Прионные болезни - взгляд эколога

Е.В.  Ротшильд, д.б.н., Институт проблем экологии и эволюции РАН

Список литературы

Введение

Прионными называют некоторые смертельно опасные заболевания центральной нервной системы людей и животных. Прототипами прионной болезни являются губчатые энцефалопатии и «почесуха овец» или скрепи — нейродегенеративное заболевание овец. К названию прионных болезней как правило, добавляют термин «трансмиссивные», что подразумевает механизм передачи возбудителя через посредникоа —, например, кровососущих членистоногих (насекомых и клещей).

Характерные черты этих заболеваний: продолжительный инкубационный период, глубокое поражение нервной ткани и почти неизбежный смертельный исход. Интенсивная стадия изучения этих болезней продолжается уже более полувека. Давно известно, что  возбудители прионных болезней (далее используем для них сокращение ВПБ), отличаются необычными свойствами. Но до сих пор, следуя традиционному разделению отраслей науки, специалисты в области медицины и натуралисты, исследователи природной среды, не находят путей сотрудничества. Главный недостаток знаний об этих  болезнях состоит в том, что способов  их  лечения до сих пор не найдено.

В этой статье, на основе опыта изучения болезней диких животных, высказывается гипотеза о происхождении болезней и их возбудителей (ВПБ), а также  месте, которое они занимают в современной системе организмов. Гипотеза приводит к практическим предложениям по разработке методов лечения прионных болезней.

Методология исследования – экология чумы

Выдвигаемые соображения основаны на результатах экспериментов на примере чумы у грызунов, которые мы с коллегами проводили много лет назад. Представления об экологии дикой чумы, сложившиеся в те далекие уже годы, послужат нам исходной позицией, или моделью, для решения вопросов в отношении прионных  болезней. Рабочая процедура, наиболее приемлемая в таком исследовании – сравнение  непонятного биологического  объекта  с тем, который хорошо изучен, причем, в том числе – с точки зрения  экологии сообществ организмов.

Следуя этому пути, требуется, однако, освободить модель инфекции, которую мы собираемся использовать, от мифологем, навязанных ей последователями модных доктрин прошлых эпох. Будто бы все проявления инфекций определяются единственным механизмом – передачей заразного начала между  больными и здоровыми организмами, а выживание возбудителей этих недугов в природе обеспечивается  непрерывной  их  циркуляцией  по цепочке  бесконечно повторяющихся актов  передачи.  Эта доктрина  никогда не была доказана, но долгое время не вызывала сомнения у современников, а в наше время служит основой  господствующей парадигмы  эпидемиологии. В другой, позже появившейся доктрине — теории саморегуляции паразитарных сообществ, утверждается, что популяции патогенных микробов и теплокровных организмов взаимодействуют  независимо  от условий окружающей среды.

Но исследования на примере дикой чумы показали, что  подобные взгляды не соответствуют действительности. На большом материале было доказано, что непрерывной  циркуляции возбудителей инфекций, в их обычной патогенной форме, в природе не существует. Как оказалось, передача возбудителей между больными и здоровыми животными, в качестве причины их заболеваний в природе, имеет второстепенное значение. Дикие животные заболевают под действием безвредных в обычных условиях микроорганизмов – своих обычных сожителей, при  воздействии  некоторых факторов  среды, ведущих к активизации скрытых патогенных свойств этой микрофлоры. Чаще всего таким фактором оказывается резкое сокращение в рационе животных некоторых относительно редких микроэлементов. Аналогичным образом сказывается влияние сильно действующих и токсических веществ, причем как антропогенного, так и природного происхождения.

В результате удалось  выяснить, что у чумного микроба, возбудителя одной из самых губительных болезней в истории человечества, выживание в природе сопряжено с мирным сожительством с другими живыми существами, но отнюдь не с агрессией по отношению к ним. Основная среда жизни чумного микроба – биоценоз нор грызунов. Здесь этот микроорганизм, не проявляя патогенных свойств, может находиться в симбиозе  с  почвенными бактериями и протистами, обитать на слизистых покровах дыхательных путей зверьков, взаимодействовать с другими кишечными бактериями и, наконец, пройдя через пищеварительный тракт животных, вернуться в субстрат их нор, где может неопределенно долго  сохраняться  в  спящем  состоянии.  Болезнь и гибель зверьков, обитателей нор, на этот образ жизни чумного микроба, как установлено экспериментально,  никакого  влияния не оказывает.

Другие возбудители  инфекционных болезней диких животных могут использовать сходную или же совсем непохожую среду для своего постоянного обитания, но это все равно будет мирное сожительство  безвредного  или даже полезного микроорганизма  с другими  живыми существами, входящими в состав биоценоза. Такой средой может быть та же почва, или вода природных водоемов, или же организм животного.

Наша рабочая гипотеза будет состоять в применимости этой, экологической в своей основе концепции, к прионным болезням.

Что нам известно о прионах

Классическая инфекция, которую относят к группе прионных, это почесуха овец, она же «скрепи», у овец в Великобритании, о которой сохранились сообщения, датированные XVIII веком. Уже давно известно, что это заболевание необычное. На примере скрепи, во второй половине прошлого XX столетия, изучены многие особенности возбудителя этого заболевания: возможность передачи его тому же и другим видам животных, чрезвычайно малые размеры частиц инфекционного агента, устойчивость его к условиям среды, губительным для многих известных микроорганизмов.

За время исследований выяснено, что прионные болезни поражают как животных, так и людей. На примере болезни куру, обнаруженной у одного из племен Папуа Новой Гвинеи, установлен инфекционный ее характер. У аборигенов инфекция передавалась путем ритуального каннибализма, а в эксперименте показана возможность передачи ее возбудителя некоторым диким приматам. За это исследование в 1976 году американский вирусолог Карлтон Гайдушек (Carleton Gaidusek, 1923-2008) был удостоен Нобелевской премии по физиологии и  медицине.

