Atklājumi.lv

Darviniskā evolūcija bez gēnu piedalīšanās: prionu gadījums

Prioni ir infekciozas olbaltumvielas, kas izraisa nāvīgas saslimšanas dzīvniekiem un cilvēkiem. Tās ir nepareizi savītas prionu olbaltumvielas PrP molekulas, kuras ir spējīgas "vairoties", pārvēršot normālās PrP molekulas par sev līdzīgām. Izrādījās, ka prioniem piemīt kaut kas līdzīgs iedzimtības mainībai, kas tiem ļauj evolucionēt dabiskās atlases ietekmē. Viņi var piemēroties dažādiem šūnu tipiem un pat izstrādāt noturību pret zālēm.

Zemes dzīve balstās noteikta tipa replikatoru - polinukleotīdu RNS un DNS - pavairošanās procesā. Taču tas nav vienīgais replikatoru tips, kas principā var pastāvēt dabā. Daudzi filosofi un sociologi, piemēram, uzskata, ka kultūras evolūcijā liela loma bija mēmiem - kultūras informācijas vienībām, kuras izmanto cilvēka saprātu, lai izdzīvotu un pavairotos, apmēram tāpat, kā gēni izmanto šūnu. Tiek uzskatīts (kaut arī nav nešaubāmi pierādīts), ka mēmiem, tāpat kā gēniem, piemīt divas būtiskas īpašības, kas nepieciešamas "darviniskajai" evolūcijai. Pirmā no tām ir spēja mutēt un nodot mutācijas pēctečiem ("iedzimtības mainība"). Otrā ir radušos mutācija spēja ietekmēt replikatora pavairošanās efektivitāti ("diferenciālā pavairošanās"). Ja replikatoram piemīt šīs divas īpašības, tas automātiski sāk evolucionēt, piemērojoties savai dzīves videi. Iedzimtības mainība apvienojumā ar diferenciālo pavairošanos sauc par "dabīgo atlasi".

Prioni ir "nestandarta" bioloģiskie replikatori, kas ir īpašā (anomālā) veidā savītas priona olbaltumvielas PrP molekulas. Šīs olbaltultumvielas normālās formas mīt neironu membrānās un pilda kādas, pagaidām vēl neskaidras, ar signālu pārraidi saistītas, noderīgas funkcijas (Chiesa R., Harris D.A., 2009. Fishing for Prion Protein Function // PLoS Biol 7(3): e1000075). Nekaitīgā prionu olbaltumviela par nāvējošu prionu pārtop "nepareizas savīšanās" rezultātā (sk. zīm.).

Prionam piemīt divas pārsteidzošas īpašības. Pirmkārt, tas liek normālām prionu olbaltumvielām savīties nepareizi, pārvēršot tās par savām kopijām. Tā prions "pavairojas". Otrkārt, tas ir noturīgs pret proteolītiskajiem fermentiem, kuru uzdevums ir iznīcināt savu laiku nodzīvojušās olbaltumvielu molekulas. Acīmredzot, šīs īpašības ir saistītas ar prionu spēju salipt lielos kamolos no daudzām molekulām. Pirmie nedaudzie salipušie prioni kļūst par "kristalizācijas centru", pie kura pēc tam pielīp jaunas un jaunas molekulas. Galu galā tas noved pie nervu šūnas darbības traucējumiem.

Pats nepatīkamais, ka neirons, kurā "ieviesušies" prioni, ar tiem inficē kaimiņu neironus, kā rezultātā prionu infekcija izplatās pa nervu sistēmu. Spēja vairoties, noturība pret proteolītiskajiem fermentiem un infekciozitāte padara prionus par bīstamiem infekcijas aģentiem, kas pēc savām īpašībām līdzinās vīrusiem. Tāpat kā vīrusi, arī prioni spēj vairoties, tikai izmantojot resursus, kurus sniedz saimniekšūna. Vīrusam ir nepieciešams, lai šūna tam sintezētu olbaltumvielas saskaņā ar instrukcijām, kuras ierakstītas vīrusa DNS vai RNS. Prionam ir nepieciešams, lai šūna tam sintezētu normālas prionu olbaltumvielas molekulas, kuras prions pēc tam pats pārvērš par savām kopijām. Atšķirība starp vīrusu un prionu ir ļoti būtiska molekulārajam biologam, taču nav nemaz tik pamanāma epidemiologam vai, vēl jo vairāk, saslimušajam dzīvniekam. Prioni izraisa vairākas nāvējošas neirodeģeneratīvas slimības cilvēkiem un citiem zīdītājiem (to skaitā govju trakumsērgu un Jaungvinejas kanibālu ciltī novēroto "kuru").

