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Unterschied zwischen Prionen und Amyloidproteinen?

Unterschied zwischen Prionen und Amyloidproteinen?


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Amyloid und Prionen sind fehlgefaltete Proteine, aber was ist der Unterschied zwischen ihnen, wenn überhaupt?

Ist Amyloid eine Art von Prionen mit einer fibrillären Struktur?


Amyloide sind Protease-resistente unlösliche Fibrillen, die aufgrund von (vermisse)Faltung und Aggregation löslicher Proteine ​​(Rambaran und Serpell, 2008, Sabate et al., 2015). Die erste Definition von Prionen wurde von Prusiner (1982) gegeben:

Da sich der Scrapie-Erreger durch seine neuartigen Eigenschaften von Viren, Plasmiden und Viroiden unterscheidet, ein neuer Begriff "Prion" wird vorgeschlagen, um ein kleines proteinartiges infektiöses Partikel zu bezeichnen, das gegenüber einer Inaktivierung durch die meisten Verfahren, die Nukleinsäuren modifizieren, resistent ist.

Viele prionische Erkrankungen sind durch die Bildung von Amyloidfibrillen gekennzeichnet und daher betrachten einige (wenn nicht viele) Forscher Prionen als eine Untergruppe der Amyloide.

Prionen werden als eine Unterklasse der Amyloide angesehen, bei denen die Proteinaggregation selbsterhaltend und infektiös wird.
(Sabate et al., 2015)

Die Bildung der Amyloidstruktur ist jedoch weder für die Autopropagation noch für den Krankheitsverlauf essentiell (Moore et al., 2014).

Wenn Wildtyp-C57BL/10-Mäuse intrakraniell mit dem RML-Maus-Prion-Stamm PrP . infiziert werdenSC akkumuliert in diffusen Nonamyloidablagerungen und die Hirnpathologie wird durch die typische Spongiose der grauen Substanz, für die TSEs benannt sind, unterschieden. Umgekehrt, wenn transgene Mäuse homozygot für PrPC ohne GPI-Anker (Tg44 oder „ankerlose“ Mäuse) mit dem gleichen RML-Stamm infiziert sind, ist die Inkubationszeit länger und PrPSC akkumuliert in dichten perivaskulären Amyloidplaques mit geringer oder keiner Spongiose der grauen Substanz.9−11 Ähnliches Amyloid PrPSC Ablagerungen und Krankheiten, die zum Tod führen, wurden bei Menschen mit einem abweichenden Stopcodon im C-terminalen Teil der PrP-Sequenz beobachtet, was zur Bildung von PrP führte, dem die GPI-Ankergruppe sowie einige Aminosäurereste fehlten.13−16 Somit ist die GPI-Verankerung von PrPC zur Plasmamembran scheint ein Hauptfaktor zu sein, der den Typ von PrP . bestimmtSC Ablagerung und die Entwicklung von Hirnpathologien.

Man kann sagen, dass das Prionprotein PrPC ist amyloidogen aber es ist kein Amyloid.

Es gibt nicht-pathogene (und tatsächlich sinnvoll Prionen) in Pilzen gefunden. Viele dieser nützlichen Prionen bilden auch die amyloide (ähnliche) Struktur, können jedoch durch Chaperone desaggregiert werden (Wickner et al., 2018). Auch hier ist es nicht wesentlich, dass diese nützlichen Prionen eine Amyloidstruktur bilden.

Prionen (definiert als „infektiöse Proteine“) müssen keine Amyloide sein. Die vakuoläre Protease B (Prb1p) von Saccharomyces cerevisiae wird als inaktive Vorstufe hergestellt, die normalerweise durch die Wirkung der Protease A (Pep4p) gespalten und so aktiviert wird [32]. In Abwesenheit von Pep4p kann reifes aktives Prb1p jedoch seinen eigenen Vorläufer aktivieren [33]. Diese Selbstaktivierung kann sich auf infektiöse Weise ausbreiten und von Zelle zu Zelle übergehen, wobei sie wie ein Prion wirkt und als [BETA] bezeichnet wird [34]. In Abwesenheit von Pep4p ist [BETA] für die Meiose und Sporenbildung sowie für das Überleben in der stationären Phase notwendig [34]. Es ist somit ein funktionelles Prion.


[SMAUG+] ist ein weiteres Beispiel für ein Nicht-Amyloid-Hefeprion, das positive Wirkungen hat (Chakravarthy et al., 2019 und Itakura et al., 2019; Jarosz-Gruppe). Im Gegensatz zu Prb1p ist [SMAUG+] bildet tatsächlich sich selbst ausbreitende Aggregate.

Meine Zusammenfassung

Viele bekannte Prionen sind amyloidogen und können in die Amyloidform übergehen. Prionen sind jedoch definitionsgemäß "infektiös" oder mit anderen Worten selbstvermehrende Proteine. Was als Prion zu qualifizieren ist, hängt von unserer Definition ab. Die Wirkungsweise der meisten bekannten Prionen katalysiert eine Veränderung der Proteinfaltung. Wickner et al. (wie oben zitiert) argumentieren, dass die ursprüngliche Definition den Wirkmechanismus nicht explizit beinhaltet und daher Proteine, die sich über Proteolyse aktivieren, auch als Prionen angesehen werden sollten. Die Gruppe von Jarosz hat ein Beispiel für ein Nicht-Amyloid-Prion gezeigt, das sich selbst fortpflanzende Aggregate bildet. Es ist sehr wahrscheinlich, dass in naher Zukunft weitere solcher Proteine ​​entdeckt werden.

In jedem Fall ist "Amyloid" eine strukturelle Eigenschaft, während "Prion" eine funktionelle Eigenschaft ist und sie nicht als Unter-/Übermenge voneinander betrachtet werden können, selbst wenn sie zufällig korreliert sind.

Das Endergebnis ist:
Amyloid ist eine Form der supramolekularen Proteinstruktur, die oft von vielen Prionproteinen gebildet wird. Jedoch sind nicht alle amyloidbildenden Proteine ​​prionisch und nicht alle Prionen bilden notwendigerweise Amyloide.


