Spektrum der Wissenschaft, Stanley B. Prusiner, März 1995, Seite
44
Prionen-Erkrankungen
Der Verdacht wurde zunächst als schier unsinnig verworfen. Inzwischen mehren sich aber die Hinweise, daß Partikel nur aus Protein bei Tieren und auch beim Menschen infektiöse, erblich bedingte und spontan entstehende Leiden verursachen. Der Rinderwahnsinn ist eines davon.
Vor nunmehr fünfzehn Jahren unterbreitete ich die Hypothese, die Erreger bestimmter
degenerativer Erkrankungen des zentralen Nervensystems bei Tieren und seltener auch bei
Menschen bestünden womöglich aus nichts anderem als Protein. Diese infektiösen
Proteinpartikel nannte ich dann Prionen.
Ketzerisch, wie die These war, wurde sie in der Fachwelt mit großer Skepsis aufgenommen.
Kein Erreger konnte sich der Lehrmeinung zufolge ohne genetisches Material, also ohne die
Nucleinsäuren DNA oder RNA, im befallenen Organismus überhaupt vervielfältigen und
schließlich einen Infekt hervorrufen. Selbst Viren enthalten Erbmaterial; sie brauchen
es, um die zu ihrem Überleben und ihrer Vermehrung notwendigen Proteine von der
befallenen Wirtszelle herstellen zu lassen. Die pflanzenpathogenen Viroide, unter den bis
dahin bekannten Krankheitserregern die einfachsten, bestehen sogar nur aus nackter
Nucleinsäure (Spektrum der Wissenschaft, März 1981, Seite 52).
Nicht weniger Zweifel erweckten meine Kollegen und ich mit dem später geäußerten
Verdacht, Prionen könnten außer übertragbaren auch bestimmten erblich bedingten
Krankheiten zugrunde liegen. Eine solche zweigleisige Wirkweise eines Agens kannte die
Medizin sonst nicht. Ein drittes Mal eckten wir schließlich mit dem von uns gefolger-ten,
schlicht phantastisch anmutenden Fortpflanzungsmechanismus an, Prionen brächten normale
Proteinmoleküle dazu, ihre Gestalt - ihre Konformation - so zu verändern, daß sie
gefährlich werden.
Mittlerweile spricht jedoch eine Fülle von Versuchsergebnissen und klinischen Befunden
für die Richtigkeit aller drei Punkte. Prionen liegen tatsächlich infektiös wie auch
erblich bedingten Störungen der Proteingestalt zugrunde; sie können zudem Leiden
hervorrufen, die offenbar spontan entstehen, für die also weder Vererbung noch Infektion
als Ursache nachweisbar ist.
Die bisher bekannten Prionen-Erkrankungen sind alle tödlich. Sie betreffen das Gehirn und
können über Jahre, beim Menschen auch über Jahrzehnte, zunächst symptomlos bleiben.
Manchmal werden sie als spongiforme (schwammartige) Enzephalopathien bezeichnet, da das
Hirngewebe am Ende oft von zahlreichen Löchern durchsetzt ist (Bild 3). Heimgesucht
werden verschiedene Spezies einschließlich des Menschen.
Es gibt inzwischen auch Anzeichen dafür, daß Prionen mit anderer Proteinzusammensetzung
als die bisherigen zu gewissen neurodegenerativen Leiden des Menschen beitragen, die recht
häufig sind. Und sie könnten selbst bei Erkrankungen mitspielen, die den Muskelapparat
schädigen.
Tier und Mensch
Die häufigste unter den tierischen spongiformen Enzephalopathien ist die Scrapie von
Schafen und Ziegen. Betroffene Tiere können ihre Bewegungen nicht mehr koordinieren und
schließlich nicht einmal mehr stehen (weil ihr Gang schwankend trabend wird, spricht man
auch von Traberkrankheit). Sie werden außerdem schreckhaft und leiden manchmal an einem
so intensiven Juckreiz, daß sie sich ihr Fell abkratzen und abscheuern (englisch scrape).
Die anderen bekannten Prionen-Erkrankungen von Tieren sind die übertragbare
Enzephalopathie von Zuchtnerzen, die chronische Verfallskrankheit von Elchen und
Großohrhirschen in Menschenobhut, die feline spongiforme Enzephalopathie der Katzen und
schließlich - als derzeit beunruhigendste - die bovine spongiforme Enzephalopathie der
Rinder, geläufiger unter der Bezeichnung Rinderwahnsinn oder unter der Abkürzung BSE
(Bild 1). Diese neue Seuche brach erstmals in Großbritannien aus; als eigenes
Krankheitsbild erkannt haben sie 1986 Gerald A. H. Wells und John W. Wilesmith vom
Zentralen Veterinärmedizinischen Labor im englischen Weybridge. Die befalle-nen Tiere
verlieren die Kontrolle über ihre Bewegungen, bekommen einen stieren Blick und werden
außergewöhnlich schreckhaft.
Der Ansteckungsquelle kam man bald auf die Spur: Fleisch- und Knochenmehl aus
Schafskadavern, das dem Kraftfut-ter der Rinder beigemengt worden war. Die Aufbereitung
war Ende der siebziger Jahre vereinfacht worden, und offensichtlich wurden danach
Scrapie-Erreger nicht mehr wie zuvor inaktiviert. Die britische Regierung verbot aufgrund
dieser Erkenntnisse 1988 solche Futterzusätze aus tierischer Quelle. Inzwischen hat die
Seuche wahrscheinlich ihren Höhepunkt überschritten. Das wird allerdings kaum die Leute
beruhigen, die von BSE-Fleisch gegessen haben und jetzt in Sorge leben, sie könnten
angesteckt sein.