В наше время известно несколько прионных болезней, которые встречаются у людей. Среди них болезнь Крейтцфельда — Якоба – человеческий вариант скрепи (возбудитель передается при контакте с тканями больных животных). Похожими симптомами отличаются также некоторые другие дегенеративные болезни нервной системы человека, этиология которых считается неизвестной: болезни Альцгеймера*, Паркинсона, боковой амиотрофический  склероз.

*По поводу болезни Альцгеймера все более уверенно высказывается гипотеза о патогенной роли бактерии Porphyromonas gingivalis вызывающей заболевания десен, оправдывая старую примету, что нехватка зубов вызывает слабоумие. В 2018 году группа исследователей из Швеции обнаружила, что аминокислота гингипаин, выделяемая P. gingivalis, расщепляет белок ApoE на фрагменты. В результате происходит накопления балластных, ненужных фрагментов этого белка, что затрудняет работу нейронов. У одних людей уровни фрагментов белка ApoE накапливаются в мозге быстрее, чем у других, что делает их более подверженными заболеванию. Необходимые для предотвращения патологического процесса молекулы-блокаторы выделяемой бактерией аминокислоты – гингипаина, уже прошли начальные тесты безопасности на людях. Прим.ред.

Сегодня по поводу природы возбудителей всей этой группы инфекций высказывают разные, порой противоречивые взгляды. В монографии В.Д. Тимакова и В.А. Зуева (1977) обсуждается несколько гипотез, актуальных по сей день. Основные среди них – белковая, мембранная и вирусная гипотезы, конкурирующие между собой, хотя в наше время предпочтение отдано белковой гипотезе.

Современные представления белковой гипотезы основаны на исследованиях американского биохимика Стенли Прузинера (Stenley Prusiner), который в 1982 году предложил и сам термин – прион (от английского proteinaceous infection – белковая инфекция). Как обнаружил этот исследователь, прионы, которых он считает возбудителями таких инфекций, представляют собой белковые частицы, не содержащие нуклеиновых кислот, т.е. передают информацию (в виде инфекции) без ДНК. Механизм передачи состоит в том, что под прямым действием прионов один из нормальных белков, присутствующий в нейронах всех позвоночных, изменяет свою структуру. Измененная форма теряет активность, но накапливается в нервной ткани, образуя безжизненный балласт агрегатов – бляшки, которые в свою очередь, становятся причиной гибели нервных клеток (нейронов), а затем и самого животного. В 1997 году Стенли Прузинер (Stenley Prusiner) стал следующим Нобелевским лауреатом (после Гайдушека), получившего премию по физиологии и медицине за раскрытие механизма таинственной болезни..

В современной литературе возможность преобразования структуры нормального белка прионами трактуют как основной патологический процесс при дегенеративных болезнях нервной системы позвоночных. Предполагают, что прион, состоящий в основном из белков и липидов, способен к самостоятельному воспроизводству, хотя он и не содержит нуклеиновых кислот. Неизвестно, как совместить этот взгляд с фундаментальными представлениям современной биологии о нуклеиновых кислотах, как носителях наследственной информации всех известных  живых существ. *

*Американец Рид Викнер в 1994 году предположил, что существует способ прямой передачи структурной информации от белка к белку – без использования ДНК, поставив тем самым под сомнение фундаментальную основу эволюционной биологии. Прим. ред.

По поводу исследования Прузинера и прионного механизма инфицирования, возникают и другие недоуменные вопросы. Почему прионы используют такой странный способ агрессии – с помощью накопления балласта? Возбудители обычных инфекций, поражая  свою жертву, синтезируют различные токсины, микробные яды. Эволюция создала их великое множество, самых разных, в том числе очень сложных, что свидетельствует о древности этой адаптации. Но прионы синтезу ядов не способствуют и сами к ним не чувствительны, а занимаются  производством  балласта, какой-то аморфной пластмассы. Зачем им это надо? *

* Такую эволюционную стратегию действительно трудно назвать успешной – ведь гипотетический новый механизм наследственности не дает никакого  эволюционного преимущества своим предполагаемым агентам, так как в ходе процесса  накапливается лишь безжизненный балласт. Прим.ред.

Обратимся к другим гипотезам о прионах. В мембранной  гипотезе на роль инфекционного агента  прионных болезней предлагаются клеточные  мембраны. В ткани мозга больных животных, действительно, не раз обнаруживали много  обломков покровных пленок, или мембран, каких-то микроорганизмов, в то время как в здоровой ткани их не было. Такая, казалось бы, странная гипотеза, отражает рядовое в живой природе явление. Многие живые существа, как растительного, так  и  животного  происхождения, при смене очередного этапа своего развития сбрасывают отслужившие покровные оболочки, которые становятся пищей для других участников экосистемы. Но к выгоде каких организмов эта закономерность действует в случае прионных  инфекций?

В основе третьей гипотезы – предположение о вирусной природе ВПБ. В самом деле, именно деятельностью вирусов легче всего объяснить такое разрушительное воздействие на мозг животных, которое наблюдается при инфекциях этой группы. Согласно гипотезе, вирусы, проникнув в мозг животного, размножаются внутри его нервных клеток и, опустошив их, выходят наружу. В результате поверхность мозга приобретает губчатую форму. Но как это нашествие вирусов связано с белковым субстратом — прионом, который считают главным  агентом, виновником  дегенеративных  нервных  болезней?

На эти вопросы нет готовых ответов. Поэтому и нужна какая-то новая идея для разрешения отменных противоречий. Посмотрим, помогут ли решению этих вопросов  сведения  по  эпидемиологии  прионных  болезней.

