Пріоногенез. ТЮБ 2015

11. Пріоногенез. Пріони – інфекційні білкові агенти, які можуть утворюватися із ендогенних протеїнів. Як такі небезпечні «ендогенні патогени» утворилися у процесі еволюції та не були відкинуті природнім добором?

У ссавців відкриття пріонів було пов’язане з вивченням ряду невиліковних нейродегеративних захворювань, і поки не відомо, чи грають процеси пріоноутворення у ссавців яку-небуть функціональну роль.

Проте у випадку нижчих еукаріот вже сьогодні стає зрозумілим, що пріонні механізми можуть грати адаптивну і регуляторну роль  і не призводять до загибелі організму. Пріонні переходи здатні здійснюватися набагато швидше і з більшою швидкістю, ніж генні мутації. Внаслідок цього організм має можливість краще реагувати на змінні умови навколишнього середовища, зберігаючи при цьому інформацію про вихідний стан. Фактично відбувається спадкове переключення активності білків, так як перехід в пріонний стан змінює функціональну спроможність даних білків.

Одним із самих яскравих прикладів - білок [URE3] S.cerevisiae: перехід білка Ure2 в пріонну форму робить можливим використання деяких важко засвоюваних азотистих сполук. При наявності легко засвоюваних джерел азоту непріонний стан [ure3] стає більш пріоритетним.

Є дані, які вказують на можливе біологічне значення пріонного детермінанта [PSI+] дріжджів. Досліджено, що сама наявність детермінанту [PSI+] підвищує стійкість клітин дріжджів до теплового шоку і до стресу, викликаному деякими хімічними речовинами. Визначена можлива біологічна  роль пріонного стану білка Sup35. Перехід в пріонний стан фактора термінації трансляції Sup35 має комплексну дію на клітину дріжджів. Відбуваються достатньо хаотичні зміни в багатьох сферах діяльності клітини. Це пов’язано перш за все, з супресією нонсенс-мутацій. За несприятливих для життя клітини умовах такі зміни можуть виявитися корисними. При цьому клітина здатна легко повернутися у вихідний стан, втративши пріон. Як наслідок [PSI+] дає можливість проявити (перед)проіснуючу варіацію фенотипічного фону (наявність в геномі нонсенс-мутацій). Це явище набуває великої важливості в ході еволюції, так як фактично пріонний перехід еквівалентний великій кількості одночасних генетичних змін, що призводить до підвищення еволюційної стійкості клітини дріжджів.

Ще більш переконливий приклад біологічного значення пріонного стану одного з білків клітини являє собою детермінант [Het-s] P. anserina. Детермінант [Het-s], будучи елементом системи вегетативної несумісності, контролює схрещування віддалено споріднених варіантів даного гриба. З однієї сторони, такі схрещування потенційно корисні, оскільки збільшують генетичне різноманіття популяції P. anserina. З іншої – вони являють собою реальну небезпеку в зв’язку з можливістю поширення в популяції вірусів, оскільки у грибів віруси передаються при злитті клітин. Здатність білку Het-s спонтанно і зворотно переходити в пріонний стан робить популяцію грибів гетерогенною: одні, позбавлені детермінанту Het-s, можуть використовувати переваги генетичного обміну, а інші, які несуть даний детермінант, «зберігати» популяцію від вірусів. Таким чином, пріони підвищують адаптивну лабільність популяції і здатні до тимчасової корекції фенотипу у відповідь на зміни умов навколишнього середовища.

Така поширеність і значимість пріонів у нижчих еукаріот, можливо говорить про те, що і у вищих організмів пріони можуть слугувати виконанню фізіологічних функцій. PrР не єдиний білок вищих прокаріот, якому притаманні пріонні властивості.