Das protean Prion Protein

Das Prionprotein PrP kann mindestens 2 Konformationen annehmen, die überwiegend vorherrschende zelluläre Konformation (PrP C ) und die Scrapie-Konformation (PrP Sc ). PrP C weist eine globuläre C-terminale Domäne mit 3 α-Helices und einem kurzen β-Faltblatt sowie einen langen flexiblen N-terminalen Schwanz auf, dessen genaue Konformation in vivo noch nicht bekannt ist, und eine metastabile Subdomäne mit Neigung zu β-Strangen wurde innerhalb identifiziert es. Die PrP Sc-Konformation ist sehr selten und hat die Eigenschaften eines Amyloids. Darüber hinaus ist PrP Sc ein Prion, d. h. es ist infektiös. Dies umfasst 2 Schritte: (1) PrP Sc kann PrP C templatieren und es zwingen, die PrP Sc-Konformation anzunehmen und (2) PrP Sc kann zwischen Individuen auf oralem, parenteralem und anderem Wege übertragen werden und sich somit als infektiöses Agens ausbreiten . Dies ist jedoch eine Vereinfachung: Einerseits ist PrP Sc keine einzelne Konformation, sondern ein Satz alternativer ähnlicher, aber unterschiedlicher Konformationen. Darüber hinaus existieren andere Amyloid-Konformationen von PrP mit unterschiedlichen biochemischen und propagativen Eigenschaften. In dieser Ausgabe von PLOS Biologie, Asante und Kollegen beschreiben das erste Mausmodell der familiären humanen Prionenkrankheit und zeigen die Entstehung und Vermehrung von 2 PrP-Amyloid-Konformeren. Von diesen verursacht einer eine Neurodegeneration, der andere nicht. Mit seinen vielen Konformeren ist PrP ein wahrhaft proteanes Protein.

Zitat: Requena JR (2020) Das protean Prionprotein. PLoS Biol 18(6): e3000754. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3000754

Veröffentlicht: 25. Juni 2020

Urheberrechte ©: © 2020 Jesús R. Requena. Dies ist ein Open-Access-Artikel, der unter den Bedingungen der Creative Commons Attribution License vertrieben wird und die uneingeschränkte Verwendung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium gestattet, sofern der ursprüngliche Autor und die Quelle angegeben werden.

Finanzierung: Diese Arbeit wurde vom spanischen Ministerium für Industrie und Wettbewerbsfähigkeit (Grant BFU2017-86692-P) finanziert, teilweise unterstützt mit EU-FEDER-Mitteln. Die Geldgeber spielten keine Rolle beim Studiendesign, der Datenerhebung und -analyse, der Entscheidung zur Veröffentlichung oder der Erstellung des Manuskripts.

Konkurrierende Interessen: Der Autor hat erklärt, dass keine konkurrierenden Interessen bestehen.

Herkunft: Beauftragt extern peer-reviewed.

Prionen wurden 1982 von Stanley Prusiner als „proteinhaltige infektiöse Partikel“ definiert [1]. Dies war wahrscheinlich ein Euphemismus für „infektiöses Protein“, eine Definition, die damals zu explizit gewesen wäre. Das erste entdeckte Prion war PrP Sc , das als Erreger von Scrapie, einer übertragbaren neurodegenerativen Erkrankung des Schafes, identifiziert wurde [2]. Später wurde sein normal gefalteter Vorläufer, PrP C , gefunden. Obwohl PrP also „Prionprotein“ bedeutet, ist PrP C kein Prion, sondern kann in ein Prion zurückgefaltet werden. Tatsächlich vermehren sich PrP Sc -Prione, indem sie ihre eigentümliche Konformation in PrP C einbetten. Dies geschieht durch einen Prozess, bei dem die Bildung von Wasserstoffbrücken zwischen Amino- und Carbonylgruppen der Templat- und Template-Polypeptide wahrscheinlich eine Schlüsselrolle spielt [3,4] (Abb. 1). Prionen sind infektiös, weil sie von einem Individuum zum anderen übertragen werden können, typischerweise, aber nicht immer (siehe unten) auf oralem Weg (Abb. 1).

(1) Als Schlüsselmechanismus bei der Prionenausbreitung wurde die Bildung von Wasserstoffbrücken zwischen Amino- und Carbonylgruppen der templatbildenden und templatgestützten Polypeptide vorgeschlagen [3,4]. Carbonyl- und Aminogruppen in den Kanten-β-Strängen von PrP Sc sind bereit, Wasserstoffbrücken mit einem ankommenden, teilweise ungefalteten PrP-Polypeptid zu bilden, was seine Rückfaltung erzwingt, um frische β-Stränge zu bilden. Auf diese Weise kann sich PrP Sc im gesamten Gehirn ausbreiten. (2) Seine infektiöse Natur rührt von der Tatsache her, dass PrP Sc , das oral, parenteral oder auf andere Weise in ein anderes Gehirn eingeführt wurde, sich dort ausbreiten kann. PrP, Prionprotein PrP Sc , Prionprotein mit Scrapie-Konformation.

Auch wenn es auf den ersten Blick so erscheinen mag, widersprechen Prionen nicht dem Prinzip von Anfinsen. Das Prion-Protein, kodiert durch die Prnp (Mensch: PRNP)-Gen, faltet sich immer wieder in eine perfekt definierte Konformation, PrP C , mit einer globulären C-terminalen Domäne mit 3 α-Helices, einem kurzen β-Faltblatt (Reste ca. 125–231) und einem langen flexiblen N-terminalen Schwanz (Rückstände 23–124) [2]. Die genaue Konformation des Schwanzes in vivo ist noch nicht bekannt. Innerhalb der Region 113–120 wurde eine metastabile Subdomäne mit Neigung zu β-Strangen identifiziert [5]. Nur in seltenen Fällen faltet sich PrP C um und nimmt die alternative Prionenkonformation PrP Sc an (Abb. 2). PrP Sc ist oft ein Amyloid, und daher muss seine Konformation eine Stapelung ermöglichen, um diese Art von fibrillärer Struktur zu bilden [3]. Tatsächlich können alle Proteine ​​unter bestimmten Umständen eine alternative Amyloid-Konformation annehmen, wie von Dobson und Mitarbeitern gezeigt wurde [6]. Jedes Protein, egal wie gut es sich verhält und stabil ist, nimmt, wenn es bestimmten experimentellen Bedingungen ausgesetzt wird, wie einem niedrigen pH-Wert und/oder dem Vorhandensein von Denaturierungsmitteln, eine Amyloid-Konformation an [6]. Tatsächlich ist die Amyloid-Konformation die stabilste, und alle anderen nativen Faltungen werden als kinetisch eingefangene Zwischenzustände angesehen [6]. Darüber hinaus katalysieren alle Amyloide den Übergang ihrer normalen Faltung in die Amyloidfalte, ein Phänomen, das als „Seeding“ bekannt ist [7]. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Prionen nur eine spezielle Art von Amyloiden sind und alle Proteine ​​Amyloide sein können, daher sind Prionen nicht so seltsam.

