На рубеже второго и третьего тысячелетий открыта особая форманаследственности lТак называемые прионные белки способны передавать информациюо своей пространственной форме от одного белка к другому без участия ДНКlОткрытие белковой наследственности дает надежду на исцеление от неизлечимыхсегодня болезней. Генетика, начало которой было положено еще в прошлом веке опытами Менделя,для большинства из нас до сих пор является молодой наукой. В России такойвзгляд исторически оправдан: долгое время генетика в Советском Союзе считалась"буржуазной лженаукой". Возможно, именно драматизм истории генетики в нашейстране обусловливает непреходящий интерес к ней. На памяти старшего поколения- разгул лысенковщины. Закрывались лаборатории, выдающиеся исследователиоказывались в лагерях. Погиб в тюрьме наш крупнейший ученый, генетик смировым именем Н. И. Вавилов. А в это время в Европе и США новая наукастремительно развивалась. Западные ученые делали ошеломляющие открытияв изучении механизма наследственности. И хотя наука не имеет национальностии по сути своей должна быть общечеловеческой, все же обидно, что в историигенетики последних десятилетий встречается так мало русских имен.Сегодня отечественная наука снова переживает не лучшие времена. Запрещенныхтеорий теперь, правда, нет, но и заниматься исследованиями становится всесложнее: нет денег, нет необходимого оборудования. Почти все открытия совершаютсяв соавторстве с зарубежными учеными, предоставляющими свои лабораториинашим исследователям. Угнаться за Западом отечественным ученым почти невозможно:даже по количеству исследовательских центров мы сильно уступаем Европеи Америке. А ведь в истории остается тот, кто совершил открытие первым.И все же российским ученым удается идти в ногу со своими иностраннымиколлегами, а иногда и опережать их. Доказательством может служить историятого, как была открыта особая форма наследственности - прорыв, ставшийновым словом в фундаментальной генетике. Прионные белки Как и многие другие серьезные открытия, обнаружение белковой наследственностибыло подготовлено несколькими разнонаправленными сериями исследований.Интересно, что ни один из коллективов ученых, совместными усилиями которыхбыло сделано открытие, первоначально не ставил целью изучать механизм наследственности.Американский биохимик Стэнли Прузинер обнаружил не известный ранеетип белковой инфекции - так называемую прионную, за что был удостоен в1997 году Нобелевской премии.Пожалуй, начать стоит с исследований американского биохимика СтэнлиПрузинера. Именно он обнаружил новый тип инфекции - прионную, за что получилНобелевскую премию по физиологии и медицине в 1997 году. Вероятно, читателипомнят скандал, разразившийся вокруг эпидемии коровьего бешенства в Англии.Белковые возбудители этой болезни (а также некоторых других смертельныхболезней человека и животных - болезни Крейтцфельда -Якоба у человека,скрейпи у овец), поражающие нервную систему, мозг, и были названы прионами.Стэнли Прузинер обнаружил, что абсолютно одинаковые по химическому составуприонные белки могут находиться в двух разных пространственных формах.Разница между такими белками отчасти напоминает разницу между сырым и варенымбелком обыкновенного куриного яйца. Если белок находится в "нормальной"форме, он хорошо растворяется и выполняет в организме свойственную емуфункцию. Напротив, белок, находящийся в "аномальной" пространственной форме,образует нерастворимые агрегаты, слипается. Но самым важным - и уникальным- свойством прионов является следующее: белок, находящийся в "аномальной"форме, столкнувшись с "нормальным" белком, переводит его в свою, "аномальную",форму. Это и является сутью прионного типа инфекции: "больной" белок заражает"здоровый", который начинает слипаться и, накапливаясь, заполняет клеткимозга, препятствуя их работе. Причины изначального появления в организмебелка в "аномальной" форме пока не установлены. Обе формы белка кодируютсяодним геном, поэтому вполне вероятно, что на образование "аномальной" формымогут влиять внешние воздействия (например, есть гипотеза, что к появлению"аномального" приона в организме может привести высокая температура, перенесеннаячеловеком). Дрожжи: от прионной инфекции к белковой наследственности В рассказе об открытии белковой наследственности придется сделать небольшоеотступление, вернее, начать рассказ заново, уже с другой точки. Возможно,это покажется нелогичным, но ведь именно так движется наука: каждый ученыйидет своим путем, каждое открытие включает труд многих исследователей.