Ученые установили причину болезней Альцгеймера и Паркинсона

// // Научно-популярные материалы //

Возникновение нейродегенеративных заболеваний — болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона и других — можно объяснить цепной реакцией токсичных белков. Может быть, эта информация наконец поможет найти необходимые методы лечения.

Под микроскопом в поврежденных нервных клетках мозга пациентов, умерших от болезни Альцгеймера, можно увидеть странные сгустки. Они состоят из белков, которых там явно быть не должно. Откуда они взялись и почему их так много? А главное, какое отношение они имеют к этому разрушительному и неизлечимому заболеванию? Поиск ответов на эти вопросы привел к пугающему открытию: сгустки белков при болезни Альцгеймера и других основных нейродегенеративных заболеваниях по своему поведению очень похожи на прионы, токсичные белки, вызывающие разрушение мозга при коровьем бешенстве.

Прионы — это устойчивые деформированные версии обычных белков, в норме присутствующих в нерв- s ных клетках. Прионы вызывают изгибание и слипание белков друг с другом, запуская цепную реакцию, которая в итоге уничтожает целые участки мозга. За последние десять лет ученые выяснили, что этот процесс может возникать не только при коровьем бешенстве и других экзотических болезнях, но и при распространенных нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезни Альцгеймера, Паркинсона, боковой амиотрофический склероз (БАС, болезнь Jly Герига) и травматическая энцефалопатия боксеров и футболистов.

Все исследования свидетельствуют о том, что эти болезни не заразны в отличие от коровьего бешенства или, например, гриппа. Однако недавно полученные новые данные открывают ученым главную причину и указывают возможные способы лечения, позволяющие создавать новые лекарства для борьбы с ужасными недугами, которые лишают человека чувства собственного «я». Это хорошая новость для десятков миллионов людей во всем мире, страдающих от нейродегенеративных заболеваний.
Ученые, сделавшие это открытие, в долгу перед исследователями, впервые описавшими прионы. Все началось в начале XVIII в. с сообщений о необычном смертельном заболевании овец, названном почесухой, поскольку больные животные интенсивно расчесывали шкуру. Позже, когда ученые стали исследовать это заболевание, они увидели под микроскопом, что нервная система животных была буквально испещрена дырами. В 1930-х гг. французские и британские исследователи выяснили, что почесуха может передаваться от одной овцы к другой, но возбудитель инфекции найден не был и вел себя очень странно: инкубационный период между заражением и появлением симптомов был значительно длиннее, чем при наличии обычных возбудителей заболеваний, таких как бактерии или вирусы. А иммунный ответ, который обычно возникает, чтобы уничтожить этих врагов, по-видимому, отсутствовал.

Эти особенности как будто намекали, что речь идет о необычном возбудителе, но на протяжении примерно 20 лет почесуха оставалась всего лишь непонятным заболеванием животных. И только в 1950-х гг. Уильям Хэдлоу (William Hadlow), работавший тогда в Комптоне на полевой станции Британского сельскохозяйственного научно-исследовательско- го совета, заметил очевидное сходство в патологии мозга при почесухе и таинственной болезни человека, называемой куру. Куру — это прогрессирующее нейродегенера- тивное заболевание, характеризующееся непрерывным ухудшением умственных способностей и координации движений и неизменно заканчивающееся смертью. Оно распространено среди народа форе, живущего в Папуа — Новой Гвинее и практикующего ритуальный каннибализм, когда поедают членов племени, умерших от болезни куру. Это позволило предположить, что некие возбудители заболевания, попадающие в организм, каким-то образом проникали в мозг.

В 1960-х гг. Дэниел Карлтон Гайдузек (D. Carleton Gajdusek), работавший в одном из Национальных институтов здравоохранения США, вместе со своими коллегами показал, что куру может передаваться при прямом введении ткани мозга больного в мозг обезьян, доказав тем самым, что заболевание заразно. Кроме того, группа Гайдузека выявила ключевое сходство в патологии мозга при болезни куру и другом нейродегенеративном заболевании, болезни Крейтцфельдта— Якоба (БКЯ), стремительно прогрессирующей форме слабоумия, встречающейся примерно у одного человека на миллион. Гайдузек пошел дальше, продемонстрировав, что это заболевание так же заразно для приматов, как и куру, но БКЯ чаще всего возникает у человека спонтанно. В 1980-х гг. сотрудник Калифорнийского университета в Сан-Франциско Стенли Прузинер (Stanley В. Prusiner) определил возбудителя почесухи и других схожих заболеваний, которые объединяют под названием «губчатая энцефалопатия», поскольку при этих болезнях мозг становится похожим на швейцарский сыр. В изящной серии экспериментов он с коллегами убедительно доказал, что возбудитель этих заболеваний содержит только неправильно свернутый вариант безвредного белка РгР. Для белковой инфекционной частицы Прузинер ввел термин «прион», чтобы отличать белок-возбудитель от вирусов, бактерий, грибов и других известных патогенов. (Сегодня значение термина расширилось и включает в себя белки, навязывающие свою форму другим таким же белкам, но не обязательно вызывающие болезни.) Идеи Прузинера о том, что такие белки могут служить переносчиками заболевания, встретили активное противодействие, но в 1997 г. его усилия были вознаграждены и он получил Нобелевскую премию за свою работу.

