Рис. 7.8. Неправильный фолдинг преобразует нормальные белки-предшественники в прионы, которые формируют токсичные агрегаты в мозге.
Рис. 7.9. Три возможных точки вмешательства с целью предотвращения или обращения неправильного фолдинга белка.
Поразительные выводы Прузинера о прионах – что они способны воспроизводиться и заражать другие клетки, хоть и не содержат ДНК, – поначалу натолкнулись на сопротивление внушительной части научного сообщества. Однако в 1997 году, через 15 лет после открытия этих самовоспроизводящихся белков неправильной формы, Прузинер получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине. В 2014 году он написал книгу о своих переживаниях и работе в те годы:
Я написал эту книгу из страха, что ни историки науки, ни журналисты не сумеют без искажений поведать о моих исследованиях. Здесь же я от первого лица описываю свои рассуждения, эксперименты и сопутствующие события, которые привели к обнаружению инфекционных белков, или “прионов”, как я их назвал. Я попытался изложить все то, что теперь кажется дерзким планом по определению агента, вызывающего почесуху – распространенную на скотных дворах болезнь с загадочной на тот момент этиологией. Не раз я пугался, что получаемые данные заведут меня в тупик. Несмотря на свою увлеченность проблемой, я боялся провала и ощущал мучительную тревогу чуть ли не при каждом новом повороте. Да решаема ли вообще эта проблема? Поскольку успехи были скромными, целый легион скептиков сомневался как в целесообразности моих исследований, так и в моем научном таланте. Да, порой лишь наивность и энтузиазм не давали мне опустить руки. Скептические и часто враждебные реакции многих представителей научного сообщества на открытие прионов отражали сопротивление глубинному изменению мышления. Прионы воспринимались как аномалия: они размножаются и заражают, не имея генетического материала – ни ДНК, ни РНК, а следовательно, требуют радикального пересмотра наших представлений о биологическом мире. Последствия открытия прионов грандиозны – и их становится все больше. Выявление их причинной роли в развитии болезней Альцгеймера и Паркинсона значительно повлияло на диагностику и лечение этих распространенных и неизменно смертельных заболеваний101.
Генетические исследования болезней, связанных с нарушением фолдинга белка
Плодовая мушка дрозофила представляет собой великолепную беспозвоночную животную модель. Опыты на ней впервые поставил Томас Хант Морган из Колумбийского университета, изучая роль хромосом в наследственности. Затем Сеймур Бензер с ее помощью занялся генами, задействованными в поведенческих реакциях. Он обнаружил, что гены работают сообща в сложных сетях, называемых генетическими путями.
В развитии многих болезней у плодовых мушек и людей участвуют общие гены и даже общие генетические пути. Ученые используют эти общие, эволюционно стабильные черты, чтобы добыть важнейшие сведения о человеческих болезнях, включая неврологические расстройства. Одно из преимуществ использования дрозофил состоит в том, что они сильно ускоряют исследовательский процесс. Если у людей такие патологии, как болезнь Паркинсона, проявляются через десятки лет, то у мушек этот процесс занимает всего несколько дней или недель. Ключевой для болезни Паркинсона мутантный ген, synuclein alpha, или SNCA, впервые идентифицировали именно у плодовой мушки (рис. 7.10).
Болезнь Паркинсона обычно развивается спонтанно, и ее причины до сих пор не установлены. Однако известно о влиянии на ее развитие нескольких факторов, включая гены пациента (определенные генетические варианты предположительно повышают риск развития болезни Паркинсона) и воздействие некоторых токсинов. При редких наследственных формах болезни мутации гена SNCA приводят к избыточному накоплению белка альфа-синуклеина в мозге, к его неправильному фолдингу или и к тому, и к другому. Поскольку в мозге всех страдающих болезнью Паркинсона, даже если она не передалась им по наследству, находят одну из этих белковых аномалий или сразу обе, ученые заключили, что мутантный ген может рассказать о некоторых общих аспектах болезни.
Оказалось, что кодируемый мутантным геном белок и есть основной компонент телец Леви. Таким образом, тельца Леви – это токсичные агрегаты, которые образуются внутри нейронов из-за неполадок фолдинга альфа-синуклеина.
Исследователи вживили мутантный ген SNCA в производящие дофамин нейроны дрозофилы и стали наблюдать за происходящим. Они знали, что дофамин необходим для контроля работы мышц, а из-за недостатка дофамина возникают дрожательные и другие аномальные движения, характерные для болезни Паркинсона. Ученые обнаружили, что вживление мутантного гена мешало производящим дофамин нейронам нормально работать. В результате мушки демонстрировали поведенческие реакции, поразительно напоминающие симптомы болезни Паркинсона у людей102.
