Одним из выдающихся научных достижений ХХ ст. в области биологии и медицины стало открытие в 1982 году американским молекулярным биологом, профессором Стэнли Прузинер нового типа инфекционных агентов
- прионов. Это открытие ознаменовало начало новой эры развития биологии и медицины, поскольку было обнаружено принципиально новый тип возбудителей инфекционных заболеваний.
Прионы (от англ. Proteinaceous infectious particles, PrP - инфекционные белковые частицы) представляют собой особый класс инфекционных агентов, вызывающих неизлечимые заболевания ЦНС человека и животных - губкообразной энцефалопатии. Сейчас не обнаружено ни одной нуклеиновой кислоты, которая была ассоциирована с прионами. Инфекционный прионный белок с аномальной трехмерной структурой способен катализировать структурное преобразование гомологического ему нормального клеточного белка на подобный себя - прионный.
Детальное исследование показало, что прионы, как возбудители инфекционных болезней, имеют ряд уникальных свойств:
• отсутствие одной нуклеиновой кислоты;
• склонность к агрегации;
• возникают не только в результате заражения (известные спорадические
и наследственные формы губкообразной энцефалопатии);
• Использованы материалы статьи: Коротеева Г. В., Компанец Т. А.
Прионы - возбудители медленных инфекций / / Биология. - 2007. - № 7.
• независимо от происхождения заболевания оно может быть передано дальше инфекционным путем;
• передача возбудителя между различными биологическими видами затруднена из-за разницы в первичной структуре PrP. Однако, это не мешает, а только затрудняет передачу инфекции от особей одного вида особям другого. Поэтому существует возможность заражения человека прионными болезнями животных. Подтверждением этого может быть идентичность линий прионов, выделенных от больных с новым вариантом болезни Крейтцфельдта - Якоба и от коров с трансмиссивной губкообразной энцефалопатией.
В отличие от большинства других возбудителей инфекционных заболеваний, в частности вирусов, прионы очень устойчивы к различным физико-химических факторов.
Основным компонентом фибрилл, которые проявляются в мозге больных губкообразной энцефалопатии, является белок с молекулярной массой 27-30 кДа (PrP 27-30). По физико-химической характеристикой это си-алопротеин (олигосахаридовмисний мембранный белок с остатками сиаловой кислоты). Он состоит из 254 аминокислот, включая 22-членный N-концевой сигнальный пептид.
Прионные белки формируют стрижнеподибни частицы диаметром 10-20 нм и длиной 100-200 нм. По структуре они напоминают амилоид (аномальный белок, который обычно образуется при хронических заболеваний, например туберкулеза легких, костей и др..) И является полимерной форме прионы: каждый содержит около тысячи молекул прионов.
Клеточным аналогом инфекционного прионного PrPSc (от англ. Scrapie) есть нормальный белок РгРС (от англ. Cell). Разница между ними заключается в высокой резистентности PrPSc к действию протеаз, нерастворимости после экстракции, способности накапливаться во вторичных лизосом-мах и посттрансляционной модификации.
Установлено, что преобразование (конверсия) нормального прион-ного белка на его инфекционную форму - посттрансляционной процесс. Анализ вторичной структуры PrPSc показал, что этот переход характеризуется значительными структурными изменениями самого прионов. Несмотря на одинаковую первичную структуру (аминокислотную последовательность), клеточная форма РгРс содержит 42% а-спиралей и почти не содержит ß-цепей (лишь 3%), а инфекционная PrPSc - 30% а-спиралей и 43% ß-цепей.
Для объяснения превращения белка РгРс на PrPSc предложено две модели.
«Тетеродимерна» модель. Прионный состояние присущ мономера белка PrP, а конформационные превращения молекулы РгРс на форму PrPSc происходит во время ее связывания с мономером PrPSc. После того как белок PrPc приобретает прионных свойств, димер диссоциирует, и две освобождены молекулы PrPSc могут участвовать в новых конформационных переходах. Процесс напоминает цепную реакцию потенциально может обеспечивать быстрое превращение большинства молекул PrP на прионную форму. Агрегация молекул PrPSc при этом рассматривается как вторичное явление, не связанное с конформационной перестройкой как таковой.
«Полимеризационная» модель. Процессы конформационной перестройки белка PrP и его агрегация неразрывно связаны, и превращения белка PrPc на форму PrPSc происходит во время его присоединения к олигомера, состоящий из молекул PrPSc. Следовательно, этот процесс напоминает кристаллизацию. Олигомеры PrPSc является «зародышами» кристаллизации. Агрегация белка PrPSc (бляшки) в тканях мозга больных прион ни заболевания обычно содержат нитевидные или палочковидные скопления этого белка, что свидетельствует о его упорядоченную полимеризацию. «Полимеризационная» модель была подтверждена опытами in vivo по преобразованию PrPc на PrPSc. В этих опытах показано, что прионоутворюючи свойства имеют только высокомолекулярные агрегаты PrPSc, а не мономерные формы.
