Губкообразная энцефалопатия крупного рогатого скота

Неизвестно, чем  бы это все закончилось, если бы в 1982г. молодой американский биохимик из Сан-Франциско Стэнли Прузинер не подошел к решению этой проблемы как биохимик. Он взял мозговую ткань  зараженных хомяков (в мозге которых  накапливается наибольшая концентрация инфекционного агента) и постепенно начал её чистить, одновременно строго следя за сохранением инфекционной способности.

Оказалось, что  инфекционность связана с низкомолекулярным белком, не содержащим никакой нуклеиновой кислоты. Это было открытие нового класса инфекционных агентов, принципиально отличающихся от простейших, бактерий, вирусов и даже вироидов. Все известные доныне инфекционные агенты, к какому бы классу они ни относились, обязательно содержат одну из двух нуклеиновых кислот, а иногда и обе одновременно. И даже простейшие из них - вироиды, которые в противоположность вирусным частицам и вовсе лишены белковой оболочки, - и те представлены изолированной молекулой рибонуклеиновой кислоты, обладающей инфекционностью.

В чем же загадка  инфекционного белка, открытого  С. Прузинером? Он лишен нуклеиновых  кислот, но одновременно, как выяснилось, обладает свойствами, не наблюдающимися у других возбудителей инфекционных заболеваний. Грандиозность этого  открытия была такова, что сразу  его даже не смогли по достоинству  оценить. Лишь в 1997г., через 15 лет, С. Прузинер получил Нобелевскую премию "за открытие прионов" (обнаруженный им белок он назвал "инфекционный прионный белок ").

б) Что такое прион?

Прионы представляют собой беспрецедентный класс  инфекционных агентов, составленных только из измененных белковых молекул хозяина. Прионы не содержат нуклеиновых кислот и, таким образом, отличаются от всех известных микроорганизмов, таких  как бактерии, грибки, вирусы и вирусоподобные частицы. После многократных пассажей в культуре было доказано, что патогенные прион-протеины, способные к трансмиссии, являются мутантами клеточной изоформы нормального прион-протеина. К настоящему времени установлено 18 различных мутаций человеческого гена PrP, которые связаны с различными прионовыми болезнями.

Прион-протеин (PrP) представляет собой сиалогликопротеид  с молекулярной массой 33000-35000 дальтон, кодируемый единственным геном, расположенным  у человека в 20 хромосоме. Он состоит  у человека приблизительно из 254 аминокислот, включая 22-членный N-терминальный сигнальный пептид. Прион PrP-с найден у всех млекопитающих. Его жизненный полупериод составляет несколько часов, но он хорошо сохраняется в течение развития. Прионы очень устойчивы к различным физико-химическим воздействиям (табл. 1).

Таблица 1 Характеристика устойчивости прионов к различным  воздействиям

Прионы устойчивы  к кипячению в течение 30-60 мин, высушиванию до 2 лет, замораживанию  в 3 раза больше, чем известные вирусы, химической обработке спиртами, формальдегидом, кислотами, к УФ-облучению, гамма-излучению, гидролизу ферментами. Наиболее эффективные воздействия оказываются в дозах, которые денатурируют практически все белки. Иначе говоря, из всего живого прион погибает последним.

PrP-с входит  в состав наружных клеточных  мембран, связан с внешней поверхностью  клеток якорем гликолипида и  участвует в эндоцитозе и катаболизме  клеток. Несмотря на то, что самый  высокий уровень концентрации PrP выявлен в нейронах, его могут  синтезировать и многие другие  клетки организма. Роль нормального прион-протеина (PrP) у здоровых индивидуумов еще до конца неизвестна. Прион-протеин необходим для нормальной синаптической функции. Предполагается, что прионы принимают участие в межклеточном узнавании и клеточной активации. Некоторые считают, что их функцией является подавление возрастных процессов и поэтому прионовые болезни сходны по своим клиническим и морфологическим характеристикам с геронтологическими заболеваниями.

Установлено также, что клеточный прионный белок  поддерживает так называемые "циркадианные ритмы" (от латинских слов "circa" - около и "dies" - день), то есть околосуточные  ритмы активности и покоя в  клетках, тканях, органах и в организме  в целом. Те, кто совершал дальние  перелеты (например, из Москвы на Дальний  Восток или в Вашингтон), хорошо знают: перелетев из одного часового пояса  в другой, трудно войти в новый  ритм. Клеточный прионный белок играет роль своеобразного успокоителя, с  определенной (околосуточной) периодичностью тормозя активность клеток, тканей и организма в целом. В этом нетрудно убедиться, если искусственным  образом (такие опыты уже есть) снизить или вовсе лишить, к  примеру, мышку, способности вырабатывать в организме нормальный прионный белок. Спустя некоторое время, у  нее резко сокращается период сна, а затем животное и вовсе  погибает от развившейся бессонницы.

Прион-протеин (PrP) существует в двух формах:

в виде нормальной, неинфекционной формы, которая встречается  в головном мозге как в норме, так и у инфицированных больных. Эта форма обозначается как клеточный прион-протеин, или PrPc;

изоформа, или PrP-Sc (от "scrapie" — болезнь овец), которая  является патологической, инфекционной формой и накапливается в головном мозге только у больных людей  и животных, страдающих губкообразной  трансмиссивной энцефалопатией.

