative folding pattern and cause them to clump together. Lindquist and Ma have found a mechanism by which this infectious shape change can get started and demonstrated its self-propagating character.