Особенности  эпидемиологии  прионных  болезней

Прионные болезни  широко распространены в мире. Этому способствовали своеобразные  свойства их возбудителей:  устойчивость к любому агрессивному воздействию, способность неопределенно долго сохраняться при неблагоприятных условиях среды, а также длительный инкубационный период  при  развитии  вызываемых  ими  заболеваний

Возьмем типичную инфекцию этой группы – скрепи. Такое заболевание у домашних животных  регистрировали  не  только в соседних с Великобританией странах, но и на удаленных континентах и островах, куда завозили породистых овец из Европы, в том числе в Исландии, Северной Америке, на юге Африки, в Австралии, Новой Зеландии. Специалисты не сомневались относительно завозного происхождения инфекции у домашних и диких животных на этих территориях. Так, появление заболеваний  у диких копытных в Америке можно было объяснить заражением от овец, которых пасли в тех местах. Возможность передачи возбудителя скрепи между больными и здоровыми животными, как мы уже отметили, была давно известна. Один из способов – через пищу, загрязненную  испражнениями  инфицированных   животных.

Другой путь передачи возбудителя инфекции – через кормовые добавки, содержащие переработанное мясо забитых животных из неблагополучных хозяйств. Эта оплошность в 1990-е годы была  причиной  массовой болезни коров (эпизоотии) — коровьего  бешенства, (считается одним из вариантов губчатой энцефалопатии), а также заражения различных диких млекопитающих и птиц, содержащихся в зоопарках. Широкий резонанс в обществе тогда вызвали карантинные меры и строгие запреты на мясные добавки. Запреты коснулись также медицинских препаратов из животного сырья, использование которых могло  быть причиной  различных  медленных  инфекций  у людей.

Остается не решенным вопрос о состоянии и условиях, при которых  возбудитель скрепи может находиться в природе. Предположения о возможности его обитания или, хотя бы, длительного пребывания в почве на овечьих пастбищах подтверждения не получили. Но изредка этот агент, видимо, может сохраняться в каком-либо субстрате на территории хозяйств. Так, известны случаи заражения животных,  помещенных в пустые  загоны, где в прошлом  случались заболевания овец.  Имеются основания предполагать, что в местах, куда болезнь заведомо завозили со стороны, возбудитель скрепи укорениться в природе не смог. Так,  сообщалось, что от инфекции освободились в Австралии, Новой Зеландии, на юге Африки. Значит, природных резервуаров на этих территориях не возникло.

Приведенные  факты  подтверждают весьма необычные свойства агентов-возбудителй прионных болезней.  Однако, хотя новых данных для разрешения  возникших вопросов  эпидемиология не дала, этот экскурс заставляет нас искать дальше.

О происхождении возбудителей  прионных  болезней

Для возбудителей обычных инфекционных болезней любой природы, поражающих  наземных диких животных, как мы уже отметили выше, вспышка инфекции представляет собой защитную реакцию микроорганизмов, как членов экологического сообщества, в ответ на повреждающее воздействие со стороны внешней среды. Это краткая формула экологической концепции, разработанной на основе многолетнего изучения экологии чумы у грызунов и других  болезней диких животных на территории Центральной Азии (Ротшильд, 2015).

Однако возбудители скрепи и других прионных болезней этой закономерности на первый взгляд не подчиняются. Любые известные нам факторы среды, оказывающие на обычные бактерии и вирусы повреждающее воздействие, не оказывают влияния на возбудителей прионных болезней (ВПБ). В отличие от обычных микроорганизмов, ВПБ демонстрируют устойчивость к любым традиционным лечебным препаратам, а также  к действию всевозможных экстремальных условий среды: очень высокой и низкой температуры, агрессивных химических веществ, антибиотиков, ультрафиолетового излучения, проникающей радиации. И что самое удивительное — они не вызывают иммунного ответа и воспалительной  реакции  теплокровного организма.

Складывается впечатление, что прионные инфекции – явление из какой-то далекой от нас сферы жизни. Поэтому для того, чтобы найти существ, свойства которых отвечают некоторым особенностям ВПБ, обратим внимание на одну из древнейших на Земле групп существ, отделившихся от древа эволюции миллиарды лет назад. Эта группа – археи, которые, наряду с бактериями и эукариотами, составляют три основных домена в классификации живых существ, которую на основании анализа молекулярных данных предложил американский микробиолог Карл Вёзе (Carl Woese, 1928-2012)*.

*Археи были выделены в качестве отдельной группы прокариот (безъядерных клеток) на филогенетическом древе в 1977 году Карлом Вёзе и Джорджем Эдвардом Фоксом при сравнительном анализе 16 S РНК. Изначально эти две группы прокариот называли архебактериями (лат. Archaebacteria) и эубактериями (лат. Eubacteria). Их рассматривали как царства или подцарства. Вёзе настаивал, что архебактерии представляют собой фундаментально отличный тип жизни. Чтобы подчеркнуть это отличие, впоследствии две группы прокариот были разделены и получили название  архей и бактерий, что привело к созданию так называемой трехдоменной системы Карла Вёзе. В результате археи, бактерии, также как эукариоты, из которых состоят все остальные живые существа на Земле,  были возведены в ранг отдельных доменов. Термин «домен» был  предложен Вёзе в 1990 году для обозначения нового уровня классификации над царствами, которые ранее были верхним уровнем в системе из 5 или 6 царств. Современная классификация (Nature Microbiology, 2016) года признаёт фундаментальное различие между двумя группами прокариот, считая архей более близкими к эукариотам, чем бактериям. Это наглядно видно в современном виде 3-х доменного древа:

Вероятно, археи – древнейшие живые существа на Земле, имеющие свою, независимую от остальных эволюционную историю (см. например  Archaea: The Hidden Domain of Life – YouTube).

Хотя носителями наследственной информации у них, так же как и всех других организмов, являются нуклеиновые кислоты, археи сильно отличаются от других форм живого как особенностями строения клетки, так и биохимией. Эти существа – одноклеточные организмы, не имеют ядра и мембранных органелл и содержат лишь одну кольцевую хромосому. Клетка покрыта единственной плазматической мембраной, содержащей липиды, которая отличается особой прочностью. Большинство архей покрыто поверхностным слоем белковых молекул, что служит средством защиты клетки от агрессивного воздействия среды. Археи не образуют спор. В большинстве своем они синтезируют органические вещества из неорганических соединений за счет энергии химических реакций (т.е. они хемоавтотрофы), но способны использовать также любую готовую органику. Археи составляют уникальные биоценозы существ, живущих в полной темноте на дне океана. Туда не проникают лучи Солнца  и единственный источник жизни для них — энергия «черных курильщиков», подводных гидротермальных источников, где высокоминерализованная вода при температуре 100-120 градусов вырывается под давлением в сотни атмосфер. Однако они встречаются и на поверхности  — в горячих источниках, соленых озерах, болотах. Их находят и в составе различных организмов – в грибах, насекомых, и даже в кишечнике  млекопитающих *.

