Viete čo spôsobujú neviditeľní zabijaci nazývaní prióny ľuďom a zvieratám?

16. okt. 2018 • Biologické vedy

Viete čo spôsobujú neviditeľní zabijaci nazývaní prióny ľuďom a zvieratám?

Prióny, t. j. infekčné bielkoviny, ktorých rozmery sú pod hranicou rozlišovacej schopnosti svetelného mikroskopu i napriek tomu, že nepatria medzi živé organizmy, spôsobujú závažné neurodegeneratívne ochorenia nazývané prionózy. Pôvodcovia prionóz prechádzajú bakteriologickými filtrami, podobne ako vírusy, avšak na rozdiel od vírusov nevyvolávajú u napadnutých organizmov imunitné reakcie. Prióny nie sú infekčnými pôvodcami chorôb v klasickom zmysle. Značne sa odlišujú od ostatných známych patogénov (vírusov a baktérií), ktorých neoddeliteľnou súčasťou sú nukleové kyseliny (DNA a RNA).

Až do roku 1982 sa v odborných kruhoch považovalo za absolútne platné a nespochybniteľné, že infekčné choroby môžu vyvolávať len infekčné organizmy, obsahujúce nukleovú kyselinu (nesúcu genetickú informáciu). Tento prístup po prvý raz v histórii spochybnil a narušil americký neurológ Stanley B. Prusiner v roku 1982, keď sformuloval tzv. priónovú teóriu, podľa ktorej ťažkú neurodegeneratívnu (Creutzfeld-Jakobovu) chorobu, na ktorú zomrel jeden z jeho pacientov, spôsobila bielkovina. Výskum zameraný na identifikáciu bielkoviny/patogénneho agensu vyvolávajúceho závažnú neurodegeneratívnu Creutzfeld-Jacobovu chorobu začal Prusiner v roku 1982 a úspešne ho zavŕšil izoláciou proteínu schopného prenášať infekciu. Pre odborný svet bol poznatok, že infekčná častica neobsahuje nukleovú kyselinu, spočiatku „ťažko stráviteľný“. Bol to príliš odvážny a šokujúci objav. Bol však natoľko geniálny, že v roku 1997 „priniesol“ Prusinerovi odmenu vo forme Nobelovej ceny za medicínu a fyziológiu.

Autor názvu pre infekčnú priónovú bielkovinu bol S. B. Prusiner

S. B. PrusinerAmerický lekár, profesor neurológie a biochémie S. B. Prusiner ako prvý použil odborný výraz prión/priónový proteín (skratka: PrP) na základe kombinácie anglických slov „protenaceous infection particle“. Pôvodne sa mal nazývať proín, ale Prusiner usúdil, že pomenovanie prión znie lepšie. V skutočnosti môžu byť prióny nielen infekčné, ale aj neinfekčné. Keďže každý proteín nachádzajúci sa v živých organizmoch musí byť genetický kódovaný/determinovaný, platí to aj pre priónový proteín. U človeka sa nachádza gén (PRPN) kódujúci neinfekčný i infekčný prión na 20. chromozóme.

V čom spočívajú základy priónovej teórie?

Priónová teória vychádza z predpokladu, že pri priónových chorobách hrá kľúčovú úlohu patogénna priónová bielkovina schopná premeniť nepatogénne bunkové/celulárne priónové proteíny (skratka: PrPc z angl. cellular prion proteins), ktoré sú bežnou súčasťou nervových buniek (neurónov) človeka a cicavcov, na patogénne. PrPc sú relatívne malé, membránové glykoproteíny (pozostávajúce z bielkoviny a sacharidovej zložky), o ktorých sa predpokladá, že hrajú významnú úlohu pri odpočinku a spánku a podľa najnovších poznatkov aj pri procesoch ovplyvňujúcich dlhodobú pamäť. Ako každá iná bielkovina v bunke má aj PrPc svoju vlastnú priestorovú štruktúru. Priestorové usporiadanie PrPc charakterizujú tri α-helixy a dva veľmi krátke β-skladané listy. Konformácia PrPc vo forme α-helixu spôsobuje, že normálny/nepatogénny PrPc je citlivý na pôsobenie proteáz (t. j. enzýmov štiepiacich proteíny), a podobne ako iné bielkoviny v organizme človeka, podlieha po uplynutí „funkčného času“ enzymatickému rozkladu. Naopak konformácia β-skladaného listu, prevládajúca u patogénnych priónových bielkovín, je „nezničiteľná“. Patogénny prión PrPsc (sc je skratka angl. slova scrapie, t. j. klusavka) predstavuje infekčnú formu priónového glykoproteínu, pričom sa od nepatogénnej formy odlišuje priestorovou konformáciou. V jeho štruktúre prevažujú β-skladané listy, čo dodáva proteínu veľkú termodynamickú stabilitu, vysokú chemickú odolnosť, ako aj tendenciu sa zhlukovať a vytvárať tzv. amyloidné plaky.  PrPsc napáda a pôsobí vďaka konformácii β-skladaného listu na prirodzené bunkové priónové proteíny nachádzajúce sa predovšetkým vo forme α-helixu a mení/konvertuje ich na „svoj obraz“.