И у людей, и у мушек есть консервативные молекулярные пути, называемые путями молекулярных шаперонов[80]. Они помогают белкам принимать положенную им форму, а порой даже “переигрывать” неправильный фолдинг. Помогая белкам правильно сворачиваться, шаперонные пути предотвращают их агрегацию. Ученых заинтересовало, что случится, если дать мушкам больше ассистирующих белков, работающих на этих путях. А вдруг большое количество помощников поддержит правильный фолдинг альфа-синуклеина и жизнедеятельность дофаминергических нейронов?
Рис. 7.10. Мозг плодовой мушки с нормальным альфа-синуклеином (вверху); с альфа-синуклеином, производимым по инструкции мутантного гена (в центре); с таким же мутантным белком, но в присутствии белка-помощника Hsp70, который способствует нормальному рефолдингу (внизу). Производящие дофамин нейроны отмечены стрелками.
И действительно, добавление белков-помощников спасало нейроны, производящие дофамин. Как оказалось, белкишапероны защищают организм и от развития двигательных расстройств: мушки с мутантным геном SNCA плохо ползают, однако их сородичи с такой же мутацией и сверхэкспрессией генов шаперонов ползают нормально. Тот же подход работает при моделировании других нейродегенеративных заболеваний (которых уже известно немало) на плодовых мушках, а в случае некоторых патологий и на мышах, что еще раз иллюстрирует ценность животных моделей для изучения человеческих болезней.
Заглядывая в будущее
Болезни Паркинсона, Хантингтона, Альцгеймера и Крейтцфельдта – Якоба, лобно-височная деменция и хроническая травматическая энцефалопатия по-разному влияют на наше мышление и поведение, эмоции и память. Тем не менее мы знаем, что эти и другие нейродегенеративные заболевания имеют общий молекулярный механизм: неполадки в фолдинге белков в конце концов убивают нейроны.
Мы знаем, что функции каждого белка определяются его уникальной формой, которую он принимает в ходе исключительно точного процесса фолдинга. Следовательно, выраженные различия симптомов болезней, связанных с нарушением фолдинга, объясняются изменениями формы специфических белков, отвечающих за определенные функции в мозге. Как мы видели, гибель производящих дофамин нейронов, обусловленная неправильным фолдингом белка, приводит к развитию болезни Паркинсона. Мутации гена, наводняющие его продукт глутаминами, ведут к появлению неправильно свернутых белков, которые комкуются в мозге и вызывают болезнь Хантингтона, а также несколько других заболеваний нервной системы. Самовоспроизводящиеся белки с аномальной пространственной организацией, известные как прионы, вызывают образование токсичных клубков, характерных для болезни Крейтцфельдта – Якоба и родственных расстройств, и могут даже служить инфекционными агентами.
Сейчас нет препаратов, замедляющих дегенерацию мозга, но глубокая стимуляция мозга может “успокаивать” нейронные сети, ответственные за неконтролируемые движения, и облегчать тем самым симптомы болезни Паркинсона. Текущие исследования генетических предпосылок и молекулярных механизмов неврологических расстройств могут снабдить ученых точками приложения усилий по предотвращению или обращению дефектного фолдинга белков. И, как мы видели, генетические исследования животных моделей уже начинают приближать нас к этой цели.
Глава 8Взаимодействие сознательных и бессознательных эмоций: тревожность, посттравматический стресс и проблемы с принятием решений
Делая покупки в супермаркете или болтая с незнакомцами на вечеринке, мы бессознательно полагаемся на эмоции, которые должны помочь нам разобраться в ситуации. А еще мы бессознательно полагаемся на эмоции, когда принимаем решения. Эмоции – это состояния готовности, которые возникают в нашем мозге в ответ на происходящее вокруг. Они обеспечивают нам необходимую обратную связь с миром и подготавливают почву для действий и решений. В главе 3 мы рассматривали эмоции в контексте настроения, нашего личного темперамента – в частности, мы выясняли, что нам рассказала о чувстве самости биология расстройств настроения. В этой главе мы разберем природу эмоций – их сознательные и бессознательные компоненты – и узнаем, насколько важную роль эмоции играют в остальных аспектах нашей жизни.
Наш мозг имеет систему поведенческого приближения и избегания, которая подталкивает нас искать все то, что пробуждает приятные эмоции, и избегать того, что ранит или пугает. В этой главе мы узнаем, опираясь на эксперименты с животными, как мозг регулирует эмоцию страха, и выясним природу человеческих тревожных расстройств – особенно посттравматического стрессового расстройства, представляющего собой экстремальную реакцию страха. Изучая эти расстройства, ученые выясняют, где в мозге зарождаются эмоции и как они контролируют наше поведение. В этой главе мы поговорим и о новых подходах в лекарственной терапии и психотерапии тревожных расстройств.