*Наличие архей в микробиомах, связанных с человеческим организмом достаточно активно изучается – см., например: Archaea associated with human surfaces: not to be underestimated. Corinna Bang and Ruth A. Schmitz (2015).  Метаногенные археи находятся в человеческом кишечнике, на коже, в ротовой полости и в мозгу.

В отношении архей, помимо свойств, выделяющих их по устойчивости к экстремальным условиям внешней среды, известны некоторые гены и метаболические пути, сближающие их с эукариотами и бактериями. Такие свойства могут проявляться целыми блоками, сочетаясь самыми неожиданными способами. Наши знания по этому поводу далеки от полноты, а некоторые существующие представления можно оспорить, например, о том, что археи размножаются только бесполым путем. Но для нас важно прежде всего усомниться в другом утверждении – о том, что в этом  домене   нет  патогенных  форм*

*см. например «WHY DON’T ARCHAEA CAUSE DISEASE?/Почему археи не вызывают болезни?» – где микробиолог рассуждает, почему не удается надежно установить специфическую патогенность архей по сравнению представителями другого домена – бактериями.)

Согласно предлагаемой гипотезе, экологическую нишу патогенных форм в домене архей как раз и занимают таинственные возбудители прионных болезней  (ВПБ). Правда, болезнетворные свойства архей в роли ВПБ настолько существенно отличаются от таковых у обычных бактерий и вирусов, что они не вызывают ни  болезненных реакций зараженного организма, ни иммунного ответа. Однако по  результатам разрушительного воздействия на теплокровный организм, деятельность патогенных формы архей превосходят большинство  известных  возбудителей  инфекций.

Действительно, если озаботиться сравнением, то что нам известно о ВПБ, хорошо укладывается и в свойства архей. А именно — те и другие устойчивы к экстремальным условиям среды, обеззараживающим средствам, антибиотикам. При этом само существование вирусной гипотезы ВПБ обусловлено тем, что по способу размножения они фактически ведут себя как вирусы. Исследования показывают, что и археи могут поражаться вирусами, а некоторые виды этой группы способны обитать в клетках других организмов в качестве их сожителей или паразитов.

Попробуем представить себе условия формирования и образ жизни архей в природе, что, в свою очередь, позволит нам уяснить  происхождение и биологический смысл  основных  их свойств  в  качестве  ВПБ.

Археи – обширная, еще мало изученная, обособленная группа организмов, отличающихся широким разнообразием свойств и сред обитания.  Но в нашем рассмотрении обратим внимание только на группу термофилов, составляющих основу биоценоза у черных курильщиков, гидротермальных образований на дне океанов. Обнаруженные впервые в 1977 году, они были найдены затем в акваториях всех океанов. Самые полные сведения по этому поводу мы найдем в книге французского гидробиолога Люсьена Лобье (Lucien Laubier, 1986). Эти «оазисы на дне океанов» встречаются в рифтовых зонах срединных хребтов, на  границах  платформенных плит. Формирует курильщики природный насос, обеспечивающий постоянную циркуляцию океанской воды. Сначала по разломам она проникает глубоко внутрь земной коры, потом под большим давлением, нагретая до нескольких сот градусов, насыщенная минералами базальтовой толщи, устремляется наружу, в трубкообразные образования курильщиков. Их архитектура конической или более причудливой формы, высотой до нескольких  сотен метров, слагается выпадающими в осадок сульфидами металлов

Курильщики  обеспечивают  существование полноценного, автономного  биоценоза, независимого  от условий  на  поверхности планеты. В составе его много эндемиков – живых существ, свойственных только этим специфическим  условиям. Среди них необычные беспозвоночные животные – черви, моллюски, ракообразные, свидетели древности этого сообщества. Основу пищевой цепи биоценоза составляют многочисленные археи, синтезирующие органические вещества из поступающих в курильщики горячих, сильнощелочных растворов, с высокой концентрацией ядовитых соединений серы, тяжелых металлов. Способность архей обитать и активно функционировать в такой агрессивной среде – образец адаптации, достигнутой  в результате длительной эволюции  глубоководных экосистем. Вероятно, патогенные формы архей, ВПБ,  унаследовали их устойчивость ко всем формам воздействия, адаптацию к экстремальным условиям существования.

Как обнаружили исследователи, изучавшие жизнь в океанских глубинах, археи образуют скопления в верхних частях трубок курильщиков, где температура держится в пределах 100-120 градусов. Эти скопления представляют собой пласты, или маты, достигающие нескольких квадратных метров по площади и нескольких сантиметров толщины. Живые клетки архей расположены в редкой ткани матов, состоящей из переплетающихся прочных тяжей органического состава, куда  свободно  проникают  воды термальных источников. Формирование мата, очевидно, просто продукт, отход жизнедеятельности  архей, выделяющийся в течение длительного времени. Медленное развитие  прионных  инфекций, вероятно,  отражает формирование именно такого балластного мата отходов, как характерную «подпись», сопровождающих жизненную стратегию этой группы организмов.

Аналогичное поведение мы наблюдаем у многих донных организмов на  мелководьях вдоль тропических побережий океанов, например, так формируются  кораллы Большого барьерного рифа у восточных берегов Австралии. Различные по природе организмы устраивают в рифах устойчивые сооружения, жилища или убежища, разнообразные по форме и материалу, но сходные по своей роли в жизнедеятельности сообщества. Можно считать такую деятельность общей чертой  экологии  обитателей океанов, в особенности донных  существ.