Výsledkom postupnej konformačnej zmeny je nahromadenie veľkého množstva patogénnych priónových bielkovín, ktoré nie je bunka schopná odbúrať. Po zaplnení sú neuróny vyradené z činnosti. V konečnom dôsledku dochádza k degenerácii nervového tkaniva. „Na vine“ je aj tzv. amyloidóza. (Amyloidóza je odborný výraz pre charakteristický znak skupiny chorôb, pri ktorých dochádza k ukladaniu amyloidov v celom rade orgánov. Amyloid je nerozpustný degradačný produkt proteínov, ktorý spôsobuje poškodenie orgánov, v ktorých sa nachádza. Amyloid je výsledkom precipitácie/vyzrážania fragmentov bohatých na β-skladané listy a ich následného skladania do charakteristických nevetvených fibríl/vlákeniek. S podobným patogenetickým mechanizmom sa stretávame aj pri Alzheimerovej chorobe, ktorú spôsobujú tzv. tau proteíny). Prekvapujúce je, že počas rozvoja choroby síce vznikajú v mozgu typické histopatologické zmeny, avšak bez zápalovej reakcie. V sivej hmote mozgu sa objavujú amyloidné ložiská. V mozgu dochádza k tvorbe vakuol a na pohľad nadobúda špongiovitý vzhľad. Treba však pripomenúť, že v dôsledku takmer rovnakej primárnej štruktúry obidvoch, imunitný systém nerozoznáva PrPsc  ako „cudzieho votrelca“, a preto sa voči nemu nevytvára imunita.

PrP(c) a PrP(sc)

Aký je pôvod prionóz?

Pôvod prionóz, resp. prenosných špongioformných encefalopatií (TSEs) (skratka z angl. transmissible spongiform encephalopathies) je až trojaký.  (Toto pomenovanie odráža špongiovitý vzhľad mozgu postihnutých jedincov).

  1. TSEs môžu vznikať ako dôsledok infekcie po napadnutí bunky abnormálnym/patogénnym PrPsc, pričom sa zdravý proteín (PrPc) zmení/konvertuje v nervovej bunke na patologický (PrPsc).
  2. TSEs môžu byť dedičné. Pri dedičných priónových neurogeneratívnych chorobách dochádza k prejavu u tých jedincov, ktorí zdedili mutantný gén PRPN, kódujúci bielkovinový produkt (PrPsc).
  3. Ďalšou možnosťou sú tzv. náhodné, sporadické ochorenia, keď v bunkách vznikajú patologické formy priónových proteínov v dôsledku spontánnych mutácií v géne PRPN.

Prionózy majú neobyčajne dlhú latenciu (od 2 mesiacov až do 30 rokov). Hneď, ako sa objavia prvé klinické príznaky, choroba rýchlo napreduje a postihnutý jedinec obyčajne do roka zomiera. Dosiaľ neexistuje dostatočne účinný spôsob prevencie, spoľahlivé laboratórne diagnostické testy a žiaľ donedávna nebola známa ani terapia TSEs. Preto si prióny ľahko „vyberajú“ svoje obete medzi ľuďmi aj zvieratami. Najprv si uvedieme tie TSEs, ktoré sužujú človeka a pre ktoré sú charakteristické histopatologické prejavy degenerácie neurónov a štruktúrne a funkčné zmeny mozgu. Žiaľ TSEs „sú nemilosrdné“ a najčastejšie končia smrťou. 

