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Lexikon der Biologie: Prionen

Prionen, Kurzbezeichnung für „proteinaceous infectious particles“, proteinartige infektiöse Partikel (Prion-Proteine, Abk. PrP), bei denen es sich um die ungewöhnlichen Erreger bestimmter übertragbarer schwammartiger Hirnerkrankungen (transmissible spongiforme Encephalopathien, Abk. TSE; Prion-Krankheiten) beim Menschen und bei Säugetieren handelt. Dazu gehören die Schafkrankheit Scrapie (Traberkrankheit), die Rindererkrankung BSE (Bovine Spongiforme Encephalopathie) sowie die Creutzfeldt-Jakob-Erkrankung beim Menschen. Im Gegensatz zu Krankheitserregern (Infektionskrankheiten) wie Viren und Bakterien, bei denen die Genom-Nucleinsäure in den Viruspartikeln bzw. Bakterienzellen enthalten und zur Infektiosität und Vermehrung essentiell ist, enthalten die infektiösen Prionen anscheinend keine Nucleinsäure. Statt dessen bestehen die Prionen überwiegend oder ausschließlich aus Aggregaten einer abnorm gefalteten, pathogenen Isoform eines normalen zellulären Proteins. Das normale Protein, das als Prion-Protein PrPC (c für cellular) bezeichnet wird und eine Länge von 253 Aminosäuren beim Menschen bzw. 254 Aminosäuren bei Maus und Hamster aufweist, ist ein Oberflächenprotein, das besonders in Zellen des Zentralnervensystems und des lymphoreticulären Systems, aber auch in anderen Geweben vorkommt. Über die Funktion ist bis jetzt nur wenig bekannt; möglicherweise ist es an Signalübertragungsprozessen (Signaltransduktion) und an der Zelladhäsion beteiligt. Im menschlichen Genom ist das Prionprotein-Gen PRNP auf Chromosom 20 lokalisiert, im Mausgenom findet sich das Gen (Prnp) auf dem synthenen Chromosom 2. Das abnorme pathogene Protein wird als PrPSc (Sc für Scrapie) oder PrPres (res für Protease-resistent) bezeichnet. Das normale PrPC besitzt eine vorwiegend aus α-Helices (Alpha-Helix) aufgebaute Tertiärstruktur, während beim abnormen PrPSc β-Faltblattstrukturen (Beta-Faltblatt) überwiegen (vgl. Abb.). Während die Aminosäuresequenzen identisch sind, bedingt die unterschiedliche Konformation starke Unterschiede in den biochemischen und biophysikalischen Eigenschaften von PrPC und PrPSc, besonders in der Empfindlichkeit gegenüber Proteasen und in der Löslichkeit. So wird PrPC durch limitierte Protease-Behandlung vollständig abgebaut, während aus PrPSc ein Protease-resistentes Molekül entsteht, das als PrP27-30 bezeichnet wird. Normales PrPC ist ein lösliches Protein, im Gegensatz zum unlöslichen PrPSc, das eine starke Tendenz zur Aggregatbildung besitzt. Aus infizierten Geweben lassen sich faserartige, stäbchenförmige Aggregate von PrP27-30 isolieren, die unterschiedliche Längen (25–550 nm), aber einen einheitlichen Durchmesser (11 nm) aufweisen (Amyloid). Nach der Prion-Hypothese ist einmal entstandenes PrPSc in der Lage, bei normalen PrPC-Molekülen eine Konformationsänderung zu PrPSc zu induzieren ( vgl. Abb. und vgl. Infobox ). Dieser Mechanismus der Konformationsübertragung (conformational transmission) ist noch nicht zweifelsfrei bewiesen, bietet jedoch eine umfassende Erklärung für die Vermehrung und Übertragbarkeit von pathogenen Prionen. Die kleinste infektiöse Prion-Einheit besteht wahrscheinlich aus 2 PrPSc-Molekülen. Die Prion-Infektiosität läßt sich durch Nucleinsäure-zerstörende Behandlungsmethoden nicht beeinflussen. Sie wird jedoch neutralisiert durch Proteinstruktur-auflösende Agenzien sowie durch anti-PrP-Antikörper. Die Übertragung von PrPSc-Prionen ist nicht nur innerhalb einer Spezies (Art) möglich, sondern auch von einer Säugetierart auf die andere. Übertragungswege sind die experimentelle Inokulation oder die Aufnahme durch kontaminierte Nahrung. Mit Scrapie infizierte Mäuse entwickeln die typischen Krankheitssymptome und vermehren die infektiösen Prionen. Hingegen sind Knockout-Mäuse, denen das Prnp-Gen fehlt, resistent gegenüber Scrapie. Diese Befunde unterstützen die Prion-Hypothese und zeigen, daß das normale PrPC-Protein des infizierten Wirtsorganismus für die Vermehrung des pathogenen PrPSc notwendig ist. Bislang ist es jedoch experimentell nicht gelungen, PrPSc aus normalem PrPC zu erzeugen. Bei den einzelnen Prion-Krankheiten sind verschiedene Prionstämme mit unterschiedlichen Eigenschaften (Inkubationszeit, klinische Symptome, PrPSc-Verteilungsmuster) bekannt, deren Ursache unterschiedliche, aber konstant übertragbare Konformationen von PrPSc zu sein scheinen. – Auch bei Hefen und anderen Pilzen wurden Prionen identifiziert, die bei Paarung und Hyphen-Anastomose übertragen werden. Die Umwandlung in das infektiöse Prion-Protein wird durch Überexpression des normalen Proteins verstärkt und erfordert die Mitwirkung des Chaperons Hsp104 (Polypeptidketten bindende Proteine).

