Патогенез прионных заболеваний состоит из двух стадий — инфекционной и токсической

Рис. 1.a. Линии мышей с высоким уровнем PrPC умирают от прионной болезни быстрее, чем те, у кого уровень PrPC низок. По горизонтальной оси — дни после заражения, по вертикальной — процент выживших животных. b. После заражения уровень патогенных прионов у всех трех линий мышей резко возрастает, а затем достигает плато. Отличия между линиями только в том, сколько времени они проживают после того, как плато достигнуто. По горизонтальной оси — дни после заражения, по вертикальной — логарифм количества инфекционных частиц на грамм мозговой ткани. Стрелочками показано среднее время окончания инкубационного периода (то есть начало болезни). Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Патологический прионный белок, попадая в нейрон, заставляет неправильно складываться нормальные прионы; переродившиеся белки слипаются в смертоносные агрегаты и убивают клетку. Выяснилось, что количество плохих прионов растет до одного и того же уровня независимо от исходного количества хороших, зато следующая фаза болезни — фаза плато — тем короче (и тем быстрее наступает смерть), чем больше хороших прионов было в клетке.

Прионные заболевания (см. прионы) — один из самых коварных и загадочных типов нейродегенеративных болезней. Сюда относятся болезнь Крейтцфельдта–Якоба, от которой страдают люди; коровье бешенство, которое поражает крупный рогатый скот (и которое напугало человечество 20 лет назад, когда в Великобритании началась эпидемия этой болезни); скрейпи, от которой умирают козы и овцы; страшное наследственное заболевание человека под названием фатальная семейная бессонница и некоторые другие болезни.

Патогенез заболевания таков. В нормальном состоянии в нейроне содержится некий белок под названием PrP^C. Это обычный, добропорядочный белок; в его структуре много альфа-спиралей, и поэтому он хорошо растворяется в воде. Работа его состоит в том, чтобы поддерживать качество миелиновой оболочки (которая играет у нейрона примерно ту же роль, что и изоляция у провода).

Но кроме «хорошего», безвредного PrP^C существует еще одна — патологическая — форма того же белка под названием PrP^Sc. Она неправильно сложена — вместо альфа-спиралей у нее много бета-конформаций, которые очень любят слипаться друг с другом, образуя нерастворимые агрегаты. Агрегаты эти губительны для клетки — они «забивают» ее внутреннее пространство, «душат» органеллы и в конце концов доводят клетку до смерти.

Но самое ужасное то, что, оказавшись в клетке, патологический, вредоносный PrP^Sc заставляет «хороший» PrP^C сложиться «по-своему», неправильным образом. В результате в клетке нарастает количество неправильно сложенных белков, которые слипаются в смертоносные агрегаты и убивают ее.

Нейроны гибнут; неправильно сложенные PrP^Sc из мертвых клеток заражают живые и их тоже доводят до смерти. Всё это приводит к тяжелым поражениям определенных областей мозга, и через некоторое время организм погибает.

Патогенез всех прионных заболеваний состоит из длинного инкубационного периода (у человека он может длиться до 50 лет!), во время которого не проявляется никаких признаков болезни; вслед за ним идет короткая (обычно в несколько месяцев длиной) клиническая фаза, когда уже невозможно ничего сделать. Надо отметить, что у разных людей инкубационный период может занимать совершенно разное время. Что конкретно происходит на этих двух стадиях заболевания в нейронах и с чем связано столь резкое проявление болезни, до настоящего времени было изучено слабо.

Некоторое время назад было замечено, что в инбредных (генетически идентичных) линиях лабораторных мышей инкубационный период прионных заболеваний продолжается примерно одно и то же время и хорошо воспроизводится от эксперимента к эксперименту. Причем этот период длится тем дольше (а болезнь наступает тем позже!), чем ниже в нейронах мышей уровень прионного белка PrP^C. Но как следует изучить этот феномен было довольно трудно, так как не было разработано методики, позволяющей достаточно точно измерить уровень PrP^Sc в клетках во время инкубационного периода.

Однако в 2003 году такая методика была предложена. Исследователи из Института неврологии Университетского колледжа в Лондоне использовали ее, чтобы понять, что происходит в нейроне, зараженном неправильно сложенными прионными белками.

В своих экспериментах они использовали несколько инбредных линий мышей:

    1. Prnp null (Prnp^o/o), не экспрессирующие PrP^C вовсе.

    2. Hemizygous Prnp null (Prnp^+/o), экспрессирующие половину нормального уровня PrP^C.

    3. FVB/N (Prnp^+/+), экспрессирующие нормальный уровень PrP^C.

    4. Tg20, экспрессирующие уровень PrP^C в восемь раз больше нормального.

Экспериментальные группы мышей каждой линии были заражены прионным заболеванием, а контрольные получили «пустой укол»; после этого исследователи регулярно измеряли уровень инфекционных частиц в нейронах подопытных животных и следили за их состоянием.