Kuru

Prvým známym priónovým ochorením centrálnej nervovej sústavy je Kuru. Choroba bola objavená a vyskytovala sa len u domorodého kmeňa Fore v Novej Guinei (v súčasnosti samostatného štátu Papua-Nová Guinea). Neurodegeneratívne ochorenie bolo prvý raz zaznamenané v roku 1957 americkým neuropatológom – profesorom Danielom C. Gajdušekom, ktorý zistil, že choroba, ktorá zabíjala predovšetkým dospelé ženy vo veku okolo 40 rokov a malé deti, sa prenášala rituálnym kanibalizmom. Ženy a deti sa podieľali hlavne na príprave orgánov na rituálnu hostinu. Muži ochoreli len zriedkavo. Inkubačný čas bol u detí okolo 4 – 5 rokov a u dospelých žien vyše 20 rokov. Choroba začínala desivým trasením (kuru znamená v domorodej reči tras). Okrem trasu patrí k typickým prejavom Kuru neistota pri chôdzi, strata svalstva, poruchy koordinácie a reči a postupne nastupuje demencia. Kuru sa tiež nazýva aj chorobou smiechu, pretože postihnutí jedinci mávajú nekontrolovateľné záchvaty chorobného smiechu. Choroba končí, rovnako ako ostatné TSEs, fatálne.

Kuru

D. C. Gajdušek – prvý nositeľ Nobelovej ceny slovenského pôvodu

Zastavme sa pri osobe a výskumoch profesora D. C. Gajdušeka, ktorý istý čas žil medzi príslušníkmi kmeňa Fore a študoval ich kultúru, učil sa ich jazyk a robil pitvy. Práve pri pitvách zistil, že príčinou toho, že príslušníci kmeňa podľahli chorobe Kuru, bola rituálna konzumácia mozgov. Svoje závery jednoznačne dokázal pokusmi na šimpanzoch. (V súčasnosti považované za neetické). Až neskôr sa zistilo, že chorobu vyvolávajú prióny. Gajdušek napriek tomu, že ešte nemohol poznať pôvodcov choroby, zistil spôsob jej prenosu, za čo bol v roku 1976 odmenený Nobelovou cenou za medicínu a fyziológiu. Na postave profesora Gajdušeka je pre nás Slovákov fascinujúce, že bol prvým laureátom Nobelovej ceny, ktorý mal „slovenské korene“. Slovensko oficiálne ocenilo jeho zásluhy a vklad jeho vedeckého diela do svetovej vedy. To, že si jeho vedecký prínos Slováci vážili, svedčí aj skutočnosť, že mu bol udelený čestný doktorát Univerzity Komenského v Bratislave a Zlatá medaila Slovenskej akadémie vied. V roku 1998 ocenila medailou jeho vedeckú prácu aj Matica Slovenská, ktorej nezištne venoval súbor vlastných kníh a vedeckých publikácii. V osobe D. C. Gajdušeka odišiel vynikajúci vedec poctený najvyššími oceneniami. Celosvetovo uznávaný vedec so slovenskými koreňmi, na ktorého môže byť Slovensko hrdé, nikdy nezaprel vrelý vzťah k rodisku jeho predkov.

Žiaľ prvý Slovák – nobelista mal aj „temnú minulosť“. Počas výskumných ciest v Pacifiku priviedol do USA 56 detí, predovšetkým chlapcov. Oficiálne objasňoval svoju motiváciu tým, že im chcel dopriať stredoškolské a univerzitné vzdelanie a zabezpečiť pokojný život v Amerike. Ako sa však neskôr ukázalo, chlapci mu slúžili na sexuálne uspokojovanie, za čo bol v roku 1997 odsúdený na jeden rok pobytu za mrežami. Svoje nenáležité správanie ospravedlňoval tým, že sex s chlapcami je normálny v kultúrach, z ktorých chlapci pochádzali a ktorých zvyky a spôsob života Gajdušek študoval. V 21. storočí, by však takéto ospravedlnenie neobstálo, a tak jediný nositeľ Nobelovej ceny, ktorého rodičia pochádzali zo Slovenska, zažil nielen veľkú slávu, ale aj prísne odsúdenie spoločnosti.

