Czynniki chorobotwórcze

Priony

JAK TO SIĘ ZACZĘŁO?
Wiadomość o tajemniczej chorobie bydła, która może przenosić się na ludzi dotarła do nas w latach osiemdziesiątych z Wielkiej Brytanii. BSE (choroba szalonych krów) przybrała tam wówczas rozmiary epidemii i aby zapobiec rozprzestrzenianiu się choroby wytrzebiono wówczas 150 000 zwierząt. Kolejny atak choroby przypadł na początek lat dziewięćdziesiątych by osiągnąć apogeum w 1992 roku i od tamtej pory systematycznie spada. Wielkie trzebienie bydła objęło wtedy również zwierzęta sprzedane za granicę. Masowo wycofywano ze sprzedaży wszelkie produkty pochodzenia wołowego między innymi wyroby zawierające żelatynę. Strach padł na konsumentów wołowiny gdyż wysunięto przypuszczenie, iż ta śmiertelna choroba może się przenosić na ludzi drogą pokarmową. Mocnym argumentem przemawiającym za tą tezą było przeświadczenie, iż krowy najprawdopodobniej zaraziły się spożywając karmę wzbogaconą w preparat białkowy pochodzący z chorych owiec. Zaczęły się też pojawiać, głównie na Wyspach Brytyjskich przypadki nowej odmiany choroby Creutzfeldta-Jacoba (ludzkiej wersji BSE). Dziś jest już pewne, że ma ona związek z chorobą szalonych krów, nie wiemy natomiast jaką drogą nastąpiło zakażenie.
Jak do dziś możliwość zachorowania po spożyciu zakażonej wołowiny nie została jednoznacznie potwierdzona. Nie nastąpiła też spodziewana masowa epidemia chorób prionowych u ludzi. Czy istotnie jest się czego bać i czy tajemniczy czynnik infekcyjny jest równie groźny co nie poznany?
Hipotezy powstania BSE (ang. mad cow disease, choroba szalonych krów)
- BSE pochodzi od scarpie, zakażenie poprzez spożycie zakażonej scarpie paszy
- BSE była rzadką chorobą bydła a rozpowszechnienie związane z hodowlą
- W latach 70-tych mogła nastąpić spontaniczna mutacja, w tym przypadku rozpowszechnienie również związane by było z hodowlą.
- A może BSE pochodzi od CJD?
Do każdej z tych hipotez można wysunąć wiele argumentów zarówno popierających jak i przeciw. Jednoznaczna odpowiedź, mimo dużej wiedzy na temat natury prionów i chorób prionowych, nie jest możliwa.