Die Prionen-Erkrankungen des Menschen sind eigentümlicher (Bild 2). Eine ist nur beim
Stamm der Fore im Hochland von Papua-Neuguinea aufgetreten: Kuru oder lachender Tod, wie
die Eingeborenen sie nennen, geht mit dem Verlust der Bewegungskoordination (Ataxie),
später auch der geistigen Fähigkeiten (Demenz) einher. Erstmals beschrieben haben das
tödliche Leiden 1957 Vincent Zigas vom Öffentlichen Gesundheitsdienst Australiens und D.
Carleton Gajdusek von den Nationalen Gesundheitsinstituten der USA in Bethesda (Maryland).
Zugezogen hatten es sich die Betroffenen wahrscheinlich durch eine bestimmte Form von
rituellem Kannibalismus: Die Fore sollen das Gehirn ihrer Verstorbenen als Zeichen der
Totenverehrung gegessen haben. Seither ist der Brauch erloschen und mit ihm praktisch auch
Kuru.
Die Creutzfeldt-Jakob-Krankheit (gelegentlich auch in umgekehrter Reihenfolge der Namen
angegeben) tritt dagegen weltweit und meist vereinzelt auf. Beschrieben haben sie erstmals
Anfang der zwanziger Jahre der Kieler Neurologe Hans G. Creutzfeldt (1885 bis 1964) und
der Hamburger Neurologe Alfons Jakob (1884 bis 1931). Statistisch gesehen trifft sie jeden
millionsten Menschen, typischerweise im Alter von etwa sechzig Jahren, und äußert sich
gewöhnlich als Demenz gefolgt von Bewegungsstörungen. Etwa zehn bis fünfzehn Prozent
der Fälle sind erblich bedingt. Ein weiterer kleiner Anteil entsteht iatrogen, also
unbeabsichtigt infolge ärztlicher Eingriffe bei der Diagnose oder Behandlung anderer
Erkrankungen: Geschehen ist das augenscheinlich bei Hornhautverpflanzungen am Auge,
Implantationen harter Gehirnhaut, Verwendung kontaminierter chirurgischer Instrumente und
Hirnelektroden sowie Injektionen von Wachstumshormon, das aus menschlichen
Hirnanhangsdrüsen gewonnen wurde, bevor man es gentechnisch herstellen konnte.
Zudem kennt man das Gerstmann-Sträussler-Scheinker-Syndrom, wiederum mit Ataxie und
anderen Anzeichen von Kleinhirnschädigungen, sowie die letale familiäre Insomnie, für
die schwere Schlafstörungen und sich anschließende Demenz kennzeichnend sind. Beide sind
gewöhnlich ererbt und machen sich im typischen Fall im mittleren Alter bemerkbar. Das
Gerstmann-Sträussler-Scheinker-Syndrom (kurz: GSS) wurde erstmals 1936 von dem in Wien
und New York tätigen Nervenarzt Joseph G. Gerstmann zusammen mit seinen Mitarbeitern
Ernst Sträussler und I. Scheinker als "eine eigenartige hereditär-familiäre
Erkrankung des Zentralnervensystems" beschrieben. Die tödliche familiäre Insomnie
haben erst kürzlich Elio Lugaresi und Rosella Medori von der Universität Bologna sowie
Pierluigi Gambetti von der Case Western Reserve University in Cleveland (Ohio) entdeckt.
Ursachensuche
Mein Interesse an den Erkrankungen erwachte 1972 während meiner Zeit als Arzt an der
Medizinischen Hochschule der Universität von Kalifornien in San Franzisko, als einer
meiner Patienten in der neurologischen Abteilung an der Creutzfeldt-Jakob-Krankheit starb.
Aus der wissenschaftlichen Literatur erfuhr ich, daß diese und verwandte Krankheiten wie
Scrapie und Kuru übertragbar sind: Wenn man einen Extrakt aus einem erkrankten Gehirn
geeigneten gesunden Tieren spritzt, erkranken sie. Als Erreger wurden langsam wirkende
Viren vermutet, aber niemand hatte sie bis dahin isolieren können.
Bei meiner Literaturrecherche stieß ich auch auf einen Bericht von Tikvah Alper und ihren
Kollegen vom Hammersmith-Hospital in London: Sie hatten Scrapie-Hirnextrakte mit UV-Licht
sowie mit kurzwelliger ionisierender Strahlung behandelt, was Nucleinsäuren gewöhnlich
schädigt oder zerstört, und die Extrakte waren erstaunlicherweise infektiös geblieben.
Sollten dem Erreger, wie die Gruppe mutmaßte, vielleicht Nucleinsäuren fehlen? Wenn dem
so wäre, könnte er weder ein Virus noch sonst irgendein konventionelles infektiöses
Agens sein.
Worum aber handelte es sich dann? Fachleute unterbreiteten damals zwar zahlreiche
Vorschläge, selbst scherzhafte wie Linoleum oder Kryptonit (griechisch kryptos,
verborgen), hatten aber keine definitive Antwort.
Mit jugendlichem Optimismus nahm ich mir damals vor, daß Geheimnis zu lösen, und baute
1974 ein Labor an der Medizinischen Fakultät in San Franzisko auf. Als erstes mußte das
infektiöse Agens aus Scrapie-Gehirnen so gereinigt werden, daß sich seine
Zusammensetzung bestimmen ließ. Daß schon viele Forscher sich daran versucht hatten,
vermochte mich nicht abzuschrecken.
Erst nach acht Jahren jedoch konnten meine Kollegen und ich gute Fortschritte vermelden.
