Текст книги "Нобелевские премии по физиологии или медицине за 100 лет"

В 1972 году профессор Дж. Ада (G. Ada), глава Отделения микробиологии Школы медицинских исследований Джона Куртина в Австралийском национальном университете, пригласил Цинкернагеля в свое отделение и в январе 1973 года они с Кэтрин и с двумя детьми приехали в Канберру. Там он познакомился с Питером Догерти, сотрудничество с которым закончилось не только открытием комплекса тканевой совместимости, но и получением степени доктора философии. В 1976 году Университет Цюриха предложил Цинкернагелю место профессора на Медицинском факультете.

Во время учебы он встретил свою будущую жену Кэтрин (Kathrin), также учившуюся в Базельском университете. Они вместе сдавали выпускные экзамены. В ноябре 1968 года, через две недели после экзаменов они поженились.

ЛИТЕРАТУРА

Работы Догерти:

Restriction of in vitro T-cell-mediated cytotoxicity in lymphocytic choriomeningitis within a syngeneic or semiallogenetic system // Nature. 1974. V. 248. N. 5450. P. 701–702 (with R. M. Zinkernagel);

Immunological surveillance against altered self components by sensitised T lymphocytes in lymphocytic choriomeningitis //Nature. 1974. V. 251. N. 5475. P. 547–548 (with R. M. Zinkernagel);

Vaccines 97. Molecular Approaches to the Control of Infectious Diseases. Cold Spring Harbor, New York, 1997 (with E Brown, D. Burton);

Man-Made Man: The Genome Project the Faustian Dream Come True. Dublin, 1997 (with A. Sutton).

Работы Цинкернагеля:

Restriction of in vitro T-cell-mediated cytotoxicity in lymphocytic choriomeningitis within a syngeneic or semiallogenetic system //Nature. 1974. V. 248. N. 5450. P. 701–702 (with P. C. Doherty);

Immunological surveillance against altered self components by sensitised T lymphocytes in lymphocytic choriomeningitis //Nature. 1974. V. 251. N. 5475. P. 547–548 (withP. C. Doherty);

Cell to Cell Interaction: An International symposium. Basel, 1990 (with M. M. Burger, B. Sordat);

Viruses and Virus-Like Agents in Disease. Basel, 1993 (with W. Stauffacher).

О них:

Masood E., Weiss U. Nobel goes to T-cell pioneers whose work «changed face of immunology» // Nature. 1996. V. 383. N. 6600. P. 465;

Gura T. Unraveling immune-cell mysteries / Nobel Prizes. Ten get the call to Stockholm // Science. 1996. V. 274. N. 5286. P. 345;

Travis J. Nobel prize honors insight into immunity// Sci. News. 1996. V. 150. N. 15. P. 229;

Stinson S. Immunologists win Nobel in medicine // Chem. Eng. News. 1996. V. 74. N. 42. P. 8–9.

СТЕНЛИ Б. ПРУЗИНЕР, США

(STANLEY B. PRUSINER)

1942

1902

1903

1907

1912

1926

1927

1928

1934

1939

1945

1948

1949 (б)

1952

1954

1966 (б)

1976

1979

1988

1990

1997

ФОРМУЛИРОВКА НОБЕЛЕВСКОГО КОМИТЕТА: «за его открытие прионов – новой биологической причины инфекций».

СУТЬ ОТКРЫТИЯ: за открытие прионов – клеточных белков, обычно безвредных, но при некоторых условиях способных изменять свою структуру и превращаться в возбудителей инфекционных заболеваний.

ПРЕДЫСТОРИЯ

Благодаря работам Луи Пастера (Louis Pasteur, 1822–1895), в 1880-е годы распространилось представление о микробах как возбудителях инфекционных болезней. Первый из вирусов – вирус табачной мозаики – был открыт в 1892 году Дмитрием Иосифовичем Ивановским (1864–1920). Частицы поначалу называли «фильтрующимися ядами», а в 1899 году голландский микробиолог Мартин Вилем Бейеринк (Martin Willem Beyerinck, 1851–1931) предложил термин вирус (лат. virus – яд).

Работами членов так называемой «фаговой группы» в 1940–1950 годы в США – Дельбрюка и Лурия (оба – Нобелевская премия 1969 года), было показано, как вирус навязывает клетке свой вариант генетической информации, заставляя ее синтезировать новые вирусы.

