Bereich: Grundlagenforschung Infektiologie

Nicolas Genoud, Zürich

Zusammenfassung
Prionkrankheiten sind unweigerlich zum Tod führende, neurodegenerative Erkrankungen, von denen Menschen ebenso wie eine große Zahl unterschiedlicher Tierarten betroffen sind. Die Erkrankungen werden auch als transmissible spongiforme Enzephalopathien (TSE) bezeichnet und schliessen beim Menschen die Creutzfeld-Jakob-Krankheit (CJD) und bei der bovinen Spezies den Rinderwahn mit ein. Auch wenn Prionkrankheiten bestimmte morphologische und pathophysiologische Parallelen zu weiteren, progressiv verlaufenden Enzephalopathien wie Alzheimer- und Parkinson-Krankheit aufzeigen mögen, so sind sie doch insofern einzigartig, als dass sie übertragbar sind. Prionkrankheiten des Menschen sind zwar selten, dennoch wurde ein Teil der europäischen Bevölkerung über die Nahrungskette zu Rindern ausgesetzt, die mit boviner spongiformer Enzephalopathie (BSE) infiziert waren. Bei dieser Population besteht das Risiko, dass sich eine Variante der Creutzfeld-Jakob-Krankheit ("variant Creutzfeld-Jakob disease" oder vCJD) ausbildet.

Vor zwei Jahrzehnten stellte der Nobelpreisträger Stanley Prusiner die "Protein-only-Hypothese" auf, nach der das Prionkrankheiten verursachende infektiöse Agens ausschliesslich aus einem pathologischen, d. h. fehlgefalteten Protein besteht. Nach Prusiner vermehrt sich dieses Protein durch Anlagerung an das normale Prionprotein (PrPC) und formt dieses zu einer krankheitsverursachenden Form (PrPSc) um. Bei der Konversion des normalen PrPC-Proteins zu PrPSc handelt es sich um ein zentrales Ereignis der Prion-Pathogenese, wobei die Einzelheiten zum größten Teil weiterhin unklar sind. PrPC ist für die Entstehung der Prionkrankheiten unerlässlich, da sein Fehlen Resistenz gegen die Erkrankung vermittelt. Bislang fehlte jedoch der Nachweis, dass in einem lebenden Organismus zwischen normalen und pathologischen Prionproteinen ein solcher Anlagerungsprozess tatsächlich stattfindet.

Zum Testen dieser Hypothese stellten wir ein modifiziertes, artifizielles Prionprotein her, an dem ein Bruchstück eines humanen Antikörpers (Fc) anhaftet (als PrP-Fc bezeichnet). Das Fusionieren dieses Fragments an das Prionprotein diente dem Zweck, es als Markierung für das Visualisieren der Bindungsreaktion einzusetzen, und dazu, das veränderte Prionprotein vom krankheitsassoziierten PrPSc abzugrenzen. Es wurden genetisch modifizierte, das PrP-Fc-Fusionsprotein exprimierende Mäuse herangezüchtet. Diese ebenfalls das normale PrPC exprimierenden transgenen Mäuse wurden mit Prionen injiziert - dem infektiösen Agens, das Prionkrankheiten hervorruft. Nach dem Exitus dieser Mäuse wurden ihre Hirne für die Bewertung einer möglichen Bindung zwischen PrP-Fc und PrPSc gewonnen. Zum Testen dieser Hypothese wurden die Mäusehirne mit magnetischen Beads inkubiert, die für die "Capture" der Fc-Markierung (und folglich des PrP-Fc-Moleküls) sorgten. Daraufhin untersuchten wir das Vorhandensein des hiermit assoziierten PrPSc. Faszinierender Weise erfolgte die Rückgewinnung von PrPSc nur in Gegenwart von PrP-Fc, niemals jedoch in seiner Abwesenheit, was nahelegte, dass während der PrPSc-Replikation das pathologische und das normale Prionprotein miteinander interagieren.
Zur Bestätigung dieser Resultate bedienten wir uns dann eines komplementären Ansatzes. Auf zellulärer Ebene ist PrPSc in den als "Lipid Rafts" bezeichneten cholesterinreichen Bereichen der Zellmembranen lokalisiert. Weil es sich bei PrP-Fc um ein lösliches Protein handelt, konnte es in den "Lipid Rafts" nicht nachgewiesen werden. Bei mit Prionen infizierten Mäusen wurde PrP Fc jedoch aus seiner normalen Lokation in den "Lipid Rafts" in die gleichen Fraktionen verschoben, in denen PrPSc nachgewiesen wurde! Mithin ging das normale Prionprotein eine Interaktion mit dem pathologischen PrPSc ein, was ein zentrales Ereignis von Prusiners "Protein-only-Hypothese" bestätigte.