Wir hatten aus dem Gehirn experimentell infizierter Hamster einen Extrakt isoliert, der
fast ausschließlich aus infektiösem Material bestand, und ihn dann einer Reihe von Tests
zur Abklärung der Zusammensetzung unterworfen (siehe meinen Artikel "Prionen"
in Spektrum der Wissenschaft, Dezember 1984, Seite 48).
Alle Ergebnisse wiesen für uns auf eines hin: daß die Erreger der Scrapie (und
vermutlich auch jene der verwandten Erkrankungen) keine Nucleinsäuren - weder DNA noch
RNA - enthalten und hauptsächlich, wenn nicht sogar ausschließlich, aus Protein
bestehen. Denn mit diversen nucleinsäureschädigenden Verfahren ließ sich die
Infektiosität gereinigter Extrakte nicht verringern, wohl aber mit Substanzen, die
Proteine abbauen oder deren natürliche Faltung auflösen (der Fachmann nennt das
denaturieren); somit mußten Proteine ein essentieller Bestandteil des Agens sein. Um
diese neuartige Erregerklasse von den bisher bekannten wie Viren, Bakterien, Pilzen und
Protozoen (Einzellern) abzugrenzen, prägte ich den Begriff Prion. Scrapie-Prionen - so
fanden wir wenig später heraus - enthalten eine einzige Sorte Protein; wir gaben ihm das
Kürzel PrP für Prion-Protein.
Die große Frage war nun, wo sich seine Bauanweisung befand. Auf einem Stück DNA, das
sich im PrP bei der Aufreinigung unerkannt verbarg? Oder vielleicht auf einem Gen im
Erbgut der befallenen Zellen?
Zusammen mit dem Team von Leroy Hood am California Institute of Technology in Pasadena
konnten wir 1984 eine Abfolge von gut einem Dutzend Aminosäuren an einem Ende des
isolierten Proteins klären. Dies ermöglichte uns und anderen Forschern, anhand des
genetischen Codes molekulare Sonden zu konstruieren, mit denen sich das PrP-Gen, wenn es
denn in Säugerzellen vorkam, dort aufspüren ließ. Mit Sonden aus Hoods Labor zeigte
Bruno Oesch aus der Gruppe um Charles Weissmann von der Universität Zürich, daß
Hamsterzellen es tatsächlich enthalten. Zur etwa gleichen Zeit wies Bruce Cheseboro vom
Rocky-Mountain-Laboratorium der amerikanischen Nationalen Gesundheitsinstitute in Hamilton
(Montana) mit eigenen Sonden das Gen in Mäusezellen nach.
Darauf aufbauend konnte es isoliert und kloniert werden. Es residiert, wie sich zeigte,
nicht in Prionen, sondern auf den Chromosomen, und zwar auf denen von Hamstern, Mäusen,
Menschen und allen anderen untersuchten Säugern. Mehr noch, das Gen ist auch die meiste
Zeit aktiv - der tierische und der menschliche Organismus stellen also PrP her, ohne zu
erkranken.
Eine Schlußfolgerung war, daß wir einen schrecklichen Fehler gemacht hatten und PrP gar
nicht das Agens von Prionen-Erkrankungen sei. Aber es gab noch eine andere Möglichkeit:
PrP könnte in zwei Formen auftreten - einer normalen, harmlosen, und einer veränderten,
krankmachenden.
Auf die Idee, wie sich diese beiden möglichen Formen unterscheiden ließen, brachte mich
eine Besonderheit von PrP aus infizierten Gehirnen: Es ist relativ widerstandsfähig
gegenüber abbauenden Enzymen, während die meisten Proteine einer Zelle recht leicht von
solchen Proteasen gespalten werden. Sofern eine normale, harmlose Form von PrP existierte,
war sie vielleicht ebenfalls empfindlicher. Mein Mitarbeiter Ronald A. Barry fand dann
auch tatsächlich diese angenommene protease-sensitive Form. Damit war klar, daß das
Scrapie verursachende PrP eine Abart eines normalen Proteins der Zelle ist. Entsprechend
nannten wir nun das eine Scrapie-PrP und das andere zelluläres PrP. Scrapie-PrP ist
inzwischen zu einer Sammelbezeichnung für Prionen-Proteine aller scrapie-ähnlichen
Krankheiten bei Tieren und Menschen geworden.
Anfangs hatten wir gehofft, sobald das Gen kloniert sei, reines PrP auf gentechnischem
Wege herstellen zu können. Würde das reine, garantiert virusfreie Produkt nach Injektion
in gesunde Tie- re Scrapie erzeugen, hätten wir endlich den Beweis, daß Proteinmoleküle
ohne die Hilfe begleitender Nucleinsäuren als Krankheitsüberträger fungieren können.
Um 1986 mußten wir jedoch einsehen, daß dieser Plan nicht aufging. Zum einen machte es
ausgesprochene Schwierigkeiten, ausreichende Mengen von PrP auf diese Weise herzustellen,
zum anderen war das erzeugte Produkt eben das nicht-pathogene, zelluläre PrP. Auf einem
anderen Wege kamen wir schließlich dennoch weiter.
Vererbung von Prionen-Krankheiten
Viele Fälle scrapie-ähnlicher Erkrankungen des Menschen schienen nicht auf Ansteckung
zurückzugehen, und manchmal ließ sich eine Veranlagung dafür vermuten. (Wie man
inzwischen weiß, treten etwa zehn Prozent aller Fälle solcher Leiden familiär gehäuft
auf, wobei dann etwa die Hälfte aller Familienmitglieder erkrankt.) Sollten Prionen
außer für übertragbare auch für erbliche Formen verantwortlich sein? Dann wären sie
noch ungewöhnlicher, als wir ursprünglich gedacht hatten.
