Структура прионов дрожжей

Структура прионов дрожжей пока что изучена не до конца. Тем не менее обнаружилось несколько интересных принципов, которые являются совершенно новыми. Начнем с самого простого: как устроен типичный дрожжевой прионный белок? В нем явно можно выделить две части, одну из которых следует считать прионным доменом, который полностью ответственен за образование прионной частицы. Но, кроме того, как правило, в состав дрожжевого прионного белка входит какой-нибудь функциональный домен, и при образовании приона эта функция нарушается. Причем, надо сказать, что в то время, как прионный домен образует амилоидную структуру, нечто вроде фибриллы, функциональные домены фактически не претерпевают какого-то структурного изменения, они просто остаются висеть на стержне, на фибрилле в качестве украшения. Тем не менее за счет чего функциональность нарушается? Как правило, эти домены имеют функцию, которая локализована в пространстве. Например, белок Sup35 является фактором терминации трансляции, то есть он должен работать на рибосоме. Если он попадает в прионную частицу, то вероятность того, что он доберется до рибосомы, сильно уменьшается. В то же время, если бы мы взяли какие-то белки, осуществляющие метаболизм, их функции практически бы не пострадали от этого.

Дрожжевые прионные домены имеют весьма характерный аминокислотный состав. Они сильно обогащены глутамином и аспарагином, с другой стороны, в них очень мало представлены заряженные аминокислоты, а также пролин, и будет понятно почему. Амилоид представляет собой мультимолекулярный бета-слой, то есть бета-слой, образованный неограниченным количеством белковых молекул. При этом полипептидная цепь все время направлена перпендикулярно оси фибриллы. Но в 2000-е годы было показано, что в большинстве случаев каждая молекула, так называемый протомер, образует лишь один слой вдоль оси фибриллы, а толщина связи в бета-слое равняется 4,7 ангстрема. На каждые 4,7 ангстрема приходится одна белковая молекула. Фактически можно сказать, что, если взять поперечное сечение фибриллы, оно образовано одной молекулой. Если ее мысленно оттуда извлечь, это будет как раз сечение.

Но, собственно, как уложены молекулы в пределах этого сечения — это большой и сложный вопрос, который ответа пока не имеет. Тем не менее сейчас известно, как соседние слои расположены между собой. А они расположены так, что аминокислоты, имеющие одинаковые порядковые номера, расположены по соседству, то есть, скажем, аминокислота 39 расположена напротив аминокислоты 39 в соседней молекуле. Нигде прежде такой принцип не встречался, а в дрожжевых прионах он является почти что правилом. При этом надо сказать, что некоторые аминокислоты не любят находиться рядом друг с другом — я имею в виду заряженные аминокислоты: они тут же начнут отталкиваться. Тем не менее как-то приходится им с этим мириться, но в целом получаются на этом принципе достаточно стабильные, устойчивые фибриллы.

Одним из интересных вопросов в биологии амилоидов и прионов является то, чем же отличается инфекционный прион от неинфекционного амилоида, почему одни амилоиды инфекционны, а другие нет. И здесь дрожжевая модель оказала приличную помощь, потому что, например, на основе дрожжевого приона Sup35 можно получить как наследуемые амилоиды, то есть прионы, так и ненаследуемые. Наследуемость приона требует действие шаперона Hsp104, который разрывает прионные фибриллы, попросту вытаскивая из них отдельные молекулы, при этом прионные фибриллы распадаются на две части, и это действие необходимо для наследования приона. Но дело в том, что всякий шаперон начинает действовать только тогда, когда он распознал свою мишень. И оказывается, что те ненаследуемые амилоиды Sup35, которые можно получить в клетках дрожжей, достаточно плохо распознаются шаперонами, включая шаперон Hsp104, у которого есть помощники в лице других шаперонов. Опознание ненаследуемых амилоидов происходит с гораздо большим трудом, соответственно, они гораздо реже фрагментируются и гораздо хуже наследуются.

Что может определять фрагментацию? Оказалось, что прионный домен (часть белка, которая способна к укладке в амилоидную структуру) в случае дрожжевых наследуемых прионов уложен в амилоидную структуру не полностью, то есть какая-то часть этого домена остается бесструктурной и, таким образом, служит приманкой для шаперонов.

Мы предполагаем — пока это еще не является стопроцентно доказанным фактом, — что у ненаследуемых амилоидов такая приманка отсутствует, то есть белок уложен почти полностью в амилоидную структуру, и, таким образом, несмотря на то, что он является неканонической структурой, он невидим для шаперонов, не испытывает фрагментации и, соответственно, не наследуется.