Что такое амилоиды — летальные патогены или функциональные белковые агрегаты

Впервые об амилоидах узнали, вероятно, в XVII веке, когда были описаны неизлечимые заболевания человека, при которых происходило патологическое преобразование тканей и органов, приводящее к возникновению в них воскоподобных включений. В 1854 году Рудольф Вирхов показал, что такие включения окрашиваются йодом, и предположил их крахмалистую природу, назвав амилоидами (от лат. amylum и греч amylon — крахмал). Это предположение было опровергнуто уже спустя пять лет, в 1859 году, когда было показано, что амилоиды состоят из белков, однако ошибочный термин закрепился и используется в настоящее время.

Белки — это один из крупнейших классов биологических молекул, являющихся своего рода молекулярными машинами, выполняющими большинство функций в живой клетке. Для нормальной работы белковые молекулы должны укладываться в пространстве определенным образом. Если эта укладка нарушается, молекулы белков могут начать «слипаться» друг с другом, что может приводить в том числе к образованию особых, крайне прочных нитей, фибрилл, объединяющихся в более крупные образования, агрегаты, которые и называются амилоидами. В настоящее время показана связь амилоидов с развитием около 50 заболеваний человека, называемых амилоидозами, которые являются неизлечимыми или трудно поддаются лечению. Многие из амилоидозов развиваются в пожилом возрасте и являются одним из больших вызовов на пути обеспечения здорового долголетия. Одним из наиболее ярких примеров амилоидозов является болезнь Альцгеймера, поражающая каждого второго после 85 лет, а также диабет второго типа, которым болеют сотни миллионов человек по всему миру. Некоторые онкологические заболевания также могут сопровождаться амилоидозами.

Есть особая группа амилоидов, обладающих инфекционными свойствами. Такие инфекционные амилоиды называются прионами. Прион PrPSc вызывает летальные трансмиссивные губчатые энцефалопатии у человека (болезнь Крейцфельдта—Якоба, синдром Герстмана—Штраусслера—Шейнкера, фатальную семейную бессонницу, а также куру, или «хохочущую смерть», болезнь, ранее распространенную у каннибалов народности форе) и животных (бешенство коров, скрепи овец и др.). Примечательно, что прион PrPSc способен преодолевать некоторые межвидовые барьеры, как это было при распространении коровьего бешенства, когда употребление в пищу недостаточно термически обработанного мяса зараженных бешенством коров вызывало у людей «новый вариант» болезни Крейцфельдта—Якоба, приводя к их гибели. Значимость исследований амилоидов и заболеваний, вызываемых ими, подчеркнута Нобелевскими премиями по физиологии и медицине, присужденными Карлтону Гайдушеку (доказательство инфекционной природу куру) и Стенли Прусинеру (открытие прионов).

Все ли амилоиды являются патогенами? Несмотря на то что амилоиды более известны благодаря их патогенным свойствам, начиная с 2000 года вышло множество работ, показывающих, что амилоиды могут быть полезными и выполнять различные жизненно важные функции в живой клетке, возникая не в результате нарушения укладки белка, а в норме. Такие амилоиды, называемые функциональными, были описаны у организмов, представляющих все три домена жизни: архей, бактерий и эукариот (включая и человека). У бактерий, например, выявлено около десяти групп разных белков, выполняющих свои функции именно в виде амилоидов. Многие из них связаны с образованием биопленок — особых «колоний» микроорганизмов на различных поверхностях. Для закрепления бактериальные клетки выделяют большое количество разных веществ, в том числе амилоиды, стабилизирующие структуру биопленок. Биопленки связаны с развитием целого ряда бактериальных инфекций, поскольку помогают бактериям выживать в агрессивном окружении организма хозяина. Получается, что бактериальные амилоиды, которые полезны и функциональны для самих бактерий, являются патогенными для человека. И разнообразие таких связанных с инфекциями бактериальных амилоидов, вероятно, гораздо больше, чем собственных патологических амилоидов человека — их число потенциально может составлять сотни и даже тысячи.

