Что представляет собой прионное вещество? Какие существуют теории прионного превращения? Каким образом размножается дрожжевой прион? На эти и другие вопросы отвечает доктор биологических наук Виталий Кушниров.

Объяснение природы прионов у человека вдохновило обнаружение сходного явления совершенно в другом организме, а именно у пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Надо сказать, что дрожжи являются модельной эукариотической клеткой. Несмотря на то, что дрожжи — это очень простой одноклеточный организм, он не имеет специфических сложностей высших организмов, тем не менее он очень популярен как модель эукариотической клетки.

У исследователей дрожжей образовалась своя загадка, почти равная загадке прионов. У них обнаружились какие-то генетические элементы, которые вели себя совершенно не по законам Менделя. Таких поначалу было известно два. И один из них был связан с трансляцией, то есть с синтезом белка, точнее, с его завершением. Эти генетические элементы вели себя так, как будто их носитель находится в цитоплазме, этого носителя очень много. Но самое, пожалуй, интересное, что носителя этого элемента можно было изгнать из дрожжей, если дрожжи росли в присутствии небольших концентраций вещества, называемого гуанидин. И после изгнания этих генетических элементов их можно было воспроизвести опять, но при сверхэкспрессии некоторых белков и с довольно маленькой вероятностью. То есть это некий генетический элемент, который мог и появляться, и исчезать в ответ на необычные воздействия.

Всю совокупность свойств этих элементов удалось объяснить в 1994 году американскому генетику Риду Викнеру, который предположил, что они представляют собой прионные формы некоторых белков. Один из них — это белок Sup35, который является фактором терминации трансляции, то есть завершает белковый синтез, другой белок назывался Ure3, и он вовлечен каким-то образом в регуляцию метаболизма.

Замечательным образом прионная теория сразу все объяснила, но она нуждалась в доказательствах. И здесь нам удалось сказать свое слово, мы в те времена занимались изучением функций белка Sup35, и прионная тема как бы сама упала нам в руки. Первое, что нам удалось показать, — это то, что белок Sup35 ведет себя так, как ожидается от приона. То есть в тех клетках, где существует загадочный генетический детерминант, названный Psi, кстати сказать, в тех клетках Sup35 был агрегирован, в отсутствие этого детерминанта Sup35 был растворим, то есть он присутствовал в качестве мономера, кроме того, агрегированная форма белка Sup35 отличалась повышенной протеазоустойчивостью. Впоследствии нам также удалось показать, что эта форма, предполагаемая прионная форма, действительно вызывает агрегацию нормальной формы белка Sup35 и, более того, уже новообращенный белок Sup35 способен вести себя как прион, то есть продолжать процесс прионного превращения.

Несмотря на то, что дрожжевые исследования были вдохновлены гипотезой Прузинера, в комплекте с этой гипотезой шли кое-какие ошибки или недопонимания.

Речь идет о том, что представляет собой это прионное вещество, которое способно производить структурные превращения. Прузинер полагал, что это вещество является мономерным белком. Собственно, у нас как бы по дефолту всякий белок мономерен и не является агрегатом, и Прузинер предполагал, что этот белок тоже является мономером. Это было большой ошибкой: что две различные структуры может принимать один белок — это еще можно представить, но если мы вспомним, что там есть еще штаммовые вариации, то есть множество различных альтернативных структур, то это уже достаточно трудно представить. А если еще представить, что все эти структуры должны обладать способностью к автокатализу, то тут становится совсем уже тяжело.

Одновременно существовала и другая теория прионного превращения, менее популярная. Эта теория говорила о том, что прионные состояния белка — это агрегированное состояние, подобное другому веществу, которое называют амилоид. Амилоид по определению — это регулярный белковый агрегат, то есть фактически это белковая фибрилла, в которой каждая из составляющих молекулы имеет одну и ту же структуру и которая растет со своего конца путем дальнейшего присоединения мономерных молекул. И мы, придя в эту область, сразу поняли, что амилоидная модель гораздо предпочтительнее, но опять же она нуждалась в доказательствах.

Чтобы укрепить амилоидную модель, нам пришлось опереться на три наблюдения, сделанных в середине 90-х годов. Первое из этих наблюдений было сделано нашим бывшим соотечественником Юрием Черновым, который обнаружил, что поддержание и наследование дрожжевого приона требует присутствия особого шаперона, называемого Hsp104. Шапероны — это класс белков, которые следят за тем, чтобы другие белки имели и сохраняли правильную структуру. Но 104-й особый шаперон — это огромная молекулярная машина, состоящая из шести субъединиц, и ее задача состоит в том, что она (если с клеткой дрожжей происходит экстремальный тепловой шок, перегрузка, то большинство белков внутри клетки превращается в определенного рода яичницу, то есть огромный конгломерат, в котором уже ничего не работает) способна извлекать из этого конгломерата отдельные белковые молекулы и их реактивировать. Это было показано в лаборатории Сюзан Линквист в Америке, которая немало сделала для этого процесса. И следующее наблюдение относится тоже к ней: она наблюдала, что очищенный белок Sup35 в пробирочке способен образовывать амилоидные фибриллы. Одновременно такое открытие сделал Кинг в Европе.

Рекомендуем по этой теме:
2174
Искусственные хромосомы дрожжей

Опираясь на эти три наблюдения, мы предположили, каким образом размножается дрожжевой прион. Если представить этот прион в виде амилоидной ниточки и начать извлекать из него молекулы по одной, то при извлечении каждой следующей молекулы ниточка распадается на две части. Казалось бы, пустяк, мелочь. Но в результате этого образуются новые свободные концы у амилоидной нити, которые являются точками роста, то есть она начинает полимеризовать быстрее. Кроме того, если мы рассматриваем прион как генетический материал, то этого генетического материала становится больше, но не просто становится больше, а возрастает его качество. Потому что маленькую прионную частицу очень легко передать по наследству в дочернюю клетку, а большая частица где-то лежит в виде неподвижного агрегата, и ее не разделить и не передвинуть — это очень трудно.

Таким образом, получается, что действие 104-го шаперона, которое было исходно направлено на то, чтобы уничтожить какой-либо белковый агрегат, фактически оказывается незаменимым, оно необходимо для того, чтобы прион существовал в качестве наследуемого генетического материала.