матрица информации — ДНК. Ведь если самовоспроизводящейся матрицы нет, то синтезированные путем драконовских опытов аминокислоты и даже пептиды ни к чему: как они могли реплицироваться сами собой? Даже если они и образовывались на «первичной Земле», то так и оставались там одинокими.
Тогда придумали гипотезу «жизнь без нуклеиновых кислот» — коацерватные капли и микросферы. Согласно ей, первыми информационными молекулами были белки и первые примитивные клетки функционировали без нуклеиновых кислот и без генетических систем. А.И. Опарин (и вместе с ним некоторые биогенетисты-эволюционисты Запада) предположил, что первые «клетки» появились в тот момент, когда вокруг одной или нескольких макромолекул белков, обладавших ферментативной (каталитической) активностью, возникла некая отгораживающая их от среды граница, или мембрана. Одно из следствий этой гипотезы состояло в том, что генетический аппарат, обеспечивающий точное воспроизведение клеточных катализаторов, возник на более поздних стадиях биологической эволюции. Эта гипотеза о возникновении «жизни без нуклеиновых кислот» до сих пор все еще поддерживается некоторыми сторонниками самозарождения живого [5].
Понятно, что приведенный бред, не имеющий никаких оснований ни в законах природы, ни в свойствах живой материи, не поддерживался даже большинством биогенетистов, которые стали придумывать, как лучше объяснить «самозарождение» матрицы ДНК.
Но тут-то и подоспела «самореплицирующаяся» белковая частица скрепи. Биогенетисты ухватились за нее: вот, де, белок, а самовоспроизводится. Радостно оповещали об этом (см., например, старую, но исчерпывающую монографию [1]).
Время показало, что они, мягко говоря, не правы. Стэнли Прузинером было обнаружено, что эта частица вовсе не «самовоспроизводится». Эта частица — просто измененный белок, который в норме присутствует в клетках. И инфицирующий агент просто трансформирует такие же, но нормальные белки, в подобные ему, инфицирующему (подробно будет в разделе 2.3).
1.3. Исследования С. Прузинера
В научной статье [3] (“Chem. and Eng. News”) сказано следующее: «В 1982 г. Стэнли Прузинер — профессор нейрохимии Калифорнийского университета в Сан-Франциско, показал, что нуклеиновые кислоты не связаны с инфекционным агентом скрепи». Это статья 1998 г. [3]. Да, забыли, забыли на Западе, что все это показали еще англичане в 1960-х гг. (см. выше). Вот так-то друг…
Прузинер назвал инфекционный агент «Прион» (“Prions”), что расшифровывается как “proteinaceous infection particles” — белковоподобные инфекционные частицы. Затем он выделил этот белок (что, конечно, похвально и трудоемко весьма) и клонировал кодирующий его ген (и это крайне сложно и важно) [3, 4].
Далее С. Прузинер исследовал причины возникновения не только скрепи, но и так называемого «бешенства» коров (ГЭ КРС), появившегося в 1980-х гг. в Великобритании и передававшегося людям (см. главу 3). И пошло, и поехало его исследование. Короче, прионные заболевания стоили человечеству двух Нобелевских премий: одну в 1976 г. получил Дэниэл Карлтон Гайдушек (D.C. Gajdusek) из США за то, что обнаружил причины болезни папуасов кýру (см. главу 3), а другую, в 1997 г. — С. Прузинер за «открытие принципиально нового типа инфекций» — прионных [2–4].
Вот основные положения прионной гипотезы С. Прузинера:
Прионы представляют собой «мелкие белковые инфекционные частицы, резистентные к инактивирующим и модифицирующим нуклеиновые кислоты процедурам и содержащие аномальную изоформу клеточного белка, который является основным и необходимым компонентом клетки» [3, 4, 6].
В настоящее время С. Прузинер активно разрабатывает способы лечения БКЯ — прионного заболевания людей, связанного с употреблением в пищу «бешеных» коров. Про БКЯ и про то, насколько он преуспел в этом, мы расскажем ниже в главах 3 и 6.
2.1. Прионы — нормальные белки в нормальных клетках
Первоначально введенный С. Прузинером термин «прион», как мы уже видели, относился именно к инфекционной частице. Позже оказалось, что собственно инфекционная частица является широко распространенным в клетках белком, однако с измененной вторичной структурой. И, поэтому, термин дифференцировали на два, согласно чувствительности к обработке протеолитическими ферментами: PrPsen — нормальный прион (чувствительный к протеазам), и PrPres — инфекционный, измененный прион, резистентный к протеазам [3, 4].
Чем же они отличаются? Сначала надо вспомнить школьный курс биологии старших классов, а именно: структуру белка.
Молекулы белка представляют собой длинные цепочки из остатков аминокислот, соединенных пептидной связью; они имеют определенную пространственную организацию. Различают четыре уровня такой организации.
Первичная структура белка — это его аминокислотная последовательность, т. е. порядок чередования аминокислотных остатков в молекуле.