Im Jahre 1988 fanden meine Mitarbeiterin Karen Hsiao und ich einen der ersten Belege, daß
menschliche Prionen-Erkrankungen vererbt werden können. Wir hatten das PrP-Gen eines
Mannes gewonnen, in dessen Familie das Gerstmann-Sträussler-Scheinker-Syndrom gehäuft
auftrat und der selbst infolge dieses Leidens im Sterben lag. Beim Vergleich mit dem
entsprechenden Gen nicht verwandter gesunder Menschen entdeckten wir eine winzige
Abweichung, eine sogenannte Punktmutation: Ein einziges Basenpaar von mehr als 750 war
gegen ein anderes ausgetauscht.
Die Basen sind gewissermaßen die Buchstaben des genetischen Alphabets. Ihre Abfolge
innerhalb des DNA-Moleküls legt in verschlüsselter Form die Abfolge der Aminosäuren
für das zu produzierende Protein fest, wobei je drei Basen ein Codewort - ein Codon -
für eine bestimmte Aminosäure bilden. In der doppelsträngigen DNA steht einer Base eine
jeweils passende komplementäre gegenüber, so daß bei einer etablierten Punktmutation
auch die Partnerbase passend ausgetauscht ist. Bei unserem sterbenden Patienten hatte die
Mutation die Information von Codon 102 verändert: Statt der Aminosäure Leucin wurde an
dieser Stelle im PrP nun Prolin eingebaut.
Unterstützt von den Teams um Tim J. Crow vom Northwick-Park-Hospital in London und Jurg
Ott von der Columbia-Universität in New York entdeckten wir dieselbe Mutation dann auch
im Erbgut einer großen Zahl weiterer Patien- ten mit
Gerstmann-Sträussler-Scheinker-Syndrom. Sie kommt mit einer Häufigkeit in den
betroffenen Familien vor, die statistisch kein Zufall mehr sein kann. Diese Kopplung
spricht stark dafür, daß der genetische Defekt die Ursache der Erkrankung ist.
Im Laufe der letzten sechs Jahre sind insgesamt achtzehn verschiedene Mutationen in
Familien mit gehäuft auftretenden Prionen-Erkrankungen gefunden worden. Für fünf dieser
Defekte hat man inzwischen genügend Erkrankungsfälle zusammen, um eine genetische
Verbindung belegen zu können.
Die Entdeckung der Mutationen lieferte uns einen Weg auszuschließen, daß eine die
Prionen eventuell begleitende Nucleinsäure die Vervielfältigung des Scrapie-Proteins
steuert: Wir konnten jetzt ein mutiertes PrP-Gen in Mäuse-Embryonen einschleusen. Wenn
die sich entwickelnden Tiere in der Folge an Scrapie erkrankten und ihr Hirngewebe bei
Empfängertieren ebenfalls Scrapie erzeugen würde, wäre das ein handfestes Indiz dafür,
daß das von dem mutierten Gen codierte Protein allein für die Übertragbarkeit des
Leidens verantwortlich ist. Und wirklich läßt sich Scrapie auf diese Weise erzeugen und
übertragen, wie Untersuchungen zusammen mit Stephen J. DeArmond zeigten, der an unserer
Hochschule ein anderes Labor leitet. Spender des Gehirngewebes waren transgene Tiere, die
das mutierte PrP-Gen stark ausprägten und erkrankten. Die Empfänger waren ebenfalls
transgene Tiere; sie prägten aber das Gen nur schwach aus und erkrankten nicht, solange
ihnen kein Hirngewebe übertragen wurde (siehe Kasten auf Seite 50).
Ähnliche Ergebnisse erzielten Gajdusek, Colin L. Masters und Clarence J. Gibbs jr. von
den amerikanischen Nationalen Gesundheitsinstituten schon 1981, als es ihnen gelang, das
Gerstmann-Sträussler-Scheinker-Syndrom von Menschen, die es offensichtlich geerbt hatten,
auf Tieraffen zu übertragen (hier wurde freilich nicht mit transgenen Tieren gearbeitet).
Und Jun Tateishi und Tetsuyuki Kitamoto von der Kyushu-Universität in Fukuoka (Japan)
konnten die erblich bedingte Form der Creutzfeldt-Jakob-Krankheit auf Mäuse übertragen.
Insgesamt sprechen diese Untersuchungen zur Übertragbarkeit von Prionen-Erkrankungen
überzeugend dafür, daß Prionen ausschließlich aus einem abgewandelten Säugerprotein
bestehen und damit eine völlig neue Klasse infektiöser Agentien darstellen - dies um so
mehr, als die Suche nach einer scrapie-spezifischen prionen-assoziierten Nucleinsäure,
die insbesondere Detlev Riesner an der Universität Düsseldorf mit großer Sorgfalt
betrieben hat, bislang ergebnislos verlaufen ist.
Wissenschaftler, die weiterhin die Virus-Theorie vertreten, werden freilich sagen, wir
hätten unsere Hypothese noch immer nicht bewiesen. Angenommen, das Proteinprodukt des
mutierten PrP-Gens würde einem unbekannten, aber allgegenwärtigen Virus die Infektion
erleichtern. Tiere, die diese Mutation tragen und erkranken, hätten dann in Wirklichkeit
einen viralen Infekt des Gehirns; und deshalb würde mit ihren Hirnextrakten die
Erkrankung übertragen werden. Solange aber Belege für die Anwesenheit eines Virus
fehlen, scheint diese Hypothese kaum haltbar. (Anmerkung der Redaktion: Inzwischen hat man
einen Hinweis; siehe den folgenden Beitrag.)
Ein Protein mit zweierlei Gestalt
Wie aber kann sich das Scrapie-PrP ohne die Hilfe von Nucleinsäuren in Zellen vermehren?
