УДК 616.831:616:98
С.В. Авилов, С.В. Веревка, к.б.н.
ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ ПРИОНОВОЙ ПРОБЛЕМЫ. II. ТОКСИЧЕСКИЙ ЗАПУСК СПОНГИФОРМНЫХ ЭНЦЕФАЛОПАТИЙ
Институт биохимии им. А.В. Палладина НАН Украины, г. Киев
В бесконечном ряду научных, медицинских и социальных проблем, связанных с уникальным характером спонгиформных энцефалопатий, вопросы этиологии занимают особое место. Несмотря на интенсивные исследования, доказанного и общепринятого объяснения патогенного действия и самовоспроизводства лишенного нуклеиновых кислот переносчика заболевания не существует. Единственное отличие между нормальной (PrPC) и патогенной (PrPSc) формами прионового белка состоит в способе укладки полипептидной цепи, обусловившей ряд отличий их физико-химических свойств, в частности — устойчивости к действию протеолитических ферментов [1]. Совместная инкубация обеих форм приводит к заметному возрастанию протеиназоустойчивости нормального конформера, что легло в основу наиболее распространенного объяснения молекулярных механизмов прионового патогенеза как следствия способности патогенной формы прионового белка перестраивать по своему подобию нормальную клеточную форму [2, 3]. В то же время многочисленные попытки добиться увеличения инфекционного материала (прионового титра) в условиях in vitro оказались безуспешными [4, 5]. Индуцированное же b-структурированной матрицей агрегирование описано для самых разнообразных белков [6] и к формированию патогенной конформации прионового белка может не иметь никакого отношения.
Недоказанность ключевого положения чисто белковой гипотезы, равно как и необъясненность целого ряда свойств спонгиформных энцефалопатий, закономерно привели к возникновению альтернативных объяснений — вплоть до отрицания безнуклеиновой природы инфицирующего агента [7]. И это при том, что доказательство патогенной роли прионового белка может служить примером корректной и высокопрофессиональной проверки идущего вразрез с общепринятыми положениями факта [8].
С другой стороны, отказ от предположения о трансформации клеточной изоформы прионового белка в патогенную вовсе не означает отрицание чисто белковой гипотезы прионового патогенеза. Анализ многочисленных экспериментальных данных позволил обосновать предположение о клеточном характере прионового патогенеза, обусловленного превращением нервных клеток в относительно долгоживущие бридеры — размножители патогенных прионов вследствие прион-опосредованного повреждения шапероновой системы клетки и мембранного фолдинга новосинтезируемого белка в патогенную конформацию [9, 10]. Подобное предположение объясняет многие особенности спонгиформных энцефалопатий, превращая их из биохимической ереси во взаимообусловленную и закономерную последовательность нарушений хорошо известных клеточных процессов. Одно из следствий подобного механизма состоит в возможности безинфекционного запуска прионового патогенеза.
Как известно, протеолитические ферменты играют важную роль в регуляции не поддающегося даже приблизительному подсчету физиологических и патологических процессов. Чрезмерная и физиологически необоснованная активность протеиназ напрямую связана с тяжелейшими заболеваниями — воспалительные процессы, панкреатиты, нарушения в системе гемостаза, онкозаболевания и многие другие [11]. Это закономерно обусловило развитие целого направления терапевтических методов, основанных на ограничении чрезмерного протеолиза введением ингибиторов протеиназ — главным образом основного панкреатического ингибитора трипсина [12]. Однако в ряде случаев использование ингибиторов дает ограниченный эффект либо таковой вообще отсутствует. В силу структурного подобия участков активационных расщеплений белковых проформ и реактивных центров белковых ингибиторов эффективное подавление чрезмерного активационного действия протеиназ требует большого, недостижимого в условиях in vivo, избытка белкового ингибитора [13]. Неизбежно возникают проблемы, связанные с иммунной реакцией организма на чужеродный белок. С другой стороны, заманчивая идея использования низкомолекулярных синтетических ингибиторов протеиназ имеет принципиальное ограничение, связанное с цитотоксичностью легко проникающих сквозь клеточные мембраны и эффективно блокирующих внутриклеточные процессы этих соединений. В частности, из громадного и постоянно пополняемого списка синтетических ингибиторов трипсин-подобных протеиназ до уровня клинического внедрения доведен лишь Аргатробан [14] — смесь производных аргинина, отобранных не по максимальному ингибирующему действию, а по минимально приемлемым побочным эффектам, обусловленным главным образом цитотоксичностью [15].
Недавно появились новые данные, свидетельствующие о еще одной форме токсичности, вернее о существовании молекулярного механизма бесприонового запуска спонгиформных заболеваний. При исследовании антиметастатического действия группы низкомолекулярных ингибиторов тиоловых протеиназ достигнуто высокоизбирательное ингибирование протеасом нервных клеток, что как in vitro (на культуре нейробластомы), так и in vivo — привело к возникновению прион-опосредованного патогенеза [16, 17]. Подобный побочный эффект потенциального медикаментозного средства хорошо коррелирует с ранее высказанным предположением о повреждении шапероновой системы клетки и мембранном фолдинге новосинтезируемого клеточного белка как ключевых моментах спонгиформных энцефалопатий [10].