Були знайдені пріоноподібні характеристики у нейтральної ізоформи білку CPEB (cytoplasmic polyadenilation element binding protein) равлика Aplysia californica. Він є трансляційним активатором «мовчазних мРНК», що стимулює цитоплазматичне поліаденілювання і таким чином активізуює трансляцію. Цитоплазматичне поліаденілювання відбувається при зв’язуванні CPEB с CPE (cytoplasmic polyadenylation element), який знаходиться в 3'- нетрансляційному районі активованої мРНК. Аналіз CPEB в клітинах дріжджів виявив пріоноподібні властивості білку. N-кінцевий район CPEB сильно збагачений залишками глютаміну і аспарагіну (48% Q+N), що і дало можливість предположить його здатність до пріонізації. Доведено також, що CPEB зв’язується з сигнальною послідовністю мРНК – CPE – в олігомерному (пріоноподібному) стані і активує трансляцію «мовчазної» мРНК. Такий стан CPEB успадковується домінантно і передається при цитодукції (передачі цитоплазми). З’ясувалося також, що рівень CPEB підвищується при дії серотоніну – медіатора, який бере участь в процесах, пов’язаних з навчанням. Запропонована модель, в якій в результаті збільшення рівня експресії нейтрального CPEB можлива пріонізація CPEB. Внаслідок чого може локально активізуватися трансляція «мовчазних» мРНК. Така передача сигналу за допомогою пріонного переходу має перевагу в тому, що як тільки досягнутий пріонний стан, то він здатний само підтримуватися без внесення додаткових стимулів. Тобто сигнал, який надійшов один раз, «зберігається» і діє протягом тривалого часу.

На сьоднішній день відомі чотири гени CPEB в нейронах гіппокампа мишей. Продук одного з них (CPEB-3) має N-кінцевий глутамін – багатий домен, у продукту другого гену (CPEB-4) є пролін-багата ділянка на N-кінці, і обидва вони агрегують при експресії в клітинах дріжджів і в культурі нейронів.

Білок ссавців TIA1 проявляє пріоноподібні властивості і клітинах дріжджів. TIA1 – РНК-звязуючий білок, який здійснює зупинку трансляції в стресових умовах. Він індукує утворення так званих стрес гранул у відповідь на тимчасову зупинку трансляції і виводить значну частину мРНК з даного процесу, переводячи її в мРНК-білкові комплекси (eIF2-GTP-tRNAiMet). Подалі мРНК, зв’язані з TIA1, потрапляють до складу стресових гранул, утворених агрегатами TIA1. Стрес-гранули формуються тільки при середньому рівні експресії TIA1, відсутність або суперекспресія не призводять до їх утворення. TIA1 здатний до агрегації, залежної від шаперонів Hsp70, Hsp27 і Hsp40, при цьому такі агрегати стійкі до дії протеаз. Крім цього, заміна пріоноподібного дамена TIA1 на пріонний домен дріжджового білку Sup35 не погіршує утворення стрес-гранул, що призводить до припущення про необхідність пріонних властивостей для утворення стрес-гранул і реакції апарату на стрес.

Білки Pmel17 у ссавців і CsgA у E.coli є найбільш достовірними прикладами, що амілоїдогенез як утворення біологічно активних четвертинних структур білку може бути еволюційно консервативним механізмом.

Pmel17 протеолітично розщеплюється в апараті Гольджи на два фрагменти, один з яких здирається у фібрили, які утворюють основу меланосоми в меланоцитах. Меланін – важливий біополімер, який захищає клітину від ультрафіолетового випромінення і оксидативного стресу. В меланоцитах ссавців продемонстрована експресія трансмембранного глікопротеїну І типу Pmel17, здатного полімеризуватися в амілоїдну структуру, на якій збираються і концентруються молекули меланіну в багатоетапному процесі біогенезу меланоми. Для збирання Pmel17 необхідним є його ендопротеоліз, який здійснюється трансмембранною протеазою пурином, яка розщеплює його на два фрагменти, при цьому один з них залишається з мембраною, а інший, цитоплазматичний, - формує амілоїдну структуру.

На зовнішній поверхні клітинної стінки E.coli знаходиться фіброзний матрикс, який утворений білком CsgA (Curli). Амілоїдоутворення Curli контролюється двома оперонами csgAB іcsgDEFG. Білки CsgF, CsgB, ймовірно затравлюють полімеризацію CsgA. Білок CsgG розташований на внутрішньому краї зовнішньої сторони мембрани, і можливо, слугує «платформою» для збирання даного амілоїду.

Пріони були знайдені і охарактеризовані як патогенні інфекційні агенти нового типу. На сьогоднішній день стає зрозумілим, що пріони являють собою новий феномен біологічної регуляції і можуть бути використані в біологічних клітинних механізмах.