Прионы

Прионы (от англ. Proteinaceous infectious particles – белковые заразные частицы) – это особый класс инфекционных агентов, чисто белковых (т.е. таких, которые не содержат нуклеиновых кислот), вызывающих тяжелые заболевания центральной нервной системы у людей и ряда высших животных (т.н. «медленные инфекции»).
Прионы белок, обладающий аномальной трехмерной структурой, способен прямо катализировать структурное превращение гомологичного ему нормального клеточного белка в себе подобный (прионных), присоединяясь к белку-мишени и изменяя его конформацию. Как правило, прионных состояние белка характеризуется переходом ?-спиралей белка в ?-складчатисть.
История
Во второй половине XX века врачи столкнулись с необычным заболеванием человека – постепенно прогрессирующим разрушением головного мозга, происходит в результате гибели нервных клеток. Это заболевание получило название губчатой энцефалопатии. Похожие симптомы были известны давно, но они наблюдались не в человека, а у животных (скрейпи овец), и долгое время между ними не находили достаточного обоснованного связи.
Новый интерес к их изучению возник в 1996 г., когда в Великобритании появилась новая форма заболевания, обозначаемая как «новый вариант болезни Кройтцфельдта-Якоба (nvCJD)».
Важным событием было распространение «коровьего бешенства» в Великобритании, эпидемия которого была первоначально в 1992-1993 гг, а затем и в 2001 г., и охватила несколько европейских государств. Тем не менее мясо коров было экспортировано во многие страны. Заболевание связывают с использованием «прионизованого» костной муки в кормах и премиксов, которые были изготовлены из туш павших или больных животных, возможно, и не имели явных признаков заболевания.
Пути переноса фактора влечет болезни, механизмы проникновения прионов в организм и патогенез заболевания изучены пока недостаточно.
В 1997 г. американскому врачу Стенли Прузинер была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине за изучение прионов.
Свойства молекул
Прионовые белки млекопитающих не сходны с прионового белка дрожжей по аминокислотной последовательности. Несмотря на это, основные структурные особенности (формирование амилоидных волокон и их высокая специфичность, препятствующая передаче прионов от одного вида организмов к другому) у них общие. Одновременно прионных белок, отвечающий за коровье бешенство, обладает способностью передаваться от вида к виду.
Правый рисунок – модель двух конформаций приона; слева известная, нормальная, конформация структуры терминального участка C-terminal PrP C.
Молекулярные основы патогенеза
Предполагаемый механизм «размножение» прионов. В ходе исследований мозговых тканей умерших от прионных инфекций животных было показано, что прионы не содержат нуклеиновых кислот, а представляют собой белки. Одним из первых подробно охарактеризованных прионнних белков стал PrP (от англ. P rion-r elated p rotein или p rotease-r esistant p rotein) массой около 35 к Да. Известно, что PrP может существовать в двух конформациях – «здоровой» – PrP C, которую он имеет в нормальных клетках (C – от англ. Cellular – «клеточный»), в которой преобладают альфа-спирали, и «патологической» – PrP Sc, собственно прионные (Sc – от англ. scrapie), для которой характерно наличие большого количества бета-тяжей. При попадании в здоровую клетку, PrP Sc катализирует переход клеточного PrP C в прионную конформацию. Накопление прионного белка сопровождается его агрегацией, образованием високовпорядкованих фибрилл (амилоида), что в итоге приводит к гибели клетки. Прионы, высвободившиеся пожалуй, оказываются способными проникать в соседние клетки, также вызывая их заражение и гибель.
Функции белка PrP C в здоровой клетке пока точно не определены. В норме белок PrP C ассоциирован с клеточной мембраной, гликозилированный остатком сиаловой кислоты. Он делает циклические переходы внутрь клетки и обратно на поверхность в ходе эндо-и экзоцитоза. Один такой цикл длится около часа. В ендоцитозному пузырьки или на поверхности клетки молекула PrP C может разрезаться протеазами на две примерно равные части.
До конца механизм спонтанного возникновения прионных инфекций не ясен. Считается (но еще не полностью доказано), что прионы образуются в результате ошибок в биосинтезе белков. Мутации генов, кодирующих прионных белок (PrP), ошибки трансляции, процессы протеолиза – считаются главными кандидатами на механизм возникновения прионов.
Есть данные, дающие основание считать, что прионы являются не только инфекционными агентами, но и имеют функции в нормальных биопроцессов. Так, например, существует гипотеза, что через прионы осуществляется механизм генетически обусловленного стохастического старения.