TAJEMNICZA CZĄSTKA INFEKCYJNA
Czynnik zakaźny powodujący chorobę wnikając do organizmu nie wywołuje stanów zapalnych ani powstawania przeciwciał, nie można go też wykryć we krwi ani płynie mózgowo?rdzeniowym, jest więc bardzo trudny do zdiagnozowania. Powoduje natomiast powstawanie w mózgu chorych osób złogów pewnego białka przypominających nieco strukturą płytki tworzące się podczas choroby Alzheimera. Jedyną więc pewną metodą stwierdzenia obecności choroby było przez długi czas badanie mózgu zarażonego po jego śmierci.
Badania nad strukturą czynnika polegały na poddawaniu zakażonej tkanki działaniu różnych czynników i sprawdzaniu czy zachowuje ona infekcyjność. Czynnik zakaźny był względnie trwały w obecności enzymów rozkładających białka, tracił aktywność po kontakcie z niektórymi detergentami, fenolem i ługiem. Był odporny na enzymy rozkładające kwasy nukleinowe, a także na 70% alkohol etylowy, kwasy, wysoką temperaturę i promieniowanie ultrafioletowe. Te wszystkie cechy sugerowały, iż jest raczej białkiem niż kwasem nukleinowym[1] i to białkiem niezwykle trwałym, odpornym na wysokie temperatury i ciśnienie. Nie niszczy go nawet tradycyjna metoda sterylizacji narzędzi chirurgicznych w autoklawie podczas gdy większość białek ulega denaturacji już w temperaturze około 45C.
W 1982 roku na Uniwersytecie w San Francisco Stanley Prusiner wysunął hipotezę, iż czynnikiem zakaźnym powodującym chorobę szalonych krów jest białko. Uczony ten nazwał badany czynnik Protinaceous Infectious Particle w skrócie prion.[1] Była to bardzo odważna hipoteza, gdyż wszystkie cząstki zakaźne jakie dotychczas poznano (wirusy, bakterie, pierwotniaki, grzyby) zawierają kwasy nukleinowe, dzięki którym mogą się powielać. Mechanizm samopowielania się białek bez udziału odpowiadających im genów był jak dotąd niewytłumaczalny. Możliwość dziedzicznego przekazywania prionów sugerowała jednak pewien związek z kwasami nukleinowymi. Faktycznie znaleziono w końcu geny kodujące białka prionowe, o dziwo nie tylko w komórkach chorych ale również zdrowych zwierząt (tkance narwowej, płucach, śledzionie sercu i jelitach). Opisano strukturę tych białek u człowieka, myszy i chomika i nazwano je cPrP (prawidłowe białko prionowe). Bardzo bliskie bo sięgające 90% podobieństwo tych białek u człowieka i myszy sugerowało, iż są to białka konserwatywne czyli pełniące jakąś istotną funkcję w organizmie. Trudno jednak jest jak dotąd określić jaką. Jak na razie udało się ustalić, że wchodzi ono w skład błon komórkowych oraz często ulega procesom syntezy i rozpadu. Jest też prawie pewne, że formy infekcyjne mają taki sam skład aminokwasowy jak formy normalne. Najnowsze doniesienia sugerują, że prawidłowe białko prionowe chroni neurony przed samobójczą śmiercią (apoptozą).
Choroba zaczyna się wtedy gdy obecne w komórce prawidłowe białko cPrP zmienia swą strukturę przestrzenną. Łańcuchy białka patologicznego w tych rejonach gdzie w prawidłowym białku cPrP występują helisy alfa, mają strukturę beta.[1] Różnic tych nie rozpoznaje układ odpornościowy stąd brak reakcji immunologicznej przy pojawieniu się prionu chorobotwórczego w organizmie. Białko o wadliwej strukturze gromadzi się w nadmiarze w lizosomach co powoduje nadmierne wydzielanie enzymów i hydrolityczny rozkład komórki. W wyniku rozpadu komórki białko dostaje się do przestrzeni międzykomórkowej i indukuje zmiany konformacji obecnych tam prawidłowych białek. Przypuszcza się, że zmiany te zachodzą też na powierzchni wewnętrznych błon komórki.
Potwierdzeniem tezy Prusinera o wyłącznie białkowym charakterze prionów było doświadczenie z 1994 roku, w którym dokonano indukowanego przekształcenia prawidłowego białka w zakaźne białko prionowe.
Możliwość dziedzicznego przekazywania choroby tłumaczy się możliwością wystąpienia mutacji w genie prawidłowego białka prionowego, która wyraźnie zwiększa prawdopodobieństwo przekształcenia się go w białko patologiczne.