Первый полученный результат был предсказуем. Одна линия — Prnp^o/o — оказалась для болезни неуязвима; три другие заболели, причем Tg20 умирали быстрее Prnp^+/+, а Prnp^+/+ — быстрее Prnp^+/o.

Но когда исследователи попробовали измерить уровень прионов в мозге больных мышей, то результаты оказались гораздо более интересными.

Prnp^o/o, как и следовало ожидать, справились с введенными инфекционными частицами и уничтожили их — уже через десять дней после заражения никаких прионов в их мозге не выявлялось.

Зато для остальных трех линий мышей наблюдалась парадоксальная картина. Вначале уровень патогенных прионов резко (и почти с одной скоростью для всех трех линий) увеличивался (фаза роста); затем он останавливался и практически переставал меняться (фаза плато). Получилось, что разница между тремя линиями мышей не в том, сколько «вредных» прионных частиц находится у них в мозге (у всех было примерно одинаковое количество), а в том, сколько времени продолжается эта фаза плато. Tg20 умирали практически сразу после ее достижения, а Prnp^+/o, наоборот, жили еще долго после этого (и некоторое время не проявляли никаких признаков болезни), несмотря на то, что уровень инфекционных частиц в их мозге был так же высок, как и у Tg20.

Выяснился еще один интересный момент. Оказалось, что уровень PrP^C у мышей обратно пропорционален продолжительности фазы плато (рис. 2). Для фазы роста такой зависимости не было выявлено, хотя небольшие различия по ее продолжительности между тремя линиями всё-таки наблюдались.

Рис. 2. Продолжительность жизни мыши после того, как уровень патогенных прионов в ее мозге достиг плато, обратно пропорциональна уровню в ее мозге PrPC. По горизонтальной оси — экспрессия PrP (уровень экспрессии дикого типа принят за единицу), по вертикальной — величина, обратная продолжительности фазы плато (в днях–1). За окончание фазы плато принято окончание инкубационного периода и, соответственно, начало болезни. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Результат, мягко говоря, неожиданный. Гораздо логичней было бы, если бы фаза роста коррелировала с количеством PrP^C в клетках (чем больше вокруг «хороших» прионов, тем быстрее они превращаются в «плохие»), а фаза плато, наоборот, нет (тогда бы можно было объяснить ее появление тем, что количество «плохих» прионов в клетке достигло максимально возможного, и теперь они постепенно будут разрушать все вокруг).

Но то, что после достижения прионами фазы плато животные живут разное время, ставит всё с ног на голову. Эти результаты объяснить трудно, если только...

Если только не предположить, что перед нами неполная картина. Что если на самом деле есть не два, а три вида прионов? Один из них — PrP^C — «хороший», он не наносит клетке вреда. Второй — PrP^Sc — «плохой»; это только инфекционный агент, но не токсический, то есть хотя он размножается в клетке, вызывая перерождение PrP^C, но сам по себе не вызывает ужасных последствий. И, наконец, третий — PrP^L — «злой», токсический агент, который доводит клетку до смерти; появление его, по мнению авторов, связано с наличием в клетке PrP^Sc.

Патогенез болезни тогда выглядит так: в клетку попадает патогенный PrP^Sc; окружающие молекулы PrP^C меняют конформацию и сами превращаются в PrP^Sc (на графике это выглядит как фаза роста); затем достигается максимально возможный уровень PrP^Sc (начинается фаза плато), теперь уже PrP^Sc запускает образование PrP^L из PrP^C (фаза плато продолжается). Длительность фазы плато обратно пропорциональна количеству в клетке PrP^C — если его много, то она будет короткой, если мало — наоборот, длинной. Иными словами, болезнь состоит из двух стадий — инфекционной (когда «работает» PrP^Sc) и токсической (когда за дело берется PrP^L).

В пользу этого предположения говорит многое — прежде всего то, что, действительно, помимо двух хорошо изученных конформаций прионного белка существует еще множество слабоисследованных. (Вполне возможно, что на самом деле в патогенезе участвуют даже не три, а больше форм белка.) Два главных автора обсуждаемой статьи еще в 2007 году высказывали сходную теорию, и эти результаты служат отличным подтверждением их идей.

Однако возможны и другие интерпретации полученных данных. Может быть, всё дело просто в особенностях измерения концентрации PrP^Sc (методика появилась недавно, и многие ее подводные камни еще не известны). Кроме того, показано, что PrP^С служит рецептором для PrP^Sc и за счет запускаемых в результате их взаимодействия каскадов реакций в клетке возникают токсические эффекты. Если дело в этом, то понятно, почему продолжительность фазы плато зависит от уровня PrP^С — чем его больше, тем быстрее «работает» PrP^Sc и тем быстрее доводит клетку до смерти (и тем меньше длится фаза плато). В любом случае, полученные результаты очень интересны и явно требуют дальнейших исследований.

Источник: Malin K. Sandberg, Huda Al-Doujaily, Bernadette Sharps, Anthony R. Clarke, John Collinge. Prion propagation and toxicity in vivo occur in two distinct mechanistic phases // Nature. 24 February 2011. V. 470. P. 540–542.

Вера Башмакова