Классификация
Этиология

Человек может заразиться прионами, содержащимися в пище, поскольку они не разрушаются ферментами пищеварительного тракта [Источник?] Беспрепятственно проникая через стенку тонкого кишечника, они в конечном итоге попадают в центральную нервную систему. Так переносится новый вариант болезни Крейтцфельдта-Якоба (nvCJD), которой люди заражаются после употребления в пищу говядины, содержащей нервную ткань из голов скота, который болен бычьей губчатой энцефалопатией (BSE, коровье бешенство).
Прионы могут проникать в тело и парентеральным путем. Были описаны случаи [Источник?] Заражения при внутримышечном введении препаратов, изготовленных из человеческих гипофизов (главным образом гормон роста для лечения карликовости), а также заражение мозга инструментами при нейрохирургических операциях, поскольку прионы устойчивы к применяемым в настоящее время термических и химических методов стерилизации. Эта форма болезни Крейтцфельдта-Якоба обозначается как ятрогенная (1CJD).
Согласно общепринятым теориям, при пор невыясненных условиях, в организме человека может произойти спонтанная трансформация «потенциально» прионного протеина в «активную прионную частицу». Так возникает так называемая спорадическая болезнь Крейтцфельдта-Якоба (sCJD), впервые описанная в 1920 г. независимо друг от друга Гансом Герхардом Крейтцфельдта и Альфонсом Марией Якобом. Предполагается, что спонтанное возникновение этой болезни связано с фактом, что в норме в человеческом теле постоянно возникает небольшое количество прионов, которые эффективно ликвидируются клеточным аппаратом Гольджи. Нарушение этой способности «самоочищения» клеток может привести к повышению уровня прионов выше допустимой границы нормы и к их дальнейшему неконтролируемому распространению. Причиной возникновения спорадической болезни Крейтцфельдта-Якоба согласно этой теории является нарушение функции аппарата Гольджи в клетках.
Особую группу прионных заболеваний представляют собой наследственные (врожденные) болезни, вызванные мутацией гена прионного протеина, который делает прионных протеин, образовавшийся более уязвимым к спонтанному изменению пространственной конфигурации и превращения их в прионы. К этой группе наследственных заболеваний относится и наследственная форма болезни Крейтцфельдта-Якоба (fCJD), которая наблюдается в ряде стран мира.
При прионовых патологиях наивысшая концентрация прионов обнаружена в нервной ткани зараженных людей. Значительное количество прионов встречается в лимфатической ткани. Наличие прионов в биологических жидкостях, включая слюну, пока не была однозначно подтверждена. Если представление о постоянном возникновении небольшого количества прионов правдивы, то можно предположить, что новые, более чувствительные методы диагностики откроют это количество прионов, которые разбросаны по разным тканях. В данном случае, однако, речь пойдет о «физиологические» уровне прионов, которые не представляют собой никакой угрозы для человека.
Пути заражения

Гистологический препарат, пораженной прионами ткани с образованием характерной губчатой структуры. Очень мало известно о молекулярном характере прионов, вызывающих заболевания. Заражение может быть вызвано примерно 100 000 молекул, которые в большинстве случаев образуют большие скопления. Значение агрегации отдельных молекул в ассоциации для вирулентности прионов пока не известна. Нельзя исключить, что вирулентными являются и отдельные молекулы прионов. С некоторых экспериментов следует, что для возникновения прионов в ткани достаточно лишь временного контакта ткани с материалом, содержащим прионы, и нет необходимости, чтобы прионы были навсегда внесены в организм. Этот риск является актуальным, например, в связи с использованием хирургических инструментов, зараженных прионами. Процесс трансформации «здоровых» прионных протеинов в прионы может быть инициирован простым контактом здоровых тканей с прионами, зафиксированными на хирургическом инструменте.
Течение болезни и распространения прионов по организма зависит от типа приона. Прионы отличаются составом аминокислот, характерных для данного вида. Это определяется видовым геном прионового протеина, а также так называемыми посттрансляционными модификациями или степенью гликозилирования базового белковой цепи. Посттрансляционная модификация значительно влияет на характеристики прионов и именно ей приписывают разницу между так называемыми прионовыми их. В случае нового варианта (nvCJD) был пока что описан лишь один вид приона, сходный с прионами скота, зараженного бычьей губчатой энцефалопатией. Поэтому течение заболевания у человека и животных, зараженных новым вариантам, практически одинаков. В других видов живых существ, однако, известно много прионовых родов. У овец было описано примерно два десятка таких родов, которые не вирулентные для человека. Течение овечьего прионового заболевания в зависимости от рода прионов, – драматично отличается – от очень быстрого, с практически внезапной гибелью, к медленному, затяжного.
Нетипичные случаи клинического течения нового варианта у скота, зараженного бычьей губчатой энцефалопатией, которые случались в Японии и Италии , Наводят на мысль о существовании большего количества родов бычьих прионов. Если бы этот род бычьих прионов попал в организм человека, следовало бы ожидать возникновение нового варианта с симптомами и клиническим течением, отличными от известных случаев.
