Геном: автобиография вида в 23 главах
Шрифт:
Вскоре после того как Гиббс заразил шимпанзе куру, стало известно, что обезьяны также чувствительны к БКЯ. В 1977 году ситуация с этими болезнями стала еще более угрожающей. Два случая БКЯ были обнаружены у пациентов, которых незадолго до этого обследовали в одной и той же клинике по поводу эпилепсии. Исследования сопровождались внедрением в мозг электродов, которые до этого использовались при обследовании пациента с БКЯ. Заражение произошло несмотря на то, что электроды были хорошо продезинфицированы после применения. Оказалось, что возбудитель не только невосприимчив к формалину, детергентам, кипячению и ультрафиолетовому облучению, но его невозможно убить даже жесткой стерилизацией хирургических инструментов. Электроды были переданы для изучения и вживлены в мозг шимпанзе. Через некоторое время у обезьян развилась классическая БКЯ. Стало ясно, что БКЯ может быть ятрогенным (передающимся во время врачебного вмешательства) заболеванием; это еще больше обострило эпидемиологическую ситуацию. С тех пор болезнь убила более сотни человек, принимавших по назначению врача гормоны роста, получаемые из гипофиза умерших людей. Поскольку препарат в одном флаконе получается в результате обработки нескольких тысяч гипофизов, несмотря на редкость БКЯ, вероятность
Давайте еще раз перечислим, что было известно о таинственном заболевании к 1980 году. Овцы, норки, обезьяны и люди могут заразиться какой-либо версией одной и той же болезни от вживления в мозг некоего вещества, содержащегося в мозге больного. Инфекционный агент выживает после всех обычных методов стерилизации и остается невидимым для самого мощного электронного микроскопа. При этом инфекция не передается при тесном контакте с больными людьми или при кормлении грудью, не вызывает иммунного ответа, может оставаться латентной в течение от 20 до 30 лет, и для инфицирования достаточно мизерной дозы зараженного материала, хотя вероятность заражения все же зависит от объема введенной дозы. Что бы это могло быть?
Почти забытым остался тот факт, что первые случаи скрепи были описаны у суффолкских овец, и вполне вероятно, что имбридинг привел к появлению и обострению этого заболевания. Постепенно стали появляться факты, что в некоторых случаях (до 6% от всех зарегистрированных случаев) болезнь может носить семейный характер, т. е. передаваться по наследству. Ключ к пониманию скрепи лежал не в руках патологоанатомов, а в руках генетиков. Возбудитель скрепи находился в геноме. Новое поразительное открытие произошло в Израиле. Когда в середине 1970-х годов первые случаи БКЯ были зарегистрированы в этой стране, израильские ученые заметили одну интересную закономерность. Все 14 случаев заболевания были обнаружены у небольшой группы прибывших из Ливии эмигрантов, что в 30 раз превышает случайную вероятность. Сразу же под подозрение попала особенность их национальной кухни, центральное место в которой занимает особым образом приготовленный мозг овцы. Но версия оказалась ложной. Причина была генетической: все заболевшие были отпрысками одной древней семьи. У всех у них в геноме была выявлена мутация, общая для этой семьи и для некоторых других семей в Словакии, в Чили и у ряда американских семей немецкого происхождения.
Мир скрепи представлялся зловещим, загадочным и противоречивым. Одни ученые настаивали на генетической природе заболевания, другие же предлагали революционную, или скорее даже еретическую гипотезу, которая, как казалось на первый взгляд, вела их в противоположном направлении. Еще в 1967 году впервые возникло предположение, что у возбудителя скрепи может не быть ни ДНК, ни РНК. Возможно, это единственный живой организм на планете, который не использует нуклеиновые кислоты и не содержит ни единого гена. В середине прошлого века, когда только что был раскрыт секрет структуры ДНК и Фрэнсис Крик полушутя провозгласил «основную доктрину генетики» — ДНК=>РНК=>белок, — предположение возможности существования организмов без ДНК было таким же нежелательным, как проповеди Мартина Лютера в Риме.
В 1982 году генетик Стенли Прузинер (Stanley Prusiner) предложил свое объяснение парадоксального явления одновременного существования лишенного ДНК существа и вызываемой им болезни, которая тесно связана с геномом человека. Прузинер обнаружил белковые образования, неподдающиеся разрушению обычными протеазами, которые присутствовали в нервных клетках у больных животных, но отсутствовали у здоровых. Выделив белок, ученый определил его аминокислотный состав, рассчитал вероятную последовательность нуклеотидов в гене и постарался найти похожий ген среди генов мыши, а затем в геноме человека. В конце концов Прузинер нашел этот ген, назвал его PRP (protease-resistant protein — устойчивый к протеазам белок) и привел казавшуюся еретической теорию к вратам храма науки. Его теория, которая с годами обрастала все новыми и новыми фактами, гласит: PRP является нормальным геном человека и мышей, и его белок выполняет свои определенные полезные функции у всех организмов. Этот ген не имеет никакого отношения к вирусам. Но его продукт, известный как белок прион, обладает необычными свойствами. Прион может внезапно изменять свою пространственную конформацию, в результате чего он становится «липким» и устойчивым к протеазам клетки. Постепенно этот неправильный белок накапливается в клетке в виде белковых комков, нарушающих работу клетки, и ведет к ее гибели. Теория и так уже получилась революционной, но Прузинер пошел еще дальше. Он предположил, что измененные прионы обладают свойством изменять форму обычных прионов, преобразуя их в себе подобных. При этом не изменяется последовательность аминокислот в белке или последовательность нуклеотидов в гене, но меняется способ свертывания аминокислотной нити белка в трехмерную структуру [191] .