Die Prpn/PRPN Gen wird transkribiert und in das PrP-Polypeptid übersetzt, das leicht die PrP C-Konformation annimmt (1). PrP C kann sich neu falten, um eine von mehreren PrP Sc-Stammkonformationen anzunehmen (2). Diese können pathogen sein (Schädel- und Knochenzeichen) oder nicht (Gesichtszeichen). PrP Sc wird als gestapelte Zylinder dargestellt unter der Annahme, dass es sich um ein 4Rβ handelt [4], obwohl seine Natur noch nicht zweifelsfrei geklärt ist [25]. Verschiedene PrP Sc-Stämme weisen unterschiedliche Resistenzgrade gegenüber PK auf. PK-sensitives PrP Sc existiert (transparente Zylinder). PrP C kann auch in vitro umgefaltet werden und eine PIRIBS-Amyloid-Konformation annehmen, die sich bei Impfung im Gehirn ausbreiten und durch Impfung als infektiöses Agens weiter übertragen werden kann (3). Die dunklere Schattierung weist auf einen PK-resistenten C-Terminus hin. Während aufeinanderfolgender Passagen führt die deformierte Templatbildung zur Evolution dieses Konformers zu PrP Sc (4). Verschiedene Mutationen in PRNP Ergebnis PrP C (5) mit einer höheren Tendenz zur Rückfaltung in eine Vielzahl von propagativen PrP-Konformeren, die unlösliche Aggregate bilden. In tg 117V-Mäusen enthalten sie PK-sensitives, pathogenes PrP Sc (6) und ein übertragbares, nicht pathogenes PrP-Amyloid (7) mit einem charakteristischen Resistenzmuster gegen PK (eine Bande von ungefähr 8 kDa, die einem Segment entspricht, das sich von demjenigen unterscheidet, das in dem oben beschriebenen propagativen Amyloid zu sehen ist und durch die dunklere Schattierung angezeigt wird). Es sollte jedoch beachtet werden, dass eine neuere Studie darauf hindeutet, dass die etwa 8-kDa-Fragmente infektiös und pathogen sind und eine 2-Sprossen-Solenoid-Architektur aufweisen könnten [17]. Eine 145Stop-Mutation in PRNP führt zu PrP23-144, das sich zu einem propagierenden und pathogenen PIRIBS-Amyloid faltet (8). Während der Passage zu Wildtyp-Mäusen kommt es zu einer deformierten Templatbildung, was zur Entstehung von PrP Sc führt. PK, Proteinase K PIRIBS, parallel im Register Betastrang PrP, Prionenprotein PrP C , Prionenprotein mit zellulärer Konformation PrP Sc Prionprotein mit Scrapie-Konformation.

Prionen widersprechen auch nicht dem Zentralen Dogma der Molekularbiologie. Um sich zu vermehren, muss die prionische Konformation PrP Sc frische PrP C -Einheiten rekrutieren und sie zur Rückfaltung zwingen. Solche PrP C-Einheiten werden von DNA kodiert, die in RNA transkribiert und in Ribosomen translatiert wird ( 2 ). Schlag die Prnp Gen und es gibt keine Übertragung von Prionen [2]. Auch hier sind Prionen biologisch gesehen nicht ungewöhnlich, im Gegensatz zu ihrer Aura als obskure, bizarre Proteine, die vor 25 Jahren während der bovinen spongiformen Enzephalopathie (BSE) erworben wurden.

Während ich diesen Primer zu Hause schreibe, ist es am Tag 30 der Pandemie-Einschließung des schweren akuten Atemwegssyndroms Coronavirus 2 (SARS-CoV-2), wie Millionen auf der ganzen Welt, unvermeidlich, sich daran zu erinnern, wie vor etwa 20 Jahren alle ängstlich geschaut haben an der Kurve neuer Fälle der Variante der Creutzfeldt-Jakob-Krankheit (vCJK), der tödlichen neurodegenerativen Erkrankung, die durch auf den Menschen übertragene bovine Prionen verursacht wird [8]. Damals war nicht bekannt, ob Rinder-Prionen sehr gut auf den Menschen übertragbar sind oder nicht. Nahezu alle Briten (mit Ausnahme einiger Veganer) und unzählige andere Europäer waren bovinen Prionen ausgesetzt, und angesichts der Tatsache, dass Prionenkrankheiten ausnahmslos tödlich sind, erfasste die Angst vor einer Katastrophe apokalyptischen Ausmaßes Epidemiologen und die breite Öffentlichkeit [8]. Glücklicherweise erwiesen sich bovine Prionen schließlich als sehr schlecht auf den Menschen übertragbar, und es gab nur etwa 200 Todesfälle, traurig wie alle Todesfälle sind. Warum ist die Übertragungsbarriere zwischen bovinen Prionen und dem Menschen so hoch? Wir wissen nicht. Die Sequenzen von Rinder- und Human-PrPs enthalten einige Aminosäureunterschiede, aber wie genau diese Unterschiede in den Templatprozess ( 1 ) eingreifen, um eine Übertragungsbarriere zwischen Rinder-PrP Sc von Human-PrP C zu schaffen, ist noch nicht klar verstanden.

Die Übertragungsbarrieren von Prionen, die sich aus Unterschieden in der PrP-Sequenz ergeben, sind nicht die einzigen, die existieren. Die klassischen Studien von Bessen und Marsh zeigten die Existenz von 2 verschiedenen Prionenarten bei syrischen Hamstern, beide mit der gleichen Sequenz, die unterschiedlich übertragen werden. So kann der „Stamm“ Hyper PrP Sc zwischen Hamstern sowohl durch intrazerebrale als auch intraperitoneale Inokulation übertragen werden, während der Drowsy-Stamm nur durch intrazerebrale Inokulation übertragen werden kann [9]. Darüber hinaus weisen diese beiden Stämme unterschiedliche biochemische und biologische Eigenschaften auf. Tatsächlich beziehen sich ihre Namen auf phänotypische Merkmale von Hyperaktivität oder Lethargie, die von infizierten Tieren gezeigt werden. In einer eleganten Studie zeigten Safar und Kollegen, dass PrP Sc -Stämme Subisoformen von PrP Sc sein müssen, Variationen eines allgemeinen strukturellen Themas [10]. Dies bedeutete, dass es nicht nur 2 PrP-Konformere gab, PrP C und PrP Sc : Vielmehr gab es PrP C und mehrere relativ ähnliche, aber unterschiedliche PrP Sc-Konformere.