Характерно, что и возбудители прионных болезней,  по нашей гипотезе – патогенные формы архей, подчиняются той же закономерности. Преобразование прионами структуры нормального нейронного белка жертвы в неактивную, нерастворимую форму, которую считают основным проявлением их патогенности, можно расценивать просто как создание «мата». По сути, этот процесс, по своему значению в жизненном цикле организмов, соответствует производству археями, обитающими у черных курильщиков,  материала  для  ткани, из которой состоят их маты. Другими словами, возбудители прионных болезней, как и археи на дне океанов, просто занимаются строительством своего дома способами, которые закреплены в их геноме в  результате  длительной  эволюции.

Попробуем, в порядке гипотезы, представить себе жизненный цикл архей в роли ВПБ. Первый период этого цикла назовем этапом коралла. В это время археи, в природной среде и в роли ВПБ, ведут себя как эукариоты – беспозвоночные обитатели рифов, например, полипы кораллов. Их задача – построить устойчивые сооружения для постоянной жизни. На дне океанов археи наращивают отмирающую ткань матов, в которой постоянно обитают живые клетки. В нервной ткани позвоночных археи в роли ВПБ повторяют эту процедуру: контактируют с родственными белками, преобразуют эти белки и материал своей мембраны в неактивную, нерастворимую форму, выращивают амилоидные волокна. При  этом вместо матов образуются безжизненные агрегаты – бляшки.

Второй период цикла – этап вириона. Живые клетки архей, содержащие нуклеиновые кислоты, в матах на дне океанов и в нейронах в роли ВПБ, оказываются в плену неживой ткани. Чтобы реализовать свою способность к расселению и размножению, археи в своей новой форме, лишенные громоздкой мембраны и значительно меньшие по размеру, должны выйти на свободу – в межклеточное пространство или во внешнюю среду. Полипы кораллов, аналоги архей на мелководьях океанов, размножаются именно таким способом: выпускают в воду женские и мужские гаметы, из которых развиваются личинки, способные  образовать  новый  коралл.

Попробуем представить себе, как будут выглядеть археи на этом, втором этапе своего жизненного цикла. Если следовать вирусной гипотезе, можно предположить, что эти существа, как на дне океанов, так и в роли ВПБ, будут находиться в состоянии, которое предшествует размножению микроорганизмов по вирусному типу. Тогда нам нужно оставить зоологию беспозвоночных и переключиться на классическую вирусологию, согласно которой вирусы во внешней среде могут находиться только в состоянии вирионов – вирусных частиц, состоящих из нуклеиновой кислоты – генома вируса, ее белкового покрова и внешней оболочки. Вирион может перемещаться и сохраняться во внешней среде, но не способен самостоятельно  размножаться.

На этом этапе цикла при исследовании нервной ткани, заполненной безжизненным белком, которую стремятся покинуть подвижные вирионы, долго не удавалось обнаружить вирусных частиц, содержащих нуклеиновые кислоты. Это объясняет успех теории о белках-прионах как инфекционных агентах, которые, будто бы, воспроизводятся самостоятельно, без участия известных носителей наследственных свойств. Однако позднее вирусы были найдены в клетках пораженных скрепи.

Заключительный этап жизненного цикла архей можно назвать вирусным. На суше, в роли ВПБ, они размножаются в клетках нервной ткани позвоночных животных, а на дне океанов – в клетках беспозвоночных, входящих в состав биоценоза черных курильщиков. Вирион сближается с клеткой организма хозяина и вводит в нее нуклеиновую кислоту – геном вируса. Наружная оболочка вириона остается снаружи этой клетки. Как мы помним, о находках обломков клеточных оболочек каких-то микробов в нервной ткани животных, погибших при скрепи, было известно уже давно. Эти данные, в свое время, послужили основанием для мембранной гипотезы о природе ВПБ.

В дальнейшем в результате сложного процесса взаимодействия вирусного генома с материалом клетки хозяина происходит формирование (репликация) нескольких новых вирусов, которые выходят в межклеточное пространство или во внешнюю среду. На этом этапе жизненного цикла архей в роли ВПБ, например, если в клетку хозяина попадают вирусы с различными геномами, вполне  возможны  какие-либо  варианты  процессов  полового  размножения.

Обобщая, можно сказать, что давно уже высказанные гипотезы о природе возбудителей прионных болезней – белковая, мембранная и вирусная, не противоречат одна другой, а просто отражают разные стадии развития инфекционного процесса, возбудителями  которого, по нашей гипотезе, являются патогенные  формы  архей.

Как видно, основываясь на предлагаемой гипотезе о происхождении возбудителей прионных болезней, всем странностям поведения этих инфекционных агентов мы можем дать рациональное объяснение на базе ранее полученных знаний. При этом нет нужды искать какие-то новые принципы инфекции, или пересматривать фундаментальное положение биологии о нуклеиновых кислотах как едином и универсальном средстве передачи  наследственной  информации  организмами.

Продолжим поиск аналогов для сопоставления экологии ВПБ с образом жизни организмов, которые поселяются около черных курильщиков. Среди обитателей этой среды исследователи обратили особое внимание на один вид эндемиков океанских глубин: Riftia pachyptila из группы Vestimentifera. Недавно их выделили в самостоятельный тип. В недавнем прошлом, вместе c другими  близкими  формами,  рифтий относили к типу Pogonophora.

Рифтии селятся на трубках курильщиков ниже зоны с матами архей, где температура воды не превышает 40 градусов. Эти существа – гигантские черви длиной свыше 2 метров, постоянно обитающие в трубках из белка и хитина. Головная лопасть их несет многочисленные тонкие выросты, представляющие собой щупальца, или жабры, орган для связи организма червя с внешней средой. Большую часть тела рифтии занимает железистая область, или трофосома, которая выделяется красным цветом, потому что насыщена алой кровью. Здесь с помощью архей происходит синтез органических веществ – процесс, обеспечивающий существование червя и массовое размножение самих микроорганизмов. Конец тела – телосома,  приспособление, чтобы прикрепляться к субстрату. У рифтий нет рта, кишечника, но хорошо развиты кровеносная и нервная системы, а также органы размножения. Имеется пара выделительных органов в верхней части тела.