191
Prusiner S. B., Scott M. R. 1997. Genetics of prions. Annual Review of Genetics 31: 139–175.
Оказалось, что прионы не единственны в своем роде. Были открыты некоторые другие белки, конформационные изменения которых не только ведут к патологическим изменениям их собственных функций, но измененные белки также катализируют аналогичные изменения в нормальных белках. Возникает цепная реакция, ведущая к гибели нервных клеток и, как следствие, к нейродегенеративной болезни. К таким белкам относится медь/цинк-зависимая
Семена теории Прузинера попали на каменистую почву. Надо признать, что данная теория не могла адекватно объяснить некоторые особенности скрепи и других подобных болезней, в частности, почему заболевание, вызываемое одним и тем же белком, имеет такие разные проявления. Как грустно отмечал сам Прузинер, «гипотеза вызвала мало энтузиазма». Я очень хорошо помню то пренебрежение, с каким эксперты в области скрепи воспринимали новую теорию Прузинера, когда я задавал им вопрос об их отношении к данной гипотезе. (Я как раз готовил статьи о прионах и интересовался мнением разных ученых.) Но затем стали появляться новые факты, подтверждающие версию Прузинера. Например, стало известно, что мышей с удаленным геном приона невозможно заразить ни одной из этих нейродегенеративных болезней, тогда как всего нескольких измененных молекул прионов было достаточно, чтобы вызвать болезнь у контрольных мышей. Таким образом, болезнь вызывается измененными прионами и передается с их помощью. Прузинер получил всеобщее признание и, вслед за Гайдучеком, поехал в Стокгольм за Нобелевской премией. Тем не менее следует признать, что в чаще прионового леса осталось немало завалов и несрубленных деревьев. Сами прионы все еще остаются тайной, и основная загадка состоит в том, зачем вообще они существуют в природе. Ген PRP не только присутствует во всех изученных геномах млекопитающих, но и оказался весьма консервативным геном, мало изменившимся в ходе эволюции. Это указывает на то, что в организме белок выполняет очень важную функцию. Данная функция наверняка связана с работой мозга, поскольку экспрессия гена включается именно в этом органе. Работа приона может быть связана с обменом ионами меди, которые имеют с белком близкое сродство. Но из эмбриона мыши с удаленными обеими копиями гена вырастает нормальная мышь. Следовательно, какой бы важной ни была функция приона, организм мыши может обойтись без этого гена. Пока нет ни одной правдоподобной гипотезы, которая связывала бы этот потенциально опасный ген с какой-либо полезной для организма функцией [192] .
192
Brown D. R. et al. 1997. The cellular prion protein binds copper in vivo. Nature 390: 684–687.
Данные последних лет заставляют нас удивляться не только зловредности прионов, но и многообразию их положительных функций в организме. (Естественно, положительные функции проявляются только тогда, когда прион находится в нормальной конфигурации.) Оказалось, что без прионов невозможна регенеративная работа стволовых клеток (Couzin J. 2006. The prion protein has a good side? You bet. Science 311: 1091), без них невозможно правильное развитие центральной нервной системы (Steele A. D. et al. 2006. Prion protein (PrPc) positively regulates neural precursor proliferation during developmental and adult mammalian neurogenesis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA 103: 3416–3421), а мутация, связанная с заменой валина метионином в 129-й позиции белка приона, существенно влияет на память (Papassotiropoulos A. et al. 2005. The prion gene is associated with human long-term memory. Human Molecular Genetics 14: 2241–2246).
От смертельной болезни нас отделяет всего одна или несколько мутаций. Ген PRP человека содержит 253 «слова», каждое длиной в три буквы. Из них первые 22 или последние 23 слова обрезаются сразу же после окончания синтеза белка. Мутации в четырех точках гена ведут к возникновению прионового заболевания, причем каждая мутация связана только со своей определенной формой болезни. Например, замена в 102-й позиции пролина лейцином вызывает болезнь Герстмана-Штраусслера-Шейнкера — наследуемая версия хронического нервного заболевания, ведущего к смерти в преклонном возрасте. Замена 200-й аминокислоты — лизин вместо глутамина — ведет к версии БКЯ, обнаруженной у ливанских евреев. Замена аспартата аспарагином в позиции 178 является причиной классической БКЯ. Но в дополнение к последней мутации может произойти еще замена валина метионином в 129-й позиции белка приона, что ведет к самому мучительному из всех прионовых заболеваний — фатальной семейной инсомнии. Это заболевание является довольно редкой формой наследуемой генетической болезни, при которой больной умирает после нескольких мучительных месяцев бессонницы. При фатальной семейной инсомнии происходит разрушение таламуса (зрительного бугра), который, среди многих прочих функций, отвечает за чередование бодрствования и сна. Скорее всего, различия в симптомах разных прионовых заболеваний определяются тем, какая область головного мозга повреждается первой.
В течение десятилетия после того как эти факты стали известны, ученые задействовали все свои ресурсы и суперсовременные технологии, чтобы продвинуться вглубь таинственной области знаний. С помощью экспериментов непостижимой сложности, проводимых в лаборатории Прузинера и во многих других лабораториях мира, открывались все новые стороны и особенности прионов. У «плохих» прионов происходит изменение структуры центральной области (между 108-й и 121-й аминокислотами). Любые мутации внутри этой области вели к такому фатальному изменению функций прионов, что экспериментальные мышата умирали в утробе или сразу после рождения. Те мутации, которые ведут к описанным выше прионовым заболеваниям, происходят на периферии белка и лишь косвенно изменяют структуру центральной области. Наука постепенно получает все новые и новые сведения о прионах, но новые знания ставят перед нами все больше новых вопросов и открывают новые просторы неизвестности.