Tas, ka prioni ir visīstākie replikatori, šaubas nerada. Taču līdz šim brīdim nebija skaidrs, vai viņiem ir viss nepieciešamais darviniskajai evolūcijai. Respektīvi - vai prioni ir spējīgi mutēt un nodot mutācijas pēctečiem, un, ja ir, vai šīs mutācijas var ietekmēt prionu pavairošanās efektivitāti? Citiem vārdiem, vai prionus ietekmē dabīgā atlase? Vai tie ir spējīgi piemēroties mainīgiem apstākļiem - piemēram, ārstniecības preparātiem, kas paredzēti cīņai ar prionu infekcijām.

Amerikāņu zinātnieku raksts, kas publicēts žurnāla "Science" š. g. 12. februāra numurā, uz šiem jautājumiem ļauj atbildēt apstiprinoši.

Agrāk tika ievērots, ka ir sastopami dažādi prionu "celmi" (formas), kas var attīstīties vienas sugas dzīvnieku neironos vai vienā noteiktā nervu kultūrā. Piemēram, pelēm no vienas un tās pašas laboratorijas līnijas ar vienādu prionu olbaltumvielu PrP var būt 15 un pat vairāk dažādas prionu infekcijas, kas atšķiras pēc slimības attīstības ātruma un neiroloģiskajiem simptomiem. Tika arī pamanīts - ja paņem prionu celmu no vienas dzīvnieku sugas, inficē ar to citu sugu, bet pēc tam paņem prionus no otras sugas un atkal inficē ar tiem pirmo, tad simptomi dažos gadījumos izrādās jau citi.

Tas ļāva pieņemt, ka PrP olbaltumvielai ir vairāki varianti, kā nepareizi savīties un pārvērsties par prionu, turklāt katrs no variantiem tiek noturīgi mantots, tas ir, saglabājas daudzās prionu "paaudzēs". Iespējams, prioni var "mutēt" un nodot savas mutācijas pēctečiem. Prionu mutācijas acīmredzot nav saistītas ar olbaltumvielas aminoskābju secības izmaiņās, bet gan ir olbaltumvielas molekulas sekundārās un trešējās struktūras (tas ir, savīšanās veida) izmaiņas.

Lai pārbaudītu šos pieņēmumus, autori veica daudzus eksperimentus ar dažādiem prionu celmiem un dažādām šūnu kultūrām. Viņi atklāja, ka prionu īpašības likumsakarīgā veidā mainās, kad tos pārnes no vienām šūnām uz citām, turklāt izmaiņas norit nevis pēkšņi, bet pakāpeniski.

Sākumā autori inficēja šūnu kultūru PK1 ar celma 22L prioniem no slimas peles smadzenēm. Izrādījās - jo ilgāk prioni dzīvo un vairojas PK1 šūnās, jo spēcīgāk tie pēc savām īpašībām atšķiras no sākotnējiem "savvaļas" prioniem. Sākotnējie prioni 22L sekmīgi inficēja arī citu šūnu kultūru, kas tika izmantota eksperimentos (R33). Turklāt šie prioni ir nejūtīgi pret vielas SWA (swainsonine) iedarbību. Autori agrāk noteica, ka SWA palēlina dažu prionu formu pavairošanos dažās šūnu kultūrās. Taču savas dzīves laikā prioni PK1 šūnās pakāpeniski zaudēja spēju inficēt R33 šūnas un kļuva arvien jūtīgāki pret SWA.

Acīmredzot tas nozīmē, ka prionu populācija slimās peles smadzenēs sākotnēji bija heterogēna (daudzveidīga) un tajā vairākumā bija prioni, kas bija noturīgi pret SWA un infekciozi attiecībā uz R33. Taču atrašanās PK1 šūnās noveda pie tā, ka populācijā pakāpeniski auga to prionu daļa, kas bija jūtīgi pret SWA un nebija spējīgi inficēt R33. Pieņemot, ka PK1 šūnās ātrāk vairojās prioni tieši ar šīm īpašībām, novēroto procesu varam skaidrot kā evolūciju dabīgās atlases ietekmē (ja izmanto "minimālistisko" definīciju, saskaņā ar kuru evolūcija - tās ir iedzimtības variantu skaitliskās attiecības izmaiņas populācijā).

Vai prioni ir spējīgi atjaunot zaudēto noturību pret ārstniecības preparātu? Lai to noskaidrotu, autori pārstādīja pret SWA jūtīgos prionus no PK1 šūnām uz peļu smadzenēm. Līdz brīdim, kad saslimstība inficētajām pelēm sasniedza terminālo stadiju (147 dienas pēc inficēšanas), prioni bija pilnībā atjaunojuši noturību pret SWA.