OBAWY I NADZIEJE
Zdaniem specjalistów zagrożenie ludzi zaczęło istotnie spadać od 1989 roku kiedy rząd brytyjski nakazał wycofać wołowy mózg i rdzeń kręgowy ze sprzedaży dla celów konsumpcyjnych. Od sierpnia ubiegłego roku brytyjska wołowina ma znów wstęp na rynki Europy. Czy oznacza to, że niebezpieczeństwo zostało zażegnane lub w ogóle nie występowało?
Jak dotąd w Polsce nie odnotowano żadnego przypadku choroby bydła (BSE) a choroba Creutzfeldta ? Jacoba występuje dziesięciokrotnie rzadziej niż powinna według zachodnich statystyk dotyczących Polski. Pesymiści twierdzą jednak, iż dotychczasowe przypadki nowego wariantu choroby Cretzfeldta ? Jacoba dotyczą osób, które ze względu na uwarunkowania genetyczne oraz wielkość dawki zakaźnej zachorowały najszybciej, a właściwa epidemia nadejdzie później i może objąć na Wyspach nawet kilka tysięcy ludzi.[4]
Jak wykazały badania na transgenicznych myszach ze wszczepionym ludzkim genem prionowym ryzyko zakażenia przez spożycie białka wołowego jest mało prawdopodobne lub niemożliwe (w odróżnieniu od zakażenia białkiem ludzkim). Ostatnie badania amerykańskich naukowców zanegowały też możliwość zarażenia się bydła przez spożycie białka owczego. Karma zawierała zaś również odpadki bydlęce. To dawało by przypuszczenie, że międzygatunkowe przenoszenie chorób prionowych jest mało prawdopodobne.
Badania nad chorobami prionowymi trwają. Nie należą one do łatwych i wymagają zastosowania zaawansowanych technik inżynierii genetycznej. Nie wiadomo też ile jeszcze przypadków choroby pojawi się w następnych latach zważywszy, iż okres wylęgania choroby trwa często wiele lat.
Jak na razie pozostaje nam więc obniżenie spożycia mięsa wołowego i nadzieja, iż jest ono rodzimej produkcji.

Priony

Pojęcie prionu wprowadził Stanley Prusiner w 1981 r. Prion to białko zbudowane z około 250 aminokwasów, które występuje w komórkach zdrowych ? PrPc (prionowa proteina komórkowa) i powiązane są z błonami komórkowymi. Białka te są kodowane przez geny, przy czym mutacja tych genów powoduje powstawanie białka o zmienionej konformacji - białka prionowego patogennego, czyli chorobotwórczego PrPsc. Białko prionowe patologiczne PrPsc ulega kumulacji w we wnętrzu komórki, prowadząc do jej degeneracji i śmierci. Białko patogenne prionowe nie powstaje tylko ze zmutowanych genów, ale także w obecności nieprawidłowych białek prionowych. Posiada zdolności autokatalityczne i ma zdolność zmieniania normalnego białka prionowego w białko prionowe chorobotwórcze. Białka prawidłowe PrPc mają strukturę w przeważającej części alfa-helikalną, czyli spiralnie zwiniętą. Białka prionowe nieprawidłowe mają natomiast w przeważającej części struktury beta-fałdowe, beta-harmonijkowe (beta-karty harmonijkowej ? łańcuchy aminokwasów w strukturze III-rzędowej układają się równolegle), co daje im postać liniową. Na podstawie genów zmutowanych powstaje więc białko prionowe z przewagą beta-fałdów. Białka prionowe patogenne PrPsc, które dostały się do organizmu (egzogenne), a także białka prionowe syntetyzowane na podstawie własnych genów zmutowanych (endogeniczne) tworzą ze sobą agregaty, czyli zlepki, które zachowują się jak kryształy. W wyniku krystalizacji tworzą na swój wzór podobne białka chorobotwórcze, które znów się odkładają i ulegają agregacji. W ten sposób białko prionowe patogenne powstaje w wielkich ilościach i w szybkim tempie, wywołując zaburzenia w funkcjach tkanek, organów i układów narządów. Zatem PrPsc po dostaniu się do zdrowej komórki ma zdolność zmienienia konformacji białka prawidłowego w postać chorobotwórczą. Białko prionowe patogenne po wprowadzeniu do organizmu zdrowego wywołuje chorobę, bowiem utrzymuje swoje właściwości chorobotwórcze i autokatalityczne. Obok hipotezy krystalizacji agregatów białka prionowego patogennego, istnieje jeszcze hipoteza ?foremki?. ?Foremką? jest białko prionowe patogenne PrPsc, które nadaje nieprawidłową formę białkom prionowym normalnym PrPc - w wyniku przylegania (agregacji) i odkształcania.