Nachdem die BSE-Epidemie abgeklungen war (Befürchtungen einer zweiten vCJK-Welle, die resistentere Personen mit längerer Inkubationszeit befällt, blieben aus), wurde die Aufmerksamkeit auf sporadische Prionen gelenkt. PrP C faltet sich manchmal spontan zu PrP Sc zurück, wenn kein vorher existierendes PrP Sc-Templat vorhanden ist. Es ist ein sehr seltenes Ereignis mit einer jährlichen Inzidenz von 1-2 Fällen/Million Menschen [2,8] und wahrscheinlich ähnlichen Raten bei anderen Säugetierarten. Sobald sich ein kleiner Pool gebildet hat, breiten sich PrP Sc-Prionen durch Templat im gesamten Gehirn aus. Sporadische menschliche Prionen können jedoch kein anderes Gehirn infizieren, es sei denn, sie werden durch spezifische und relativ seltene Ereignisse dorthin gebracht. Dazu gehören ritueller Kannibalismus (wie bei Kuru [2,8]), industrieller Kannibalismus (wie bei BSE [2,8]) und Iatrogenese (wie in mehreren Fällen der Übertragung durch chirurgische Instrumente oder Behandlung mit Gehirn -abgeleitetes, mit Prionen kontaminiertes Wachstumshormon [2,8]). Im Gegensatz dazu werden PrP Sc-Prionen von Schafscrapie und Cervid Chronic Wasting Disease (CWD) mit Kot und Urin ausgeschieden und werden daher leicht zwischen Schafen und Cerviden übertragen. Tatsächlich sind CWD und Scrapie in bestimmten geografischen Regionen endemisch geworden [11]. Dies spiegelt jedoch nur Unterschiede in ihrer Physiologie wider, nicht intrinsische Unterschiede in der Struktur. Tatsächlich können sporadische humane Prionen und „infektiöse“ CWD- und Scrapie-Prionen mit ähnlicher Leichtigkeit experimentell durch Inokulation in geeignete transgene (tg) Mausmodelle übertragen werden [2,8].

Bei familiären Prionen war dies jedoch bis vor kurzem nicht der Fall. Eine Reihe von Mutationen in der PRNP Gen führen zu tödlichen neurodegenerativen Erkrankungen, deren Phänotypen sich mit denen sporadischer Prionenerkrankungen überschneiden [8]. In allen familiären Fällen werden postmortal Ablagerungen eines PrP-Amyloids im Gehirn gefunden. Es wurde daher angenommen, dass diese Mutationen für eine Konformationsänderung des exprimierten PrP-Proteins prädisponieren, was zur Bildung von krankheitsbezogenen PrP-Ansammlungen führt, die sich durch Fehlfaltung des beimpften Proteins fortpflanzen. Es wurde daher angenommen, dass solche sich vermehrenden PrP-Anordnungen mit Amyloid-Eigenschaften Prionen sind. Eine infektiöse Übertragung (d. h. Übertragung zwischen Gehirnen) von familiär pathogenen Prionen war jedoch lange Zeit nicht eindeutig erreicht [8]. Dies mag seltsam erscheinen und ist nur für sorgfältige Spezialisten von Interesse. Aber es ist nicht. Erstens, wenn Aggregate von mutiertem PrP nicht infektiös waren, waren es dann Prionen? Könnte man sicher sein, dass sie sich zumindest durch ausgesäte Fehlfaltungen im gesamten betroffenen Gehirn verbreitet haben, oder haben sie sich nur falsch gefaltet und in situ verklumpt? Und wenn sie nicht infektiös waren, lag es dann daran, dass sie eine zusätzliche Konformation aufweisen, die weder PrP C noch einer der PrP Sc-Subtypen ist?

Aber das Bild war noch komplizierter. Mutierte PrP-Aggregate könnten tatsächlich durch intrazerebrale Inokulation übertragen werden. Es wurde gezeigt, dass sie sich im Gehirn von Empfängertieren ausbreiten, die PrP-Amyloidablagerungen anhäuften. Auch eine serielle Passage wurde demonstriert. Diese Tiere zeigten jedoch keine Anzeichen einer neurodegenerativen Erkrankung [12,13]. Dies deutete darauf hin, dass gutgläubige (d. h. infektiöse) Prionen harmlos sein könnten. Aber was verursacht dann die Hirnschäden, die bei familiären Prionenerkrankungen auftreten? Noch ein PrP-Konformer? Ein nicht identifizierter Pool von PrP Sc ?

Asante und Kollegen gelang es schließlich, eine menschliche Familienkrankheit experimentell zu übertragen. Sie zeigten, dass die Aggregate von PrP mit der A117V-Mutation, die im Gehirn von Personen gefunden werden, die an der tödlichen neurodegenerativen Gerstmann-Sträussler-Scheinker-Krankheit (GSS) leiden, auf tg-Mäuse übertragen werden können, die menschliches PrP auf einem Maus-PrP-Null-Hintergrund exprimieren, und sie, die Krankheit [14]. Dies vereinfachte die Dinge erheblich. Um jedoch die mit der A117V-Mutation verbundene Übertragungsbarriere zu minimieren und daher die Übertragung zu erleichtern, wurden die Empfänger-tg-Mäuse so konstruiert, dass sie die A117V-Mutation tragen. Bemerkenswerterweise entwickelten diese Mäuse nicht spontan eine familiäre Prionenkrankheit. Dies war sehr praktisch: Hätten sie die Krankheit entwickelt, wäre es unmöglich gewesen, die Übertragbarkeit der im Inokulum vorhandenen HuPrP(A117V)-Aggregate zu beurteilen. Aber warum wurden sie nicht spontan krank? Produzierten sie keine Prionen in ihren Gehirnen?

In dieser Ausgabe von PLOS Biologie, Asante und Kollegen schließen den Kreis endgültig, indem sie zeigen, dass einige der tg-Mäuse, die humanes PrP 117V exprimieren, spontan gutgläubige pathogene Prionen erzeugen [15]. Die Impfung von anormalen PrP 117V-Ansammlungen, die in ihren Gehirnen gefunden wurden, in andere 117V-tg-Mäuse führte in einigen Fällen zu einer tödlichen neurodegenerativen Erkrankung. Dass die nicht geimpften Mäuse die Krankheit nicht entwickeln, ist daher nur eine Frage des Timings: Die Lebensdauer der Mäuse ist kurz, und die sich in ihren Gehirnen ansammelnden krankheitserregenden Prionen haben nicht in allen Fällen Zeit, Krankheiten auszulösen. Die tg HuPrP117V-Mäuse können als definitives Mausmodell der humanen familiären Prionenerkrankung angesehen werden.

