Дарвиновская эволюция без участия генов

Два варианта пространственной конфигурации прионного белка: a — нормальная конфигурация (преобладают альфа-спирали); b — «патологическая» конфигурация (преобладают бета-листы). Изображение с сайта www.cogs.susx.ac.uk/users/ctf20

Прионы — инфекционные агенты белковой природы, вызывающие смертельные заболевания у животных и человека. Прионы представляют собой неправильно свернутые молекулы прионного белка PrP, способные «размножаться», превращая нормальные молекулы PrP в подобие самих себя. Оказалось, что у прионов есть нечто похожее на наследственную изменчивость, что позволяет им эволюционировать под действием естественного отбора. Они могут приспосабливаться к разным типам клеток и даже вырабатывать устойчивость к лекарствам.

Земная жизнь основана на размножении репликаторов определенного типа — полинуклеотидов РНК и ДНК. Но это далеко не единственный тип репликаторов, который в принципе может существовать в природе. Многие философы и социологи считают, что в культурной эволюции большую роль играют мемы — единицы культурной информации, которые используют человеческий разум для собственного выживания и размножения примерно так же, как гены используют клетку. Предполагается (хотя и не доказано окончательно), что мемы, как и гены, обладают двумя ключевыми свойствами, необходимыми для «дарвиновской» эволюции. Первое из них — способность мутировать и передавать мутации по наследству («наследственная изменчивость»). Второе — способность возникающих мутаций влиять на эффективность размножения репликатора («дифференциальное размножение»). Если репликатор обладает двумя этими свойствами, он автоматически начинает эволюционировать, приспосабливаясь к среде своего обитания. Сочетание наследственной изменчивости с дифференциальным размножением называют «естественным отбором».

Прионы — «нестандартные» биологические репликаторы, представляющие собой особым образом свернутые молекулы прионного белка PrP. Этот белок в норме присутствует на мембранах нейронов и выполняет какие-то полезные функции, связанные с передачей сигналов. Какие именно — пока еще не совсем ясно (Chiesa R., Harris D.A., 2009. Fishing for Prion Protein Function // PLoS Biol 7(3): e1000075). Безобидный прионный белок превращается в смертоносный прион в результате «неправильного сворачивания» (см. рисунок).

Прион обладает двумя удивительными свойствами. Во-первых, он заставляет нормальные прионные белки сворачиваться неправильно, превращая их в свои копии. Так прион «размножается». Во-вторых, он устойчив к действию протеолитических ферментов, задача которых состоит в уничтожении отслуживших белковых молекул. По-видимому, оба свойства связаны со способностью прионов слипаться в большие комки из множества молекул. Первые несколько слипшихся прионов становятся «центром кристаллизации», к которому затем прилипают всё новые и новые молекулы. В конце концов это приводит к нарушению работы нервной клетки.

Самое неприятное, что нейрон, в котором «завелись» прионы, заражает ими соседние нейроны, и в результате прионная инфекция распространяется по нервной системе. Способность к размножению, устойчивость к протеолитическим ферментам и заразность делают прионы опасными инфекционными агентами, похожими по своим свойствам на вирусы. Как и вирусы, прионы могут размножаться только за счет ресурсов, предоставляемых хозяйской клеткой. Вирусу необходимо, чтобы клетка синтезировала для него вирусные белки согласно инструкциям, записанным в вирусной ДНК или РНК. Приону необходимо, чтобы клетка синтезировала для него нормальные молекулы прионного белка, а прион уже сам превращает их в свои копии. Разница между вирусом и прионом весьма существенна для молекулярного биолога, но совсем не так заметна для эпидемиолога или, тем более, заболевшего животного. Прионы вызывают ряд смертельных нейродегенеративных заболеваний у человека и других млекопитающих, в том числе коровье бешенство и куру.

То, что прионы являются самыми настоящими репликаторами, сомнений не вызывает. Но до сих пор было неясно, есть ли у них весь необходимый «джентльменский набор» для дарвиновской эволюции. Способны ли прионы мутировать и передавать мутации по наследству, и если да, то могут ли эти мутации влиять на эффективность размножения прионов? Иными словами, действует ли на прионы естественный отбор? Способны ли они приспосабливаться к меняющимся условиям — например, к лекарственным препаратам, предназначенным для борьбы с прионными инфекциями?

Статья американских ученых, опубликованная в последнем номере журнала Science, позволяет ответить на эти вопросы положительно.

Ранее было замечено, что встречаются разные «штаммы» (разновидности) прионов, которые могут развиваться в нейронах одного и того же вида животных или в одной и той же клеточной культуре. Например, у мышей из одной и той же лабораторной линии, имеющих одинаковые прионные белки PrP, может встречаться 15 или даже более разных прионных инфекций, различающихся по скорости развития болезни и неврологическим симптомам. Было также замечено, что если взять штамм прионов у одного вида животных, заразить им другой вид, а потом взять прионы у второго вида и снова заразить ими первый, то симптомы в некоторых случаях оказываются уже другими.

Это позволило предположить, что у белка PrP есть несколько разных вариантов неправильного сворачивания и превращения в прион, причем каждый из вариантов устойчиво наследуется, то есть сохраняется в ряду «поколений» прионов. Возможно, прионы могут «мутировать» и передавать свои мутации по наследству. Мутации прионов, очевидно, не связаны с изменениями аминокислотной последовательности белка, а представляют собой изменения вторичной или третичной структуры (то есть способа сворачивания) белковой молекулы.