PrPc ? białko prionowe komórkowe normalne.
PrPsc ? białko prionowe chorobotwórcze.

W białku prionowym patogennym udział struktur alfa-helikalnych jest mniejsza niż w proteinach prionowych normalnych. Udział struktur beta-harmonijkowych (beta-fałdowych, beta-sheet) jest większy w białku prionowym patogennym.

Białka prionowe są odporne na wysoka temperaturę (inaktywacji ulegają dopiero w temperaturze 300 stopni Celsjusza), promienie nadfioletowe, promienie Roentgena, enzymy proteolityczne. W autoklawie, w temperaturze 131 stopni C podlegają unieczynnieniu po około godzinie. Stężone roztwory wodorotlenku sodu i podchlorynu sodu (około 10-15%) niszczą priony. Spożyte wraz z pokarmem priony przedostają się do układu siateczkowatego (limfatycznego) układu pokarmowego, następnie do śledziony, kłębków Peyera, migdałków i i grudek chłonnych, gdzie ulegają replikacji. Powielone priony są następnie przez komórki limfoidalne przenoszone do tkanki glejowej i nerwowej.
W rozwoju chorób prionowych istotną rolę odgrywają tez białka CtmPrP, które również maja właściwości patogenne i powodują degenerację komórki. PrPsc pobudzają syntezę CtmPrP (błonowe proteiny prionowe z końcem karboksylowym).

Przemiany prionów w komórce zdrowej i chorej.

1,2,3 ? synteza protein prionowych naturalnych, tworzenie kompleksów z białkami błony komórkowej. Aparat Golgiego służy do segregacji i opakowywania cząsteczek utworzonych protein oraz transportu w pęcherzykach Aparatu Golgiego w kierunku błony. Utworzone PrPc, czyli normalne priony są wbudowywane do plazmolemmy. Błona komórkowa ulega ciągłym zmianom, a składniki błony podlegają ciągłej wymianie. W naturalnym cyklu białka te są degradowane w lizosomach pod wpływem enzymów /4/. Gdy do organizmy dostaną się priony chorobotwórcze PrPsc wówczas na drodze endocytozy wnikaja do wnetrza komórki. Niestety priony chorobotwórcze są odporne na proteazy lizosomalne, pozostają bez zmian lub ulegają tylko częściowej degradacji /5/. Z elementów prionowych chorobotwórczych w aparatach Golgiego syntetyzowane są patogenne białka prionowe, wbudowywane w błonę komórkową /5/. Ponadto białka prionowe niezmienione mogą być wbudowywane do błony w takiej postaci w jakiej zostały pobrane przez endocytozę. (TGN - trans-Golgi network, pęcherzyki transportowe aparatu Golgiego).

Do chorób prionowych należą między innymi:

