Гипотеза конформационных матриц
Открытым остается вопрос о механизмах возникновения нового характера укладки (конформации) белка приона и последующего воспроизведения этой конформации. Очевидно, что спонтанно возникший или привнесенный в клетку прион далее превращает все вновь синтезируемые полипептиды с идентичной или очень близкой ему первичной структурой в свое подобие [6]. Напрашивается гипотеза о существовании своеобразного механизма копирования конформации, или гипотеза конформационных матриц.
В пользу этого предположения говорит результат, недавно полученный в нашей лаборатории. Если в дрожжевую клетку, не содержащую [PSI]-фактор, но потенциально способную его поддерживать, ввести искусственно сконструированный ген, кодирующий прионизующий пептид, - те аминокислотные повторы, которые содержит фактор терминации с пришитым к нему геном ADE-2, кодирующим один из ферментов синтеза пуринов [37], то в клетке появляется дрожжевой прион - [РSI]-фактор. Такая реакция является следствием введения в клетку дополнительной копии прионизующего пептида. О прионизации фактора терминации eRF3 мы судим по появлению нонсенс-супрессии. Этот прион можно изгнать при помощи гидрохлорида гуанидина, как и обычный дрожжевой прион. Интересно, однако, что такой прион можно изгнать и другим способом - просто потеряв из клетки введенный ранее искусственный ген. Следовательно, возникший или индуцированный в клетке дрожжевой прион требует для своего последующего размножения именно тот же белок, который его индуцировал.
Дело в том, что если вы индуцируете прион, используя дополнительные копии непосредственно гена SUP35, кодирующего фактор терминации, способный прионизироваться и превращаться в [PSI]-фактор, то потеря этой дополнительной копии гена, или прекращение его сверхэкспрессии, не приведет к потере [PSI] [25], ибо такой же ген останется в хромосоме и материал, необходимый для воспроизведения прионной конформации, будет синтезироваться в клетке. Искусственно индуцированный [PSI]-фактор "помнит" индуцировавший его белок и требует его присутствия для дальнейшего "размножения". Налицо характеристика матричного процесса, но при этом воспроизводятся не сами молекулы белка, а только их конформация.
Таким образом, в клетке, видимо, существуют две категории матричных процессов: копирование последовательностей ДНК и РНК (см. рис. 1) и копирование конформации, характерное по крайней мере для некоторых белков. Своего рода матричное воспроизведение конформации имеет место в таких процессах, как образование структур цитоскелета при росте актиновых и тубулиновых волокон, воспроизведение ядерной мембраны, копирование внешнего кортекса у простейших. Эти механизмы могут лежать в основе так называемой эпигенетической наследственности/изменчивости.
Вряд ли можно считать случайным совпадением то, что исследуемые нами факторы терминации синтеза белка имеют непосредственное отношение к функциям цитоскелета. Дело в том, что мутации по гену SUP35, кодирующему фактор терминации, приводят не только к нонсенс-супрессии. Они делают клетки сверхчувствительными к беномилу - агенту, специфически разрушающему микротрубочки, входящие в состав цитоскелета и образующие нити, ответственные за правильное расхождение хромосом [38]. Видимо, поэтому упомянутые мутанты проявляют повышенную нестабильность хромосом в митозе. К аналогичному эффекту в мейозе приводит инактивация гомолога SUP35 у мухи Drosophila melanogaster [39].
На основании этих данных можно предположить, что дрожжевой прион - своеобразный побочный результат процесса обычного конформационного копирования элементов цитоскелета в клетке.
Результаты данного исследования показывают, что феномен прионов не является экзотикой, характерной для млекопитающих, а скорее - частным случаем общебиологического механизма, лежащего в основе эпигенетического наследования. На это же указывает изучение другого приона дрожжей - фактора [URE3], вовлеченного в регуляцию метаболизма азота. Он был открыт в 1971 г. Ф. Лакрутом [40]. Известен также прион het-s, контролирующий тип несовместимости у гриба Podospora anseria, открытый недавно в лаборатории Бежере [41].
В результате представленной здесь работы создана модельная система для изучения у дрожжей механизма возникновения и поисков лечения прионных заболеваний человека и животных. Преимущества данной модели очевидны. Дрожжи - прекрасно разработанный молекулярно-генетический объект. Известна полная последовательность ДНК его генома. Он дешевле мышей, у него больше разрешающая способность генетического анализа, а кроме того, эти исследования свободны от морально-этических проблем, связанных с правами человека и животных. Дрожжевые прионы, в отличие от прионов млекопитающих, не представляют опасности для человека.
Если теперь вернуться к началу нашего рассказа - к центральной догме молекулярной биологии (см. рис. 1), то ее следует дополнить. Необходимо ввести в нее возможность модифицирования и копирования конформации белков.