Лекция 6

Прионизация белков как патологические и адаптивные модификации

Эпигенетические феномены не исчерпываются уровнем транскрипции и интерференцией РНК, модификацией ДНК и белков хроматина, а могут быть связаны также и непосредственно с белками, функционирующими в цитоплазме и других компартментах эукариотической клетки.

(См. курс Аленина В.В.)

Напомнить открытие прионов у млекопитающих: Гайдушек Д.К. в 50-х гг прошлого века. Развитие концепции прионов Прусинером С. (НП 1997). Механизм прионизации как модификация вторичной и третичной структуры белка.

Список прионных заболеваний это – часть амилоидозов, только инфекционные. Добавим сюда: болезни Альцгеймера, Хантингтона, Паркинсона и нек. др.

Белок PrP человека и животных способен перестраивать свою конформацию, обогощаясь β-слоями. При этом не происходит превращения α-спирали в β-слой, как показано на картинке из Прусинера. В действительности β-слои формируются за счет не отрганизованной части полипептидной цепи.

BSE, заразен для человека (141 покойник на 2005), гомозиготного по Met129. Ранее полиморфизм Глутаминовая к-та– Метионин-129 считался нейтральным. Хорошая иллюстрация относительности понятия нейтральных замен.

Эволюция – против прионизации (как правило), поскольку белки при высокой концентрации и в нефизиологических условиях вообще склонны к образованию амилоидов. Пример – образование амилоидов Hbα при перепроизводстве последнего. Есть специальный шаперон-AHsp, который этому препятствует.

В некоторых случаях прионизация обнаруживается как патологическое отклонение от нормы или используется как механизм адаптивных модификаций. Это положение – предмет дискуссий. Одни считают, что прионизация – всегда патология. Другие – что механизм прионизации (или сходный механизм может быть адаптивным. Кроме того, прионизация, видимо, представляет собой вариации на тему широко распространенных механизмов белок-белковых взаимодействий.

События в этой области стали развиваться в ускоренном темпе с открытием прионов грибов, благодаря тому, что эти прионы – наследственные факторы белковой природы. Это обстоятельство позволило применить методы молекулярной генетики к исследованию прионогенеза. Кроме того, сам факт «белковой наследственности» заставил по-новому смотреть на роль модификаций на уровне вторичной-третичной структур белков. Это несомненно – модификации в соответствии с принятыми представлениями (ген, ДНК не меняются, а белок модифицируется). Тем не менее, эффект прионизации наследуется, о чем можно судить по фенотипу – нонсенс-супрессии. Эффект прионизации можно видеть с помощью GFP. При этом воспроизводится пространственная конфигурация без изменения первичной структуры.

Прионы грибов (но не млекопитающих) как белковые наследственные факторы (Wickner R, 1994). SUP35 как структурный ген [PSI]. Структура прионизованного белка (M.Perutz на рубеже веков, Каява и др.). Хорошо это или плохо для дрожжей мы не знаем, но прионы дрожжей – отличная модель для исследования механизма явления и для поисков лечения инфекционных и не инфекционных амилоидозов, благодаря тому, что можно генно-инженерными методами переносить прионизующий петид Sup35 на другие белки или наоборот замещать его принными пептидами или амилоидогенными пептидами иного происхождения. В группе А.П.Галкина вместо N-терминальной части Sup35 использованы PrP мыши и Aβ-амилоидогенный белок человека. Такие химеры сохраняют свойства дрожжевого приона, судя по эффекту супрессии.

Существенным вкладом дрожжей в проблему прионов стало обнаружение прионных сетей. Прион [PSI] не возникает у дрожжей, если в клетке не предсуществует другой прион – [PIN] (структурный ген RNQ1), открытый И.Деркач в 1990-е гг. Он нужен для инициации [PSI], но не нужен далее для его «воспроизведения». Конкретная роль [PIN] не расшифрована. Роль [PIN] могут выполнять и другие белки (New1p, Ure2p), либо белки, содержащие участок, сходный по аминокислотному составу с прионогенными доменами уже известных белков-прионов В то же время, [PSI] способствует индукции [PIN]. Существуют ли подобные «протеомные» сети у млекопитающих предстоит выяснить.

Прионизация как адаптивная (модификационная) реакция организма:

Образование стрессовых гранул в цитоплазме клеток млекопитающих на основании прионизации белка TIA, который “собирает” и временно инактивирует пре-инициаторные комплексы (мРНК+40S рибосомные субчастицы без факторов инициации трансляции eIF2, eIF5). При стресс-реакции происходит фосфорилирование eIF2α. Это его инактивирует и инициация трансляционного цикла становится не возможной.

Далее, образуются цитоплазматические стресс-гранулы Этот процесс нарушает делеция N-терминального пептида TIA и восстанавливает присоединение на его место прионизующего пептида от Sup35p.

Белок CPEB (cytoplasmic polyadenilation element binding protein) в нейронах у Aplysia содержит прионизующий домен, заменяющий таковой в дрожжевом Sup35p. Согласно гипотезе сам CPEB, прионизуясь, стимулирует трансляцию мРНК, регулируемых этим белком. Авторы (в том числе Линдквист, опять же) предполагают, что этот механизм вовлечен в обеспечение долговременной памяти.

Линдквист, 2004(Nature. V.431. P.184) рассматривает [PSI] как источник адаптивной модификационой изменчивости, связанный со считыванием нонсенсов, например в мутантных генах, обеспечивающий временное преимущество в выживании, фиксируемый затем за счет мутаций. К этому аспекту вернемся позже.

Прямое отношение ко всем этим проблемам имеет и паутина (спидроин) пауков. Нити паутины образуются благодаря взаимодействию β-слоев, образуемых спидроином. Это уже вполне практический аспект нано-биотехнологии. Уже разработана дрожжевая система, производящая спидроин. Паутина очень прочна. Расчетные данные показывают, что нить паутины, толщиной с карандаш выдерживает удар Боинга.

Здесь нужно говорить о значении и расширении матричного принципа в биологии. О матрицах первого рода, на которые опирается центральная догма Ф.Крика и о матрицах второго рода – конформационных матрицах, примером работы коих и является “воспроизведение” прионов. Оба типа матриц взаимодействуют.

Кроме того, существование прионных сетей отражает организацию протеома как единой системы взаимодействующих белков. Клетка – не мешок с ферментами, а именно система белковых взаимодействий. Ее выявляют различными способами: по соосаждению взаимодействующих белков, по искусственным ковалентным сшивкам, которые индуцируют различными химическими агентами, а также методом использования дрожжевой двугибридной системы. Это, пожалуй наиболее биологически-адекватный метод, хотя и не свободный от ложно-позитивных и ложно-негативных результатов. Прионные сети – частный случай протеомных взаимодействий. К сожалению ничего не известно о том, взаимодействуют ли в растворимой форме те белки, которые взаимодействуют в прионной форме.