Основные положения:

  • Коровье бешенство и связанные с ним инфекционные заболевания возникают, когда неправильные белки, прионы, вызывают деформацию нормальных белков. За это открытие была присуждена Нобелевская премия.
  • Прионоподобное развитие заболеваний, по-видимому, происходит и при серьезных нейродегенеративных расстройствах, таких как болезни Альцгеймера, Паркинсона, боковой амиотрофический склероз, хотя эти заболевания и не передаются от человека к человеку.
  • Информация о том, как белки деформируются, вызывая аналогичное изменение у других белков, может помочь в профилактике и лечении некоторых наиболее распространенных неврологических заболеваний.

Тщательные исследования болезни Альцгеймера и других нейродегенеративных состояний недавно показали, что, не будучи заразными, как классические прионные заболевания, они могут возникать и распространяться по мозгу аналогичным образом за счет процесса, который запускается патогенными белками. Подобно прионам, вызывающим почесуху, белковые «семена» могут высвобождаться, захватываться.

Как работает патологический процесс

Белки, искривленные неправильным образом, запускают цепную реакцию, вызывая аналогичное искривление у других таких же белков. Этот механизм лежит в основе многих нейродегенеративных заболеваний, в том числе болезни Альцгеймера. При болезни Альцгеймера неправильно скрученный белок А.*-' работает как затравка, запускающая процесс, в результате которого возникают большие и маленькие белковые скопления, которые повреждают и в итоге убивают нервные клетки.

Неправильно скрученный Аф вызывает такое же неправильное скручивание соседних молекул, после чего они слипаются друг с другом. Позже белки могут отрываться и запускать этот же процесс уже в другом месте.

Небольшие скопления А6, называемые олиго- мерами, или протофибриллами, застревают на синапсах — местах соединения нервных клеток и могут нарушать химическую передачу сигнала между нейронами. Сенильные бляшки (большие скопления Afi) окружают клетку, вызывая дополнительные повреждения.

Рост Арскоплений неумолимо продолжается, они захватывают большинство областей в коре больших полушарий, верхние области мозга (слева), потом перемещаются в другие части мозга (в центре), затем достигают наиболее глубоких структур — ствола мозга и мозжечка (справа).

Неправильное скручивание белка вызывает болезнь?

Впервые идея о том, что в основе болезни Альцгеймера лежит неправильное скручивание белка, появилась в 1960-х гг., когда исследователи, пытаясь разгадать тайну прионных заболеваний, заметили, что наблюдаемые изменения в мозге очень похожи на те, которые происходят при других нейродегенеративных заболеваниях. Болезнь Альцгеймера— наиболее распространенная форма старческого слабоумия, она возникает незаметно и непрерывно прогрессирует на протяжении многих лет, вызывая ухудшение памяти, сознания, и наконец убивает человека. У людей старше 65 лет вероятность возникновения этого заболевания удваивается каждые пять лет, и к 85 годам им болеет примерно каждый третий человек. Исследователи уже в то время понимали, что слипание белков играет какую-то роль в развитии этого заболевания. В 1906 г. Алоис Альцгеймер, в честь которого оно и было названо, отметил связь слабоумия с двумя особыми микроскопическими аномалиями в мозге. Во- первых, внутри клетки располагались сенильные бляшки (сейчас известно, что это скопление ненормально свернутых белков, называемых бета-амилоидами, или А1). Во-вторых, снаружи клетки располагались нейро- фибриллярные клубки (из-за того, что тау-белок вызывает неупорядоченное слипание фибрилл). Если эти скопления рассмотреть в сильном увеличении при помощи электронного микроскопа, можно увидеть длинные нити А' или тау-белков. Кроме того, белки формируют небольшие скопления, называемые олигомерами или протофибриллами, которые тоже мешают нормальной работе нейронов. В конце 1960-х гг. Гайдузек с коллегами решили проверить предположение, что болезнь Альцгеймера может передаваться так же, как почесуха, куру и болезнь Крейтцфельдта — Якоба. Они ввели в мозг обезьяны экстракт мозга человека с болезнью Альцгеймера. Позже, независимо от них, в Англии, группа ученых из Центра клинических исследований в Харроу, возглавляемая Розалинд Ридли (Rosalind Ridley) и Гарри Бэке- ром (Harry Baker), провела такие же эксперименты. Результаты Гайдузека были неоднозначными, и ни одной из групп не удалось полностью подтвердить гипотезу. Британские исследователи, однако, обнаружили некоторое косвенное подтверждение: после инкубационного периода, длившегося не меньше пяти лет, у обезьян, которым вводили экстракт мозга человека с болезнью Альцгеймера, было больше амилоидных бляшек по сравнению с контрольной группой.