Die beeindruckendste Entdeckung besteht jedoch darin, dass das modifizierte Prionprotein PrP-Fc bei seiner Expression in genetisch modifizierten Mäusen eine Prioninfektion in signifikantem Umfang behinderte. PrP Fc-exprimierende transgene Mäuse erlagen der Krankheit wesentlich später als Mäuse vom Standardtyp. In Hirn- und Milzgeweben - zwei Organen, in denen sich grosse PrPSc-Mengen ansammeln - lag im Vergleich zu Wildtyp-Mäusen während unterschiedlicher Zeitpunkte der Progression der Erkrankung PrPSc in signifikant herabgesetzter Menge oder überhaupt nicht vor. Dieser Effekt erwies sich als sehr ausgeprägt und bereits geringe Mengen des modifizierten Proteins PrP Fc reichten aus, um die Prionreplikation zu hemmen.

Um ein Verständnis über diesen Hemmvorgang zu gewinnen, sollte ermittelt werden, ob das modifizierte Prionprotein selbst in eine pathologische Form umgewandelt werden könnte. Hierfür wurden Prionen in transgene, das modifizierte Prionprotein exprimierende Mäuse injiziert, die aber keine Expression des normalen PrPC aufwiesen Es wurde aufgezeigt, dass Mäuse bei Fehlen von PrPC gegen Prionkrankheiten resistent sind. In unserem Fall sollte erhoben werden, ob das veränderte Prionprotein eine Substitution für die Abwesenheit des normalen PrPC darstellen könne. Die transgenen Mäuse erkrankten jedoch in keinem Fall und es kam zu keiner Akkumulation jedweder anomalen Form des Prionproteins. Das modifizierte Prionprotein lagert sich folglich am pathologischen PrPSc an, kann selbst jedoch nicht zu einer pathologischen Form konvertiert werden. Auf diese Weise werden infektiöse Prionen zu einer inaktiven Form sequestriert und die Erregervermehrung wird blockiert - was erklärt, warum PrP-Fc den Prionkrankheiten entgegenwirkt.

Bedeutung der Arbeit
Diese Arbeiten bestätigen aus biologischer Perspektive ein zentrales Ereignis der "Protein-only-Hypothese" bezüglich der Interaktion zwischen dem normalen Prionprotein und seiner mit Erkrankung einhergehenden Isoform. Hierbei handelte es sich um eine der ausschlaggebenden, während der letzten 20 Jahre nicht geklärten Fragen bezüglich der Entstehung der Prionkrankheiten.

Von einer therapeutischen Perspektive aus besteht die faszinierendste Entdeckung darin, dass das an ein humanes Antikörperfragment angeheftete modifizierte Prionprotein bei seiner Expression in genetisch modifizierten Mäusen die Prioninfektion in signifikantem Umfang behinderte. Dies bedeutet, dass das modifizierte Molekül dazu befähigt ist, störend auf die Replikation des pathologischen Prions einzuwirken. Prionkrankheiten sind tödlich verlaufende, neurodegenerative Erkrankungen und es gibt heutzutage keine therapeutischen oder prophylaktischen Behandlungsverfahren. Die hier vorgelegten Daten verweisen darauf, dass das modifizierte Prionprotein PrP Fc als ein Prototyp für eine neuartige Klasse von Antiprion-Medikamenten dienen könnte.

Der nächste Schritt wird darin bestehen, das gegen Prionen gerichtete Potential von PrP Fc bei anderen Modellen als dem Modell transgener Mäuse zu erheben. Wir werden folglich an Prionkrankheiten leidende Tiere vom Standardtyp mit PrP Fc behandeln, um seine Eignung als therapeutische Substanz zu bewerten.

Meier P, Genoud N, Prinz M, Maissen M, RülickeT, Zurbriggen A, Raeber AJ, Aguzzi A.
Soluble dimeric prion protein binds PrPSc in vivo and antagonizes prion desease
Cell, Vol. 113 (1): 49-60
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Die Forschungsarbeit
Eine neue Therapieperspektive für Prionkrankheiten	70 Kb