Vēl uzskatāmāki rezultāti tika iegūti eksperimentos ar šūnu kultūrām, kurās "dzīvoja" pret SWA jūtīgie prioni. Izrādījās - ja inficētās šūnas audzē nelielu SWA koncentrāciju klātbūtnē, tad prioni diezgan ātri attīsta noturību pret šo preparātu. Tādējādi šie neparastie replikatori, kā kādi vīrusi vai baktērijas, piemērojas mainīgajiem apstākļiem.

Noturības izveide šajos eksperimentos varēja notikt vai nu pateicoties tam, ka pārsvarā pavairojās noturīgās prionu formas, kuras jau bija sākotnējā populācijā (kaut arī mazā daudzumā), vai arī tādēļ, ka eksperimenta gaitā parādījās jaunas mutācijas. Ar ļoti sarežģītu papildus eksperimentu palīdzību autori parādīja, ka pret SWA noturīgi prioni-mutanti populācijā, kas pilnībā sastāv no nenoturīgajiem prioniem, spontāni rodas pat bez SWA klātbūtnes, tas ir, kad pēc šādas mutācijas nav nepieciešamības. Šādu mutāciju biežums ir apmēram viens gadījums no miljons šūnas dalīšanās reizēm.

Tādējādi prioni mutē, nodod mutācijas pēctečiem, un šīs mutācijas ietekmē prionu pavairošanās efektivitāti dažādos apstākļos. Citiem vārdiem, prioniem ir viss nepieciešamais, lai evolucionētu dabīgās atlases ietekmē. Tiesa, pagaidām nav skaidrs, cik tālu var nonākt tāda evolūcija. Principā prioniem jābūt daudz mazākam skaitam evolucionāro iespēju, nekā, piemēram, tiem pašiem vīrusiem, jo olbaltumvielas PrP iespējamo telpisko konfigurāciju skaitu diez vai var salīdzināt ar neiedomājami daudzajām nukleotīdu secībām genomā. Nav skaidrs arī, vai dabīgā atlase prioniem ir "uzkrājoša", tas ir, vai tā spēj radīt jaunas īpašības, secīgi nostiprinot daudzas nelielas iedzimtības izmaiņas. Drīzāk atlase prioniem tomēr ir "vienreizēja", kas darbojas ar atsevišķām mutācijām, turklāt iespējamo mutāciju kopums ir neliels.

Autori pētīja evolūciju tikai saistībā ar divām prionu „fenotipiskajām pazīmēm" - tās bija noturība pret SWA un spēja inficēt R33 šūnas. Nav izslēgts, ka dabīgais prionu polimorfisms ietver arī daudzas citas to īpašības, kas ietekmē prionu pavairošanās efektivitāti dažādos apstākļos. Tādā gadījumā reālais prionu mutācijas biežums var būt būtiski augstāks. Iespējams, ka prionu populācijām ir piemērojams pat „kvazisugas" jēdziens, kuru līdz šim attiecināja tikai uz vīrusiem (sk.: Вирусы-мутанты помогают друг другу в борьбе за выживание, «Элементы», 14.12.2005).

Autori atzīmēja, ka pētījumā atklātā prionu spēja "darviniski" evolucionēt labi izskaidro dažas dīvainas prionu infekciju īpatnības, kurām agrāk nebija konkrēta izskaidrojuma. Piemēram, bija pamanīts - infekcijai pārejot no vienas dzīvnieku sugas uz citu, sākumā parasti tika novērota ļoti lēna slimības attīstība un zema infekciozitāte. Taču jau pēc dažiem inficēšanās cikliem sugas ietvaros prions kļūst infekciozāks un slimība attīstās straujāk. Acīmredzot izskaidrojums ir tāds, ka prioniem ir vajadzīgs laiks, lai piemērotos jaunajam saimniekam.

Šis darbs parādīja, ka, izstrādājot zāles pret prionu slimībām, labāk ir nevis cīnīties pret konkrētiem prionu celmiem - jo prioni var pielāgoties šādām zālēm, - bet gan mēģināt palielināt parastās prionu olbaltumvielas telpiskās konfigurācijas noturību, lai tā vienmēr savītos pareizi. Pats radikālākais cīņas veids ar šo slimību ir pilnībā izslēgt gēnu, kas kodē olbaltumvielu PrP. Tiesa, pagaidām vēl nav skaidrs, kādas tam var būt blakusparādības. Peles ar atslēgtu prionu olbaltumvielas gēnu spēj izdzīvot un tām neparādās kādi manāmi smagi defekti, taču tām novēro daudzas sīkas dīvainības: no traucēta diennakts ritma līdz tendencei uz išēmiju un krampjiem.

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

Aleksandrs Markovs

Ilmāra Cīruļa tulkojums

Raksts pārpublicēts no elementy.ru