Мы хотели начать свои исследования, чтобы посмотреть, будут ли небольшие скопления ненормально свернутых бета-амилоидов играть роль затравки для цепной реакции неправильного скручивания и слипания белков, которое в итоге приводит к отложению белка, характерному для мозга человека с болезнью Альцгеймера. Но нас смутила пятилетняя продолжительность инкубационного периода у обезьян.

Ситуация существенно изменилась в середине 1990-х гг. с появлением трансгенных мышей, у которых вырабатывается предшественник человеческого бета-амилоида — белок АРР. Совместно с нашими талантливыми коллегами и студентами мы начали серии экспериментов по изучению амилоидной гипотезы. У трансгенных животных нет всех симптомов болезни Альцгеймера (по-видимому, это заболевание уникально для человека), но использование грызунов дает нам большие преимущества: мыши мелкие, живут недолго, содержать их просто, и у каждой особи в определенное время спонтанно начинается накопление А* в мозге.

Мы сосредоточились именно на А1', а не натау-белке. Хотя и бляшки и клубки способствуют гибели нейронов, что приводит к слабоумию при болезни Альцгеймера, большая часть исследований показывает, что ненормально свернутые Д« выполняют роль главного активатора при развитии заболевания. Действительно, многие факторы риска болезни Альцгеймера влияют на клеточные процессы, связанные с производством, сворачиванием, накоплением или удалением АР. Генетические мутации, вызывающие заболевание в очень раннем возрасте, изменяют АРР или ферменты, участвующие в создании А' из АРР. Кроме того, ученым известно, что в мозге признаки болезни Альцгеймера появляются за десять лет и ранее до появления симптомов, т.е. ненормальное скопление белков возникает на очень ранних стадиях заболевания.

В наших первых экспериментах мы намеревались определить, будет ли экстракт мозга пациентов, умерших от болезни Альцгеймера, вызывать скопление А; в мозге трансгенных мышей. Другими словами, можем ли мы вызвать и распространить скопление бета-ами- лоидов так же, как прионы запускают скопление РгР при губчатой энцефалопатии? Мы использовали методы, разработанные для изучения прионов. Взяли маленькие образцы мозга пациентов с болезнью Альцгеймера и людей из контрольной группы, умерших по другим причинам, измельчили ткань и быстро прокрутили в центрифуге, чтобы удалить крупные куски. Потом мы ввели небольшое количество экстракта в мозг молодых трансгенных мышей.

Результаты были положительные. В мозге мышей, которым вводили экстракт мозга человека с болезнью Альцгеймера, скопления А стали возникать затри-пять месяцев до того, как в норме должны были начать формироваться их собственные А -бляшки. Интенсивность формирования бляшек была пропорциональна количеству А' в донорском экстракте мозга. Инкубационный период зависел от того, были ли уже бляшки в экстракте. Особенно важно, что введение экстракта мозга без скоплений А'- не вызывало формирования бляшек у мышей.

Выявление амилоидной затравки

Эксперименты подтвердили, что накопление бета-амилоидов может быть вызвано введением экстракта мозга человека с болезнью Альцгеймера, но они не могли однозначно показать, что именно РФ в экстракте и вызывали формирование бляшек. Эта неопределенность вынудила нас поставить дополнительные вопросы. Во-первых, могли ли скопления А1', которые мы наблюдали у мышей, быть исключительно теми, которые мы вводили? Здесь ответ был отрицательным: через неделю после введения скоплений А в мозге не обнаруживалось. Бляшки начинали появляться не раньше чем через месяц.