Обнаружение прионного типа инфекции стало первым шагом к открытию новоготипа передачи наследствен ной информации.Второе направление, подготовившее его, было связано с дрожжами. Дрожжи- один из самых удобных объектов молекулярной генетики и молекулярной биологии.Во-первых, это связано с тем, что популяция дрожжей включает огромное количествоодноклеточных микроорганизмов, поэтому можно регистрировать очень редкиеявления, происходящие в одном случае из миллионов. Во-вторых, дрожжи хорошоизучены: известны структуры всех генов дрожжей. В-третьих, дрожжи в генетическомплане устроены практически так же, как человек. Почти все белки, которыеесть у человека, есть и у дрожжей, более того, часто эти белки взаимозаменяемы. И, наконец, дрожжи быстро размножаются, поэтому опыты не требуютдлительного времени. Один из основателей школы генетики дрожжей в бывшемСоветском Союзе - Сергей Георгиевич Инге-Вечтомов. Сейчас в России дрожжамизанимаются несколько групп ученых, среди них - лаборатория его ученика,профессора Михаила Давидовича Тер-Аванесяна в московском Кардиологическомнаучном центре.Еще в 1964 году С. Г. Инге-Вечтомов обнаружил у дрожжей ген SUP3 Примернов это же время британский исследователь Брайан Кокс нашел у дрожжей наследуемыйпризнак, обладающий рядом уникальных свойств, трудно объяснимых с точкизрения обычных представлений о генетических явлениях. Позже в лабораторииИнге-Вечтомова были получены свидетельства того, что существование этогопризнака зависит от гена SUP3 Одновременно с исследованиями Инге-Вечтомоватакие же результаты были получены в лабораториях Тер-Аванесяна и Кокса.Все данные свидетельствовали о том, что белок Sup35 может каким-то образомотвечать за проявление и наследование этого признака, причем это его свойствоне связано с мутациями (структурными изменениями) в гене SUP35.Обнаруженное явление оставалось необъяснимым до последнего времени,когда широкий интерес к прионам навел исследователей на мысль о сходствебелка Sup35 с прионами млекопитающих. Такое сходство предпола
гало, что белок Sup35 может иметь разную пространственную укладку,причем, находясь в прионной ("аномальной") форме, белок может "наводить"такую форму на молекулы этого же белка, находящиеся в "нормальном" состоянии.Такую аналогию провел американский ученый Рид Викнер, выдвинув гипотезу,что дрожжи могут синтезировать белки, проявляющие прионные свойства. Правда,Прузинер применительно к прионам говорил об "инфекции", но ведь никто ненаблюдал передачи вещества от одной клетки к другой через межклеточноепространство (а именно в этом заключается суть инфекции). Викнер предположил,что и в том, и в другом случае мы имеем дело с одним и тем же явлением,а именно с прямой передачей информации от белка к белку.Чтобы оценить смелость гипотезы, надо вспомнить: вся современная генетикаосновывается на том, что наследственная информация передается через молекулыДНК, которые могут удваиваться и передаваться потомству. Белки же синтезируютсяна основе информации, заложенной в ДНК. Цепочка передачи информации выглядиттак: ДНК (r)РНК (r)белок. В свое время сенсацией явилось открытие так называемой"обратной связи": оказалось, что информация может передаваться из РНК вДНК. Но то, что информация, передаваемая по наследству, не может быть заложенав белках, никогда не подвергалось сомнению (если не считать теории Лысенко,научные взгляды которого, по оценкам современных ученых, были близки средневековым).Теперь же получалось, что признак может наследоваться без участия ДНК.За исследование прионоподобных свойств дрожжевых белков взялись двелаборатории: группа американских ученых во главе с профессором Сьюзен Линдквисти лаборатория М. Д. Тер-Аванесяна. Позже к ним присоединились и другие.У американцев было лучшее оборудование, кроме того, они использовали всвоей работе материалы, полученные нашими учеными. Но в данном случае сыгралороль то, что у наших генетиков были большие наработки по этой теме.