Obwohl die beiden Studien von Asante und Kollegen unser Verständnis der Prionenausbreitung vereinfachen, bringen sie auch neue Fragen auf, indem sie Verallgemeinerungen erlauben. Die in betroffenen Gehirnen beobachteten Aggregate von mutiertem PrP 117V zeigen ein sehr eigentümliches Resistenzmuster gegenüber Proteinase K (PK). PK wird seit vielen Jahren als wichtiges Instrument zur Charakterisierung von Prionen verwendet. Typischerweise ist PrP Sc teilweise resistent gegen PK, die seinen vermeintlich flexiblen N-terminalen Schwanz abschneidet, wodurch ein charakteristisches Triplett von variabel glykosylierten resistenten Fragmenten namens PrP27-30 erzeugt wird. Kleine Mengen eines solchen Tripletts wurden in infektiösen Gehirnproben von PrP 117V tg-Mäusen gefunden, jedoch nur unter bestimmten Umständen, was darauf hindeutet, dass PrP Sc in diesen Gehirnen existiert, aber eine ungewöhnlich geringe Resistenz gegen PK aufweist [15] (Abb. 2). Die Existenz von PK-sensitivem PrP Sc ist seit langem bekannt. Derzeit ist nicht ganz klar, ob die Empfindlichkeit gegenüber PK ein Merkmal ist, das von der Tertiär- oder Quartärstruktur eines bestimmten PrP Sc-Stammes abhängt.

Bemerkenswerterweise enthalten diese Proben auch nicht-kanonische PK-resistente ungefähr 8-kDa-Fragmente, die aus einer doppelten N- und C-terminalen Verkürzung resultieren. Ähnliche Fragmente werden im Gehirn vieler Prionenkrankheiten nachgewiesen, die als „atypisch“ bezeichnet werden [16]. Die sparsamste Erklärung für diese Fragmente wäre, dass sie von einem einzigen PrP Sc-Konformer stammen. Die Interpretation von Asante und Kollegen ist jedoch, dass sie in ihrem speziellen Modell von 2 verschiedenen PrP 117V-Konformeren stammen [14,15]. Neben anderen Überlegungen spricht die fehlende Korrelation zwischen der Ansammlung von Amyloid-Plaques im Gehirn und dem Auftreten von Krankheiten für eine solche Interpretation. Daher wird vorgeschlagen, dass das doppelt verkürzte Fragment von einem übertragbaren, aber nicht infektiösen PrP-Amyloid-Konformer stammt ( 2 ). Es sollte jedoch beachtet werden, dass in einer Studie, die fast gleichzeitig mit der von Asante und Kollegen veröffentlicht wurde, Vanni und Kollegen GSS A117V-Gehirnhomogenat gegen Bankwühlmäuse geimpft haben (Myodes glareolus, ein Nagetier, das sehr anfällig für eine Prioneninfektion ist), was bei ihnen eine übertragbare Prionenkrankheit hervorruft [17]. Die Gehirne dieser Tiere enthielten auch Aggregate, die bei Behandlung mit PK ein doppelt N- und C-verkürztes Fragment ergaben. Dann isolierten Vanni und Kollegen das PK-resistente Material teilweise und zeigten, dass es die gesamte Infektiosität dieser Gehirne enthält [17]. Diese Ergebnisse legen stark nahe, dass die Infektiosität in ihrem Modell mit dem PrP-Konformer verbunden ist, das die ungefähr 8 kDa doppelt verkürzte PK-resistente Bande ergibt. Obwohl es einen Widerspruch zwischen den Interpretationen dieser beiden Gruppen zu geben scheint, sollte beachtet werden, dass die Modelle unterschiedlich sind. Besonders bemerkenswert ist, dass die infizierten Bankwühlmäuse keine großen Amyloid-Ablagerungen ansammeln, wie dies bei tgHuPrP117V der Fall ist. Tatsächlich zeigten elektronenmikroskopische Bilder des halbgereinigten PK-behandelten infektiösen PrP-Materials, dass es nicht fibrillär ist und aus amorphen Aggregaten besteht [17]. Weitere Studien werden erforderlich sein, um diese faszinierenden Ergebnisse zu harmonisieren.

Eine propagative, aber nicht infektiöse PrP-Amyloid-Isoform wurde von Baskakov und Kollegen beschrieben [18]. Jedoch ergibt ein solches Amyloid C-terminale PK-resistente Fragmente, so dass es strukturell nicht identisch mit dem ist, das sich unter 117V-tg-Mäusen vermehrt. Darüber hinaus wurde in aufeinanderfolgenden Passagen neben diesem PrP-Amyloid das Auftauchen von Bona-fide-PrP Sc mit seinem charakteristischen PK-resistenten Triplett beobachtet, und schließlich trat eine klinische Erkrankung auf ( 2 ). Dies ist das Gegenteil der von Asante und Kollegen beschriebenen Ergebnisse, bei denen PK-sensitives PrP Sc, das sich entlang nicht-pathogenem PrP-Amyloid co-propagiert, schließlich verblasste [15]. Baskakov und Kollegen prägten den Begriff „deformed Templating“, um sich auf das Phänomen zu beziehen, bei dem ihr propagierendes Amyloid langsam PrP Sc erzeugt [18].

Damit hat sich der Katalog der PrP-Konformere inzwischen erheblich erweitert (Abb. 2): Es gibt von PrP C verschiedene Versionen (Stämme) von PrP Sc , von denen einige resistent sind, während andere gegenüber PK extrem empfindlich sind und mindestens 2 verschiedene propagative PrP-Amyloide die durch Impfung seriell zwischen Tieren übertragen werden können, sind nicht pathogen und erzeugen charakteristische Muster von PK-resistenten Fragmenten. Sind diese übertragbaren PrP-Amyloid-Prionen? Nach der ursprünglichen Definition [1] ja, aber sie sind kaum ansteckend: Man muss sie intrazerebral impfen, um sie von Gehirn zu Gehirn zu vermehren.