В 1902 году Арчибальд Э. Гаррод (Archibald Е. Garrod) предположил, что некоторые дефекты ферментной системы передаются от родителей к потомкам. В 1944 году Освальд Теодор Эйвери (Oswald Theodore Avery, 1877–1955) и другие доказали, что носителем наследственности является не белок, как думали прежде, а ДНК. Бидл и Тейтем (оба – Нобелевская премия 1958 года) постулировали четкую зависимость структуры белка от генетической информации («один ген – один белок»). Затем (1953) было раскрыто строение молекулы ДНК – «двойная спираль» Уотсона и Крика (оба – Нобелевская премия 1962 года). Жакоб и Моно (оба – Нобелевская премия 1965 года) описали механизм транскрипции — передачи информации от ДНК к иРНК для последующей передачи ее рибосомам, синтезирующим белок. Расшифровка триплетного кода Ниренбергом и Корана (оба – Нобелевская премия 1968 года) стала завершающим звеном в формировании того, что можно назвать «центральной догмой биологии XX века»: структура белка определяется информацией, хранимой и переносимой нуклеиновыми кислотами.

Заболевания животных, позднее отнесенные к классу прионных, известны более двух веков, аналогичные болезни человека – с начала XX столетия. Так у людей был описана БКЯ – болезнь Крейтфельдта-Якоба (Hans Gerhard Creutzfeldt, 1885–1964; Alfons Jakob, 1884–1931) – дегенеративное заболевание головного и спинного мозга, с поражением, в частности, мозжечка и базальных ядер, начинающееся обычно в старости и проявляющееся в нарастающей мышечной ригидности, нарушении речи и глотания, потере памяти, слабоумии и других психических расстройствах. В тканях мозга появлялись амилоидоподобные бляшки, содержащие палочкообразные белковые агрегаты. Было показано, что экстракт такого мозга содержит нечто, способное заразить человекообразных обезьян. В 1968 году инфекционный агент БКЯ был выделен у шимпанзе, позднее болезнь была привита кошке и хомяку. Временной интервал между заражением экспериментального животного и появлением симптомов обычно превышал один год.

Гайдузек (Нобелевская премия 1976 года) исследовал куру (англ, kuru) – описанную только в середине 1950-х годов загадочную болезнь, поражавшую исключительно аборигенов, живших в условиях неолита на плоскогорьях острова Новая Гвинея. Журналисты называли эту болезнь «смеющейся смертью» – одним из ее проявлений был беспричинный смех впадающего в слабоумие человека. Долго не удавалось получить какие-либо достоверные факты о передаче этого заболевания, пока, наконец, один из исследователей не вошел в доверие к аборигенам, и те разрешили ему присутствовать на мероприятии, проводимом в тесном семейном кругу: выполняя ритуал, сородичи съедали тело умершего. При этом чаще заболевали женщины и дети: по-видимому, во время кулинарной обработки тела они имели доступ к наиболее питательной его части – головному мозгу. Через несколько месяцев кто-то из них начинал беспричинно смеяться… В 1959 году аборигенов убедили отказаться от этого обычая, и очаг куру исчез.

Была известна также сходная по проявлениям болезнь овец скрапи (англ. scrapie). Впервые ее наблюдали в Исландии в XVIII веке. В 1940-х годах скрапи появилась в Шотландии. Ее инфекционность стала очевидной после того, как вакцина, полученная от больного животного, вызвала заболевание примерно каждой десятой иммунизированной овцы. Болезнь передавалась также экстрактами мозга животных.

Итак, инфекционный характер целого класса нейродегенеративных заболеваний животных и человека был доказан. Поскольку возбудитель не задерживался бактериальными фильтрами, естественно было отнести его к классу вирусов. Очень длительный латентный период (месяцы и годы) и медленное развитие заболевания подсказали идею особых «медленных вирусов». Настоящие проблемы начались, когда выяснилось, что возбудителей не убивают ни формалин, ни ультрафиолетовое облучение. К факторам, вызывающим денатурацию и расщепление белков, эти агенты, наоборот, оказались чувствительны. Математик Дж. С. Гриффит (J. S. Griffith) предложил смелую гипотезу: агент вообще не содержит никакого генетического материала, он – лишь измененная форма клеточного белка. Воспроизведение его свойств происходит путем аутокатализа. Именно эту гипотезу и подтвердило позднее открытие Прузинера.