Gerstmannov-Sträusslerov-Scheinkerov syndróm

Prvá správa o dedičnej/hereditárnej priónovej chorobe ľudí pochádzala zo zápisu schôdze Viedenskej neurologickej a psychiatrickej asociácie, ktorá sa konala v roku 1912. Týkala sa neurologických porúch, ktoré sa vyskytovali v rodine (označovanej písmenom „H“) počas viacerých generácií. Klinický obraz choroby a neuropatologické zmeny v centrálnej nervovej sústave členov tejto rodiny priblížila vedeckej pospolitosti trojica neurologických odborníkov J. Gerstmann (narodený na Ukrajine), E. Sträussler (narodený v Čechách) a I. Scheinker. Gerstmannov-Sträusslerov-Scheinkerov syndróm (GSS) je extrémne zriedkavé ochorenie, ktoré sa prejavuje ataxiou (porušením koordinovanosti telesných pohybov) a svojím priebehom pripomína roztrúsenú mozgovo-miechovú sklerózu.

Creutzfeld-Jacobova choroba

Najznámejšou z ľudských priónových chorôb je Creutzfeld-Jacobova choroba (CJD). Z historického hľadiska bola v lekárskej literatúre opísaná už v 20. rokoch minulého storočia. V roku 1968 podal americký neuropatológ slovenského pôvodu Carleton D. Gajdušek dôkaz, že toto smrteľné a neliečiteľné neurodegeneratívne ochorenie je prenosné a spája sa s ním riziko prenosu nákazy na ďalších jedincov. Pri klasickej CJD sú známe tri formy: sporadická CJD (v celosvetovom meradle sa vyskytuje najčastejšie, a to v 85 % prípadov, ale jej pôvod je zatiaľ neobjasnený.), iatrogénna CJD (vzniká pri invazívnych terapeutických úkonoch kontamináciou nástrojov/prístrojov, napr. pri transplantácii očnej rohovky, po liečbe pomocou ľudského rastového hormónu, atď.) a genetická CJD (pôvodne sa nazývala familiárnou podľa výskytu dvoch a viacerých postihnutých v tej istej rodine). Za jej vznik, klinický priebeh a trvanie „je zodpovedná“ mutácia priónového génu PRPN. Klinické prejavy CJD môžu byť rôzne. Výrazné sú predovšetkým poruchy pamäti, intelektu, kognitívnych funkcií, poruchy videnia a ataxia. Vo všetkých prípadoch sa u pacientov vyvíja progresívna demencia. U postihnutého dochádza k zmene osobnosti, často sa vyskytujú depresie alebo úzkosť.

Fatálna familiárna insomnia (nespavosť)

V 90. rokoch minulého storočia sa do zoznamu priónových ochorení dostala aj Fatálna familiárna insomnia (FFI), t. j. choroba, pri ktorej pacient „zatvorí oči až po smrti“. Táto choroba bola po prvý raz opísaná v Taliansku, keď v roku 1983 prišiel na neurologickú kliniku Bolonskej univerzity 53-ročný muž kvôli problémom so spánkom. Nespavosť „nadobudol“ až v strednom veku. Ukázalo sa, že  v jeho rodine sa zvláštna porucha spánku vyskytovala už počas viacerých generácií. Pôvod insomnie je výlučne dedičný/hereditárny. FFI sa vyskytuje v 1 prípade na milión narodených detí a postihuje pacientov predovšetkým v strednom veku života. Charakterizuje ju okrem nespavosti, demencia a rýchla smrť postihnutého. Thalamus, alebo medzimozgový hrboľ, sa podieľa na celom rade telesných funkcií, medzi nimi aj na regulácii bdenia a spánku. Postihnutí FFI nemôžu zaspať jednoducho preto, že ich mozog „vďaka“ priónovej infekcii prišiel o schopnosť „uviesť telo“ do spánku. Z tohto dôvodu im nepomáhajú zaspať ani lieky na spanie alebo iné sedatíva, ktoré nedokážu bez funkčného a nepoškodeného thalamusu spánok reálne navodiť.

