Не вирус, не белок, а название ему Прион

Загадочные прионы

В науке бывает так, что решение одной проблемы неожиданно заставляет взглянуть по-новому на другую, давно, казалось бы, забытую. В последнее время масс-медиа вновь проявляют интерес к биологическим дискуссиям о механизмах наследственности, которые велись в 30−50−е годы прошлого века между сторонниками классической генетики и последователями «мичуринской биологии» в версии Трофима Денисовича Лысенко. Как известно, способы ведения тех дискуссий далеко выходили за рамки научной этики, а их результаты имели трагические последствия для отечественной генетики. Тем не менее кто-то утверждает, что новейшие сенсационные находки ученых, такие, как открытие белковой наследственности, подтверждают правоту Лысенко. 
Так ли это?

О вреде каннибализма

Еще не забылась недавняя паника, связанная с импортными поставками мяса скота, зараженного коровьим бешенством. Эта болезнь поражает мозг коров, но может передаваться и человеку через говядину, употребляемую в пищу. Заражение случается редко — однако если оно произошло, то предотвратить летальный исход практически невозможно.

Надо сказать, что подобные болезни — так называемые медленные инфекции — уже довольно давно известны медикам (долгое время считалось, что они вызываются неким «медленным» вирусом, который так никогда и не был выделен). К их числу относятся куру, семейная смертельная бессонница, а также аналогичные заболевания млекопитающих. Их инфекционная природа впервые была установлена в 1957 году для куру, открытой американским вирусологом Даниелем Карлтоном Гайдушеком в Новой Гвинее. Болезнь эта была распространена в племени форе, традиции которого предписывали сыновьям есть сырой мозг умерших родителей. Гайдушек доказал связь заражения куру с ритуальным каннибализмом и затратил немало сил для того, чтобы искоренить этот опасный обычай. Болезнь была побеждена, а в 1976 году Гайдушек совместно с Барухом Бламбергом был удостоен Нобелевской премии.

Не вирус, а белок

Загадочные агенты «медленной инфекции» были найдены лишь в 1982 году американским биохимиком Стенли Прусинером, а в 1997−м его открытие было отмечено Нобелевской премией.

Этот исследователь и предложил термин «прион» (от английского pr[otenacious infect]ion — белковая инфекция) для обозначения белка — возбудителя ряда тяжелых заболеваний. Прионы — крайне необычные и во многом еще загадочные образования. Сам термин «прион» пока незнаком даже многим биологам, не говоря уж о широкой публике. Вместе с тем открытие прионов — это, безусловно, одно из ярких достижений молекулярной генетики последних двадцати лет.

Понятно, что болезнетворный агент должен размножаться, иначе он не представляет угрозы зараженному организму. До сих пор науке был известен только один способ размножения вирусов и живых организмов (от одноклеточных до высших животных) — при посредстве носителей наследственности, молекул ДНК и РНК (дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая кислоты).

Прионы — не клетки и не вирусы, а всего лишь особые белковые молекулы — не содержат ни ДНК, ни РНК. Однако, попав в клетку, прионы способны заражать ее и, в известном смысле, размножаться в ней.

Прусинер выяснил, из чего состоят плотные тяжи и бляшки, которые образуются в мозгу животного, пораженного прионным заболеванием. Оказалось, что молекулы одного из белков существуют в клетках нервной ткани в двух формах — нормальной и «аномальной» (прионной). Обе разновидности белка имеют идентичную последовательность аминокислот, однако их молекулы различаются по пространственной упаковке. И если нормальный белок ничуть не мешает клетке жить (хотя до сих пор не вполне понятно, какова его функция), то «аномальный» белок (он же прион), попав в нервную ткань, образует нерастворимые агрегаты.

Но вот что самое странное: оказывается, нормальные молекулы белка, стоит им вступить в контакт с прионами, сами превращаются в них, меняют свою пространственную структуру! Достаточно лишь небольшого числа прионизирующих молекул, чтобы запустить цепную реакцию, разрушительную для клетки. Прион выступает как инфекционный агент, заражающий нормальные молекулы и таким способом воспроизводящий свою пространственную структуру. Это и есть его способ размножения.

Сказанное явно не вписывается в сложившиеся представления о путях передачи наследственной информации в клетке.

Нас в школе учили, что все свойства белковой молекулы определяются последовательностью ее аминокислот, которая считывается с молекулы РНК, а та, в свою очередь, синтезируется на гене, то есть на матрице ДНК. Открытие прионов показало, однако, что последовательность аминокислот определяет далеко не все ее свойства.

Мы видим, что один и тот же белок может быть прионом — но может и не быть им! И, что гораздо важнее: заражая нормальную молекулу, прион фактически передает ей информацию о своей упаковке, никак не сообщаясь с ДНК или РНК.

Под впечатлением от этих сенсационных данных и возникла гипотеза белковой наследственности, то есть наследственности без ДНК. Эта гипотеза активно обсуждалась в конце 70−х — начале 80−х годов.

Сенсация, однако, продержалась недолго, так как вскоре был открыт ген, ответственный за вышеупомянутый белок, который может существовать и в нормальной, и в прионной форме

. Мыши, лишенные этого гена, вполне жизнеспособны, но не заболевают, если их инфицировать прионом: у них ведь просто нет белка, который можно превратить в зловредные тяжи и бляшки.
Успехи отечественной прионологии

Новый этап в истории изучения прионов начался в 1993 году, когда они перестали быть диковиной, свойственной лишь млекопитающим, и были найдены у грибов, в первую очередь — у дрожжей. О прионах заговорили как об общебиологическом явлении, а у прионологии появились новые перспективы.