Viele Einzelheiten dazu sind zwar noch zu ergründen, doch eines scheint ziemlich klar zu
sein: Der wesentliche Unterschied zwischen der normalen und der Scrapie-Form liegt in
ihrer Konformation, also in der Art ihrer räumlichen Faltung. Und offensichtlich kann das
Scrapie-PrP irgendwie, wenn es mit normalen Molekülen Kontakt bekommt, diese veranlassen,
aus ihrer gewöhnlichen in die Scrapie-Konformation überzugehen. Die umgefalteten
Moleküle bringen dann ihrerseits andere, noch normale dazu, die Gestalt zu ändern, und
somit würde sich die Scrapie-Konformation lawinenartig vermehren (Bild 5). Diese
Ereignisse laufen augenscheinlich an einer Membran im Zellinneren ab.
Auf die Idee, der Unterschied müsse in der Konformation liegen, waren wir gekommen, als
andere Möglichkeiten immer unwahrscheinlicher schienen. Immerhin war seit längerem
bekannt, daß die infektiöse Form und normales PrP oft dieselbe Aminosäuresequenz haben
(eine Mutation also nicht unbedingt erforderlich ist). Allerdings können identische
Proteinmoleküle nach der Synthese chemisch in einer Weise abgewandelt werden, daß sich
ihre Aktivität ändert. Trotz eingehender Suche vermochten aber Neil Stahl und Michael A.
Baldwin in meinem Labor keine Abweichungen zu finden.
Keh-Ming Pan, ebenfalls aus meiner Gruppe, entdeckte schließlich, worin der Unterschied
liegt: In einem normalen PrP-Molekül ist die Aminosäurekette großenteils zu
Alpha-Helices schraubig aufgewunden, während sie in der Scrapie-Form zu Beta-Strängen
gestreckte Bereiche enthält. Mehrere solcher Stränge bilden, wenn sie sich antiparallel
aneinanderlagern, eine sogenannte Beta-Faltblattstruktur (Bild 4 unten).
Die räumliche Struktur des normalen PrP versuchte mein Kollege Fred E. Cohen, Leiter
eines anderen Labors, anhand der Aminosäuresequenz am Computer zu modellieren. Nach
seinen Berechnungen faltet sich das Protein wahrscheinlich zu einem kompakten Gebilde mit
vier Alpha-Helices im Kern (Bild 4 oben). Welche Struktur oder Strukturen das Scrapie-PrP
annimmt ist erst wenig bekannt.
Zwei die Behauptung stützende Indizien, das Scrapie-PrP könne ein alpha-helikales
PrP-Molekül veranlassen, in eine Beta-Faltblatt-Form regelrecht umzuschnappen, bieten vor
allem Ergebnisse meiner Gruppe. So vermochte María Gasset mit synthetischen Peptiden
(also relativ kurzen Aminosäureketten), die dreien der vier mutmaßlichen
Alpha-Helix-Regionen entsprechen, Beta-Faltblätter zu erzeugen; und Jack Nguyen wies
nach, daß Faltblätter aus solchen Peptiden ihre Struktur auch alpha-helikalen
PrP-Peptiden aufzwingen können. Vor kurzem berichteten Byron W. Caughey vom
Rocky-Mountain-Laboratorium und Peter T. Lansbury vom Massachusetts Institute of
Technology in Cambridge, daß zelluläres PrP im Reagenzglas nach Vermischen mit
Scrapie-PrP in die entsprechende Konformation übergehen kann.
Welchen Einfluß haben nun die im PrP-Gen entdeckten Mutationen auf diesen Übergang? Ein
mutiertes Protein wird wohl kaum, sobald es entstanden ist, die Scrapie-Konformation
annehmen, sonst würden die Träger der Mutationen schon in früher Kindheit erkranken.
Wir vermuten, daß solche Proteine zwar leichter von der alpha-helikalen Form in die
Beta-Faltblattstruktur umspringen als normale, daß aber einige Zeit vergeht, bis das von
selbst bei einem der Moleküle geschieht; und noch länger wird es dauern, bis sich
genügend Scrapie-PrP angereichert und das Gehirn so weit geschädigt hat, daß Symptome
auftreten.
Cohen und ich glauben auch erklären zu können, warum die verschiedenen bekannten
Mutationen beim Menschen das geforderte Umklappen erleichtern mögen: Viele davon
betreffen eine der vier mutmaßlich alpha-helikalen Regionen oder deren Grenzen, wobei
eine Aminosäure gegen eine andere ausgetauscht ist. Eine "falsche" Aminosäure
könnte eine Alpha-Helix destabilisieren und auf diese Weise die Wahrscheinlichkeit
erhöhen, daß sie und ihre Nachbarn in eine Beta-Faltblattstruktur übergehen. Umgekehrt
liegen die evolutiv bedingten Veränderungen, in denen sich das normale menschliche PrP
von dem der Menschen- und Tieraffen unterscheidet, alle außerhalb der helikalen Bereiche,
wie mein Mitarbeiter Herrmann Schätzel feststellte. Dort können sie deren Stabilität
vermutlich nicht wesentlich beeinträchtigen.
Niemand weiß bisher genau, wie die Vermehrung von Scrapie-PrP Zellen schädigt. In
kultivierten Nervenzellen reichert es sich, nachdem die Umwandlung der normalen
zellulären Form in Gang gekommen ist, in Lysosomen an. Aufgabe dieser enzymgefüllten
Bläschen ist der Abbau von Material. Übervolle Lysosomen könnten, was nicht undenkbar
ist, ihre Nervenzellen schädigen. Deren Absterben hinterließe im Zellverband des Gehirns
ein Loch, und die freigewordenen Prionen hätten Gelegenheit, von anderen Zellen
aufgenommen zu werden.