У пациентов с болезнью Крейтцфельдта-Якоба, прионы распространяются в нервной системе, тканях глаза и лимфатических тканях, включая миндалины, селезенку, а также в слепой кишке. Наибольшее количество прионов находится в нервной системе, а наименьшее – в лимфатической ткани.
Пока не было зарегистрировано ни одного случая переноса нового варианта болезни Крейтцфельдта-Якоба (nvCJD) при медицинском вмешательстве, что является, разумеется, хорошей новостью. Кроме того, специалисты предупреждают о преувеличен оптимизм, прежде всего в условиях Великобритании, так как инкубационный период может быть достаточно длительным (от 5-8 месяцев до 10-15 лет) [Источник?]
Прионы и медицинские инструменты

Прионы очень устойчивы к обычным методам дезинфекции. Ионизирующее, ультрафиолетовое или микроволновое излучение на них практически не действует. Дезинфекционные средства, обычно используемые в медицинской практике, действуют на них лишь в очень ограниченной мере. Надежно их ликвидируют дезинфицирующие реактивы – сильные окислители, имеющих разрушительное воздействие на протеины [Источник?]
Другое затруднение представляет собой стойкость прионов к высоким температурам. Даже при автоклавировании при 134 ° C в течение 18 минут невозможно достичь полного разрушения прионов, и прионы «выживают» в форме, способной вызвать заражение. Устойчивость к высоким температурам еще более возрастает, если прионы засохнут на поверхности металла или стекла, или если образцы перед автоклавированием были подвергнуты действию формальдегида
В Великобритании, где новый вариант является очень серьезной проблемой, по этим причинам уже используются одноразовые хирургические инструменты для тонзиллэктомии. В будущем напрашивается альтернативное решение: создание новых инструментов, с учетом повышенных требований к очистке и обеззараживанию. Одноразовое использование инструментов согласно принципам ВОЗ требуется в случае стоматологического обслуживания пациентов с диагностированным прионным заболеванием или в случае подозрения на него.
Гораздо более сложным решением этой проблемы является лечение пациентов группы риска. К ним относятся пациенты, которые подверглись операций, при которых была использована потенциально зараженная твердая мозговая оболочка, или пациенты из семей с наследственной формой болезни Крейтцфельдта-Якоба. ВОЗ в этом случае не требует никаких специальных мер. Британский Консультационный научный комитет по губчатой энцефалопатии в своем решении в 1998г. счел возможным ограничиться более тщательной очисткой и обеззараживанием инструментов, в сочетании с более длительным автоклавированием.
Прионные заболевания человека
Наиболее известные прионные инфекции, связанные с поражением головного мозга:
Болезнь Кройтцфельдта – Якоба (Creutzfeldt-Jakob disease);
Роковая семейная бессонница (Fatal Familial Insomnia);
болезнь Куру (Kuru), связана с ритуальным каннибализмом в некоторых странах Океании;
Синдром Герстманн – Штройслера – Шейнкера (Gerstmann-Straussler-Scheinker disease).
Потенциальная опасность для человека
Несмотря на незначительное количество явных случаев прионных заболеваний у людей, многие специалисты считают, что имеется высокая степень опасности «медленных» инфекций для человека.
По непроверенным данным, источником распространения могут быть стоматологические процедуры, связанные с попаданием прионов в кровяное русло.
Под подозрение попал также лецитин животного происхождения, что вызвало сокращение применения его в фармакологической промышленности, и вытеснение растительным (в основном, соевым) лецитином.
Исследования прионов дрожжей и других микромицетов
Прионы-подобные белки, поведение которых подобно поведению PrP, найденные в природных популяциях дрожжей и других микромицетов. Исследования прионов дрожжей подтвердили гипотезу о том, что превращение белков в прионных состояние зависит только от белков. Было показано, что прионы, экстрагированные из клеток, могут служить «зерном» образования прионов в пробирке. Один из наиболее хорошо изученных белков, склонных к образованию прионов у дрожжей – фактор терминации трансляции (eRF3), который образует так называемые PSI + клетки. Такие клетки имеют измененный физиологическое состояние и изменен уровень экспрессии некоторых генов, что позволило выдвинуть гипотезу о том, что у дрожжей образование прионов может играть адаптативну роль.
Критика общепринятых теорий относительно этимологии прионных болезней
Mark Purdy и David R. Brown предположили, что металлоионы, взаимодействуя с протеинами приона, могут быть причиной развития прионы-индуцированных (prion-mediated) заболеваний.
Purdy провел кластерное эпидемиологическое исследование при прионных заболеваниях в районах с низкой концентрацией меди в почвах.