Ведь с дрожжами работать несравненно удобнее, чем с мышами или коровами, а тем более с людьми: они дешевы, быстро размножаются, да и этических проблем с ними не возникает. Кроме того, молекулярная биология дрожжей изучена очень подробно: известна даже полная последовательность ДНК их генома. И, что немаловажно, прионы дрожжей абсолютно безопасны для человека.

Исследования прионов у дрожжей составляют предмет отечественного приоритета. Они ведутся в трех коллективах: на кафедре генетики Санкт-Петербургского университета, возглавляемой членом-корреспондентом РАН Сергеем Инге-Вечтомовым, в московском Кардиологическом центре Минздрава (лаборатория профессора Михаила Тер-Аванесяна) и в Институте молекулярной биологии РАН им. В. А. Энгельгардта (лаборатория члена-корреспондента РАН Льва Киселева) в кооперации с некоторыми зарубежными коллегами.

Изучение одного из таких дрожжевых белков (ген, который за него отвечает, именуется SUP35) ведется Инге-Вечтомовым и его коллегами с середины 1960−х годов. История обнаружения дрожжевых прионов такова. Известно, что мутантный ген SUP35 может вызывать нарушения сборки белковых молекул. Оказалось, что подобные нарушения у дрожжей могут передаваться от материнских клеток к дочерним без участия гена. Их виновником оказался некий белок, названный пси-фактором. Он был обнаружен в 1965 году британским ученым Брайаном Коксом.

Долгое время физическую природу его воздействия объяснить не удавалось. В начале 90−х годов, однако, Инге-Вечтомов с сотрудниками выдвинули гипотезу о прионной природе пси-фактора, которая в дальнейшем блестяще подтвердилась.

Впервые словосочетание «прионы дрожжей» появилось в статье американского ученого Рида Уикнера в 1994 году.

Уже в 1997 году в лаборатории Сьюзен Линдквист в США было показано, что прионы дрожжей образуют в клетках такие же агрегаты, как и прионы млекопитающих — в тканях мозга.

В том же году инфекционность пси-фактора in vitro (то есть в пробирке, вне живой клетки) была доказана изящными экспериментами, поставленными группой Тер-Аванесяна.

Помимо пси-фактора к настоящему времени обнаружено еще 2 белка-приона у дрожжей и один — у грибка Podospora anserina.

Можно ожидать открытия прионных свойств и у других белков, их находок у новых организмов.

Существование прионов указывает на то, что в клетке, наряду с копированием последовательностей ДНК и РНК, идут и матричные процессы совсем иного рода, а именно: копирование конформации (пространственной упаковки) белковых молекул.

Но коль скоро информация о некоторых признаках организма может передаваться без помощи нуклеиновых кислот — значит, помимо генетического аппарата в клетке существуют и иные (так называемые эпигенетические) механизмы наследования.

Раньше эти феномены лежали на периферии интересов ученых; сейчас же генетика занимается не только генами, но все больше обращается к эпигенетической наследственности и изменчивости.

Кто прав?

Но не означает ли это, что вновь стало востребовано наследие Лысенко, сыгравшего мрачную роль в истории отечественной биологии? Действительно, Лысенко отрицал существование генов, стремясь объяснить явления наследственности и изменчивости «взаимодействием организма и среды».

В 30−е годы прошлого века, когда уже были установлены важнейшие закономерности наследования, но почти ничего не было известно о материальной природе генов, такая точка зрения казалась экстравагантной, но все же допустимой.

После успехов молекулярной биологии, однако, никому и в голову не приходит сомневаться в существовании генов. Исследователям прионов — в том числе.

Но если бы Лысенко был просто автором некоей ошибочной концепции, то он вряд ли стал бы столь зловещей фигурой.

Беда в том, что для отстаивания своих идей Лысенко использовал не столько научные аргументы, сколько идеологические средства, а заодно и репрессивный аппарат тоталитарного государства.

Но где появляется идеология — там исчезает само различение истины и лжи, а потому рассуждения о правоте или неправоте Лысенко просто лишены научного смысла. Так что не стоит смешивать добротную науку молекулярную биологию с замшелыми идеологическими доктринами…

Достижения прионологии позволят, возможно, научиться лечить и предупреждать ряд тяжелых заболеваний. Речь идет не только о губчатой энцефалопатии, но и гораздо более распространенных болезнях Альцгеймера и Паркинсона, при которых тоже наблюдается образование белковых агрегатов в нервной ткани.

И дрожжи тут могут оказаться удобной моделью: уже разработаны лекарства, блокирующие их прионы.

Прионология сейчас находится только в самом начале своего пути. От нее можно ожидать чрезвычайно интересных фундаментальных открытий, сулящих к тому же и практический выход. Российские (и не в последнюю очередь — петербургские) ученые занимают сейчас лидирующие позиции в этой, без преувеличения, стратегической области научного поиска.

Увы, блестящий прорыв, за которым стоит многолетний кропотливый труд и традиции отечественных научных школ, легко может сведен на нет из-за банальной нехватки средств на исследования.