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.

ЛИТЕРАТУРА

1. Crick F.H.C. The genetic code - yesterday, today, and tomorrow // Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 1966. V. 31. P. 3-9.

2. Osava S., Jukes Т.Н., Watanabe K., Muto A. Recent evidence for evolution of the genetic code // Microbiol. Rev. 1992. V. 56. P. 229-264.

3. Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. Т. 2. М.: Мир, 1988. С. 34-66.

4. Sanger F. The structure of insulin // Currents in Biochemical Research. Wiley Interscience. N.Y., 1956.

5. Сенгер Ф. Лауреаты Нобелевской премии. Т. 2. М.: Прогресс, 1992. С. 379-383.

6. Aguzzi A., Weissmann С. Prion research: the next frontiers //Nature. 1997. V. 389. P. 795-798.

7. Prusiner S.B. Prions // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1998. V. 95. P. 13363-13383.

8. Prusiner S.B. Molecular biology and pathogenesis of prion diseases //TIBS. 1996. 21 December. P. 482-487.

9. Collinge J., Sidle K.C.L., Meads J., Ironside J., Hill A.F. Molecular analysis of prion strain variation and the aetiology of "new variant" CJD // Nature. 1996. V. 383. P. 685-690.

10. Almond J., Pattison J. Human BSE // Nature. 1997. V. 389. P. 437-438.

11. Prusiner S.B., Scott M.R., DeArmond S.J., Cohen F.E. Prion protein biology // Cell. 1998. V. 93. P. 337-348.

12. Gabriel J.-M., Oesch B., Kretzschmar H., Scott M., Prusiner S.B. Molecular cloning of a candidate chicken prion protein //Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1992. V. 89. P. 9097-9101.

13. Bueler H., Fischer M., Lang Y., Bluetmann H., Lipp H.-P., DeArmond S.J., Prusiner S.B., Aguet M., Weissmann C. Normal development and behaviour of mice lacking the neuronal cell-surface PrP protein // Nature. 1992. V. 356. P. 577-582.

14. Sailer A., Bueler H., Fischer M., Aguzzi A., Weissmann C. No propagation of prions in mice devoted of PrP // Cell. 1994. V. 77. P. 967-968.

15. Bessen R.A., Marsh R.F. Distinct PrP proteins suggest the molecular basis of strain variation in transmissible mink encephalopathy //J. Virol. 1994. V. 68. P. 7859-7868.

16. Aguzzi A., Weissmann C. A suspicious signature // Nature. 1996. V. 383. P. 666-667.

17. Parchi P., Capellari S., Chen S.G., Petersen R.B., Gambetti P., Kopp N., Brown P., Kitamoto Т., Tateishi J., Giese A., Kretzschmar H. (with reply by: Collinge J., Hill A.F., Sidle K.C.L., Ironside J.). Typing prion iso-forms // Nature. 1997. V. 386. P. 233-234.

18. Prusiner S.B., Scott M.R. Genetics of prions // Ann. Rev. Genet. 1997. V. 31. P. 139-175.

19. Weissmann C. The Prion Connection: Now in Yeast? // Science. 1994. V. 264. P. 528-530.

20. Инге-Вечтомов С.Г. Реверсии к прототрофности у дрожжей, нуждающихся в аденине // Вестник Лен. университета. Сер. 3, Биол. 1964. № 2. С. 112-116.

21. Инге-Вечтомов С.Г., Андрианова В.М. Рецессивные суперсупрессоры у дрожжей // Генетика. 1970. Т. 6. С. 103-116.

22. Frolova L., Le Goff X., Rasmussen H., Cheperegin C., Drugeon G., Kress M., Arman I., Haenni A .-L., Celis J., Philippe M., Justesen J., Kisselev L. A highly conserved eukaryotic protein family possessing properties of polypeptide chain release factor // Nature. 1994. V. 372. P. 701-703.

23. Zhouravleva G., Frolova L., Le Goff X., Le Guillec R., Inge-Vechtornov S.G., Kisselev L., Philippe M. Termination of translation in eukaryotes is governed by two interacting polypeptide chain release factors eRF1 and eRF3 // EMBO J. 1995. V. 14. P. 4065^072.

24. Сох B.S. Y, a cytoplasmic suppressor of super-suppression in yeast // Heredity. 1965. V. 20. P. 505-521.

25. Chernoff Yu.O., Derkach I.L., Inge-Vechtornov S.G. Multicopy SUP35 gene induces de novo appearance of psi-like factors in the yeast Saccharomyces cerevisiae // Curr. Genet. 1993. V. 24. P. 268-270.