Die Struktur von PrP C ist sehr gut bekannt [2]. Aber was ist mit den anderen Konfomeren? Alle sind Amyloide, weisen jedoch sehr unterschiedliche biochemische und biologische Eigenschaften auf. Das charakteristische Strukturmerkmal von Amyloiden besteht darin, dass die β-Stränge senkrecht zur Längsachse des Amyloids gestapelt sind. Diese β-Stränge werden durch eine Reihe von Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten, die auf diese Achse ausgerichtet sind. Derzeit gibt es nur 2 strukturelle Amyloid-Modelle, die für propagatives PrP relevant sind: die Parallel-in-Register-Beta-Strang (PIRIBS)-Struktur und das 4-Sprossen-β-Solenoid (4RβS). In der PIRIBS-Struktur ist jedes PrP-Molekül eine flache, schlangenartige Struktur. Verschiedene PrP-Moleküle stapeln sich „in Register“, d. h. jeder Aminosäurerest liegt genau über dem äquivalenten Rest im vorhergehenden PrP-Monomer [19]. Festkörper-NMR- und paramagnetische Elektronenresonanz(EPR)-Spektroskopiedaten deuten stark darauf hin, dass das von Baskakov und Mitarbeitern beschriebene nicht-pathogene, sich ausbreitende Amyloid eine PIRIBS-Architektur aufweist [20]. Von kleineren PrP-Fragmenten ist auch bekannt, dass sie sich zu PIRIBS-Strukturen falten [21]. Ein weiteres propagatives (aber diesmal pathogenes) PIRIBS-Amyloid, das PrP23-144-Untereinheiten umfasst, wurde von Surewicz und Kollegen beschrieben [22]. Es sollte als echtes PIRIBS PrP-Prion angesehen werden, aber da es eine verkürzte Version von PrP umfasst, muss es aus dem Katalog der PrP-Konformere voller Länge ausgeschlossen werden. Es wird hier jedoch aus 2 Gründen erwähnt: Zum einen existiert eine Amber-Mutation von PrP (PrP145Stop), die zur Expression von verkürztem PrP23-144 führt und zu einer familiären Prionenerkrankung führt. Andererseits beinhaltet das charakteristische N- und C-verkürzte Fragment, das aus der PK-Behandlung von A117 propagierendem, nicht pathogenem PrP-Amyloid resultiert, eine ähnliche C-Verkürzung, so dass es verlockend ist zu spekulieren, dass beide Amyloide eine ähnliche Architektur haben (Abb. 2) . Es sollte beachtet werden, dass während der sukzessiven Passage von PrP23-144 Prionen in Wildtyp-Mäusen auch klassisches PrP Sc auftritt, wie in den von Baskakov und Kollegen beschriebenen Fällen. [18]. Es ist nicht klar, inwieweit jedes Konformer von PrP zur Pathogenese beiträgt. An dieser Stelle ist es erwähnenswert, dass einige Autoren vorgeschlagen haben, dass PrP Sc selbst in einfacheren Fällen von Prionenerkrankungen, wie sporadischen, nicht das pathogene Konformer ist: Es existiert vielmehr eine „toxische“ Spezies, die von PrP Sc abstammt [23] . Noch ein weiteres mögliches Konformer, dessen Erörterung den Rahmen dieser Fibel sprengt.


Säugetier-Prionenstämme diktieren unterschiedliche pathologische Folgen

Wie andere tödliche neurodegenerative Erkrankungen des Menschen treten auch bei übertragbaren spongiformen Enzephalopathien (TSE) oder Prionenerkrankungen sporadisch (Creutzfeldt-Jakob-Krankheit [CJD]) oder vererbte Fälle auf (tödliche familiäre Schlaflosigkeit und Gerstmann-Sträussler-Scheinker-Syndrom) [ 1]. Bemerkenswerterweise können Prionenkrankheiten auch durch eine Infektion erworben werden (z. B. Kuru beim Menschen). TSEs befallen eine Vielzahl von Säugetierarten (z. B. Scrapie bei Schafen, chronische Auszehrungskrankheit bei Hirschartigen und bovine spongiforme Enzephalopathie [BSE] bei Rindern). Diese Störungen werden durch die Umwandlung des normalen, vom Wirt kodierten Proteins PrP C in eine abnormale infektiöse Konformation namens PrP Sc verursacht, die im Allgemeinen eine Amyloid-ähnliche Struktur annimmt. Die weithin akzeptierte Prionenhypothese legt nahe, dass PrP Sc der einzige übertragbare Erreger von Prionenkrankheiten ist, wodurch es sich von herkömmlichen Pathogenen mit einer Nukleinsäurekomponente unterscheidet. Es war jedoch lange unklar, wie ein auf Proteinen basierender Infektionserreger die Existenz von Prionenstämmen erklären könnte.

Bereits frühe Beobachtungen von Prionenkrankheiten beschreiben eine erhebliche Diversität der Krankheitssymptome mit verschiedenen PrP Sc-Isolaten [2]. Dies zeigt sich typischerweise als Variation der Inkubationszeit (die Zeit von der Infektion bis zum Einsetzen der Symptome) oder der Verteilungsmuster von PrP Sc oder spongiformer Pathologie im Gehirn. Darüber hinaus zeigen bestimmte Prionenisolate unterschiedliche Grade der Übertragbarkeit zwischen Arten, ein Phänomen, das als “Speziesbarriere” bezeichnet wird, bei dem die Übertragung zwischen verschiedenen Arten im Allgemeinen weniger effizient ist als die Übertragung innerhalb derselben Art. Dies wurde Mitte der 1990er Jahre durch den Ausbruch von BSE (allgemein als “mad-Kuhkrankheit” bezeichnet) und die anschließende Übertragung auf den Menschen bekannt gemacht, was eine neuartige Krankheit namens CJD-Variante verursachte [2]. Einige argumentierten, dass die Variation der Pathologie und der Übertragbarkeit im Zusammenhang mit Prionenstämmen darauf hindeutete, dass der Infektionserreger eine Nukleinsäurekomponente aufweisen oder durch Veränderungen in der PrP-Sequenz in analoger Weise wie genetische Polymorphismen kodiert werden muss, die verschiedene Stämme viraler oder bakterieller Infektionen unterscheiden. Es wurden jedoch verschiedene Prionenstämme isoliert, die eine identische Primärstruktur aufwiesen, was darauf hindeutet, dass die physikalische Basis der Prionenstämme nicht einfach durch Sequenzvariation bestimmt wurde. Tatsächlich zeigten diese frühen Studien, dass zwei verschiedene Stämme der übertragbaren Nerz-Enzephalopathie eine unterschiedliche Resistenz gegenüber Proteasen zeigten, was darauf hindeutet, dass Prionenstämme unterschiedliche Aggregatkonformationen desselben Proteins darstellen [3].


Beweise für die Übertragung von Aβ-Aggregaten von Mensch zu Mensch

Zwischen 1958 und 1985 wurden mehrere Tausend Menschen hauptsächlich in Großbritannien, Frankreich und den Vereinigten Staaten wegen Kleinwuchs mit Injektionen von menschlichem Wachstumshormon behandelt, das aus dem Gehirn von Leichen extrahiert wurde. Diese Behandlung wurde 1985 abgebrochen, nachdem bei einigen Patienten festgestellt wurde, dass sie die humane Prionenkrankheit Creutzfeldt-Jakob-Krankheit durch injiziertes Material, das mit infektiösen PrP-Aggregaten kontaminiert war, erworben hatten [6]. Die Leichen, aus denen das kontaminierte Wachstumshormon extrahiert wurde, müssen unentdeckte PrP-Aggregate in ihren Gehirnen gehabt haben. In einer kürzlich in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Studie führten Forscher des University College London Autopsien an 8 Personen im Alter zwischen 36 und 51 Jahren durch, die an dieser erworbenen Prionenkrankheit gestorben waren [6,7,8]. Die Forscher fanden PrP-Aggregate in den Gehirnen aller 8 Patienten, waren jedoch überrascht, dass sie bei 4 der Patienten auch ausgedehnte Aβ-Klumpen im Gehirn und bei 3 weiteren Patienten leichte Aβ-Klumpen fanden. Obwohl bei keinem dieser Patienten eine Alzheimer-Krankheit diagnostiziert wurde, ist es äußerst selten, diese Art von Aβ-Aggregation in dieser Altersgruppe zu finden, insbesondere wenn man bedenkt, dass die Forscher herausfanden, dass keiner dieser Patienten genetische Mutationen aufwies, die bekanntermaßen die Wahrscheinlichkeit einer frühen beginnende Alzheimer. Dieser Befund ließ die Forscher sich fragen: Könnten diese Aβ-Aggregate auch aus den Gehirnen der Leichen übertragen worden sein?