E.S.

Lit.: Hörnlimann, B., Riesner, D., Kretzschmar, H. (Hrsg.): Prionen und Prionenerkrankungen. Berlin, New York 2001.



Prionen

1 Während das normale Prion-Protein (PrPC) vorwiegend aus α-Helices aufgebaut ist, sind in dem infektiösen Prion (PrPSc) 1 oder 2 dieser α-Helices in antiparallele β-Faltblätter umgelagert. 2 Nach der Prion-Hypothese bewirkt anormal gefaltetes PrPSc durch Anlagerung eine Konformationsänderung von normalem PrPC zu pathogenem PrPSc.

Prionen

Struktur: Die normalen Prionproteine PrPC bestehen aus einem kugelförmigen Bereich, der aus 3 α-Helices und 1 β-Faltblatt aufgebaut ist, und einem langen Schwanz. Die Prion-Proteine von Mensch und Rind zeigen eine fast identische räumliche Faltung, aber Unterschiede in der Verteilung der elektrostatischen Oberflächenladung. Hingegen bestehen klare lokale Strukturunterschiede im Vergleich der Prion-Proteine von Maus oder Hamster mit dem des Rinds.
Nachweismethoden: Zum Nachweis von krankhaften Prion-Protein-Ablagerungen muß bislang infiziertes Gehirngewebe direkt untersucht werden. Offiziell zugelassene Tests in Deutschland weisen das abnorme PrPSc-Protein durch Western-Blot (blotting-Techniken) oder ELISA nach. Geeignete Methoden zum Prionennachweis im lebenden Menschen oder Tier standen lange Zeit nicht zur Verfügung. Kürzlich wurde jedoch ein Verfahren entwickelt, das den Prionennachweis direkt in der Cerebrospinalflüssigkeit von erkrankten Menschen und Tieren ermöglicht. Dabei werden mittels spezifischer Antikörper Fluoreszenzfarbstoffe an die Prionen gebunden (Fluoreszenzmarkierung, Immunfluoreszenz) und durch das Scannen mit einem Laserstrahl (Laser) sichtbar gemacht. Die Nachweismethode ist selektiv und hochempfindlich. Sehr empfindlich ist auch eine andere, erst kürzlich entwickelte Technologie, bei der in einer Gewebeprobe enthaltenes abnormes PrPSc durch zyklische Wiederholung von 2 Behandlungsschritten amplifiziert wird. Dabei wird zunächst das Probenmaterial mit einem großen Überschuß von normalem PrPC inkubiert, um die Neubildung von PrPSc zu induzieren. In einem zweiten Schritt werden die gebildeten Polymere mittels Ultraschall aufgebrochen, wodurch die Anzahl an PrPSc-Einheiten erhöht wird. Die Methode wird als „protein misfolding cyclic amplification“ bezeichnet und entspricht in ihrem Konzept der DNA-Amplifikation durch PCR (Polymerase-Kettenreaktion).

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