26. Derkatch I.L., Chernoff Y.O., Kushnirov V.V., Inge-Vechtornov S.G., Liebrnan S.W. Genesis and variability of [PSI] prion factors in Saccharomyces cerevisiae // Genetics. 1996. V. 144. P. 1375-1386.

27. Wickner R.B. [URE3] as an altered URE2 protein: evidence for a prion analog in Saccharomyces cerevisiae // Science. 1994. V. 264. P. 566-569.

28. Chernoff Yu.O., Lindquist S.L., Ono B., Inge-Vechtomov S.G., Liebrnan S.W. Role of the chaperone protein Hsp104 in propagation of the yeast prion-like factor [PSI⁺] // Science. 1995. V. 268. P. 880-884.

29. Tuite M.F., Mundy C.R., Cox B.S. Agents that cause a high frequency of genetic change from [psi⁺] to [psi^-] in Saccharomyces cerevisiae // Genetics. 1981. V. 98. P. 691-711.

30. Тиходеев О.Н., Гетманова Е.В., Тихомирова B.Л., Инге-Вечтомов С.Г. Неоднозначность трансляции у дрожжей: генетический контроль и модификации // Молекулярные механизмы генетических процессов. Сборник. M.: Наука. 1990. С. 218-228.

31. Kushnirov V.V., Ter-Avanesyan M.D., Telckov M.D., Surguchov A.P., Smirnov V.N.. Inge-Vechtornov S.G. Nucleotide sequence of the SUP2 (SUP35) gene of Saccharomyces cerevisiae // Gene. 1988. V. 66. P. 45-54.

32. Ter-Avanesyan M.D., Kushnirov V.V., DagkesamanskayaA.R., Didichenko SA., Chernoff Yu.O.,lnge-Vechtomov S.G., Smirnov V.N. Deletion analysis of the SUP35 gene of the yeast Saccharomyces cerevisiae reveals two nonoverlapping functional regions in the encoded protein // Molec. Microbiol. 1993. V. 7. P. 683-692.

33. Lindquist S. Mad cows meet Psi-chotic yeast: The expansion of the prion hypothesis // Cell. 1997. V. 89. p. 495-498.

34. Glover J.R., Kowal A.S., Schirmer E.G., Patino M.M., Liu J.J., Lindquist S. Self-seeded fibers formed by Sup35, the protein determinant of [PSI⁺], a heritable prion-like factor of S. cerevisiae // Cell. 1997. V. 89. P. 811-819.

35. King C.-Y., Tittman P., Gross H., Geber R., Aebi M., Wuthrich K. Prion-inducing domain 2-114 of yeast Sup35 protein transforms in vitro into amyloid-like filaments // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1997. V. 94. P. 6618-6622.

36. Paushkin S. V., Kushnirov V.V., Smirnov V.N., Ter-Avanesyan M.D. In vitro propagation of the prion-like state of yeast Sup35 protein // Science. 1997. V. 277. P. 381-383.

37. Inge-Vechtornov S.G., Sasnauskas K., Alenin V.V., Borchsenius A.S., Zadorsky S.P., Forafonov F.S. Fusion of N-terminal part of Sup35p with Ade2p and the problem of artificial yeast prion. Abstracts of "The Sixteenth International Symposium on the Life Sciences [1997]. Molecular Recognition in Biological Systems" at Kyoto Research Park. Kyoto, Japan. 1997. P. 30-33.

38. Tikchomirova V.L., Inge-Vechtornov S.G. Sensitivity of sup35 & sup45 mutants in Saccharomyces cerevisiae to anti-microtubule drug benomyl // Curr. Genet. 1996. V. 30. P. 44^9.

39. Basu J., Williams B.C., Lee Z.X., Williams E.V., Goldberg M.L. Depletion of a Drosophila homolog of yeast Sup35p disrupts spindle assembly, chromosome segregation and cytokinesis during male meiosis // Cell Motility and the Cytoskeleton. 1998. V. 39. P. 286-302.

40. Lacrout F. Non-Mendelian mutation allowing ureido-succinic acid uptake in yeast // J. Bacteriol. 1971. V. 106. P. 519-522.

41. Coustou V., Deleu C., Saupe S., Begueret J. The protein product of the het-s heterokaryon incompatibility gene of the fungus Podospora anserina behaves as a prion analog // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1997. V. 94. P. 9773-9778.