Диссертация (1144700), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Схема амилоидогенеза и прионогенеза. Красный круг – мономер белкав исходной конформации. Зелѐный квадрат – мономер того же белка вамилоидной конформации.Примерно так же происходит формирование патологических амилоидов иприонов, за исключением того, что в данном случае этот процесс индуцируетсяаномальнымповышениемнарушениемегоконцентрациивзаимодействиясамилоидогенногофункциональнымибелка,илипартнѐрами.Образовавшиеся протофибриллы собираются в фибриллы и более крупныеагрегаты.Каждый новый неинфекционный амилоидный агрегат (прион) образуетсянезависимо от предсуществующего. Иначе обстоит дело в случае прионогенеза.Амилоидные прионные агрегаты, в отличие от неинфекционных амилоидов,расщепляются на олигомеры (рис.4, этап 2), каждый из которых являетсяматрицей для присоединения новых мономеров.
Образовавшийся олигомер растѐт23и вновь расщепляется на олигомеры, что приводит к возникновению циклаприонной конверсии (рис. 4). У дрожжей расщепление агрегатов обеспечиваетвозникновение воспроизводящегося цикла прионной конверсии и позволяетмелким агрегатам передаваться в дочерние клетки, то есть стабильнонаследоваться.Поскольку в случае прионизации белок входит в состав амилоидныхагрегатов, это приводит к его полной или частичной инактивации.
Прионнаяинактивация белка может приводить к наследуемому изменению признака уодноклеточных организмов. Именно в этом заключается феномен «белковойнаследственности» впервые сформулированный Ридом Викнером – в случаеприонизации возникает наследуемое изменение признака без каких бы то ни былоизменений в геноме [Wickner, 1994; Wickner et al., 1999].
Кроме того, открытиеприонов привело к констатации ещѐ одного феномена – один и тот же белок видентичных условиях может быть представлен в организме как минимум в двухальтернативных конформациях. Инфицирование организма прионным агрегатом,или возникновение приона de novo, в результате лишь временного повышенияконцентрации белка, вызывает наследуемое у микроогранизмов, или стабильновоспроизводящееся в организме высших эукариот, изменение конформации иактивности белка. В отличие от прионов, неинфекционные патологическиеамилоиды могут поддерживаться только в случае постоянной сверхпродукциисоответствующих белков.
Например, показано, что ряд мутаций, способствующихповышенному уровню секреции амилоидного пептида бета (Aβ), вызываютнаследственные формы болезни Альцгеймера [Goate and Hardy, 2012].Отличие прионов от неинфекционных амилоидных агрегатов удобнопроиллюстрировать на следующем примере – прион [PSI+] (прионная формадрожжевого белка Sup35) стабильно наследуется, поскольку шаперон Hsp104расщепляет прионные агрегаты, обеспечивая тем самым цикл прионнойконверсии [Kushnirov and Ter-Avanesyan, 1998]. Делеция HSP104 или егоинактивация приводит к потере прионных агрегатов, так как в отсутствие этого24шаперона агрегаты продолжают расти, но не расщепляются и крупные агрегатыне передаются в дочерние клетки, то есть становятся неинфекционными[Borchsenius et al., 2001; Kryndushkin et al., 2003; Kushnirov et al., 2007].
В этомслучае, в отсутствие конформационной матрицы (прионных агрегатов) в дочернихклеткахвновь синтезируемыйбелокSup35представленв мономернойконформации. В зависимости от активности Hsp104 белок Sup35 можетформировать в дрожжах как прионные, так и неприонные агрегаты. Такимобразом, как ни тонка грань между прионами и неинфекционными амилоидами,но она существует.Доказать или опровергнуть наличие прионных свойств амилоидовмлекопитающих значительно сложнее. Для того, чтобы утверждать, что однаждыинъецированный агрегат размножается (т.е.
запускает цикл прионной конверсии)необходимо использовать модельных животных или культуры клеток, у которыхисследуемый белокстабильно поддерживается в нормальной клеточнойконформации. Некоторые авторы не могут устоять перед соблазном назватьисследуемый ими амилоид прионом, не имея для этого серьѐзных оснований. Такв целом ряде работ используется следующая логика: условный белок «Х»формирует амилоидные фибриллы in vitro. Добавление этих фибрилл к раствору,содержащему мономеры белка «Х» ускорят процесс агрегации.
На основанииэтих данных авторы делают вывод, что исследуемый белок обладает прионнымисвойствами [Raveendra et al., 2013; Ren et al., 2009; Prusiner, 2013]. В связи сбольшим количеством таких работ нужно отметить, что ускорение процессаагрегациимономеровзасчѐтдобавленияпредсуществующегоагрегатахарактерно для любого амилоида, да и не только амилоида (достаточно вспомнитьиз школьной программы пример с добавлением кристалла соли в насыщенныйраствор). Предполагается, что данные эксперименты доказывают способностьагрегатов к самовоспроизведению, но на самом деле происходит подменапонятий. Самовоспроизведение это увеличение количества агрегатов, а неувеличение их размеров.