nespavosť

Nový variant CJD

Najnovším priónovým ochorením, ktoré bolo identifikované v roku 1996 vo Veľkej Británii, je tzv. nový variant Creutzfeld-Jacobovej choroby (nvCJD), ktorý je dôkazom prelomenia medzidruhovej bariéry, a teda prenosu zvieracej priónovej infekcie na človeka. Od klasickej CJD sa nvCJD líši predovšetkým tým, že postihuje mladších pacientov (okolo 26 rokov). Charakterizuje ho dlhší klinický priebeh, výraznejšie psychické zmeny, pretrvávajúca bolesť (chýbajúca pri klasickom variante) a oneskorený vývoj demencie. K ďalšiemu zásadnému rozdielu patrí skutočnosť, že pôvodca nákazy sa vyskytuje nielen v centrálnej nervovej sústave, ale aj v periférnych lymfatických orgánoch.

Aké prionózy postihujú zvieratá?

Zo zvieracích prionóz je už dávno známa klusavka oviec a kôz, prenosná encefalopatia noriek, chronická zhubná choroba vysokej zveri a losov, prenosná encefalopatia mačiek a v posledných rokoch „straší“ farmárov bovinná špongioformná encefalopatia. Zatiaľ čo sa klusavka vyskytuje prirodzene a prenáša sa priamym kontaktom medzi zvieratami, bovinná špongioformná encefalopatia je dôsledkom hospodárskych praktík človeka, a to prikrmovania hovädzieho dobytka nesprávne spracovanou kostnou múčkou.

Klusavka

Napriek tomu, že klusavka (angl. scrapie) bola známa v Anglicku už v 18. storočí, dlho ľudia nepoznali pôvodcu tejto infekčnej choroby. Jej názov pochádza z nutkania oviec škrabať sa. Klusavka je degeneratívne ochorenie, ktoré postihuje centrálnu nervovú sústavu oviec a kôz. Ku klinickým znakom scrapie patrí bojazlivosť, ktorá sa strieda s nadmernou dráždivosťou až agresivitou. Zvieratá postihnuté touto prionózou sú nepokojné, trasie sa im hlava, krk a postupne celé telo. Nemilosrdne si driapu kožu, intenzívne slintajú a po krátkom čase hynú.

Klusavka

Bovinná špongioformná encefalopatia

Verejnosti je Bovinná špongioformná encefalopatia (BSE) známa skôr ako choroba šialených kráv, ktorá spôsobila veľké hospodárske škody farmárom v mnohých krajinách. Prvý záznam sa objavil v roku 1985, keď vo Veľkej Británii vypukla epidémia BSE a postupne sa šírila do ďalších štátov. Na Slovensku sa prvý prípad BSE objavila v roku 2001 a týkala sa 6-ročnej kravy z domáceho chovu na farme Horná Ždaňa. BSE patrí medzi choroby s pomalým dvojfázovým priebehom. Prvá fáza sa prejavuje postupným chudnutím dobytka aj pri dobrej žravosti a zníženou produkciou mlieka. V druhej fáze sa už zreteľne prejavujú poškodenia nervovej sústavy. Postihnutý jedinec sa oddeľuje od stáda, hrabe a kope končatinami a meravý postoj s rozkročenými nohami sa strieda s obdobiami dráždivosti, spurnosti až zúrivosti. Po namáhavom vstávaní, zviera uľahne a nakoniec hynie. BSE vzniká v dôsledku degeneratívneho procesu v centrálnom nervovom systéme. Charakterizuje ju typický histopatologický nález, a to tvorba vakuol v neurónoch (tzv. vakuolizácia), čo spôsobuje špongiovitý vzhľad mozgového tkaniva, od ktorého je odvodený názov choroby. BSE je síce chorobou dobytka, avšak predstavuje hrozbu aj pre človeka, pretože bol dokázaný medzidruhový prenos na primáty a o prekonaní medzidruhovej bariéry svedčí aj nvCJD.

kravy

Prenosná encefalopatia noriek

Prvý záznam o Prenosnej encefalopatii noriek pochádza ešte z roku 1947. Ide o zriedkavú neurogeneratívnu chorobu, ktorá sa vyskytuje výlučne na farmách zameraných na chov noriek. Za zdroj nákazy sa považuje krmivo infikované priónmi. Zaujímavé je, že norky majú podobné príznaky ako ovce choré na klusavku. Okrem toho sú agresívne k nenakazeným jedincom a k ošetrovateľom.

