Malé poděkování kvasinkovým prionům

Infekční choroby jsou běžně vyvolávány bakteriemi a viry. Roku 1982 k tomu přibyly ještě priony. Zasloužil se o to především Stanley B. Prusiner, ¹⁾ který za objev prionů, infekčních proteinů, dostal r. 1997 Nobelovu cenu. ²⁾ Prusiner se začal o priony zajímat již na podzim 1972, když sloužil jako začínající lékař na neurologii a dostal do péče pacientku s Creutzfeldtovou-Jakobovou chorobou (CJD). Tímto úkolem nebyl příliš nadšen. Choroba byla popsána již ve dvacátých letech 20. století a vědělo se, že dokáže postiženého usmrtit během dvou měsíců. Zničený mozek a nedotčené tělo. Žádná obrana, žádná naděje. Tehdy se věřilo, že příčinou je pomalý virus. Hypotézu o pomalých virech razil hlavně Björn Sigurdson, který se r. 1954 na Islandu potýkal s jinou neurodegenerativní chorobou, ³⁾ zvanou scrapie (klusavka, svrbivka), která postihovala ovce. Scrapie byla popsána již v 18. století. Později se ukázalo, že scrapie je podobná kuru, nemoci lidojedů z Nové Guineje. Tahle nemoc postihovala hlavně ženy kmene Foro. Ukázalo se, že ženy jedly mozky, zatímco muži spíše maso svých obětí. To naznačilo, že infekční substanci, onen pomalý virus, by mohl nést mozek. Svědčil o tom i neurodegenerativní charakter obou nemocí. Že jde o infekci, se prokázalo již r. 1969, kdy V. Zigas a D. C. Gajdusek přenesli nemoc kuru na opice. Kuru i scrapie měly podobný obraz. Mozky ovcí i lidojedů vypadaly jako mořská houba a obsahovaly dvorce tvořené agregáty, které vnitřní strukturou připomínaly škrobová (amyloidní) zrna. Tato zrna se dala barvit kongočervení. Amyloidní dvorce se ovšem u CJD ani u Gerstmannovy-Strausslerovy-Sheinerovy choroby (což je další neurodegenrativní onemocnění postihující člověka) neobjevují. Zato byly objeveny např. u lidské Alzheimerovy choroby, která však mezi prionová onemocnění nepatří.

Od člověka až po kvasinky – prionů kolem je naseto

Před objevem prionů se léta tradovalo dogma, že je dědičná informace zaznamenávána pouze do nukleových kyselin. Dnes je zřejmé, že i prionové proteiny mohou zajišťovat dědění určitých vlastností. Dědičná informace je v tomto případě uložena jako „infekční“ konformace proteinu, který původně měl jiné biologicky aktivní uspořádání. Ještě před několika lety se zdálo, že je výskyt prionů v přírodě poměrně vzácný, a nebude tudíž třeba kvůli tomu měnit výstavbu klasické genetiky. Dnes však již víme, že prionová „onemocnění“ mohou postihnout nejen člověka, ovce a opice, ale i kozy, krávy, srnce, jeleny, různé druhy antilop, norky, kočky, křečky a myši. Počet druhů prionů neustále vzrůstá. Objeveny byly dokonce i u mikroorganizmů, jako jsou kvasinky a plísně, a tímto výčtem to jistě nekončí.

Zdá se, že poznatky o existenci prionů se množí podobně jako samy priony, tj. nápodobou původní (infekční) formy. Jako bychom prozřeli – dnes vidíme to, co bylo dříve skryto. Tuhle jsem jel autem okolo hnědého blátivého pole. Najednou poskočil na poli ptáček, kterého jsem původně neviděl. Ochranné zbarvení jej dobře ukrylo. Ale nejen to. Najednou jsem si uvědomil, že pole je plné podobných ptáčků, kteří neposkakují. Uviděl jsem je díky tomu, že jsem už měl představu o tom, jak jeden ptáček na hnědém pozadí vypadá. Zatroubil jsem a vzneslo se hejno velké jak hektarové pole. Ve vědě to chodí podobně. Po úvodním průlomu může následovat lavina. Může se ukázat, že jde o jev častý, jenom nám něco bránilo jej zaznamenat. Sice jsme se dívali, ale nic jsme neviděli. Asi tak, jako někdy nepoznáme třeba ani známého tam, kde jej nečekáme. Snad by se dokonce dalo říci, že se priony množí podobně jako lidské memy.