Во-вторых, мы предположили, что формирование бляшек могло вызываться не бета-амилоидами, а каким-то другим компонентом из экстракта человеческого мозга, возможно, вирусом. Мы исключили эту версию, убедившись, что экстракт мозга старой неинфицирован- ной АРР-трансгенной мыши был так же эффективен, как и экстракт человеческого мозга, поскольку образцы содержали достаточное количество А'-скоплений. Кроме того, поскольку экстракт из мозга человека, не страдавшего болезнью Альцгеймера, не вызывал скопления А , мы исключили и возможность того, что бляшки были всего лишь реакцией на инъекцию.

Хотя уже одно это неопровержимо свидетельствовало, что виноваты именно А' , мы хотели более четких доказательств. Поэтому нашим третьим шагом было избирательное извлечение бета-амилоидов с помощью антител из экстракта мозга. Эта простая процедура лишила экстракт мозга больного способности вызывать формирование бляшек у мышей. Наконец, когда мы использовали концентрированную кислоту, чтобы развернуть неправильно свернутые белки, экстракт снова потерял способность вызывать формирование бляшек. Таким образом, мы подтвердили, что форма белка обусловливала его способность вызывать неправильное свертывание и скопление других молекул А'-. Теперь мы могли быть уверены, что неправильно свернутые бета-амилоиды и были активной затравкой, однако оставался невыясненным еще один ключевой момент головоломки.

Если скопление А'' само по себе выступает как затравка, значит можно вызвать формирование бляшек с помощью искусственно синтезированного в пробирке А без помощи многих других веществ, содержащихся в мозге. Мы знали, что это сложно, т.к. при исследовании прионов было показано, что материал из пробирки может в небольших, но важных деталях отличаться от взятого из мозга. Поэтому мы вводили различные формы искусственных слипающихся А АРР-трансгенным мышам и выжидали в течение обычного инкубационного периода— три-пять месяцев. Результаты были неутешительные: за наблюдаемый период формирования бляшек не началось. Однако недавно Стенли Прузинер, Ян Стор (Jan Stoehr), Курт Джайлз (Kurt Giles) и их коллеги из Калифорнийского университета в Сан- Франциско тоже ввели искусственные волокна А'» в мозги АРР-трансгенных мышей. После длительного инкубационного периода (более шести месяцев) у мышей обнаружились явные признаки начала накопления бета- амилоидов в мозге. Несмотря на то что искусственная затравка оказалась не такой эффективной, как натуральный экстракт мозга, ученые убедительно показали, что скопление чистых А' без каких либо других веществ способно запускать формирование отложений А в мозге. В следующих экспериментах мы начали изучать, какие именно черты бета-амилоидов обусловливают их способность вызывать слипание белка в мозге. Поскольку большая часть А1 в экстракте состоит из длинных нераство- ряющихся волокон, мы предположили, что именно эти волокна и есть наиболее эффективная затравка. Результаты были для нас неожиданными. Разделив при помощи центрифуг А' -содержащую часть экстракта на два компонента, мы получили на дне центрифуги нерастворимый осадок, в котором содержалось большинство А'-волокон, и жидкость над ним. В жидкости оказалось совсем немного растворимой формы бета-амилоидов. Как и предполагалось, основное количество А , выпавшего в осадок, при введении в мозг трансгенных мышей вызывало формирование Afi-скоплений стой же интенсивностью, как и обычный экстракт мозга. Неожиданно и растворимая часть тоже вызывала скопление А- и формирование бляшек, хотя там содержалось в тысячу раз меньше бета-амилоидов, чем в осадке. Кроме того, растворимые А легко разрушались с помощью фермента протеиназы К, а нерастворимые не разрушались. То, что две формы бета-амилоидов имеют разный размер и разную устойчивость к ферментам, — хорошо и плохо одновременно. Плохо, что процесс способны запускать и небольшие растворимые молекулы, которые могут перемещаться по мозгу гораздо легче, чем крупные волокна. С другой стороны, их чувствительность к протеиназе К означает, что растворимые А1" можно специфично убрать из мозга, т.е. этот аспект поддается лечению. Поскольку растворимые молекулы легко выявляются в физиологических жидкостях, их можно использовать для молекулярной диагностики болезни Альцгеймера на ранней стадии, еще до начала развития слабоумия. Поскольку белковые затравки появляются на очень ранних этапах заболевания, наличие способа распознать и нейтрализовать их позволит предотвратить дальнейшее повреждение мозга и развитие слабоумия.