Um diese Frage sicher beantworten zu können, mussten die Forscher einige Hypothesen testen. Erstens, machen PrP-Klumpen es wahrscheinlicher, dass das Gehirn einer Person auch eine Aβ-Aggregation zeigt? Um diese Möglichkeit auszuschließen, suchten die Forscher bei 116 anderen Patienten, die an sporadischen oder angeborenen (also nicht infektiösen) Prionenerkrankungen gestorben waren, nach Aβ-Aggregation. Diese 116 Patienten hatten ihre Prionenkrankheit nicht durch infiziertes menschliches Wachstumshormon erworben. Sie fanden heraus, dass keiner der Patienten in dieser Kontrollgruppe eine ähnliche Aβ-Aggregation aufwies. They next asked whether Aβ aggregates could be found in the region of the brain where human growth hormone had been extracted from the cadavers. They examined the brains of an additional 49 patients who had died from Alzheimer’s, and indeed found Aβ aggregates in this particular brain region in 7 of these patients.

Based on their comprehensive findings (summarized in Figure 3), the researchers concluded that the extensive Aβ aggregates in these patients were likely triggered by small Aβ clumps contained in the cadaver-extracted human growth hormone. These cadaver Aβ clumps had very likely led to the misfolding and aggregation of normal Aβ protein in these patients’ brains. This finding represents the first observation of human-to-human Aβ transmission and perhaps the first indication that Alzheimer’s disease may be transmitted among humans in a similar fashion as prions.

Figur 3: Summary of new findings. Autopsies of 8 patients who died from human growth hormone-acquired prion disease revealed that Aβ aggregates may be transmitted from human to human.


Prions, Nearly Indestructible and Universally Lethal, Seed the Eyes of Victims

It was probably only a matter of time until someone connected the dots.

Prions &ndash infectious proteins -- had turned up in the eyes of victims of prion diseases.

Infected donor corneas had transmitted prion disease to recipients on at least a few occasions.

And often, patients who later turn out to be infected with prions have eye trouble for which they seek medical attention and testing before they are aware they are infected.

The possibility was horrifying. But it demanded investigation.

Prions are proteins, and, as every biology student knows, proteins are dependent on DNA and RNA for their existence. Yet prions have stumbled upon a way to be self-replicating nonetheless. Their diseased shape induces proteins of similar sequence but healthy shape &ndash found abundantly in all nervous tissue -- to misfold when they collide with a prion. Now they are infectious too, part of a relentless and lethal domino effect.

The diseases they cause are grim. Mad Cow Disease is the most famous, but kuru also possesses a certain notoriety thanks to its unorthodox mode of transmission. Although uncommon, prion diseases are incurable and bring dementia swiftly followed by death. In the case of spontaneous Creutzfeldt-Jakob Disease (sCJD), the most common prion disease, half of patients are dead within six months of symptom onset. That figure reaches 95% within a year. In a particularly vexing twist, prions are also nearly impervious to destruction, even when attacked using a strenuous combination of disinfectants, heat, and pressure.

As you can imagine, this makes prions difficult to eliminate from infected tissues and equipment. In addition to corneal transplants, sCJD has also been transmitted by transplants of brain tissue called dura mater, growth hormone from cadavers, and perhaps most worryingly, neurosurgical instruments. So any method that might throw prions into the path of uninfected people deserves scrutiny.

Enter the study published in November in the journal mBio by a team of American scientists that found the eyes of human prion victims are loaded with infectious particles even before they have begun to exhibit symptoms. Further, these particles are present on the surface of their corneas, the covering of the eye. 100% of the eyes of 11 sCJD victims who donated their bodies for study were seeded throughout with prions. 100% of their corneas contained prion seeding of a &ldquolow to moderate&rdquo degree. Because the cornea is enervated, the prions, which prey on proteins found in neurons, may be reaching the surface via these tiny neural conduits.

The retina &ndash the light sensing layer at the back of the eye -- was most densely packed with prions in the inner and outer plexiform layers. They were easily visible in tissue stains.

Normal retina (left) and diseased retina (right). Prions visible as a brownish stain in the inner and outer plexiform layers. Credit: Orrù et al. 2018

In half of the 11 cases, the concentration of prions in the retina approached levels found in the brain, the epicenter of prion activity.

On the plus side, this finding, combined with the relative ease of assessing the retina, suggests a new target for traditionally tricky CJD diagnosis by non-invasive methods as electroretinograms.

On the other hand, all remaining implications are disturbing. It&rsquos unknown how early in the disease process prions appear in the eyes of humans, but in rodents, they are present prior to the onset of disease. About 40% of sCJD patients develop eye-related symptoms serious enough to warrant a consultation with an ophthalmologist. Somwhere between a quarter and a half go blind.

Undiagnosed CJD patients may seek testing. And the diagnostic equipment used to test them may then become contaminated, the authors write. They recommend single-use instruments or the adoption of new decontamination procedures for opthalmological equipment with better effectiveness on prions.

Meanwhile, corneal transplants are becoming increasingly popular worldwide. According to the authors, 185,576 were performed in 116 countries in 2012, a new high. The United States leads the world per capita, with 64,000 performed each year. The authors further recommend speeding and perfecting the development of synthetic corneas to reduce the need for donor corneas.

But there are yet more worrying implications of these findings.

As I wrote about at this blog earlier this year, there is a growing uneasiness that the clumping proteins associated with some of the most common and deadly neurodegenerative diseases behave in ways that are uncomfortably similar to prions.

One question suggested by this research is whether the eyes of Alzheimer&rsquos and Parkinson&rsquos patients are likewise filled with amyloid-beta, alpha-synuclein, and tau, and if that is the case, if the accumulation of those proteins in eyes might be exploited to aid diagnosis, a notoriously tricky proposition for these diseases.

Another is &ndash and I am entering deep speculative territory here, as in, no one actually qualified to render an opinion on this has said it, I&rsquom just putting two and two together in my head -- whether ophthalmological equipment could act as a vector for those diseases, as surgical equipment has already been hypothesized to do.

