Arbeitsgruppe Prionen und Prionoide

Leitung:

Michael Beekes

Vertretung:

Achim Thomzig

Aufgaben

Forschungsschwerpunkte und -Projekte

Unsere Arbeitsgruppe hat in den vergangenen Jahren im Rahmen mehrerer Forschungsvorhaben den Verlauf der Infektionsausbreitung im Körper nach Aufnahme von Prionen über die Nahrung untersucht. Daneben haben wir uns mit der Diagnostik transmissibler spongiformer Enzephalopathien, der molekularen Charakterisierung ihrer unterschiedlichen Erregerstämme, sowie der Entwicklung neuer Verfahren zur Prioninaktivierung befaßt (Abb.1).
Im Mittelpunkt unserer aktuellen Arbeiten stehen die folgende Themen und Projekte:

• Etablierung und Validierung neuer Verfahren zur Breitspektrumsdesinfektion von Bakterien, Viren, Pilzen und Prionen bei der Aufbereitung chirurgischer Instrumente und anderer Medizinprodukte.
• Molekulare Grundlagen und Inhibition der Keimaktivität von pathologischem Prionprotein und anderen mit Proteinopathien assoziierten Eiweißen.
• Monitoring und Prävention prion-assoziierter und möglicher anderer proteinopathischer Infektionsrisiken.
• Entwicklung von Alternativmethoden zum Tierversuch für den sensitiven und quantitativen Nachweis von PrP-assoziierter Keimaktivität und Prion-Infektiosität.
• Infektionserreger mit immunologischer Tarnkappe: Molekulare Mechanismen der zellulären Abwehr, chronischen Erregerpersistenz und Pathogenität bei Prionen und Brucellen.

(Abb. 1) Beschaffenheit der Oberfläche von Stahlstiftprüfkörpern nach Aufbereitung mit unterschiedlichen Reinigungs- und Desinfektionsmitteln Quelle: RKI

Die Abbildungen a-f zeigen elektronenmikroskopische Aufnahmen von Prüfkörpern (Drähten) aus medizinischem Stahl, die unbehandelt waren (a), oder mit Prion-haltigem Scrapie-Hirnhomogenat kontaminiert (b) und anschließende aufbereitet wurden (c-f). Zur Dekontamination wurden die Prüfkörper mit 1 M NaOH (c), einer Mischung aus 0.2% SDS und 0.3% NaOH (d), einer Mischung aus Peressigsäure und NaOH (e) oder 0.25% Peressigsäure (f) behandelt. Die Abbildung stammt von Lemmer et al. (2008, J Gen Virol, 89: 348-358). Die Mischung aus 0.2% SDS und 0.3% NaOH erzielte neben der sehr guten Reinigungsleistung in weiteren Prüfungen eine vollständige Inaktivierung von Prioninfektiosität, und zeigte nach Zusatz von n-Propanol auch hochwirksame Breitspektrumsaktivität gegen Bakterien, Pilze und Viren (Beekes et al., 2010, J Gen Virol, 91, 580-589).

Prionen – Unkonventionelle Erreger degenerativer Hirnerkrankungen

Prionen, die Erreger transmissibler spongiformer Enzephalopathien (TSE) wie der Scrapie, bovinen spongiformen Enzephalopathie (BSE) oder Creutzfeldt-Jakob-Krankheit (CJK) und ihrer varianten Form (vCJK) nehmen eine Sonderstellung unter den Krankheitserregern ein. Ihr infektiöses Prinzip unterscheidet sich grundlegend von Bakterien, Viren oder Pilzen. Sie bestehen hauptsächlich, wenn nicht ausschließlich aus einer fehlgefalteten und pathologisch aggregierten Isoform des wirtseigenen Prion-Proteins (PrP), die als PrP^Sc oder PrP^TSE bezeichnet wird.