Теперь  подробнее  о взаимоотношениях рифтий с археями. Исследования показали, что эти черви существуют только за счет питательных веществ, которые производят археи внутри их организма. Поэтому и анатомия, и жизнедеятельность червей  представляют  собой образец адаптации для  бесперебойного взаимодействия этих двух компонентов сожительства, притом с пользой для обеих сторон.  В общих чертах этот процесс, вероятно, выглядит следующим образом. Личиночные формы рифтий, имеющих ротовое отверстие и кишку, вылавливают архей, свободно плавающих вблизи черных курильщиков, и переправляют их в железистую область своего тела, где эти микроорганизмы у взрослых червей, утративших рот и кишечник, успешно размножаются внутри крупных клеток такого органа, иначе говоря, ведут себя как вирусы. Питание им обеспечивает разветвленная кровеносная система, куда через жабры поступают кислород, сероводород и другие вещества, необходимые для синтеза органики, которыми богата  океанская  вода около курильщиков.

Организм червя при этом безошибочно регулирует распределение  размножившихся  архей и продуктов их жизнедеятельности. В некоторых клетках железистой области, получающих недостаточно питательных веществ, микроорганизмы гибнут. Их останки вместе с обломками клетки перевариваются, и получившийся раствор веществ поступает в кровеносную систему червя, обеспечивая его существование. Археи из других клеток остаются живыми и через выводящие органы червя возвращаются в океанскую воду, чтобы продолжать свой род. Покровы клеток архей, содержащие  нерастворимые  формы белка, возможно, также используются рифтиями  для постройки трубки-панциря, в которой  помещается их тело.

Надеюсь, читатель уже разглядел в этой картине достаточно отчетливо проступающую модель развития прионных инфекций у теплокровных на суше. Археи во взаимоотношениях с рифтиями фактически реализуют ту же схему взаимодействия, что и придонные возбудители (ВПБ) в нервной ткани людей и животных. Существенное отличие заключается только в том, что на суше у теплокровных существ полностью отсутствуют адаптации, необходимые  для взаимовыгодного  сотрудничества этих двух групп организмов.

В обсуждаемой ситуации просматривается и другая закономерность, внушающая некоторый оптимизм в плане решения проблемы прионных болезней. Мирные по своей природе археи выступают как возбудители смертельных инфекций людей и животных только потому, что  некие природные силы извлекли их из привычной для них, хотя и чрезвычайно сложно организованной  обстановки, и перенесли в чуждый для них мир. Однако и в жизненном  цикле возбудителя чумы, болезни, которую мы здесь используем в качестве типовой экологической модели инфекции, происходят  похожие  события. Чумной микроб, так же как и археи, в норме обитает как совершенно безвредный компонент, опять же, сложно устроенного биоценоза нор грызунов.  Возбудителем страшной болезни он становится не  под  влиянием внутренних стимулов, а в силу действия внешних факторов среды обитания. Налицо общая закономерность. Оптимистическая же ее оценка обусловлена тем соображением, что, возможно, разобравшись в экологии архей, сумеем воздействовать так же успешно, как удалось в случае  с чумой. Но об этом немного  позже.

Возбудители  прионных  болезней на суше

Ясной позиции в отношении связи прионных инфекций с природной средой в литературе обнаружить не удается. Имеются ли у возбудителей этих болезней на суше природные биотопы, где они могут постоянно обитать и размножаться независимо от деятельности человека? В публикациях, посвященных медленным инфекциям, вызываемым необычными вирусами или с неизвестной  этиологией, эти  вопросы  вообще не рассматриваются. Руководствуясь предположением о принадлежности ВПБ к группе архей, попытаемся, хотя бы на уровне гипотезы, восполнить этот пробел. Попробуем на нескольких примерах оценить возможные условия обитания этих существ на суше, самостоятельно или в симбиозе с другими организмами.

Рассмотрим для начала уже упомянутый выше сюжет: куру у аборигенов Папуа Новой Гвинеи. Очаг инфекции явно местного происхождения, заведомо никак не связанный с заносом возбудителя со стороны. Здесь наиболее вероятными источниками первичного заражения людей могут быть ручьи и небольшие озера с горячей водой, насыщенной минералами, вблизи  вулканов, многочисленных  на этом острове. По краям и на дне таких водоемов в различных образованиях из водорослей способны обитать археи, а грунт, окрашенный в различные яркие цвета, мог привлекать внимание аборигенов, например,  для  использования  в качестве  краски  в  традиционной косметике.

Другой сюжет,  классическая прионная болезнь – скрепи. Природной средой, подходящей на роль места обитания возбудителей этой инфекции, могут быть торфяные болота и побережья океана на Шетландских островах, древнем очаге британского овцеводства, где давно известно такое заболевание животных. Овцы здесь пасутся свободно, так что на болота и на океанский берег они могут забрести без особых проблем и что-нибудь , вроде водорослей, употребить себе в пищу.

Еще один наш сюжет – неврологические заболевания на острове Гуам и соседних Марианских островах. Начиная с 50-х годов прошлого XX столетия, феномен острова Гуам привлекает пристальное  внимание  невропатологов  всего  мира  как  максимальное выражение неизвестных условий, от которых зависит появление целой группы неизлечимых дегенеративных болезней нервной системы, сопровождающихся развитием деменции, или похожих на боковой амиотрофический склероз и паркинсонизм. На острове, среди аборигенов племени чаморро, заболевания, аналогичные по клинике этим болезням, встречались  в  десятки  раз чаще, чем на других территориях мира. Значит, факторы, от которых зависит их появление, действуют на Гуаме сильнее, чем где-то  еще,  а потому и обнаружить их здесь, казалось бы, легче. Увы, эти надежды до сих пор не оправдались.