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ

В начале 1970-х годов в клинике Калифорнийского университета Прузинер наблюдал пациента, который медленно умирал от БКЯ. При этом возбудителеля столь грозного заболевания никак не удавалось выявить. Этот «медленный вирус», как его тогда называли, поразил воображение Прузинера, и он подумал, что определение молекулярной структуры этого неуловимого агента могло бы стать прекрасной темой для исследовательской работы.

Чем больше он читал о куру и скрапи, тем больше его интересовала эта проблема. Прузинер получил место ассистента и начал обустраивать лабораторию для изучения скрапи в 1974 году, хотя было довольно трудно получить финансирование по этой тематике. Пробы упорно выявляли только белок, но не нуклеиновые кислоты.

Прузинер решил точно идентифицировать болезнетворное начало. Этому препятствовала длительность инкубационного периода болезни. Всякий раз, произведя заражение животных, Прузинер был вынужден использовать множество мышей и в каждом эксперименте терпеливо ждать около 200 дней до появленя симптомов заболевания. Усилия по очищению ускорились, когда было показано, что скрапи может быть привита хомякам, у которых инкубационный период заметно короче. После десяти лет усилий Прузинер и его коллеги выделили инфекционный агент из мозга больных хомяков. Эсперименты упорно свидетельствовали, что он состоял из одиночного белка, который Прузинер назвал прионом (англ, prion от Proteinaceous Infectious particle — белковая инфекционная частица).

В сотрудничестве с коллегами Прузинер выделил прион-белок РгР (англ, prion protein), определил часть последовательности аминокислот. Далее получение антител к прион-белку сделало возможным определить его локализацию в клеточной мембране.

Выводы, к которым пришел Прузинер в первой половине 1980-х годов, вызвали естественное недоверие вирусологов. Его взгляды явно противоречили традиции, согласно которой структура белка определяется информацией, хранимой и переносимой нуклеиновыми кислотами. Большинство биологов и врачей не желали даже всерьез рассматривать идею о существовании прионов, поскольку абсолютно все открытые за почти полтора столетия инфекционные агенты (вирусы, бактерии, грибы, простейшие) обязательно содержали в себе генетический материал (ДНК или РНК). При разрушении нуклеиновых кислот болезнетворность агента исчезала. Прузинер проявил должное упорство, и к началу 1990-х годов доказательства существования прионов возобладали над всеобщим скептицизмом. Теория прионов была принята значительной частью научного сообщества.

Ген приона (Ргпр) обнаружили в 1985 году у млекопитающих и птиц, а затем и у человека. Оказалось, что нормальный прионовый белок – обычный компонент лейкоцитов, но особенно часто он встречается на поверхности нейронов мозга.

Обнаружение гена приона у всех исследованных (нормальных!) животных заставило задуматься о том, как могут прионы быть причиной тяжелейших заболеваний мозга. Казалось очевидным, что Прузинер ошибся.

Пришлось ввести различие между двумя формами прион-белка. Нормальная форма РгР получила обозначение РгРС, а прионная – PrPSc (где Sc означает scrapie). В отличии от нормальной, прионная форма повышенно гидрофобна и склонна к образованию агрегатов, она также более устойчива к протеазам. PrPSc имеет конформацию с повышенным содержанием Д-складчатой структуры, он чрезвычайно стабилен и резистентен к действию ферментов, органических растворителей и высоким температурам (выше 100 °C).

Механизм инфицирования предполагается таким: PrPSc, связываясь с клеткой, способствует превращению РгРС в PrPSc. Иногда превращение РгРС в PrPSc происходит спонтанно – спорадическое возникновение прионного заболевания. Причина наследственных прионных болезней – измененный ген, кодирующий белок, который повышенно склонен к спонтанному превращению в PrPSc. Журналисты тотчас окрестили нормальный РгРС «доктором Джекилем», а патогенный PrPSc – «мистером Хайдом», подчеркнув тем самым, что одна и та же сущность может иметь два противоположных проявления. При смешивании in vitro РгРС с PrPSc нормальный белок превращается в прионный очень медленно: за несколько месяцев или лет PrPSc накапливается до уровня, приводящего к повреждению ткани мозга.