Prionen vermehren sich mutmaßlich über eine "keim"abhängige Polymerisation des Prion-Proteins (Abb. 2). Dabei verhalten sich PrP^TSE-Oligomere oder -Polymere quasi als Kristallisations- oder Aggregationskeime (engl.: "seeds"), die zelluläres Prion-Protein (PrP^C) rekrutieren und in fehlgefalteter Form in ihre Aggregatstruktur einbauen. Auf diese Art und Weise polymerisiert fehlgefaltetes PrP schließlich zu elektronenmikroskopisch darstellbaren faserartigen ("fibrillären") Proteinablagerungen, den sogenannten Scrapie-assozierten Fibrillen oder Prionstäbchen (Abb. 3). Wenn PrP^TSE-Aggregate durch Fragmentierung in kleinere Einheiten zerfallen, führt dies zu einer Vermehrung der proteinösen "Keimaktivität" (engl.: "seeding activity") und weiteren autokatalytischen Replikation der pathologischen PrP-Konformation. (Anmerkung: In dieser Übersicht wird der Begriff "Keim“ durchgängig zur Bezeichnung  proteinöser Kristallisations- oder Aggregationskeime und ihrer "Seeding“-Aktivität verwendet, nicht im Sinne eines konventionellen mikrobiologischen Krankheitskeims).

(Abb. 2) Postulierter Mechanismus der Prion-Replikation durch keimabhängige Polymerisation des Prionproteins Quelle: RKI

Das Prionprotein (PrP) kann verschiedene Raumstrukturen einnehmen. Normales Prionprotein (PrP^C) hat einen relativ großen Anteile an α-Helix-Struktur, steht aber in einem Konversionsgleichgewicht mit PrP-Konformationen, die stark erhöhte Anteile von β-Faltblättern aufweisen. β-Faltblattreiche PrP-Monomere können sich potentiell zu größeren intermolekularen β-Faltblattstrukturen zusammenlagern (primäre Nukleation). Entstehen solche PrP-Aggregate spontan (wie z. B. mutmaßlich bei sporadischen Formen menschlicher TSE) oder erblich bedingt (etwa infolge von Mutationen im humanen Prionprotein-Gen), bzw. werden sie von außen in den Körper eingebracht (Infektion) wirken sie wie Kristallisations- oder Aggragationskeime für die weitere, numehr relativ schnell ablaufende Anlagerung von β-faltblattreichen PrP-Monomeren (Elongation). Bei Erreichen einer kritischen Größe fragmentieren die "gewachsenen" faserartigen PrP-Aggregate und bilden neue Tochterkeime (sekundäre Nukleation). Die Strukturen von PrP^C und fehlgefaltetem PrP wurden reproduziert aus Watts et al., PLoS Pathog 2:e26.

(Abb. 3) Faserartige Morphologie Proteinopathie-assoziierter Eiweißaggregate Quelle: RKI

Die Abbildungen A-D zeigen elektronenmikroskopische Aufnahmen von faserartig aggregiertem PrP (A), a-Synuclein (B), Aβ (C) und tau (D). Fibrilläre Ablagerungen dieser Proteine finden sich typischerweise im Gehirn von Patienten mit einer Alzheimer- (Aβ, tau), Parkinson- (a-Synuclein) oder Prionerkrankung (PrP). Die Abbildungen stammen von Özel & Diringer (Robert Koch-Institut; A), Wang et al. (1995, J Biol Chem, 270: 4854-4860; B) und Anderson & Webb (2011, BMC Biotechnol, 11:125; C, D).

Im Zusammenhang mit der Prionreplikation auftretende abnormale PrP-Isoformen entfalten über noch weitgehend unbekannte Mechanismen toxische Effekte vor allem auf Nervenzellen im Gehirn, was letztendlich zu deren Schädigung oder Untergang und zur Ausprägung klinischer TSE-Symptome führt. Prionkrankheiten können bisher nicht kausal behandelt werden und verlaufen stets tödlich.  

Durch keimaktive PrP^TSE-Aggregate kann sich die PrP-Fehlfaltung und -Polymerisation auf unterschiedlichen Ebenen in betroffenen Organismen fortpflanzen: 1.von Molekül zu Molekül, 2.zwischen Zellen und 3. in Geweben. Aufgrund ihrer Fähigkeit, 4. eine krankheitsverursachende Proteinfehlfaltung und -Aggregation auch zwischen Tieren, vom Tier auf den Menschen, sowie zwischen Menschen zu übertragen, sind Prionen genuine Infektionserreger.