Mit Sicherheit wissen wir immerhin, daß sich kleinere, partiell abgebaute PrP-Fragmente
der Scrapie-Form im Gehirn mancher Patienten zu sogenannten Plaques anhäufen. Diese
Aggregate ähneln im Aussehen denen bei der Alzheimer-Krankheit, bestehen aber aus einem
anderen Protein (Spektrum der Wissenschaft, November 1992, Seite 124). Die PrP-Plaques
sind zwar ein nützliches Anzeichen für eine Prionen-Infektion, aber anscheinend nicht
die Hauptursache für die Beeinträchtigungen; bei vielen Menschen und Tieren mit
Prionen-Erkrankungen findet man überhaupt keine Aggregate dieser Art.
Vorstellbare Therapien
Trotz der begrenzten Erkenntnisse sehen wir Möglichkeiten zur Entwicklung von Therapien.
Wenn zum Beispiel das Strukturmodell eines zentralen Bündels aus vier Alpha-Helices
stimmt, ließe sich eventuell eine Substanz konstruieren, die eine postulierte Nische
zwischen allen vier Helices besetzt; ihre Bindung würde die schraubigen Abschnitte
stabilisieren und eine Umwandlung zum Beta-Faltblatt verhindern.
Man könnte auch daran denken, die Herstellung von zellulärem PrP zu unterbinden. Denn
möglicherweise braucht der Organismus das Protein gar nicht unbedingt: Mäuse, denen
Weissmann und seine Kollegen das normale PrP-Gen gezielt ausgeschaltet hatten, zeigen
keinerlei erkennbare Abnormitäten. (Aus eventuell auftretenden Störungen und
Mißbildungen läßt sich nicht selten die Funktion des ausgeschalteten Gens und seines
Proteins erschließen; das war auch die ursprüngliche Erwartung an das Experiment.)
Sollte sich PrP wirklich als entbehrlich erweisen, könnte man später einmal erwägen,
mittels neuartiger Verfahren seine Produktion im Gehirn von Patienten mit
Prionen-Erkrankungen gezielt zu unterbinden, und zwar auf genetischer Ebene - mit
Antisense-DNA und mit Anti-Genen (Spektrum der Wissenschaft, Februar 1995, Seite 28).
Damit wäre der Scrapie-Form das Material entzogen, aus dem sie ihresgleichen erzeugt.
Die Mäuse ohne PrP-Gen boten übrigens eine willkommene Gelegenheit, die
Prionen-Hypothese zu überprüfen. Da ihr Gehirn keine eigenen PrP-Moleküle enthält,
dürften eingebrachte Scrapie-Prionen keine Erkrankung auslösen: Sie würden ja keine
zellulären PrP-Moleküle zur Umwandlung und damit zur Vermehrung ihrer Konformation
vorfinden. Wie ich erwartet hatte, entwickelten die Tiere keine Scrapie, und es ließen
sich keine Anzeichen für eine Vermehrung von Prionen erkennen.
Stämme und Artenschranke
Für eine weitere, seit langem offene Frage - wie ein- und dasselbe Protein als Prion ganz
unterschiedliche Effekte haben kann - zeichnet sich ebenfalls eine Antwort ab. Bereits vor
Jahren gewann Iain H. Pattison vom britischen landwirtschaftlichen Forschungsrat in
Compton (England) aus zwei Gruppen von Ziegen zwei verschiedene Isolate des
Scrapie-Erregers; das eine machte damit beimpfte Artgenossen schläfrig, das andere
dagegen sie hyperaktiv. Ferner ist inzwischen ersichtlich, daß einige rasch, andere erst
nach längerer Inkubationszeit ein Krankheitsbild hervorrufen.
Alan G. Dickinson, Hugh Fraser und Moira E. Bruce vom Institut für Tiergesundheit in
Edinburgh haben die unterschiedlichen Auswirkungen diverser Isolate bei Mäusen untersucht
und schließen daraus auf das Vorkommen mehrerer Erregerstämme. Da man solche Varianten
nur bei Krankheitserregern mit Nucleinsäuren kenne, widerlege - so argumentieren sie und
andere Wissenschaftler - die Existenz unterschiedlicher "Stämme" von Prionen
die Prion-Hypothese. Somit müßten Viren für Scrapie und damit verwandte Krankheiten
verantwortlich sein. Nun ist aber, wie gesagt, die Suche nach viralen Nucleinsäuren
bislang ergebnislos verlaufen. Darum muß nach meiner Sicht die Erklärung für die
Unterschiede anderswo liegen.
Wenn beispielsweise Prionen mehre-re Konformationen annehmen würden, könnten sie in der
einen Gestalt normales PrP unter Umständen äußerst wirksam in die Scrapie-Form
überführen - und die Inkubationszeit bis zum Ausbruch der Krankheit wäre kurz; in der
anderen gelänge ihnen das vielleicht weniger effizient. Ähnlich könnten verschiedene
Konformationstypen bevorzugt jeweils andere Hirnbereiche befallen, wodurch sich die
unterschiedlichen Symptome erklären ließen. Da wir schon zwei Formen - eben die normale
und die Scrapie-Form - kennen, in die sich PrP falten kann, wären weitere keine
Überraschung.