Статья М. Д. Тер-Аванесяна и его сотрудников появилась в июле 1996 годав журнале Европейской организации молекулярной биологии (ЕМВО Journal).В ней было показано, что белок Sup35 может образовывать агрегаты, подобныетем, которые создают прионы в "аномальной" форме. Уже в следующем месяцеаналогичные результаты, полученные лабораторией Линдквист, были опубликованыв журнале "Science". Теперь нужно было доказать, что информация о пространственнойформе передается напрямую от белка к белку.Структура "нормального" (слева) и "аномального" (справа) прионногобелка.И вот в 1997 году группа Тер-Аванесяна нашла такое доказательство. Опытбыл поставлен в среде без ДНК. К Sup35 добавляли некоторое количество белка,находящегося в "аномальной" пространственной форме. Через некоторое времявесь белок оказывался в "аномальной" конформации. Этот белок снова добавлялик "нормальному", и он опять переводил его в "аномальную" форму. Так повторялосьмного раз, пока доля исходного "аномального" белка не оказалась совершенноничтожной, так что стало ясно: "аномальный" белок, образованный из "нормального",способен передавать свою пространственную форму другому, "нормальному", белку. Итак, был открыт новый механизм передачи наследственной информации- белковая наследственность. Sup3 История изучения Как ни странно, белок Sup35, на котором была открыта белковая наследственность,был для генетиков чем-то вроде "белого пятна" в науке. Ученые ничего немогли сказать о его функциях: зачем он нужен в организме? Но, вероятно,это был как раз тот случай, когда, как говорят, "идея носилась в воздухе".И вот, в то время как генетики занимались Sup35 с точки зрения его прионоподобныхсвойств, молекулярные биологи неожиданно пришли к разгадке его функций.Когда девять лет назад началась эта история, никто из исследователейне мог предположить, что их работа приведет именно к выявлению функцийбелка Sup3 В то время Лев Львович Киселев и его коллеги из Институтамолекулярной биологии Российской академии наук занимались биосинтезом белков.В 1990 году известный американский ученый Т. Каски опубликовал статью,в которой описал белок, участвующий, по его мнению, в окончании процессасинтеза сложного вещества, состоящего из нескольких аминокислот, - полипептиднойцепи. Однако этот белок был практически тождествен тому, структуру которогорасшифровали наши ученые, но который, согласно нашим данным, участвовалне в окончании, а в начале указанного процесса. Не есть ли это противоречиездравому смыслу: два очень похожих белка не могут выполнять совершенноразные функции. Напрашивался вывод: Каски ошибся, его белок не заканчивалсинтез, а участвовал в его начале. В 1993 году Л. Л. Киселев и его коллегиопровергают работу Каски, и уже в следующем году сам Каски подтверждает,что его выводы были ошибочны.Какой же белок в таком случае завершает синтез? Теперь его поискамизанялись уже российские ученые. И вот в 1994 году (как раз в то время,когда Рид Викнер выдвинул гипотезу о прионоподобных свойствах Sup35) нашиисследователи опубликовали в журнале "Nature" структуру такого белка. Егоназвали еRF Этот белок оказался весьма консервативным по структуре: учеловека, лягушки и дрожжей его аминокислотная последова тельность оченьпохожа (дрожжевой белок имеет свое имя - Sup45). Как только это выяснилось,стало очевидно, что другой дрожжевой белок, о котором уже шла речь, - Sup35(дрожжевой прион) тоже может быть вовлечен в завершение синтеза полипептиднойцепи. Действительно, годом позже (в 1995 году) группы Киселева и Инге-Вечтомовасовместно с группой М. Филиппа из Реннского университета (Франция) открылиновую группу белков, получивших название еRF Среди них был и белок Sup35.Стало ясно, что Sup35 - один из двух белков, определяющих окончание белковогосинтеза у клеточных организмов. Чуть позже группа Киселева доказала, чтобелки еRF3/Sup35 обладают ферментативной активностью: расщепляют одно изключевых соединений клетки - гуазинтрифосфат (ГТФ). Открытие ферментативнойактивности дрожжевого приона Sup35 имеет большое значение, так как позволяетиспользовать биохимические методы для анализа прионных превращений, чторанее было невозможно.