Попытаемся представить себе некоторые подробности обстановки в связи с этими болезнями на Гуаме, которые описал в своей книге американский невропатолог Оливер Сакс (Oliver Sacks, 1996).Такие болезни развивались здесь как типичные медленные инфекции, с многолетним инкубационным периодом. Их симптомы сильно варьировали: признаки известных патологий сочетались  самыми разными способами.  В рационе чаморро на Гуаме значительную долю составляли дикорастущие саговники: группа древних растений, внешне похожих на пальмы, широко распространенных в Юго-Восточной Азии. Использовали плоды, семена, молодые листья. Растения эти ядовитые. Чтобы избавиться от яда, чаморро длительно вымачивали подготовленные для еды части растений в  пресной  или  морской  воде.

Обратим также внимание на особенность места, где находится остров Гуам, по отношению  к  рельефу  дна  Тихого  Океана.  Мы обнаружим, что этот остров расположен на краю самого глубокого на планете океанского желоба, знаменитой Марианской  впадины, глубиной около 11 километров. В 1960 году батискаф с исследователями достиг  самой глубокой точки в этой впадине. При дальнейшем изучении впадины на ее склонах обнаружили уже знакомые нам черные, а также менее горячие «белые» курильщики. Установлено существование восходящего тока воды из глубин впадины к поверхности океана.

Механизм феномена острова Гуам, как нетрудно себе представить, включает как природные явления планетарного масштаба, которые привели к образованию курильщиков, так и обыденные обстоятельства – бытовые привычки местного населения.  В  горячих водах курильщиков формируется группа микроорганизмов – археи.  Восходящие воды в глубоких океанских впадинах выносят какие-то мобильные их формы на мелководье. Чаморро вымачивают в морской воде разделанные плоды саговников, мякоть которых адсорбирует архей. Возможно, среди них представлены разные формы этой группы, отчего наблюдается разнообразие патологий. Тепловая обработка растений  никакого ущерба этим микроорганизмам не причиняет. Как видно, наблюдения в природе не противоречат нашей гипотезе о происхождении возбудителей прионных болезней.

Прионные  болезни  и  микроэлементы

Попытаемся прогнозировать возможность профилактики и лечения прионных болезней, исходя из предложенной гипотезы, согласно которой возбудители этих заболеваний  относятся к группе архей и, вероятно, наследуют их свойства. Археи устойчивы к различным агрессивным факторам среды. Поэтому поиск средств, способных угнетать ВПБ, среди известных противомикробных препаратов, скорее всего, не принесет  желаемых результатов.

Однако археи не изолированы от условий среды. Напротив, их  жизнедеятельность  тесно  связана  с химической переработкой различных минеральных веществ, в том числе соединений тяжелых металлов. Эту «металло»-зависимость архей можно попытаться использовать при поиске способов лечения прионных болезней. На примере инфекций, вызванных обычными бактериями, мы с коллегами обнаружили, что на возбудителей таких заболеваний можно воздействовать, изменяя содержание микроэлементов в организме  животных.

По наблюдениям некоторых невропатологов, развитие прионных болезней также увязывается с концентрацией в организме людей и животных таких химических элементов, как медь и марганец, о чем пишет в своей книге британский биохимик Дэвид Браун (David Brown, 2002). Мы не касаемся глубинных закономерностей связи болезни с металлами, которые обсуждает этот автор. Для нашей работы достаточно констатировать сам факт, что такую зависимость отмечали в отношении прионных болезней. Эти сообщения подтверждают реальное существование связи между металлами и инфекцией, что было установлено и для обычных  бактериальных  и  вирусных болезней.

Многочисленные факты такого рода, описанные в отечественной  медицинской  литературе (Кортев и др., 1972), позволяют наметить общие закономерности динамики микроэлементов в организме при инфекционных заболеваниях. На пике болезни сокращается концентрация в крови доминирующих микроэлементов — железа и цинка, но одновременно сильно увеличивается содержание относительно редких – меди, марганца и даже вольфрама. Эти процессы, вероятно, представляют собой защитную реакцию теплокровного организма в ответ на воздействие инфекционного агента.

Но дальнейшие изменения содержания микроэлементов в организме при инфекциях сопровождаются опасными для здоровья больного последствиями. Металлы, концентрация которых сильно увеличилась, интенсивно выводятся наружу. К тому же их содержание в крови резко сокращается под действием механизма гомеостаза. Такая динамика элементного состава организма больного ослабляет его способность сопротивляться инфекции и способствует  развитию осложнений.

Отмеченные выше  данные о влиянии микроэлементов на развитие прионных болезней согласуются также с результатами опыта на примере чумы у грызунов, в котором получен четко выраженный эффект защиты от инфекции чувствительных к ней животных, зараженных патогенным штаммом чумного микроба (Yersinia pestis).

О защите от инфекции при чуме в эксперименте

Возможность решения поставленной задачи подтверждается результатами эксперимента, который мы с коллегами проводили в 1989-1991 годах (Мезенцев и др., 2000; Ротшильд, 2012). Четко выраженный защитный эффект удалось получить в мае-июне 1991 года, когда опыты ставили в северной части Волго-Уральских песков, в условиях, приближенных к естественной обстановке. В качестве подопытных животных использовали пойманных в природе полуденных песчанок (Meriones meridianus), относительно резистентных к чуме. Их кормили собранными в песках растениями, которые в этот сезон, по косвенным признакам,  отличались дефицитом ряда микроэлементов.

В опыте 44 зверька в течение 16-30 дней ежедневно получали с кормом минеральные добавки, содержащие сульфаты меди и железа, а также марганец в виде перманганата калия, с разными сочетаниями таких добавок. Контролем служила группа из 33 песчанок. В контрольную группу вошли зверьки, получавшие зерно без минеральных добавок, а также те, которым давали зерно с добавками солей кобальта и никеля. Дозы металлов, которые получали в опытах зверьки, в 6 — 40 раз превышали нормальный для этих животных уровень. Затем все песчанки опытной и контрольной групп были заражены патогенным штаммом чумного микроба  в  умеренной  дозе   (Ld₅₀).