Prionartige Phänomene bei der Alzheimer- und Parkinson-Krankheit sowie anderen Proteinopathien

In den vergangenen Jahren sind in einer wachsenden Zahl von Publikationen Prion-ähnliche Phänomene auch im Zusammenhang mit anderen Proteinopathien (Proteinfaltungs- und -Aggregationskrankheiten) wie z. B. der Alzheimer- und Parkinson-Krankheit berichtet worden.

Neuropathologisch sind für die Alzheimer-Krankheit zwei Merkmale im Gehirn betroffener Patienten kennzeichnend, extrazelluläre senile Plaques und intrazelluläre neurofibrilläre Bündel. Während senile Plaques β-Amyloid-Protein (Aβ) aus aggregierten Teilstücken des zellulären Amyloid-Vorläuferproteins (engl. "Amyloid Precursor Protein", APP) enthalten, bestehen neurofibrilläre Bündel zu einem wesentlichen Teil aus fehlgefaltetem, zusammengelagerten tau-Protein. Auch Patienten mit der Parkinson-Krankheit zeigen im Gehirn auffällige Proteinablagerungen. Dazu zählen zytoplasmatische Einschlüsse in Nervenzellen, die sogenannten "Lewy-Körperchen", aus fehlgefaltetem, aggregierten a-Synuclein und anderen Protein-Komponenten. Bei elektronenmikroskopischer Betrachtung zeigen die in senilen Plaques, neurofibrilären Bündeln und Lewy-Körperchen abgelagerten Eiweiße ebenfalls einen faserartigen Aufbau (Abb.3 zeigt neben PrP- gereinigte a-Synuclein-, Aβ- und tau-Fibrillen).   

Zahlreiche experimentelle Daten sprechen inzwischen dafür, dass auch der Alzheimer- und Parkinson-Krankheit sowie weiteren Proteinopathien als gemeinsames mechanistisches Prinzip eine  keimabhängige Polymerisation wirtseigener Proteine (wie tau oder α-Synuclein) oder Proteinfragmente (wie Aβ) zugrunde liegt. Demnach wären keimaktive Eiweißpartikel auf molekularer und (inter)zellulärer Ebene für die Entstehung von Alzheimer-, Parkinson- und anderen proteinopathischen Erkrankungen essentiell (mit)verantwortlich, und in dieser Hinsicht als proteinöse Krankheitserreger aufzufassen.   

In der Fachliteratur und Presse wird im Licht der aktuellen Befundlage zunehmend diskutiert, bis zu welchem Grade Prionkrankheiten für andere Proteinopathien beispielgebend sind. Dies gilt nicht zuletzt im Hinblick auf die Frage, ob Alzheimer-und Parkinson-Erkrankungen sowie andere bisher als nicht übertragbar angesehene Proteinopathien durch vermehrungsfähige pathologische Eiweißkeime auch zwischen Individuen übertragen werden können. Ob keimaktive Proteinaggregate beispielsweise aus Aβ, tau oder  α-Synuclein als prion-ähnliche Infektionserreger wirken und Alzheimer- oder Parkinson-Erkrankungen sowie andere Proteinopathien übertragen können, müssen zukünftige Studien erweisen.

Laufende Drittmittelvorhaben:

1. Bundesministerium für Gesundheit (BMG): "Entwicklung materialverträglicher, routinefähiger Verfahren zur simultanen Desinfektion von Bakterien, Viren, Pilzen und Prionen an chirurgischen Instrumenten einschließlich thermolabiler Medizinprodukte".
2. Alberta Prion Research Institute (APRI): "Comprehensive risk assessment of chronic wasting disease".
3. Fondation Alliance BioSecure (FABS): "Probing the chemistry and conformational change underlying autocatalytic self-propagation of misfolded prion protein“.