На микроскопических снимках - прионные белки, возбудители коровьегобешенства. Белковая наследственность: значение открытия Итак, на примере дрожжевого белка открыт новый принцип наследственнойпередачи признаков. "Белковая наследственность" - так назвали ученые свойствоприоноподобных белков передавать информацию о своей пространствен ной формебез участия ДНК. Насколько широко распространено это явление? Прионоподобныебелки уже обнаружены у некоторых грибов, возможно, в скором времени онибудут найдены и у других организмов. Исследования на эту тему ведутся сейчасочень интенсивно. Пока даже сами ученые остерегаются делать прогнозы."Важно, что здесь мы имеем дело с передачей информации иного типа посравнению с той, что передается через гены, а именно с передачей структурной,трехмерной информации, - говорит М. Д. Тер-Аванесян. - Это совершенно новыйпринцип, и это чрезвычайно важно для науки". Есть теория, что прионоподобныебелки участвуют в формировании долговременной памяти человека. Если этодействительно так, то белковая наследственность, возможно, связана с важнейшейфункцией мозга.Разумеется, открытие белковой наследственности ни в коей мере не означаетпересмотра теории передачи наследственной информации через нуклеиновыекислоты. Это - дополнение к ней, новая глава классической генетики. Однаконе исключено, что многие явления будут переосмыслены. Наука "прошла мимо"прионоподобных белков. Ученые не исключают, что таких белков много, и втаком случае белковый механизм наследственности может иметь немаловажноезначение в жизни многих организмов.Возможно, белковая наследственность играла значительную роль и в биологическойэволюции, по крайней мере в эволюции одноклеточных организмов, размножающихсяпутем деления. Ведь благодаря постоянному делению в популяции в результатемеханизма прионной наследственности может возобладать одна из форм прионоподобно
го белка. Пока неясно функциональное назначение той или иной формы,но в природе нет ничего лишнего - следовательно, этот механизм для чего-тонужен. В случае дрожжей он, вероятно, служит целям адаптации.Несколько лет назад мир охватила паника. Англия стала первой страной,где объявилась новая смертельная болезнь коров - коровье бешенство. Череззараженное мясо болезнь передавалась и человеку.Для медицины открытие белковой наследственности означает перспективулечения болезней, вызываемых прионными и прионоподобными белками. Что касаетсясобственно прионных заболеваний, то они мало распространены среди людей(приблизительно один случай на миллион в год). Но у животных они нередки,а в связи с их инфекционностью опасность заражения человека очень велика- именно это обусловило ажиотаж вокруг эпидемии коровьего бешенства в Англии.Кроме того, есть еще ряд заболеваний - гораздо более распространенных,- которые также связаны с белками, способными образовывать агрегаты. Например,болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, болезнь Хангтингтона. Возможно,они также передаются с помощью механизма белковой наследственности. Ужеоткрыт способ "лечения" дрожжей от прионных заболеваний, а значит, появиласьмодель создания лекарств для человека.В 1997 году группа Тер-Аванесяна (Москва) нашла убедительное доказательствотого, что информация о пространственной форме передается от белка к белкунапрямую. Опыт ставился в среде без ДНК - основного носителя наследственности.Итак, к белку Sup35 (на рисунке - первая пробирка) добавляли некотороеколичество того же белка, но находящегося в "аномальной" форме. Через 3часа весь белок становился "аномальным". Часть этого белка снова добавлялик "нормальному", и картина повторялась. Опыт давал один и тот же результатмного раз подряд.

Е. ЗВЯГИНА, специальный корреспондент журнала "Наукаи жизнь".