Точный механизм прионного превращения еще не известен. Согласно гетеродимерной модели самого Прузинера, мономер РгР катализирует переход РгРС в PrPSc через образование комплекса PrPC/PrPSc. Полимеризационная модель рассматривает прион как упорядоченный полимер РгР, или одномерный кристалл. Его присутствие вызывает дальнейшую полимеризацию, подобно тому, как это происходит с истинными кристалами. Различия, которые не только существуют между отдельными штаммами прионов, но и передаются от одного животного другому, лучше объясняются полимерной моделью (различная укладка РгР в фибриллы). Предполагается, что так же образуются и фибриллы амилоидообразующих белков. Возможно даже, что прионы – инфекционная разновидность амилоидных фибрилл.

Прузинер предположил, что наследственные формы прионных заболеваний зависили от мутаций в гене приона. Уверенность в том, что это возможно, появилась после того, как мутантные гены были перенесены мышам. Эти трансгенные мыши заболели болезнью, сходной со скрапи. В 1992 году исследователи смогли уничтожить ген, кодирующий прионы у мышей, получив так называемых «мышей с выбитыми прионами» (англ, prion knock-out mice). Было показано, что эти мыши полностью резистентны к заражению прионами. Более того, когда ген приона был повторно введен мышам, они снова стали восприимчивы к прионной инфекции. Пока непонятно, почему остаются здоровыми мыши prion knock-out. Выходит, что нормальный белок приона не является обязательным для жизни.

ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА

Возможность самозарождения инфекционных агентов сейчас приводит к пересмотру некоторых принципов фундаментальной биологии, казавшихся незыблемыми. Так, классическая генетика затруднялась объяснить наличие у дрожжей Saccharomyces cerevisiae двух нехромосомно наследуемых генетических факторов – [Р57+] и [URE3]. В 1994 году Р. Б. Уикнер (R. В. Wickner) предположил, что это связано с прионоподобным состоянием белков Sup35 или Ure2. Гипотеза получила подтверждение: свойства этих белков похожи на свойства прионов. Передача конформации от одной белковой молекулы к другой – неизвестный ранее биологический процесс, имеющий фундаментальное значение. Возможно, этот механизм участвует и в клеточной дифференцировке, и в раковой трансформации.

БКЯ – заболевание редкое (один случай на миллион населения). В 85–90 % случаев БКЯ возникает спонтанно. В остальных случаях происходят мутации гена приона. Еще реже БКЯ является результатом инфекции. Прежде заражение происходило через препараты гормона роста, приготовленные из гипофизов инфицированных больных, или через трансплантаты мозговых оболочек. Известно около ста семей, имеющих эту мутацию. Продолжительность болезни от начала появления первых симптомов до смерти – около одного года.

Круг заболеваний, вызываемых прионами, расширился и включает в себя, кроме уже упомянутых БКЯ, куру и скрапи, болезнь Герстманна – Штрусслера– Шейнкера — наследственное слабоумие, в основе которого лежит мутация гена, кодирующего белок приона человека. Обнаружено около 50 семей с такими мутациями. Продолжительность болезни от первых симптомов до смерти составляет от двух до шести лет. Фатальная семейная бессоница связана с другой мутацией гена, кодирующего белок приона человека. Продолжительность жизни от появления первых симптомов до смерти – около одного года.

Мутации в гене приводят к синтезу различных патогенных прионов. Может поражаться мозжечок, что ведет к нарушению координированности движения тела. При поражении коры мозга нарушаются память и другие психические функции. Специфические прионы таламуса приводят к бессонице, а прионы, инфицирующие ствол мозга, прежде всего нарушают движения тела.

Известны сходные со скрапи прионные заболевания, поражающие других животных, напимер, норку, кошку, оленя и американского лося. Однако самым известным заболеванием этой группы стала губчатая энцефалопатия крупного рогатого скота, которую средства массовой информации назвали «коровьим бешенством», или «губчатым энцефалитом». Сходство первичных структур РгР животных и человека делает возможной передачу прионных болезней от первых ко второму, например, через зараженное мясо. Губчатая энцефалопатия крупного рогатого скота появивилась в Англии в 1990-е годы. Предполагаемая причина вспышки заболевания состоит в том, что ради ускорения привеса коровам добавляли в корм порошок, полученный из того, что оставалось после переработки туш овец, болевших скрапи. Пик эпидемии пришелся на 1992 год, когда заболело около 37 000 животных.