Сейчас идентифицировано шесть основных прионных заболеваний животных. Из них наибольшее экономическое значение имеют скрепи и губ-коподибна энцефалопатия коров.
Скрепи. Подострое неврологическое заболевание овец сопровождается инвалидизацией и гибелью животных.
Это заболевание было известно в Англии еще в 1732 г. В 1755 г. оно настолько распространилось, что стало предметом петиции, поданной в британский парламент фермерами-овцеводов графства Линкольншир.
В первой половине ХХ в. болезнь рассматривалась исключительно как сельскохозяйственная проблема, хотя еще до 1899 г. было доказано ее инфекционной природе. В 1936 г. французские ученые Кюи и Шелле доказали, что возбудитель скрепи способен проходить сквозь бактериальные фильтры, и определили инкубационный период, составляет пять лет. Поражения выявляются только в головном мозге. Мозговая ткань при этом напоминает губку. Именно поэтому скрепи отнесены к губкообразной энцефалопатии.
Симптомы заболевания. У больных овец появляются признаки резкого раздражения кожи, они трутся об ограждение, деревья, стволы и другие неподвижные предметы (отсюда и название болезни от англ. To scrape - «скоблить», «чесаться»). Сильный зуд приводит к тому, что животные начинают кусать друг друга, при этом даже скусывают отдельные участки кожи. Овцы легко возбуждаются - приближение к ним вызывает сильное дрожание, но в других случаях, наоборот, может развиваться слабость и даже сонливость. Еще одним признаком болезни является нарушение координации движения, наиболее ярко выраженное в начале заболевания с появлением ненормальной ходы (овцы спотыкаются), а позже больное животное уже не может стоять.
Губчатая энцефалопатия коров (синоним - губкообразной енце-фалопатия КРС, спонгиоморфна энцефалопатия КРС, болезнь бешенства коров, коровье бешенство).
Официально губчатая энцефалопатия коров (ГЭК) начала регистрироваться в 1988 г. в Великобритании. С октября 1986 по 1996 г. в Великобритании было зарегистрировано более 180 тыс. случаев ГЭК на 33628 фермах. Кроме того было забито около 25 тыс. коров с подозрением на заболевание. В июле 1988 г. было запрещено кормления жвачных животных белковыми кормами из внутренностей животных того же или родственных видов. В сентябре 1991 г. окончательно запрещены белковые корма, изготовленные из бычьего потрохов (мозг, спинной мозг, миндалины, тимус, внутренности). Согласно распоряжению правительства Англии, уже с августа 1988 скот с признаками ГЭК забивалась и одновременно проводились выплаты финансовых компенсаций ее владельцам.
Кроме Великобритании, по данным Международного эпизоотического бюро, заболевания были обнаружены в Ирландии, Франции, Португалии, Нидерландах, Германии, Италии, Дании, а также Канаде и на Фолклендских островах.
В 1986 г. в США принят ряд жестких мер как в животноводстве, так и в использовании медицинских препаратов. Именно поэтому удалось предотвратить распространение инфекции в связи с использованием бычьего и человеческого гормонов роста. В октябре 1998 г. Европейское Сообщество признало необходимым снять эмбарго с экспорта британской говядины при условии соблюдения ограничений. В 2001 г. эмбарго снова было введено, однако уже на экспорт КРС из Испании и Германии.
На ГЭК болеет взрослый рогатый скот, а также домашние кошки (72 случая в Англии и один в Норвегии), пумы, оцелоты, антилопы, чернохвостый олень, гепарды, в лабораторных условиях - белые мыши. Основной причиной возникновения болезни является использование для кормления мясокостной муки, изготовленной из погибших от скре-пи овец. Контактно от животного к животному болезнь не передается.
Диагностика прионных заболеваний осуществляется специфическими иммунологическими тестами. Большинство диагностических тестов для выявления прионов базируется на относительной устойчивости PrPSc к действию протеиназы К, что позволяет отличить его от PrPc в сочетании с такими методами: иммунофлуоресцентного, иммуноферментным и иммуноблоттинг. Ряд таких тестов утвержден к применению Европейским Сообществом.
Надежных методов лечения прионных заболеваний пока не существует, хотя их поиск проводится достаточно эффективно.
Открытие прионов в низших эукариот расширило представление об их природе. Оказалось, что прионы являются не только инфекционными агентами, но и общебиологических явлением. Согласно современным представлениям, прионы являются носителями биологической информации нового типа, зашифрованной в конформации белковой молекулы.