Патогенные и функциональные амилоиды имеют ряд общих черт, по которым их можно отличить от других белковых конгломератов. Так, амилоидные агрегаты имеют форму фибрилл, то есть длинных нитевидных образований, которые можно увидеть, например, при помощи электронного микроскопа. Одним из характерных признаков амилоидов является так называемое яблочно-зеленое свечение, наблюдаемое в поляризованном свете при окрашивании амилоидов красителем конго красный (этот признак используется в том числе в гистологической диагностике амилоидозов). Многие амилоиды крайне стабильны и устойчивы к действию разрушающих белки химических воздействий, высоких и низких температур. Некоторые из них могут десятилетиями сохраняться во внешней среде.

Функциональные амилоиды обнаружены у многих других групп живых организмов. У человека, например, функциональные амилоиды контролируют полимеризацию пигмента меланина, защищающего наши ткани от ультрафиолета. Также целый ряд гормонов человека запасается именно в виде амилоидов. Некоторые инфекционные амилоиды (прионы) грибов тоже являются функциональными, придавая им устойчивость к фунгицидам и повышая выживаемость в неблагоприятных условиях.

У растений, как было недавно впервые показано нашим исследовательским коллективом, в состав которого вошли сотрудники Всероссийского института сельскохозяйственной микробиологии (ФГБНУ ВНИИСХМ), Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ), Института цитологии РАН, Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН, Казанского федерального университета и Университета Бургундии во Франции, амилоиды образуются при запасании белков в семенах. Эти белки являются ключевым источником питательных веществ для эмбриона, и жизненно важной задачей для растения является их сохранение в неблагоприятных условиях, которые семена успешно переживают. Именно «консервация» белка в виде стабильных амилоидных агрегатов, образующихся по мере созревания семян, по-видимому, позволяет белковому запасу семян сохраняться при неблагоприятных условиях (продолжительная засуха, изменение температуры). Здесь, как и в случае с бактериальными амилоидами, имеет место функциональный дуализм: формирование амилоидов запасными белками семян полезно для растений, однако снижает пищевую ценность запасных белков для человека, так как амилоиды почти не перевариваются в пищеварительном тракте.

Таким образом, обнаружение амилоидов в семенах растений создает перспективы для создания сортов хозяйственно значимых растений со сниженной способностью запасных белков к формированию амилоидов, что может качественно повысить пищевую ценность семян и внести важный вклад в решение глобальной проблемы продовольственной безопасности. Способность к формированию белками семян амилоидов, по-видимому, присуща самым разнообразным растениям, как было нами показано с использованием методов компьютерной биологии — биоинформатики. Примечательно, что, согласно биоинформатическим данным, наиболее склонными к формированию амилоидов оказались белки лотоса орехоносного, семена которого способны прорастать спустя тысячу лет и более.

Еще одним крайне важным аспектом в отношении амилоидов растений является то, что при прорастании семян они эффективно расщепляются специальными молекулярными машинами, присутствующими в клетке растений, и переходят в растворимую, легко усваиваемую зародышем форму. Таким образом, растения умеют делать то, что не способен делать организм человека: эффективно разбирать крупные амилоидные скопления. Возможно, именно в понимании механизмов разрушения амилоидов, происходящего естественным путем в семенах растений при их прорастании, кроется ключ к разработке эффективной терапии амилоидозов человека и животных.

Таким образом, среди амилоидов различных организмов, от бактерий до человека, есть как летальные патогены, так и белковые агрегаты, выполняющие жизненно важные функции. Очевидно, что мы находимся сейчас лишь в самом начале пути изучения мира амилоидных белков, однако уже сейчас очевидна первостепенная практическая значимость их исследования как для медицины (амилоидозы и бактериальные инфекции), так и для сельского хозяйства (пищевая ценность семян растений).

Изучение амилоидов растений выполнено при поддержке Российского научного фонда, проект 17–16–01100. Экспериментальная часть работы выполнена с использованием оборудования Научного парка СПбГУ и Центра коллективного пользования ФГБНУ ВНИИСХМ.

Антон Нижников, доктор биологических наук, главный научный сотрудник ФГБНУ ВНИИСХМ, доцент СПбГУ, лауреат премии президента Российской Федерации в области науки и инноваций для молодых ученых за 2020 год; Кирилл Антонец, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник ФГБНУ ВНИИСХМ, доцент СПбГУ, лауреат премии президента Российской Федерации в области науки и инноваций для молодых ученых за 2020 год