Dnes se již pomalu smiřujeme s myšlenkou, že se priony mohou vyskytovat v mnoha druzích organizmů. Dokonce se zdá, že se lze setkat s různými druhy prionů v jednom druhu. U kvasinky S. cerevisiae bylo zatím objeveno nejméně 5 různých druhů prionů a předběžné teoretické analýzy naznačují, že by jich mohlo být až 18, neli více. Kolik jich asi ještě objevíme u lidí?

O čem nás kvasinky poučily?

S člověkem experimentovat nelze. Když ale R. B. Wickner objevil r. 1994 priony u kvasinek, výzkum prionů se výrazně zrychlil. Kvasinkové proteiny, které mění svou konformaci na „infekční“ a získávají tak schopnost lavinovitě modifikovat své původní aktivní předchůdce na priony neaktivní, ale zato „infekční“, nejsou žádnou vzácností.

Buňky lze od prionů vyléčit

Brzy po objevu kvasinkových prionů přišla první příznivá zpráva. Kvasinky lze od prionů vyléčit např. guanidinumchloridem, methylalkoholem či teplotním šokem. U člověka by to tak bohužel asi nešlo, ale zjištění je přes to povzbuzující. Později ovšem může spontánně dojít opět ke konformační změně na „infekční“ formu, takže léčení má reverzibilní charakter. Tvorbu „infekčního“ prionu lze urychlit nadprodukcí původního prionového proteinu. To se ostatně dalo čekat, neboť čím více je předchůdců, tím větší je pravděpodobnost, že alespoň u jednoho z nich nastane konformační změna na infekční prion. Vznik infekční konformace funkci původní molekuly inaktivuje, takže nakonec se může původní funkce z buňky úplně vytratit.

Priony mohou být i hodné

Např. protein Psi posiluje ukončení translace u terminačního kodonu, je tedy terminačním faktorem. Po přeměně Psi na infekční prion [PSI] tato funkce zmizí. Vznik „infekční“ formy se projeví pročítáním terminačních kodonů. Na konci peptidů syntetizovaných podle normálních genů budou v buňkách [PSI] vznikat neobvyklá prodloužení, která mohou funkci proteinu pozměnit. U mutantních alel, kde je translace (v důsledku mutace) ukončena předčasně, může být zase mutantní kodon napraven pročtením. Oba tyto vlivy jsou tudíž nakonec pozitivní. V druhém případě se funkce poškozeného genu obnovuje, v prvním případě zase pročítání normálních terminačních kodonů zvyšuje životaschopnost buněk s prionem [PSI] za stresových podmínek ve srovnání s buňkami bez prionů. Pozměněná funkce může vyřešit problém spojený se stresem.

Priony lze značkovat

Podrobná analýza sekvencí u kvasinkových prionů ukázala, že pro konformační změnu jsou důležité jen určité úseky prionových molekul, které mají podobnou výstavbu u různých druhů prionů. Tento výsledek vysvětlil, proč prion pocházející třeba z ovce může nakazit kozu, a dále naznačil, že lze přidáním vhodně zvolené části prionu k jiným proteinům umožnit jejich „zprionovatění“. Na tomto principu byly také různé priony označeny zeleným fl uorescenčním proteinem, což umožnilo sledovat, kde priony v buňce jsou a kam se přemísťují. Dobrá zpráva tedy zní: S priony lze manipulovat tak, že se dají snáze sledovat a zaznamenávat.

O rezistenci k prionům

Navíc si lze představit, že se v důsledku mutace genu kódujícího prionový protein v úseku kódujícím doménu pro infekční konformační změnu stane organizmus vůči prionové infekci odolným, neboť infekční konformace nebude mít možnost vzniknout. Dobrá zpráva tudíž zní: „Mohou vznikat mutantní klony, které jsou rezistentní vůči prionům.“ Takové klony byly již objeveny nejen u kvasinek, ale i u ovcí. Jestliže je chov založen na těchto mutantech, původní priony ho nezdolají.