Очевидно, что эксперименты, рассмотренные напримерегипотетическогобелка«Х»,доказываютувеличениеразмера25предсуществующихагрегатов,нонесвидетельствуютобихсамовоспроизведении.Амилоидные агрегаты некоторых белков, подобно прионам, могуттранспортироваться из клетки в клетку, в частности, в составе секреторныхвезикул [Joshi et al., 2015; Medina and Avila, 2014]. Более того, показано, чтоинъекцияамилоидныхфибриллбелкавмозгтрансгенныхмышей,сверхпродуцирующих этот белок, может ускорять процесс амилоидогенеза [Eiseleet al., 2010; Morales et al., 2012; Rosen et al., 2012]. Здесь важно сказать, что вусловиях сверхпродукции эти белки могут образовывать агрегаты и без инъекции.В данном случае нельзя утверждать, что именно инъекция приводит к появлениюальтернативной формы белка.
Ускорение амилоидогенеза может быть вызваноростом введѐнных в организм фибрилл.Вместе с тем, совсем недавно были получены доказательства прионныхсвойств амилоидных конформеров белков альфа-синуклеин и tau, агрегациякоторых вызывает нейродегенеративные заболевания. Амилоидные фибриллыбелка альфа-синуклеин, полученные in vitro, при инъекции в мозг мышам дикоготипа, индуцируют нейродегенерацию, связанную с амилоидогенезом [Luk et al.,2012].
Данных о возникновении патологии в результате инъекции полученных invitro фибрилл tau пока нет, но появление агрегатов tau и развитиенейродегенерации были показаны при инъекции мышам дикого типа гомогенатаиз мозга человека, содержащего олигомеры tau и пептида Aβ [Lasagna-Reeves, etal., 2012]. Отметим, что в контроле (без инъекции фибрилл альфа-синуклеина илигомогената, содержащего олигомеры tau) эти белки в мозге мышей дикого типа неагрегируют.26Таблица1.Прионныеиамилоидныесвойстванекоторыхбелковмлекопитающих, агрегация которых вызывает патологию.Индукция амилоидогнегенза у модельных животных врезультате инъекции амилоидных фибриллбезизмененияпоследовательности иуровняпродукциисоответствующегобелка в организмехозяине(прионныесвойства)На фоне сверхпродукции и(или)измененияпоследовательностисоответствующего белка ворганизме-хозяине(амилоидные свойства)БелокПатологияPrPПрионныезаболеваниямлекопитающих++альфасинуклеинБолезньПаркинсона++TauРазличныетаутопатии+*+AAСистемныйамилоидоз АА-+AБолезньАльцгеймера-+HungtingtinБолезньХангтингтона-+Sod1Латеральныйсклероз-+* - В случае с исследованием прионных свойств белка tau, нейродегенерация,связанная с агрегацией tau была вызвана инъекцией белкового лизата из мозгачеловека, умершего от болезни Альцгеймера [Lasagna-Reeves, et al., 2012].Для доказательства прионных свойств необходимо показать, что прифизиологических условиях, без сверхпродукции белка, инъекция его агрегатовприводит к формированию самовоспроизводящихся агрегатов.
Не претендуя наабсолютную истину, мы будем рассматривать в качестве прионов только те27амилоиды млекопитающих, для которых чѐтко доказаны инфекционные свойстваи способность агрегатов к воспроизведению (см. Табл.1).1.3.Функциональные и патологические амилоиды1.3.1. Функциональные амилоидыВ качестве функциональных амилоидов наибольшую известность получилибелкиспидроинифиброин,являющиесяосновнымикомпонентамисоответственно паутины и шѐлка, из которого состоят домики куколок тутовогошелкопряда и некоторых других видов насекомых.
До сих пор структура этихприродных амилоидов почти не охарактеризована. Процесс образования данныхамилоидных фибрилл происходит в секреторных железах за счѐт быстрогоснижения pH и обезвоживания секрета желѐз [Kenney et al., 2002]. Фиброин на80% состоит из глицина, аланина и серина. Бета слои формируютсяповторяющейся последовательностью (Gly-Ala-GIy-AIa-GIy-Ser)n [Ruan et al.,2008]. В случае спидроина бета структуры формируют повторяющиесяпоследовательности аланина, расположенные в центральной части белка[Humenik et al., 2015].Функциональные амилоиды обнаружены также у бактерий [по: Syed andBoles, 2014]. Большинство из них является необходимым компонентомэкстраклеточнойбиоплѐнки,котораясоединяетклеткибактерийприопределѐнных условиях внешней среды.
Помимо этого, некоторые бактериисекретируют амилоидные олигомеры, токсичные для клеток организма-хозяина,клеток грибов, или для других бактерий. Примеры охарактеризованныхбактериальных амилоидов приведены в таблице 2 [по: Syed and Boles, 2014].Микроцин E492 в амилоидной изоформе выполняет как минимум две функции.Продукция этого белка и его секреция в виде амилоидных олигомеров отмеченана стадии экспоненциального роста культуры Klebsiella pneumoniae. Олигомерытоксичны для клеток организма – хозяина, а при понижении pH олигомеры28собираются в нетоксичные амилоидные фибриллы, которые необходимы дляформирования биоплѐнки. Этот процесс обратимый – при повышении pHфибриллы вновь расщепляются на токсичные олигомеры [Biéler et al., 2005].Таблица 2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