Чтобы проверить эти предположения, авторы провели множество экспериментов с разными штаммами прионов и разными клеточными культурами. Они обнаружили, что свойства прионов закономерным образом меняются, когда их пересаживают из одних клеток в другие, причем изменения происходят не сразу, а постепенно.

Для начала авторы заразили клеточную культуру PK1 прионами штамма 22L из мозга больной мыши. Оказалось, что чем дольше прионы живут и размножаются в клетках PK1, тем сильнее они отличаются по своим свойствам от исходных, «диких» прионов из мозга мыши. Исходные прионы 22L успешно заражают другую клеточную культуру, использовавшуюся в экспериментах (R33). Кроме того, эти прионы нечувствительны к действию вещества SWA (swainsonine). Авторы ранее установили, что SWA замедляет размножение некоторых разновидностей прионов в некоторых клеточных культурах. Однако по мере жизни прионов в клетках PK1 они постепенно утрачивали способность инфицировать клетки R33 и становились всё более чувствительными к SWA.

По-видимому, это означает, что популяция прионов в мозге больной мыши исходно была гетерогенной (разнородной), и в ней преобладали прионы, устойчивые к SWA и заразные по отношению к R33. Однако жизнь в клетках PK1 приводит к тому, что в популяции постепенно растет доля прионов, чувствительных к SWA и не способных заражать R33. Можно предположить, что прионы с этими свойствами быстрее размножаются в клетках PK1, то есть налицо эволюция под действием естественного отбора (если пользоваться «минималистским» определением, согласно которому эволюция — это изменение численного соотношения наследственных вариантов в популяции).

Способны ли прионы восстанавливать утраченную устойчивость к лекарственному препарату? Чтобы выяснить это, авторы пересаживали прионы, чувствительные к SWA, из клеток PK1 в мозг мышей. К тому времени, когда заболевание у зараженных мышей достигло терминальной стадии (через 147 дней после заражения), прионы полностью восстановили устойчивость к SWA.

Еще более наглядные результаты были получены в экспериментах с клеточными культурами, в которых «жили» прионы, чувствительные к SWA. Оказалось, что если выращивать зараженные клетки в присутствии небольших концентраций SWA, то прионы довольно быстро вырабатывают устойчивость к этому препарату. Таким образом, эти необычные репликаторы приспосабливаются к меняющимся условиям совсем как какие-нибудь вирусы или бактерии.

Выработка устойчивости в этих экспериментах могла происходить либо за счет преимущественного размножения устойчивых разновидностей прионов, которые уже существовали в исходной популяции (хоть и в малом количестве), либо за счет появления новых мутаций в ходе эксперимента. При помощи очень сложных дополнительных опытов авторы показали, что прионы-мутанты, устойчивые к SWA, спонтанно возникают в популяции, на 100% состоящей из неустойчивых прионов, даже в отсутствии SWA, то есть когда в такой мутации нет необходимости. Частота таких мутаций — примерно один случай на миллион клеточных делений.

Таким образом, прионы мутируют, передают мутации по наследству, и эти мутации влияют на эффективность размножения прионов в разных условиях. Иными словами, у прионов есть всё необходимое, чтобы эволюционировать под действием естественного отбора. Правда, пока не ясно, как далеко может зайти такая эволюция. По идее, у прионов должно быть гораздо меньше эволюционных возможностей, чем у тех же вирусов, потому что число возможных пространственных конфигураций белка PrP вряд ли может сравниться с невообразимо громадным числом возможных последовательностей нуклеотидов в геноме. Не ясно также, может ли естественный отбор у прионов быть «накопительным», то есть создавать новые свойства путем последовательного закрепления множества небольших наследственных изменений. Скорее, отбор у прионов всё-таки «одноразовый», работающий с единичными мутациями, причем набор возможных мутаций невелик.

Авторы исследовали эволюцию только двух «фенотипических признаков» прионов — устойчивости к SWA и способности заражать клетки R33. Не исключено, что естественный полиморфизм у прионов затрагивает также и многие другие их свойства, влияющие на эффективность размножения прионов в разных условиях. В этом случае реальная частота мутирования прионов может быть существенно выше. Возможно, к популяциям прионов приложимо даже понятие «квазивид», которое до сих пор применяли только к вирусам (см.: Вирусы-мутанты помогают друг другу в борьбе за выживание, «Элементы», 14.12.2005).

Авторы отмечают, что обнаруженная у прионов способность к «дарвиновской» эволюции хорошо объясняет некоторые странные особенности прионных инфекций, которые ранее не имели четкого объяснения. Например, было замечено, что при переходе инфекции от одного вида животных к другому сначала, как правило, наблюдается очень медленное развитие болезни и низкая инфекционность. Но уже после нескольких циклов внутривидового перезаражения прион становится более заразным, и болезнь развивается стремительнее. Очевидно, это объясняется тем, что прионам требуется время, чтобы приспособиться к новому хозяину.

Данная работа показала, что при разработке лекарств от прионных болезней лучше бороться не с конкретными штаммами прионов — к таким лекарствам прионы могут приспособиться, — а пытаться повысить устойчивость пространственной конфигурации нормального прионного белка, чтобы он всегда сворачивался правильно. Самым радикальным средством борьбы с этими болезнями является полное отключение гена, кодирующего белок PrP. Правда, пока не ясно, к каким побочным последствиям это может привести. Мыши с отключенным геном прионного белка выживают и даже не имеют каких-то особо тяжелых дефектов, но у них наблюдается множество мелких странностей: от нарушенного суточного ритма до склонности к ишемии и судорогам.

Источник: Jiali Li et al. Darwinian Evolution of Prions in Cell Culture // Science. 2010. V. 327. P. 869–872.

Александр Марков