O hledání léků proti prionům

Také vývoj léků schopných zakrýt, a tím inaktivovat prionové domény, je díky kvasinkám v nadějném stadiu. V kvasinkách mohou totiž být testovány nejen priony svým původem kvasinkové, ale i prionové proteiny cizí, jejichž geny jsou do kvasinky přeneseny a exprimovány. Dobrá zpráva tedy zní: „Kvasinky mohou být hostiteli cizích prionových proteinů, a tím mohou pomoci při vývoji protiprionových léků a také při testování cizích infekčních prionů. Zdá se, že brzy bude možno rozeznat krávu ještě veselou od krávy šílené, což může zachránit život mnoha živočichům v postižených chovech před „zabitím pro jistotu“. Mnoho nových testů bylo v poslední době patentováno. V současnosti se zkouší, zda jsou vhodné pro praktické využití.

O úplně jiných typech prionů

R. B. Wickner před nedávnem objevil kvasinkový enzym, vakuolární proteázu B, která v aktivní konformaci modifikuje svůj prekurzor na aktivní enzym. „Podle běžně přejímaných obecných kritérií,“ navrhuje Wickner, „mohou být enzymy, které vyvolávají svou vlastní maturaci, také považovány za priony.“ Tento nový typ prionu je ovšem na rozdíl od dosavadních kvasinkových prionů v infekční formě enzymově aktivní, a naopak v prekurzorové formě neaktivní. Aktivní forma se chová jako infekční. I tyto priony lze reverzibilně léčit a jsou dědičné nemendelovským způsobem. Toto rozšíření pojmu prion by mohlo mít za následek velkou sérii objevů dalších prionů zcela nového typu i u vyšších organizmů. Dokonce by se dalo očekávat, že existují lavinovité konformační přechody, obdobné rozšiřování infekčních forem prionů, které mohou být spjaty s regulací určitých důležitých funkcí. Eric Kandel nalezl r. 2003 se svým týmem na Kolumbově univerzitě v New Yorku protein CPEB, který je podobný prionům a pravděpodobně se uplatňuje v souvislosti s pamětí, respektive s vytvářením pevných spojení sousedních neuronů. Když byl gen pro protein přenesen do kvasinkové buňky, přešel produkovaný protein do prionové infekční formy, jež se množila a přenášela do buněk dalších generací. Pracovní verze ověřované hypotézy předpokládá, že protein CPEB je elektrickým signálem převeden v oblasti synapse na prionovou formu, která se množí prionovým způsobem a posiluje propojení sousedních neuronů. Tato představa o mechanizmu vytváření paměťových záznamů pochopitelně zdaleka není dokázána. Prozatím se ještě ani nepodařilo dokázat, že se protein CPEB chová jako prion nejen v kvasince, ale i ve svém původním organizmu. Hypotéza se však jeví jako atraktivní zvláště proto, že u člověka existuje protein, který se CPEB velice podobá.

O možnosti nečekaného využití prionů

Susan L. Lindquistová z Chicagské univerzity se podílela na konečném a jednoznačném důkazu prionového charakteru některých kvasinkových proteinů a upozornila na evoluční význam prionů. ⁴⁾ Je členkou Kandelova týmu zaměřeného na studium eventuální role prionů při vytváření paměťových záznamů a vůbec se vyskytuje všude tam, kde se v oblasti prionů děje něco nového. Tato žena začala psát další prionovou kapitolu – podílí se na výzkumu využití prionů v nanotechnologiích. Prionové řetízky totiž narůstají in vitro na obou koncích a vytvářejí řetízky definované délky a tvaru. Experimentálně se testuje možnost využít je jako vodivé „drátky“ v nanopřístrojích. Podle Susan L. Lindquistové jsou v přírodě tuny prionů, které čekají na své odhalení a případné využití. Kvasinky jsou pak ideálním prostředníkem pro jejich studium, které nabývá na nebývalé intenzitě.