Chronická zhubná choroba vysokej zveri a losov

V roku 1967 bola v americkom Colorade a Wyomingu prvýkrát objavená Chronická zhubná choroba vysokej zveri a losov. Toto ochorenie bolo najprv popísané u jeleníka ušatého (Odocoileus hemionus). Prekvapivo sa ešte stále vyskytuje v niektorých štátoch USA (18 štátov) a Kanady (2 provincie). Doteraz je jedinou známou prenosnou špongioformnou encefalopatiou vyskytujúcou sa u voľne žijúcich zvierat. Zdroj ich nákazy nie je známy. Ku klinickým prejavom postihnutých jedincov patrí náhla zmena správania sa, nadmerná produkcia slín a predovšetkým nápadná strata na váhe. Ochorenie nie je prenosné na človeka.

Prenosná špongioformná encefalopatia mačiek

Prvý oficiálny písomný záznam o Prenosnej špongioformnej encefalopatii mačiek sa objavil v roku 1993. Túto TSE charakterizujú chronické, negatívne progresívne zmeny v správaní mačiek. Postihnuté mačky strácajú schopnosť koordinácie pohybov a prejavujú sa u nich psychomotorické záchvaty.

A predsa môžu byť liečené

Nedávno „zasiahol“ patogénne prióny vyvolávajúce dosiaľ nevyliečiteľné prionózy „ťažký úder“. O svetlo nádeje pre postihnutých „sa postarali“ pokroky vo výskume v oblasti genetického inžinierstva a RNA interferencie (RNAi). V boji proti patogénnym priónom použili vedci zaujímavú stratégiu spočívajúcu v zablokovaní expresie PrPc proteínu v bunkách mozgu. (PrPc sa považuje za „potenciálny substrát“ podliehajúci konverzii na PrPsc). Prvýkrát sa utlmovanie expresie PrPc podarilo uskutočniť na myšacích modeloch, a to aplikáciou interferujúcej RNA do centrálnej nervovej sústavy pomocou infúzie. Neskôr sa podarilo utlmiť expresiu PrPc využitím infúzie aj u kôz a dobytka. Ukázalo sa, že postupy overené na zvieratách sú aplikovateľné aj na človeka. Na odstránenie potreby poskytovania interferujúcej RNA pomocou permanentnej infúzie sa v súčasnosti využívajú geneticky modifikované rekombinantné vírusové vektory, pomocou ktorých sa dostáva interferujúca RNA do neurónov. V súčasnom období sa hľadajú vhodné bunkové receptory, ktoré by sprostredkovali čo najefektívnejší prenos interferujúcej RNA do mozgových buniek.

 

Autor: prof. RNDr. Eva Miadoková, DrSc. pre redakciu Veda na dosah, Katedra genetiky Prírodovedeckej fakulty Univerzity Komenského v Bratislave

Foto: z archívu prof. RNDr. Evy Miadokovej, DrSc.

Úvodné ilustračné foto: na obrázku zobrazené baktérie; Pixabay.com /qimono/

Redigovala a uverejnila: VČ

 

Viac článkov o genetike od profesorky Evy Miadokovej na portáli VEDA NA DOSAH

Hore
FVF 2019
Veda v Centre
Prechod VK na VND - jar
Vedec roka 2018
kúpa časopisov jún 2016
Bratislavská vedecká cukráreň
Atmosféra počas TVT 2018
QUARK
Publikácie Veda v CENTRE
Aurelium - centrum vedy
TVT 2018 články
TAG Zaujímavosti vo vede
TAG Centrum vedy
TAG Mládež
TAG QUARK
TAG Ženy vo vede
TAG Slovenská veda
TAG História
TAG Spektrum vedy
TAG Rozhovor
TAG Publikácia
banner záhrady
Zaujímavosti vo vede
O tom, čo tvorí najhlbšie sféry Zeme nám hovoria poslovia z vesmíru – meteority
Zistite viac