Don&rsquot skip your eye exam. But given the seriousness of the stakes, I hope that someone out there is investigating these hypotheses. Yes, the odds are low. But the stakes are very, very high.

Orrù, Christina D., Katrin Soldau, Christian Cordano, Jorge Llibre-Guerra, Ari J. Green, Henry Sanchez, Bradley R. Groveman et al. "Prion Seeds Distribute throughout the Eyes of Sporadic Creutzfeldt-Jakob Disease Patients." mBio 9, nein. 6 (2018): e02095-18.

Die geäußerten Ansichten sind die der Autoren und nicht unbedingt die von Scientific American.

ÜBER DIE AUTOREN)

Jennifer Frazer, an AAAS Science Journalism Award–winning science writer, authored The Artful Amoeba blog for Wissenschaftlicher Amerikaner. She has degrees in biology, plant pathology and science writing.


Role of cellular prion protein in interneuronal amyloid transmission

Several studies have indicated that certain misfolded amyloids composed of tau, β-amyloid or α-synuclein can be transferred from cell to cell, suggesting the contribution of mechanisms reminiscent of those by which infective prions spread through the brain. This process of a 'prion-like' spreading between cells is also relevant as a novel putative therapeutic target that could block the spreading of proteinaceous aggregates throughout the brain which may underlie the progressive nature of neurodegenerative diseases. The relevance of β-amyloid oligomers and cellular prion protein (PrP C ) binding has been a focus of interest in Alzheimer's disease (AD). At the molecular level, β-amyloid/PrP C interaction takes place in two differently charged clusters of PrP C . In addition to β-amyloid, participation of PrP C in α-synuclein binding and brain spreading also appears to be relevant in α-synucleopathies. This review summarizes current knowledge about PrP C as a putative receptor for amyloid proteins and the physiological consequences of these interactions.

Schlüsselwörter: Amyloid Cellular prion protein Neurodegeneration Proteinaceous species Spreading ‘Prion-like’ spreading.


Figur 4

Figure 4. Cosedimentation of PrP and its fragments with Aβ1–42 fibrils. (A) Schematic diagram of PrP fragments used. Full-length PrP or its fragments (2 μM) were preincubated in the absence (B) or presence of Aβ1–42 fibrils (20 μM) (C). Samples were then centrifuged, and pellets and supernatants were analyzed by SDS-PAGE. Symbols P and S refer to pellet and supernatant, respectively. (D) Percent fraction of PrP cosedimented with fibrils was determined by densitometric analysis of the gels.

PrP Induces Lateral Association of Preformed Aβ Fibrils


What is the structural basis of variant phenomena?

The structure of infectious PrP is not yet known, but infectious amyloids of the prion domains of Ure2p, Sup35p and Rnq1p each have an in-register parallel β-sheet structure (see, for example, [10]). Thus, each residue of the last monomer to join the filament contacts the same residue of the preceding monomer (Figure 1c). The register is maintained by hydrogen bonds between Gln or Asn (the so-called β-zipper) and possibly between Ser and Thr residues. A line of hydrophobic residues down the fiber will likewise have positive interactions, helping to keep the β-sheet in register. The location of turns, the contacts between β-sheets and the extent of β-sheet are thus transmitted to the newly joined monomer. Combined with chain breakage to make new seeds, this templating action can explain the heritability of prion strains/variants [11]. A weakly homologous or non-homologous (but still Q/N rich) monomer might interact with part of the monomer on the end of the filament, so that only part of its conformation was fixed. The remainder may form by some stochastic interaction with another monomer identical to itself (shown schematically in Figure 1c). This could explain yeast prion cross-seeding and the 'mutation' phenomena using the known structural information.


General Model

How may all these phenomena be brought together? The recent experimental evidence for these emerging concepts now allows a general model for mammalian prions to be proposed (table S1), which accommodates the known phenomena of exponential propagation of infectivity, strain diversity and mutation, transmission barriers, and the uncoupling of infectivity from neurotoxicity, while remaining within the constraint of requiring only a single polypeptide to constitute all strains of infective and toxic species.

Essentially, the phenomena of prion disease pathogenesis can be explained in terms of the kinetics of prion propagation, determined by interplay between prion strain type (dominant PrP Sc polymer and its ensemble) and tissue/host environment (PrP sequence and expression level, modifier genes, and clearance mechanisms) selection of preferred conformers determines transmission barriers. Neurotoxicity is mediated by a PrP species, PrP L , distinct from PrP Sc but catalyzed by it, and occurs when PrP L concentration passes a local toxic threshold. Rapid propagation (with a host-adapted strain and normal or high levels of host PrP C expression) results in severe neurotoxicity and death at strain-specific incubation periods. Slow propagation (after infection across a transmission barrier or with low host PrP C expression) results in low neurotoxicity and prolonged and more variable incubation periods or a persistent carrier state.

The concept of prion strain originated from biological experiments, but at a molecular level there may be quite distinct infectious PrP polymers (PrP Sc types) that cannot be distinguished by transmission studies in inbred laboratory mouse lines. Although in practice, the converse situation of biologically distinct prion strains associated with PrP Sc that cannot be biochemically differentiated by current methods will also be observed, under this general protein-only model such biochemical or biophysical differences in PrP Sc must exist, and the model would predict that differences would be observed with more discriminating molecular methods, challenging the historical primacy of biological classification of prion strains.


DISKUSSION

AmyPro is a novel, carefully curated database of amyloid precursor proteins and their amyloidogenic sequence regions that aims to provide an up-to-date view of the entire amylome. It contains significantly more amyloid-forming proteins than any of its peers, mainly due to incorporating validated functional amyloids and prion proteins from all kingdoms of life for the first time. AmyPro will be regularly updated, relying not only on data submissions from the research community but also on regular internal updates based on scanning newly published amyloid literature. By storing the most comprehensive list of amyloid fibril-forming proteins published so far in combination with a useful set of features facilitating their efficient analysis, we anticipate AmyPro to become central to amyloid research, and to have major impact on its progress. To achieve this goal we are dedicated to ensure the long-term availability of the database.

In particular, AmyPro has huge potential in helping to elucidate the sequential determinants of amyloid fibril formation. Furthermore, the provided functional classifications might enable refining these sequential determinants according to the biological functions of amyloid fibrils and understanding the functional relevance of their differences. Better definition of the sequence determinants of amyloid fibril formation will also help in understanding and predicting the effects of mutations within amyloidogenic sequence fragments and relate them to the underlying molecular mechanisms, which in turn may enable the development of novel methods for more accurate computational identification of amyloidogenic regions within proteins.