Seit Mitte der achtziger Jahre versuchen wir des weiteren herauszubekommen, warum ein
Prion aus der einen Tierart nur unter Schwierigkeiten bei anderen Arten eine Krankheit
auszulösen vermag. (Auch konventionelle Krankheitserreger sind in der Regel nur für ihre
etablierten Wirte pathogen - als wäre ihnen eine unsichtbare Schranke gesetzt.) Der Grund
dafür ist angesichts der Rinderwahnsinn-Epidemie in Großbritannien von erheblichem
Interesse. Somit beschäftigt uns und andere Wissenschaft-ler die Frage, ob die bestehende
Artenschranke stark genug ist, eine Übertragung dieser Prionen-Krankheit auf Menschen zu
verhindern.
Bereits in den sechziger Jahren muß-te Pattison feststellen, daß sich Scrapie
beispielsweise experimentell nur schwer von Schafen auf Labor-Nagerstämme übertragen
läßt. Mit modernen Methoden wollten mein Kollege Michael R. Scott und ich die Ursache
dafür ergründen. Wir erzeugten transgene Mäuse, die das PrP-Gen des Syrischen
Goldhamsters ausprägten (beide Spezies unterscheiden sich darin in 16 von 254 Codons).
Bei normalen Mäusen läßt sich mit dem Hamster-Prion nur selten Scrapie auslösen;
unsere transgenen Tiere dagegen, die ja in ihren Zellen das normale Hamster-PrP
herstellten, erkrankten innerhalb von etwa zwei Monaten nach der Beimpfung.
Wir hatten, so unsere Schlußfolgerung, durch das Einbringen des Hamster-Gens die
Artenschranke durchbrochen. Diese ist nach diesem Befund und noch anderen in der
Aminosäuresequenz des Proteins begründet: Je mehr übertragenes Scrapie-PrP und
zelluläres PrP des infizierten Wirts einander gleichen, desto wahrscheinlicher bricht die
Krankheit aus. Wenn wir beispielsweise transgene Mäuse, die außer dem fremden normalen
Hamster-PrP auch noch ihr eigenes zelluläres PrP herstellen, mit Mäuse-Prionen
infizierten, erzeugten sie weitere Mäuse-Prionen; im Falle von Hamster-Prionen waren es
jedoch weitere dieser Spezies. Offenbar interagieren Prionen bevorzugt mit homologen, also
gleichartigen zellulären PrP-Molekülen.
Diese Neigung von Scrapie-PrP erklärt wahrscheinlich auch, wie die Erkrankung mit dem
gefütterten Schafsmehl auf englische Rinder überzugehen vermochte. Die PrPs beider
Spezies unterscheiden sich nur in sieben Positionen. Bei den PrPs von Rind und Mensch sind
es dagegen mehr als 30. Somit scheint hier die Wahrscheinlichkeit einer zwischenartlichen
Übertragung eher gering zu sein. Dafür spricht auch, daß W. Brian Matthews von der
Universität Oxford (England) bei seinen epidemiologischen Untersuchungen keine
Korrelation zwischen dem Auftreten von Scrapie in Schafen und dem der
Creutzfeldt-Jakob-Krankheit in Ländern mit intensiver Schafhaltung gefunden hat.
Andererseits sind inzwischen zwei Bauern mit BSE-Rindern an der
Creutzfeldt-Jakob-Krankheit gestorben. Ihr Tod muß zwar nichts mit der Seuche zu tun
haben, aber Aufmerksamkeit ist immerhin geboten. Wenn zum Beispiel bestimmte Regionen des
PrP-Moleküls für das Überwinden der Artenschranke entscheidender sind als andere und
das Rinder-PrP vielleicht gerade darin dem menschlichen PrP besonders stark ähnelt,
könnte die Wahrscheinlichkeit einer Übertragung doch höher sein, als ein unkritischer
Vergleich der gesamten Aminosäuresequenz zunächst vermuten läßt.
Den Verdacht, daß bestimmte Molekül-Bereiche in dieser Hinsicht womöglich besonders
bedeutsam sind, weckte ein unerwartetes Versuchsergebnis. Mein Kollege Glenn C. Telling
hatte ein hybrides Mäuse-PrP-Gen, das in der Mitte statt eigener menschliche Sequenzen
enthielt, in die Nager eingebracht. Solche transgenen Tiere, die ein Zwitterprotein
erzeugen, erkrankten nach Übertragung von Hirngewebe aus Patienten, die am
Creutzfeldt-Jakob- oder am Gerstmann-Sträussler-Scheinker-Syndrom gestorben waren,
seltsamerweise sehr viel häufiger und schneller als Artgenossen, die ein vollständiges,
rein menschliches Gen trugen (dieses weicht vom Mäuse-Gen in 28 Positionen ab). Demnach
ist die Ähnlichkeit im Mittelteil des Proteins möglicherweise entscheidender als die der
Flanken.
Das Versuchsergebnis stützt auch ältere Hinweise, wonach Moleküle des Wirtes darauf
Einfluß haben können, wie sich das Scrapie-PrP nach der Infektion verhält. Gefunden
hatten sie Shu-Lian Yang in DeArmonds Labor und Albert Taraboulos in meinem. Wir nehmen
nun an, daß ein Mäuse-Protein - vielleicht ein Faltungshelfer, ein Chaperon - eine der
beiden mäuse-spezifischen Flanken des hybriden PrP erkennt und ihm nach Anheftung hilft,
sich in die Scrapie-Konformation umzufalten. In den Mäusen, die das rein menschliche PrP
herstellen, hätte das Chaperon vermutlich mangels entsprechender Bindungsstellen keine
Gelegenheit dazu.
Weitere Prionen-Krankheiten?