В течение 20 дней после заражения из 44 зверьков в опытной группе погибли только два, по неизвестной причине, но не от чумы. Остальные 42 оставались здоровыми. В контрольной группе из 33 песчанок, не получавших добавок, за тот же срок погибли от чумной инфекции 70 процентов  зверьков. После завершения эксперимента в крови всех подопытных животных обнаружили антитела к чумному микробу.

Эффект защиты от инфекции, вероятно, был обусловлен индуцированным металлическими добавками к корму дефицитом в организме животных молибдена, для которого медь, железо и марганец являются антагонистами. В высоких дозах эти металлы, как и сера в составе сульфатов, могли способствовать выведению молибдена из теплокровного организма. Концентрация этого металла в организме зверьков, должна была снизиться ниже порогового уровня, необходимого для нормального  метаболизма  патогенных  бактерий.

Известно, что у живых существ, находящихся на нижних ступенях эволюции, в частности, у бактерий и грибов, содержание и, соответственно, потребность в этом химическом элементе во много раз выше, чем у млекопитающих. Значит, выглядит вполне реальной задача сформировать в теплокровном организме такую пониженную концентрацию молибдена, которая еще безопасна для людей и животных, но уже блокирует  жизнедеятельность  патогенных микробов.

Перспективы  решения проблемы

Возможно, что при благоприятном результате эксперимента, аналогичного опыту с чумой у грызунов,  с помощью соединений меди, марганца, железа, вольфрама, серы мы можем вытеснить их антагониста – молибден, из организма животных, зараженных прионной инфекцией, и тем самым обеспечим деактивацию или даже гибель – архей, ее возбудителей. Такой результат подтвердит возможность  лечения прионных болезней.

Но дальнейший путь исследования вряд ли будет легким. Даже при удачном результате опыта с вытеснением молибдена, неясно, насколько эффективным  будет  практическое  его  использование.

В перспективе, существенных успехов в решении проблемы прионных ­­болезней можно ожидать от углубленного исследования биологии архей. Может быть, в этой группе найдутся  свои паразиты, аналогичные бактериофагам, и хищники, похожие на Bdellovibrio у бактерий, а также организмы, способные разрушать или поедать амилоидные волокна в их сооружениях. Тогда  станет  актуальной  разработка  биологических  методов  борьбы с такими недугами. Но сегодня у нас есть только одно предложение, обоснованное экспериментально: испытать способ лечения прионных болезней путем регулирования состава микроэлементов в теплокровном  организме.

Литература

Кортев А. И., Донцов Г. И., Ляшева А. П. Биоэлементы и патология человека. Свердловск: Средне-Уральское книжное издательство, 1972. ̶  299 с.

Мезенцев В. М., Ротшильд Е. В., Медзыховский Г. А., Гражданов А. К. Влияние микроэлементов на инфекционный процесс при чуме в эксперименте // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии, 2000. 1: 41-45.

Ротшильд Е. В. Инфекции в природе. Опасные недуги глазами натуралиста. М.: ООО «АБФ», 2012. – 288 с.

Ротшильд Е. В. Инфекции в природе. Экологическая концепция // Микроэлементы в медицине, 2015. 16 (4): 21-27.

Тимаков В. Д., Зуев В. А. Медленные инфекции. М.: Медицина, 1977. – 280 с.

Brown David.  Prion   Diseases  and Copper Metabolism.  Elsevier, 2002.

Laubier  Lucien. Des Oasis au Fond des Mers. Le Rocher, 1986.

Sacks  Oliver.  The Island  of  the  Colorblind.  NewYork, 1996.

См. также публикацию автора:  Е.В.Ротшильд Новая концепция инфекционных заболеваний и причины недорода человечества / Инфекции в природе и нерожденные дети

Комментарий Ecolife

Экологическая гипотеза, выдвинутая автором, очень важна, так как сегодня хорошо известно, что неблагоприятные факторы среды — радиоактивность и химические загрязенния, служат одной из  важнейших причин онкологических заболеваний. Поэтому есть важное развитие начатой автором темы, которое несомненно подхватят другие исследователи, если экологическая гипотеза прионных болезней получит подтверждение. Дело в том, что вирусная гипотеза рака существует с 1946 года и до сих пор используется для описания некоторых механизмов развития рака – она не может описать всех фактов, но часть фактов ей соответствует — аналогично ситуации с вирусной гипотезой ВПБ. Поэтому, на том же пути, обозначенном как борьба с ВПБ, нас может ждать и открытие гораздо большего масштаба, дающее в руки  исследователей и медиков ключи к победе над «чумой ХХI века» – раком.

Основные  положения

1. Обосновывается гипотеза, согласно которой возбудители прионных болезней представляют собой патогенные формы архей, древнего обособленного домена организмов, типичная среда обитания которых – термальные  источники на дне океанов.

2. Перспективный путь получения новых знаний о прионных болезнях – углубленное изучение биологии архей. Для таких исследований подходят не только глубины океанов, но также  наземные  и  мелководные биотопы, где способны обитать археи.

3. В отношении зависимости появления заболеваний от состава химических элементов в теплокровном организме, как показывают исследования, свойства  архей  и обычных  бактерий совпадают. Использование  этой  зависимости  на примере чумы у грызунов позволило  защитить  животных от инфекции.  Очередная задача – проверить такую возможность  в отношении  прионных   болезней.

Об авторе

Ротшильд  Евгений Владимирович (EvgenyV.Rotshild). Родился в 1930 году в Москве (Россия). Окончил биологический факультет МГУ. Доктор биологических наук. Область научных интересов: экология млекопитающих, биогеография аридных областей, инфекционные болезни диких животных. Многие годы работал в противочумных учреждениях России и Казахстана, в Институте проблем экологии и эволюции РАН, преподавал на Географическом факультете МГУ. Проводил наблюдения в различных регионах Центральной Азии, в том числе в Казахстане, Горном Алтае, Туве, Монголии.

археи,  прионы 

22.03.2019, 12244 просмотра.