За пределами болезни Альцгеймера

Природа редко упускает возможность использовать один и тот же механизм для разных целей, и затравка для белкового слипания — не исключение. Это происходит не только при патологических, но и при полезных процессах. Например, в 1990-х гг. Рид Викнер (Reed Wickner), работавший в одном из Национальных институтов здоровья, предположил, что такую стратегию используют некоторые белки грибов для обеспечения выживания клетки, и сейчас этому получено подтверждение во многих лабораториях. Более того, Сьюзан Линдквист (Susan Lindquist) из Массачусетсского технологического института и Эрик Кендел (Eric R. Kandel) из Колумбийского университета продвигают необычное предположение, что прионоподобное распространение определенных белков помогает стабилизировать участки нервных сетей в мозге, обеспечивая сохранение долговременной памяти.

В настоящий момент, однако, большая часть исследований сосредоточена на выявлении роли таких белковых скоплений именно при патологиях. Белки, агрегация которых играет роль в заболеваниях мозга, — это псинуклеин (при болезни Паркинсона), супероксиддисмутаза 1 (при БАС), TDP-43 (при БАС и лобно-височной деменции), хантингтин (при болезни Хантингтона), тау-белок (при нескольких разных нейродегенеративных заболеваниях). Многие другие нейродегенеративные заболевания также сопровождаются слипанием белков, и важно будет проверить, действует ли здесь тот же самый механизм.

Недавно ученые обнаружили, что некоторые белки, участвующие в регуляции работы генов, содержат прионные домены — последовательность аминокислот, позволяющая белку менять свою структуру по образу других ему подобных молекул. По своей природе эти белки склонны к слипанию, и определенные мутации могут это свойство усиливать. Группа исследователей под руководством Пола Тейлора (Paul Taylor) из Детского исследовательского госпиталя св. Иуды и Джеймса Шортера (James Shorter) из Пенсильванского университета сообщили, что мутации в прионных доменах регуляторных белков hnRNPA2Bl и hnRNPAl вызывают патологические процессы в нервной системе, мышцах и костях. Кроме того, цепная реакция слипания показана экспериментально для других белков, которые работают за пределами нервной системы, например при амилоидозе. По- видимому, спектр заболеваний, при которых отмечается прионоподобное распространение белков, будет расширяться.

Чтобы на основе этого механизма найти методы лечения, нам надо выяснить, каким образом неправильно свернутые белки повреждают клетки и ткани. Это поможет остановить поражение, даже если накопление белков будет сложно прекратить. Исследователи показали, что слипшиеся белки могут повреждать клетки многими разными способами, начиная с того, что взаимодействия их со структурами клетки могут быть токсичны, и заканчивая тем, что эти скопления мешают работе нормальных белков. В то же время нам надо понять, как именно возникают патогенные белки, и исключить условия, при которых они обретают неправильную структуру и запускают цепную реакцию. Как только мы выясним, как клетки подхватывают, разносят и высвобождают патогенные белки, появится и дальнейшее понимание развития заболевания. И, наконец, важный открытый вопрос — почему в старости так резко возрастает риск развития нейродегенеративных заболеваний? Ответы на эти вопросы укажут новые пути обезвреживания патогенных белков.

Все больше и больше доказательств подтверждают непривычную идею, что простое изменение формы может превратить белок из друга во врага. Стенли Прузинер в своей Нобелевской лекции, посвященной открытию прионов, предсказал, что процессы навязывания своей токсичной формы нормальным белкам, которые запускают прионы при коровьем бешенстве и схожих заболеваниях, будут обнаружены и при других нейродегенеративных патологиях. За последнее десятилетие его предсказания получили экспериментальное подтверждение. Действительно, прионоподобные механизмы объясняют возникновение одного из наиболее страшных возрастных заболеваний и обозначают подход, который, может быть, в один прекрасный день приведет к созданию лекарств, останавливающих безжалостное развитие нейродегенеративных болезней.

Об авторах: Лэри Уокер (Lary С. Walker) работает адъюнкт-профессором неврологии в Университете Эмори и занимается исследованиями в Национальном центре изучения приматов им. Йеркса.

Матиас Юкер (Mathias Jucker) работает в Германии в Институте клинических исследований мозга Херти в Тюбингенском университете и в Немецком центре нейродегенеративных заболеваний в Тюбингене. В течение двух последних десятилетий авторы активно сотрудничают, занимаясь изучением старения мозга и болезни Альцгеймера.