Вступление
Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК можно считать наименьшим общим знаменателем жизни. Живые организмы удивительно разнообразны как в видовом, так и в индивидуальном отношении, но все они похожи в одном — их геном построен из нуклеиновой кислоты.
И у бактерий, и у человека именно ДНК определяет структуру ферментов и других белков, развитие и форму организма; репликация ДНК — решающее событие при воспроизведении живого. Даже вирусы, не способные к автономному размножению и само право которых называться живыми организмами вызывает сомнения, даже они сохраняют свое естество с помощью молекулы ДНК или РНК.
Вироиды, вызывающие некоторые болезни растений, вообще состоят из одной РНК. Принцип, согласно которому генетическая информация всегда передается от нуклеиновых кислот к белкам, назван центральной догмой молекулярной биологии.
И вот теперь стали известны инфекционные агенты, названные прионами, которые, по-видимому, можно считать удивительным исключением из того правила, что каждый организм содержит нуклеиновую кислоту, определяющую его сущность.
Прион способен вызывать образование новых прионов, по крайней мере в некоторых типах клеток млекопитающих. Среди молекулярных компонентов приона есть как минимум один белок и следовало бы ожидать, что в нем имеется ДНК или РНК — матрица, определяющая структуру этого белка.
Известны две болезни, вызываемые прионами:
- Скрепи — неврологическое расстройство, встречающееся у овец и коз;
- Крейтцфельдта-Якоба — редкий вид психического заболевания у людей, который недавно стал широко известен в связи с тем, что от него умер балетмейстер Джордж Баланчин.
Болезнь Скрепи
Скрепи и другие болезни, к которым имеют отношение прионы, являются так называемыми медленными инфекциями. Они характеризуются длительным инкубационным периодом, который может продолжаться месяцы, годы, а то и десятки лет; в это время у зараженного человека или животного нет никаких симптомов. Когда же начинается собственно болезнь, она неуклонно прогрессирует и обычно приводит к гибели организма.
Название «скрепи» происходит от английского слова “scrape” — скоблить, тереться: дело в том, что больная овца соскребает с себя большую часть шерсти. Заболевание известно давно — более 200 лет.
В 1935 г. французские исследователи убедительно доказали, что оно может передаваться от одной овцы к другой путем прививки. Возможность переноса означает, что существует инфекционный агент, способный размножаться в животном-хозяине.
Скрепи оставалось малоизвестным, знакомым лишь ветеринарам заболеванием до 1959 г., когда У. Хэдлоу из лаборатории в Роки-Маунтен Национального института аллергии и инфекционных заболеваний предположил, что скрепи и куру — родственные болезни.
Болезнь Куру
Первые медицинские описания куру были опубликованы двумя годами ранее В. Зигасом и Д. Гайдушеком из Национального института неврологических расстройств и инсульта. Они сообщили, что заболевание, встречающееся у жителей Новой Гвинеи, связано с принятым у местных племен ритуалом — съедать мозг умершего родственника в знак уважения к нему.
С тех пор такой каннибализм практически прекратился и случаев заболевания куру стало гораздо меньше.
Болезнь Крейтцфельдта-Якоба
В 1966 г. Гайдушек, К. Гиббс-младший и М. Элперс сообщили о том, что куру можно заразить обезьян. Через два года Гайдушек и Гиббс показали, что болезнь Крейтцфельдта-Якоба тоже может передаваться обезьянам, а не так давно К. Мастерс, Гайдушек и Гиббс продемонстрировали то же для синдрома Герстмана-Штраусслера.
Что общего в этих заболеваниях?
Сходство клинических и патологических признаков скрепи, куру, болезни Крейтцфельдта-Якоба и синдрома Герстмана-Штраусслера наводит на мысль о близком родстве этих заболеваний.
Начальные симптомы скрепи, куру и синдрома Герстмана-Штраусслера — это затруднения при ходьбе и потеря координации, свидетельствующие о нарушении деятельности мозжечка.
При куру на поздних стадиях развивается психическое расстройство. Болезнь Крейтцфельдта-Якоба обычно уже начинается с изменений психики, хотя описано несколько случаев с ранними симптомами, напоминающими начато куру.
Ни при одной из этих болезней не наблюдается ни воспалительного процесса, ни лихорадочного состояния, состав спинномозговой жидкости и число клеток в ней остаются нормальными. Последнее обстоятельство свидетельствует о том, что иммунная система не реагирует на возбудителя болезни.