Ein unerwarteter Aspekt trat bei neueren Studien mit transgenen Mäusen zutage, die
ungewöhnlich hohe Mengen an zellulärem PrP produzieren. DeArmond, David Westaway aus
unserer Gruppe und George A. Carlson vom McLaughlin-Laboratorium in Great Falls (Montana)
registrierten verblüfft bei einigen älteren dieser Tiere eine Krankheit, die mit
reduziertem Putzverhalten sowie Steifheit einherging. Eine Überproduktion von PrP zieht,
wie wir dann feststellten, gelegentlich einen Abbau von Hirnneuronen nach sich, aber auch
überraschend von peripheren Nerven und von Muskeln. Hiermit erweitert sich das Spektrum
möglicher Prionen-Leiden und gibt Anlaß, Erkrankungen des Muskelapparates und des
peripheren Nervensystems beim Menschen auf eventuelle prionen-bedingte Ursprünge hin zu
analysieren.
Die Studien lieferten auch Hinweise, wie die sporadische Creutzfeldt-Jakob-Krankheit
entstehen könnte. Ich war lange Zeit der Ansicht, dazu müßte wohl irgendwann im Laufe
des Lebens das PrP-Gen in mindestens einer Zelle des Organismus zufällig oder durch
schädigende äußere Einflüsse mutieren. Einige seiner Protein-Moleküle würden später
in die Scrapie-Form umspringen, die sich allmählich vermehrt, bis schließlich der
Schaden die Schwelle zur sichtbaren Krankheit überschreitet. Die Befunde an den
überproduzierenden Mäusen legen aber nahe, daß bei dem einem unter jeweils einer
Million Menschen, der die sporadische Form der Creutzfeldt-Jakob-Krankheit bekommt, zu
irgendeiner Zeit möglicherweise zelluläres PrP von selbst in die Scrapie-Konformation
umgesprungen ist. Vielleicht produziert sein Organismus zuviel PrP - aber das ist bisher
nur eine Vermutung.
Mit unseren jüngsten Versuchen haben wir unbeabsichtigt zugleich ein Tiermodell für
sporadische Erscheinungsformen menschlicher Prionen-Erkrankungen geschaffen. Mäuse,
beimpft mit Gehirnextrakten aus scrapie-infizierten Tieren oder aus Menschen mit
Creutzfeldt-Jakob-Krankheit, stellen seit längerem ein Modell für die übertragbaren
Formen dar. Und eines für die vererbbaren Formen geben transgene Mäuse ab, in die
mutierte PrP-Gene eingeschleust worden sind. All diese Pendants menschlicher
Prionen-Leiden sollten nicht nur unser Verständnis dafür erweitern, wie Prionen das
Gehirn degenerieren lassen, sondern auch Gelegenheit bieten, mögliche Therapieverfahren
zu testen.
Es gibt weitere, weniger seltene neurodegenerative Erkrankungen des Menschen, bei denen
Prionen - allerdings aus einem anderen Protein als PrP - beteiligt sein könnten, darunter
die durch Demenz gekennzeichnete Alzheimer-Krankheit, die auch Schüttellähmung genannte
Parkinson-Krankheit und die amyotrophische Lateralsklerose (eine Erkrankung des
Rückenmarks, bei der motorische Nerven degenerieren). Wie die bekannten
Prionen-Erkrankungen treten auch sie meist sporadisch, manchmal aber familiär gehäuft
auf. Alle machen sich in der Regel in mittleren bis späten Lebensabschnitten bemerkbar
und ähneln sich in ihrer Pathologie: Nervenzellen degenerieren, Proteinablagerungen in
Form von Plaques können entstehen, und Glia-Zellen (die Stütz- und Nährzellen für
Hirnneuronen) vergrößern sich in Reaktion auf die Schädigung der Nervenzellen. Bei
keiner dieser Krankheiten - und das ist besonders auffällig - treten die
allgegenwärtigen weißen Abwehrzellen, die Leukocyten, aus dem Blut ins Gehirn über.
Wäre ein Virus im Spiel, würde man aber genau das erwarten.
Neueste Befunde an Hefepilzen nähren die Spekulation, es könne auch andere
Prionen-Proteine als PrP geben. Reed B. Wickner von den amerikanischen Nationalen
Gesundheitsinstituten entdeckte, daß ein Hefeprotein namens Ure2p gelegentlich seine
Konformation und damit auch seine Aktivität innerhalb der Zelle ändert.
Insgesamt sprechen die beschriebenen Untersuchungen überzeugend dafür, daß Prionen eine
völlig neue Klasse von infektiösen Krankheitserregern darstellen, deren Wirkung auf
Abweichungen von der normalen Proteinkonformation beruht. Ob derartige Abweichungen auch
für verbreitete neurodegenerative Krankheiten wie der Alzheimerschen verantwortlich sind,
ist bisher nicht bekannt, sollte aber als Möglichkeit nicht außer acht gelassen werden.
Literaturhinweise
- Scrapie Disease in Sheep. Von Herbert B. Parry. Herausgegeben von D.R. Oppenheimer. Academic Press, 1993.
- Molecular Biology of Prion Diseases. Von S.B. Prusiner in: Science, Band 252, Seiten 1515 bis 1522, 14. Juni 1991.
- Prion Diseases of Humans and Animals. Herausgegeben von S.B. Prusiner, J. Collinge, J. Powell und B. Anderton. Ellis Horwood, 1992.
- Fatal Familial Insomnia: Inherited Prion Diseases, Sleep, and the Thalamus. Herausgegeben von C. Guilleminault und anderen. Raven Press, 1994.
- Molecular Biology of Prion Diseases. Sonderausgabe der Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Reihe B, Band 343, Heft 1306, 29. März 1994.
- Structural Clues to Prion Replication. Von Fred E. Cohen, Keh-Ming Pan, Ziwei Huang, Michael Baldwin, Robert J. Fletterick und Stanley B. Prusiner in: Science, Band 264, Seiten 530 bis 531, 22. April 1994.