1. Curu = kuru ? drżenie, ?śmiejąca się śmierć? ? choroba dotyczy plemion kanibalistycznych, np. na Nowej Guinei. Priony zawarte w ludzkich organach, głownie w mózgu wywołują chorobę objawiającą się zaburzeniami emocjonalnymi, napadem śmiechu lub płaczu, drżeniem nerwowo-mięśniowym, zaburzeniami równowagi, utratą kontroli nad ruchami, wreszcie śmiercią. W obrazie histopatologicznym mózgu widoczne są zmiany zwyrodnieniowe i złogowe wywołane odkładaniem się białka prionowego (złogi amyloidu).
2. Choroba Creutzfeldta-Jakoba - CJD. W latach 1920-1921 Creutzfeldt i Jakob opisali objawy choroby prowadzącej chorego do demencji i utraty kontroli nad ruchami. U zwierząt ta choroba nosi nazwę ?choroby szalonych krów? - BSE (Mad Cow Disease - bovine spongiform encephalopathy ? gąbczaste zwyrodnienie mózgu u bydła). CJD może wystąpić w każdym wieku. Zakażenie prionami następuje drogą pokarmową (wraz z pokarmem) oraz drogą pozjalitową (wstrzykiwanie preparatów pochodzenia zwierzęcego). Możliwe jest także wnikanie prionów przez uszkodzone nabłonki i naskórek do układu chłonnego, np. jamy ustnej. Rozwija się stopniowo, długotrwale lub szybko. Objawami są: drżenie mięśnie, gwałtowne zmiany stanów emocjonalnych, zaburzenia równowagi i synchronizacji ruchów, nasilająca się utrata kontroli nad wykonywanymi ruchami, zaniki pamięci, senność, apatia, wreszcie omamy wzrokowe i słuchowe, zaburzenia mowy, śpiączka. W tkance nerwowej odkładają się agregaty białka prionowego, co prowadzi do zwyrodnień i zaburzeń w funkcjach neuronów. Choroba prowadzi do zgonu.
3. Choroba Gerstmann-Strussler-Scheinker?a ? GSS ? objawia się podobnie jak CJD, lecz ma bardziej długotrwały przebieg (kilkunastoletni). Utrata koordynacji ruchowej.
4. Śmiertelna dziedziczna bezsenność ? FFI (Fatal Familiar Insomnia) ? objawy są głównie natury psychicznej (utrata tożsamości, halucynacje).

Choroby prionowe nie są uleczalne. Jeżeli prionowe białko powstaje ze zmutowanych genów to choroba taka jest dziedziczna.

Źródła zakażenia prionami patogennymi:
- żywność pochodzenia zwierzęcego
- kosmetyki zawierające proteiny pochodzenia zwierzęcego
- leki pochodzenia zwierzęcego o organopreparaty, w tym żelatyna dodawana do leków
- preparaty krwi

Wiroidy

Najmniejszym biologicznym czynnikiem chorobotwórczym jest wiroid. Jest to forma mająca zdolność do replikacji kosztem energii i enzymów gospodarza. Wiroid wywołuje objawy chorobowe.
Dotychczas poznano kilkadziesiąt wiroidów i jak na razie wydaje się, że wywołują one choroby jedynie u roślin (rośliny cytrusowe, ogórki, chmiel, ziemniak, palma kokosowa, pomidory, chryzantemy). Nie jest jednak pewne, czy Wiroidy nie występują u zwierząt. Kwas nukleinowy wiroidów nie zawiera otoczki białkowej, czyli kapsydu typowego dla wirusów.
Wiroidy są to cząsteczki jednołańcuchowego RNA (ssRNA) koliście zamkniętego. Łańcuch RNA wiroidów zawiera około 300 nukleotydów, a III-rzędowa struktura zapewnia mu przybranie formy pałeczkowatej. ssRNA wiroidów oporny jest na działanie nukleaz, czyli enzymów trawiących kwasy nukleinowe. Nie zawiera otwartych ramek odczytu, znanych u innych form życia. Cząsteczka RNA wiroidowa ulega replikacji w wyniku działania polimerazy II RNA komórek gospodarza. Dzieje się to na zasadzie ?toczącego koła?.
Namnażanie wiroidów zachodzi w jądrze, najwięcej cząsteczek RNA wiroidów znajdowano w jąderkach jąder.
Zakażenie wiroidami następuje podczas mechanicznego uszkadzania organów roślin (zabiegi agrotechniczne). Rozmnażanie wegetatywne roślin sprzyja rozpowszechnianiu chorób wiroidowych. Zakażone rośliny wydają nasiona zarażone wiroidami.
Wiroidy nie są wrażliwe na antybiotyki.

Model RNA