Основная функция протеасомного комплекса состоит в расщеплении денатурированных белков, своего рода уборке "клеточного мусора". Накопление последнего в сколько-нибудь значительных количествах неизбежно приводит к перегрузке клеточной системы фолдинга белков [18]. Как известно, формирование новосинтезируемого белка в функционально обусловленную конформацию представляет собой сложный внутри- и межмолекулярный процесс, опосредованный взаимодействием формирующейся белковой молекулы с шапероновыми белками клетки. Последние практически нейтральны по отношению к белкам, находящимся в нативной конформации, однако энергично взаимодействуют с денатурированными формами [19, 20]. Обусловленное ингибированием протеасом накопление денатурированных белков равносильно конкурентному ингибированию фолдинговой системы клетки, вследствие чего новосинтезируемый клеточный белок не может получить правильного структурирования. Иными словами, обнаруженный эффект представляет собой еще один способ нарушения фолдинга прионового белка с неизбежным запуском патогенеза. Показательно, что в случае исследований на культуре нейробластомы развитие патологического процесса не прерывалось восстановлением (до 70% от исходной) активности протеасом [16, 17]. Иными словами, единожды инициированный процесс протекает по своим, не зависящим от первопричины, законам.
Неизбежно возникает вопрос — является ли описанный механизм бесприонового запуска спонгиформных энцефалопатий единственным и насколько велика вероятность реализации подобных механизмов в составляющем нашу среду обитания техногенном окружении.
В предыдущей статье рассматривались прикладные аспекты прионовой проблемы — инфекционные свойства патогенного агента, его токсического действия и методы диагностики [21]. Обнаружение возможности бесприоновой инициации спонгиформных энцефалопатий создает новые проблемы и побуждает к более подробному изучению молекулярных механизмов прион-опосредованного патогенеза. Имеющиеся данные позволяют говорить о, по крайней мере, трех не исключающих друг друга видах повреждения клетки патогенной формой прионового белка. Для шапероновой системы клетки PrPSc представляет собой еще один вид денатурированного белка, чем, по-видимому, и объясняется формирование смешанных PrPSc-HSP70 агрегатов [22], равно как и токсичность отдельных фрагментов прионового белка [23]. Способность патогенной формы прионового белка к трансмембранному переносу внеклеточных протеиназ внутрь клетки может не только обусловливать повреждение белков клетки, в первую очередь компонентов системы фолдинга белков, но и вызывать физиологически неуместную активацию проформ внутриклеточных белков — проферментов, профакторов и т.п. Этим, по-видимому, и вызваны как прогрессирующая деградация и гибель нервных клеток, так и сопряженный с прионовым патогенезом астроцитоз [24].
С другой стороны, жизнедеятельность клетки сопряжена с постоянным обновлением ее клеточного состава, причем по времени жизни (и интенсивности биосинтеза) различные белки резко отличаются между собой. Прионовый белок относится к быстродеградируемым и интенсивно нарабатываемым [25], что неизбежно создает проблемы, связанные с его последующим структурированием. Подобно любой биологической системе, емкость фолдинговой системы клетки не беспредельна и по ее превышении новосинтезируемый белок не успевает получить законченного структурирования. Последующее взаимодействие недособранного белка с клеточной мембраной ведет к так называемому мембранному фолдингу и формированию патогенной формы прионового белка со всеми вытекающими отсюда последствиями. Именно это, по-видимому, и происходит в случае спонтанного заболевания трансгенных мышей, оверэкспрессирующий прионовый белок хомяка [26].
Рассмотренные варианты далеко не исчерпывают возможные пути нарушения фолдинга белков с последующим запуском спонгиформного заболевания. Как известно, большинство случаев болезни Крейцфельда-Якоба относится к спорадической форме, что в условиях многолетнего латентного периода заболевания может быть объяснено невозможностью отслеживания передачи инфекции [21]. Основной причиной недавнего всплеска интереса к проблеме спонгиформных энцефалопатий послужила беспрецедентная эпизоотия "коровьего бешенства" в Великобритании, вернее, связанная с ней возможность массового инфицирования населения алиментарным путем, однако никакой корреляции между динамикой развития эпизоотии и числом случаев так называемой новой версии болезни Крейтцфельда-Якоба не обнаружено [27]. Токсический запуск прионового патогенеза вызывает закономерный интерес к альтернативным первопричинам заболевания. Ранее рассматривался фактор риска, связанный с возможным инициированием прионового патогенеза прошедшими мембранный фолдинг белков — своего рода клеточным браком, сплошь и рядом сопровождающим активные продукты трансгенных технологий [28]. Столь же интересны возможные последствия нарушения внутриклеточных процессов фермент-связывающими белками с искусственно созданной способностью к прохождению сквозь клеточные мембраны (нечто подобное в настоящее время проходит клинические испытания [29]). Очевидно также и то, что традиционные методы исследования потенциальных терапевтических средств требуют существенного дополнения — дополнительной проверки в отношении возможности инициирования прионового патогенеза. С другой стороны, в высшей степени перспективным в отношении предотвращения как "обычной", так и прион-опосредованной токсичности является подход, который состоит во всемерном подавлении мембранотропности низкомолекулярных соединений, в частности, посредством ковалентной конъюгации с гидрофильными, высокомолекулярными и малоиммуногенными полимерами [30].
Приведенные соображения позволяют заключить, что любые факторы, нарушающие нормальную работу фолдинговой системы клетки, потенциально опасны в отношении возможности запуска прион-опосредованного патогенеза. В то же время рассмотрение последнего как взаимообусловленной последовательности нарушений известных клеточных процессов позволяет осознать связанный с нарушением клеточного фолдинга белков риск и своевременно предусмотреть возможные способы его предотвращения.
http://www.medved.kiev.ua/arhiv_mg/st_2003/03_4_6.htm