Прионы гораздо меньше вирусов. Не существует иммунного ответа на прионы, так как они постоянно присутствуют в организме как нормальные белки. Они не токсичны и становятся разрушительными только после изменения структуры, что заставляет их взаимодействовать друг с другом, образовывать волокнообразные структуры и скопления, которые в конечном счете разрушают нервные клетки. Все прионные заболевания – смертельны.

После того, как несколько десятков европейцев умерли от губчатой энцефалопатии, решением правительств были уничтожены десятки тысяч голов скота, а рынки многих стран закрыты для потенциально опасного мяса и мясных продуктов. Экономический ущерб уже составил десятки миллиардов долларов и продолжает расти.

Открытие Прузинера заложило теоретическую основу для разработки способов лечения прионных заболеваний. Идет поиск веществ, способных предупредить превращение безвредных нормальных прионных белков в структуры, вызывающие развитие патогенного процесса. Пионерская работа Прузинера способствовала также лучшему пониманию механизмов развития и неприонных болезней, при которых неприонные белки претерпевают конформационные изменения, приводящие к нарушению функций нейронов, например, при болезни Альцгеймера.

Все это придало необычайную актуальность тому, что начиналось как исследование Гайдузеком экзотической болезни членов примитивного племени и было продолжено Прузинером, после того как он увидел больного, умиравшего в клинике Калифорнийского университета…

БИОГРАФИЯ

Стенли Бен Прузинер родился 28 мая 1942 года в Де-Мойне, Айова, США в семье Лоренса Альберта Прузинера (Lawrence Albert Prusiner) и Мириам Шпигель (Miriam Spigel). Его отец тогда служил на Тихоокеанском флоте. Стэнли с матерью жили в Цинциннати, где он учился в школе, после которой успешно сдал экзамены на химический факультет колледжа Пенсильванского университета. Помимо многочисленных научных курсов, Прузинер имел возможность изучать философию, историю архитектуры, экономику и даже российскую историю. В 1963 году Прузинер начал студенческую научную работу по гипотермии в хирургическом отделении, а на втором году Медицинской школы начал изучать поверхностную флюоресценцию бурой жировой ткани сирийских золотистых хомячков. Большую часть четвертого года обучения он провел в Стокгольме. В начале 1968 года доктор медицины Прузинер возвратился в Филадельфию, чтобы закончить исследование и выбрать будущую карьеру. Он выбрал службу по министерству здравоохранения в Научных инстутах здоровья (NIH). Тогда же (1968) он встретил свою будущую жену, учителя математики в средней школе. В NIH Прузинер работал в лаборатории, где изучал глютаминазы кишечной палочки E.coli. Три года в NIH дали Прузинеру опыт настоящей научной работы и под конец своего пребывания там он решил выполнить постдокторское исследование в отделении неврологии Калифорнийского университета в Сан-Франциско. В 1968 году Прузинер приступил к работе в Калифорнийском университете, где уже через два месяца встретил пациента, анализ заболевания которого привел его к Нобелевской премии. В 1984 году Прузинер стал профессором и продолжает работу в том же университете.

В 1970 году Прузинер женился на Сандре Ли Тёрк (Sandra Lee Turk), у них две дочери.

ЛИТЕРАТУРА

Работы лауреата:

Prions: Novel Infectious Pathogens Causing Scrapie and Creutzfeldt-Jakob Disease. San Diego, California, 1987 (withM. P. McKinley);

Prion Diseases. Totowa, New Jersey, 1996 (with H. E Baker, R. M. Ridley);

Prion diseases and the BSE crisis // Science. 1997. V. 278. N. 5536. P. 245–251;

Clinical Companion to the Molecular and Genetic Basis of Neurological Disease. Oxford, 1998 (with others); Prion Biology and Diseases. Cold Spring Harbor, New York, 1999.

О нем:

Coles H. Nobel panel reward prion theory after years of heated debate // Nature. 1997. V. 389. N. 6651. P. 529;

Vogel G. Prusiner recognized for once-heretical prion theory // Science. 1997. V. 278. N. 5536. P. 214;

Seppa N. Prion proponent wins Nobel for medicine// Sci. News. 1997. V. 152. N. 15. P. 229;

Borman S. Nobel Prize for prions. Prusiner wins medicine award for infections protein concept // Chem. Eng. News. 1997. V. 75. N. 41. P. 4.