Патологические изменения при этих заболеваниях происходят в пределах центральной нервной системы. Характерный признак — не нормальное размножение астроцитов, опорных клеток мозга. В нейронах уменьшается количество дендритных шипиков, важных для передачи нервных импульсов.
Порой в мозгу появляются многочисленные вакуоли, и нервная ткань становится похожа на губку. Во многих случаях, но далеко не всегда наблюдаются амилоидоподобные тельца, представляющие собой скопления материала волокнистой структуры.
Исследования
За последние двадцать лет достигнуты заметные успехи в изучении причины скрепи. Необычность свойств и структуры возбудителя, а также длительность и трудоемкость биологических проб, необходимых для измерения его концентрации, сильно затрудняли работу.
К 1975 г. было предложено более десятка гипотез о природе возбудителя скрепи; гипотез было даже больше, чем групп исследователей, изучавших эту болезнь.
Для того чтобы выделить инфекционный агент неизвестной структуры и химической природы, приходится начинать с метода «проб и ошибок».
Обычно образец ткани зараженного животного гомогенизируют и разделяют на фракции, различающиеся по какому-нибудь физическому или химическому свойству. В каждой фракции измеряют концентрацию агента и наиболее чистую фракцию отбирают для дальнейших исследований. В случае скрепи единственный способ измерить концентрацию возбудителя — определить способность препарата вызывать у животных заболевание.
В 1960 г. Р. Чэндлер добился успеха в заражении скрепи мышей. При титровании до точки конечного разведения на мышах обычно требуется 10 разведений, причем каждая последующая проба разбавляется в 10 раз по сравнению с предыдущей.
Каждым разведением заражают по 6 мышей; те животные, которые получают большую дозу возбудителя, заболевают через 4—5 месяцев, а те, которым вводят более разбавленный раствор, — едва ли не через год.
Таким образом, для определения точки конечного разведения целый год надо содержать 60 мышей. Работать с мышами, конечно, удобнее, чем с овцами и козами, однако измерение концентрации возбудителя скрепи все же оставалось медленным и громоздким даже по сравнению с методами, которые применял Пастер для изучения вирусов почти столетие назад.
В 1978 г. ученые нашли способ, как избежать титрования до точки конечного разведения. За три года до этого Р. Марш из Висконсинского университета в Мадисоне и Р. Кимберлин описали у хомяков форму скрепи, которая развивалась примерно вдвое быстрее, чем у мышей.
Изучая болезнь хомяков, ученые обнаружили четкую корреляцию между концентрацией возбудителя и скоростью проявления болезни, а также временем смерти животного.
Таким образом, вместо того чтобы определять, насколько может быть разбавлен образец без полной утраты инфекционности, ученые регистрировали время, за которое образец известного разведения вызывает симптомы болезни, и время гибели животного.
Было показано, что определение времени инкубации дает достаточно точную оценку концентрации образца с высоким титром возбудителя. Выигрыш в скорости и экономичности оказался замечательный: наша работа пошла в 100 раз быстрее. Чтобы охарактеризовать образец, ученым требовалось 60 дней вместо года и всего 4 животных вместо 60.
Итог
В свое время с помощью методов электронной микроскопии ученые очень многое узнали о структуре и сборке вирусных частиц. Поэтому исследователи стремились применить их и для поисков специфической частицы, ассоциированной с инфекцией скрепи.
В срезах и экстрактах ткани были описаны сферические и цилиндрические частицы. X. Наранг обнаружил в срезах зараженной скрепи мозговой ткани палочковидные частицы и установил, что они окрашиваются веществами, специфически связывающимися с сахарами. Эти данные особенно интересны, так как известно, что ПрП — это гликопротеин и что при агрегации он образует палочки.
Г. Вишневски и его коллеги из Медицинского центра Университета шт. Нью-Йорк наблюдали длинные фибриллы в ткани мозга при скрепи и при болезни Крейтцфельдта-Якоба. Они полагают, что фибриллы можно отличить от амилоида, что они представляют собой нитевидный вирус животных, вызывающий скрепи, и являются удлиненной формой прионовых палочек.
Недавно о прионовых палочках получены новые сведения, говорящие о биологическом и медицинском значении прионов. Палочки можно обнаружить в препаратах, состоящих из одного белка, а именно ПрП; значит, они построены в основном из молекул ПрП.
Последние наши работы с антителами к ПрП подкрепили этот вывод: антитела специфически связывались с палочками. Судя по электронным микрофотографиям, палочки обычно имеют диаметр 10—20 нм и длину 100— 200 нм; стало быть, в одной палочке примерно 1000 молекул ПрП, упакованных, вероятно, наподобие кристалла.