Общая биология прионов
В последние годы, начиная с 1993 г., вся эта экзотика, касавшаяся определенной категории заболеваний у млекопитающих, приобрела общебиологическое значение. Аналогичные явления были расшифрованы у грибов, в первую очередь у дрожжей. Эти исследования составляют предмет отечественного приоритета. Они выполнены в трех коллективах: на кафедре генетики Ленинградского, ныне Санкт-Петербургского, государственного университета, в Кардиологическом центре Минздрава в Москве в лаборатории профессора М.Д. Тер-Аванесяна и в Институте молекулярной биологии РАН им. В.А. Энгельгардта в лаборатории члена-корреспондента РАН Л.Л. Киселева в кооперации с некоторыми зарубежными коллегами.
Проведенные исследования представляют собой прекрасную иллюстрацию ревнивого высказывания Ч. Вайсмана, одного из классиков прионологии: "Явления, открытые у высших эукариот (к которым относятся и млекопитающие. - С. И.-В.), приобретают дополнительную респектабельность, если они также обнаруживаются у дрожжей" [19]. Как мы увидим, речь пойдет не только об иллюстративности.
У дрожжей нет ни мозгов, ни нервов, и потому по определению речь не может идти о нейродеге-неративных заболеваниях этих объектов. Тем не менее есть белки, характер изменчивости и наследование которых доказывают существование прионов и у дрожжей.
Что это за белки? Чтобы ответить на этот вопрос, вернемся к таблице генетического кода. 61 кодон, или триплет, этой таблицы узнают специальные транспортные РНК (тРНК), и только три оставшихся кодона - знаки терминации, или стоп-сигналы, узнают специальные белки. Это было известно у бактерий, а в последние годы сходные белки обнаружены и у эукариот млекопитающих, лягушек и дрожжей. Гены, кодирующие эти белки, мы изучаем у дрожжей с середины 60-х годов [20], а в 1970 г. нами было высказано предположение, что эти гены дрожжей (SUP35 и SUP45) кодируют именно белки, вовлеченные в процесс терминации трансляции [21]. Позже эта гипотеза получила подтверждение в прямых биохимических исследованиях Л.Л. Киселева и других, идентифицировавших продукты генов SUP45 и SUP35 как факторы терминации трансляции eRF1 и eRF3 соответственно [22, 23]. В начале 90-х годов нам удалось выяснить в совместных исследованиях, прежде всего с группой М.Д. Тер-Аванесяна, что один из этих генов, а именно ген SUP35, кодирует дрожжевой прион.
Расшифровка системы sup35-[psi]
В любом гене стоп-сигнал может появиться не на своем месте в результате мутации. Тогда синтез соответствующего белка будет блокирован, поскольку произойдет преждевременная терминация синтеза этого белка. Если же инактивировать упомянутый уже белок-фактор терминации, узнающий стоп-сигналы, они же нонсенсы, то эти сигналы будут читаться как значащие и синтез соответствующего белка будет восстановлен. Это явление называется нонсенс-супрессией. Отсюда и название гена SUP от английского suppression. Тогда, имея нонсенс-кодоны не на своем месте в каких-либо генах, мы легко можем видеть, работает ли этот самый белок-фактор терминации. Есть супрессия - не работает. Нет супрессии - работает.
Оказалось, что фактор терминации можно инактивировать двумя способами: мутационным путем, и тогда соответствующий нонсенс-супрессор наследуется, согласно менделевской схеме, как ядерный ген [21].
Тот же белок может быть инактивирован за счет его модификации без изменения гена. Тогда нонсенс-супрессор передается с цитоплазмой и не обнаруживает менделевского расщепления. Собственно, такой цитоплазматический супрессор был известен давно, его открыл британец Б. Кокс в 1965 г. и назвал [PSI]-фактором [24]. С тех пор никому не удавалось объяснить физическую природу его наследования.
Наш результат заключался в том, что мы сумели показать: усиление экспрессии нормального немутантного гена SUP35, кодирующего фактор терминации, приводит с большой частотой к возникновению этого самого цитоплазматически наследуемого нонсенс-супрессора, или [РSI]-фактора [25,26]. Появление в клетке большого числа молекул фактора терминации при сверхэкспрессии гена SUP35 увеличивает вероятность, в пересчете на клетку, его перехода в иную, полностью или частично неактивную конформацию. Возникает нонсенс-супрессия. Очевидно сходство с прионами млекопитающих.
Именно эти результаты и использовал Р. Уикнер, когда произнес словосочетание "прионы дрожжей" [27]. Белковая природа дрожжевого приона - [РSI]-фактора - была доказана тем, что необходима именно активная "наработка" белка, кодируемого геном SUP35, а не увеличение копийности этого гена или количества соответствующей информационной РНК [26].
Инфекционен ли дрожжевой прион? Инфекционность PSI-фактора можно показать, передавая при гибридизации только цитоплазму дрожжей, но не передавая ядро, в котором локализован ген SUP35. При этом вместе с цитоплазмой передается и свойство нонсенс-супрессии.