Вторичная структура белка отражает конформацию молекулы: скручивание в пространстве. Одна из наиболее распространенных форм — a-спираль. Это спираль, удерживаемая водородными связями между витками (по 3,7 аминокислоты на виток). Помимо этого в молекуле встречаются участки с жесткими β-структурами (или β-слоями), также характеризующиеся образованием связей между остатками аминокислот. Представить себе в воображении, как формируются β-структуры, трудно и не нужно. Скажем только, что такие структуры («параллельные» и «антипараллельные» слои) ответственны за изгибы и жесткость молекулы.
Третичная структура белка связана с трехмерной конфигурацией уже скрученной (спирализованной) молекулы в пространстве. Она обусловлена связями между находящимися вдали друг от друга остатками аминокислот и формирует доменную структуру (все те же спирали, но изогнутые или запутанные на еще более высоком уровне).
Четвертичная структура белка образуется за счет взаимодействия между разными молекулами, являющимися частями белка (его субъединицами) и характерна для сложных больших белков — гемоглобина, альбумина и др.
Каждый белок имеет свою постоянную неизменную структуру [7].
Нормальный прион есть нормальный белок клеток. Это гликопротеин (т. е., с фрагментом углевода). Идентифицированы и кодирующие его гены, причем для самых разных биологических объектов — от мышей до человека. PrPsen обнаружен во многих тканях организма [3, 4, 8, 9]. Однако нормальная функция его так до конца и не известна. Предполагают следующее:
1) Участии в транспорте и депонировании ионов меди (кофакторов ряда ферментов), поскольку прион имеет связывающий участок для Cu2+. У мышей с делецией в соответствующем гене (иными словами, с дырой в ДНК в месте гена приона) наблюдается снижение уровня меди в организме [3].
2) На культурах клеток (in vitro) показано, что прион может участвовать в регуляции и уровня кальция [8, 9].
3) Множество молекул прионов находится на поверхности нервных клеток и есть гипотеза, что прионы необходимы для выполнения указанными клетками своих функций.
Данные литературы, однако, на этот счет противоречивы. Так, в одной из работ при исследовании линии мышей с заблокированным геном приона (то есть, у которых не вырабатывается этот белок) никаких отклонений от нормы при развитии животных не обнаружено [3]. Это научное исследование 1998 г. В другом же источнике (из Сети) указывается, что у мышей, дефицитных по гену приона, наблюдается гибель клеток Пуркинье в мозжечке, гибель нейронов и, соответственно, нарушение координации и нервные патологии [10].
Сразу скажем, что изучение особенностей выведенных линий мышей, которые дефицитны по тому или иному гену, ныне — обычный подход при изучении функций кодируемого этими генами белка. И то, что мыши способны нормально развиваться без синтеза кодируемого белка отнюдь не значит, конечно, что белок «не нужен» организму. Просто термин «нормальное развитие» не совсем верен. Надо говорить «нормальное» по таким-то использованным критериям (все учесть невозможно). Однако если бы у мышей, дефицитных по гену приона, действительно отмирал бы мозжечок, то, конечно, это не укрылось бы от внимания ни одного исследователя. И нам, все-таки, остается более доверять работе [3], чем сведениям, полученным на сайте интернета [10].
Исходя из изложенного, делаем следующие выводы:
1) Прионы присутствуют во многих клетках организма и в особенности распространены в нервных тканях;
2) Функция нормальных прионов не ясна.
Поговорим о свойствах нормального приона. Есть ли отличия от других клеточных белков? Нет, он ничем не замечателен. Прион гидролизуется протеазами (ферментами, переваривающими белки), денатурирует при нагревании, инактивируется глутаровым альдегидом, формалином и т. п. Пространственная конфигурация молекулы приона на 42 % представлена нормальной a-спиралью и только на 3 % — β-структурами (изогнутые зигзагообразные участки молекулы). Наличие значительного количества участков с a-структурами делает прион (как и подавляющее большинство других белков) легко растворимым в водной среде (коей и является среда клетки) [3, 4, 8, 11].
2.2. Инфекционный прион
Молекула такого приона, ничем не отличаясь от нормальной по аминокислотной последовательности (т. е., по первичной структуре), характеризуется аномальной конформацией. В ней несколько меньше участков с a-спиралью — не 42 %, а 30 %, но много больше β-структур — не 3 %, а целых 43 % [3, 8, 11].
Такая конформация белковой молекулы ведет к приобретению прионом совершенно чудовищных свойств, если сравнивать его с другими биологическими молекулами. PrPres нерастворим, резистентен к гидролизу протеазами, не поддается ни формалину, ни глутаровому альдегиду, не инактивируется ни ультрафиолетом, ни ионизирующей радиацией в больших дозах [3, 4, 8, 12]. Кажется удивительным, но аномальный прион не инактивируется в течение 4-х месяцев и более в 20 % растворе формалина [13].