Классификация. В настоящее время у человека известны две группы заболеваний, вызываемых прионами:

губкообразные трансмиссивные энцефалопатии;

губкообразный миозит с прион-ассоциированными включениями.

Наиболее изученными на сегодняшний день являются губкообразные  трансмиссивные энцефалопатии.

Патогенез прионовых энцефалопатий.

Исходя из установленного факта, что прионовые болезни  уникальны с генетической и инфекционной точки зрения, Прюзинер предложил  в 1991г. современную концепцию патогенеза губкообразных трансмиссивных энцефалопатий. Суть ее состоит в том, что человек  может быть инфицирован прионами двумя способами:

наследственная  передача по Менделю (аутосомно-доминантный  тип наследования). Однако это не prima facie наследование, а последовательное через предварительную генную ауторепликацию инфекционного агента

трансмиссия инфекционного  агента алиментарным или ятрогенным путем.

Прионовые заболевания  являются одновременно и инфекционными, и наследственными болезнями. Они  могут быть и спорадическими в  том смысле, что имеются случаи, в которых не выявляют никакого известного фактора риска, хотя наиболее вероятно, что инфекция была приобретена одним  из двух ранее указанных способов. Исходя из современных знаний, трансмиссия  прионовых энцефалопатий определяется тремя факторами: дозой инфекта, путем инфицирования, видовым барьером.

Доза инфекционного  агента, полученная хозяином, зависит  от количества ткани инфекта и  его вирулентной способности (инфекционный титр). Но необходимо всегда помнить, что  при повторной экспозиции обязательно  существует риск кумулятивного эффекта.

Путь инфицирования  прионами играет важную роль в развитии заболевания и имеет свою определенную иерархию. По степени значимости пути инфицирования можно распределить в такой последовательности:

интрацеребральный

интравенозный

интраперитонеальный

подкожный

оральный

В качестве примера  зависимости от дозы и пути поступления  инфекта служат эксперименты, которые  показали, что доза, необходимая  для заражения прионами мышей  при оральном пути должна быть в 200 000 раз выше, чем при интрацеребральном.

При попадании  инфекционного прионного белка  в здоровый организм в нем начинается следующее (рис.3): в результате соединения одной молекулы инфекционного прионного  белка (РrРSс) с одной молекулой клеточного (нормального) прионного белка (РrРС) в молекуле последнего происходят пространственные изменения. А именно: две из четырех спирально завитых структур в молекуле клеточного прионного белка (А) вытягиваются. Именно это пространственное изменение приводит к тому, что молекула такого белка становится инфекционной: РrРSс + РrРС = 2 РrРSс и так далее...

рис.3. Размножение  прионов в клетках

Таким образом, в отличие от всех известных инфекционных агентов, инфекционный прионный белок  не синтезируется заново, а накапливается  исключительно за счет превращения  нормального клеточного белка в инфекционный.

Видовой барьер.

Трансмиссия прионовых  губкообразных энцефалитов у  лабораторных и диких животных длительное время является предметом многочисленных исследований. Замечено, что при  первом проявлении болезни у определенного  вида животных время инкубации очень  длительное, тогда как после первого  же пассажа новому хозяину в пределах этого же вида, оно сокращается. В  последующих пассажах оно уменьшается  еще больше до тех пор, пока не достигнет  стабильного периода, характерного для данного вида. Эта устойчивость к прионовой инфекции у различных  видов получила название "видовой  барьер". Установлено, что для  преодоления видового барьера и  распространения заражения внутри самого вида необходимы очень высокие  дозы инфекта. Однако исследователи  обратили внимание на тот факт, что  при одинаковой дозе инфекта трансмиссивность подострых губкообразных энцефалитов  в одних случаях (например, скрепи овец) зависит от источников агента, а в других — сразу и от вида донора, и от вида реципиента.

Обнаружено, что  при различных способах введения патологических прионов через различные  периферические пути, включая брюшную  полость, желудок, инфекционный агент  сначала появляется в клетках  лимфоретикулярной системы миндалин, тимуса, лимфатических узлов и, особенно, селезенки. В первую очередь инфект определяется в B-клеточных зонах.

Авторы показали, что дифференцированные B-лимфоциты  принимают участие в нейроинвазии прионов. Это, по их мнению, может иметь  значение для предупреждения болезни и использовано в терапевтических целях.

При алиментарном заражении прионы в Пейеровых  бляшках тонкой кишки проникают  через клеточные мембраны во внутренние структуры лимфоидных клеток, откуда в дальнейшем они попадают в другие органы иммунной системы: лимфоузлы, селезенку, миндалины и др. В этих органах  возможна частичная репликация прионов. Предполагается, что дендритные клетки являются пермиссивными для периферической репродукции прионов. Из органов  иммуногенеза прионы по нервам достигают  ближайших аксонов. В области  аксона может происходить их значительная репликация. При достижении критической  концентрации прионы продвигаются по направлению к спинному, а затем  головному мозгу.