Prionen und Prionenerkrankungen (Prionenerkrankungen = TSE)

Transkript

1 Prionen und Prionenerkrankungen (Prionenerkrankungen = TSE) Gruppe von Erkrankungen bei Mensch und Tier Gemeinsamkeiten: pathol.-anatom.: Neuronenverlust, Gliose, schwammartige Hirngewebsveränderung, keine Entzündung klin. Symptomatik: motor. Störungen, psych. Veränderungen, lange Inkubationszeit (Jahre/Jahrzehnte), symptomat. Phase Monate bis Jahre bis zum Tod Übertragbarkeit: Prion (ein Glycoprotein) Ursachensuche keine Immunreaktion, keine Inaktivierung durch nukleinsäureschädigende Behandlung (UV/ionisierende Strahlung, resistent gegenüber Hitze und Chemikalien), keine Detektion von Nucleinsäuren mit codierender Funktion, Größe des infektiösen Agens ( kda) zu klein für Virus. Verlust der Infektiösität durch proteinschdigende Behandlung (konzentr. Säure / Lauge, chlorhaltige Lösungen), in infektiösen Präparaten hoher Proteinanteil 1982 Prusiner: Prion Theorie ( proteinaceous infectious particle ) in infektiösen Präparaten: Protein, genannt PrP Sc, ein fehlgefaltetes Konformer des normalen zellulären PrP C. Virustheorie: unkonventioneller Virus, Resistenz gegen nukleinsäureschädigende Behandlung wegen besonderer Proteinhülle, Prionprotein nur Rezeptor für Virus 1

2 PrP C Biogenese und Struktur: Humanes PrP - Oberflächenprotein v. a. auf Neuronen - Glycoprotein, 253 AS vor zellulärer Prozessierung - PRNP auf dem kurzen Arm von Chromosom 20 - zwischen Säugetieren starke AS - Homologie (85-97%) - sekretorischer Pathway: freie Ribosomen im Zytosol Bindung der N - terminalen Signalsequenz an SRP Einfädelung in ER, Glycosylierung (an Asn 181 und Asn 197, PrP C = Gemisch: di-/monoglycosyliert, unglycosyliert), Abspaltung der carboxyterminalen Signalsequenz + Anheftung des GPI - Ankers Golgi Apparat Transport zur Zelloberfläche Wiederaufnahme durch Endozytosevesikel Eigenschaften: N - terminale Hälfte: kupferbindendes Oktarepeat - Motiv, c - terminale Hälfte: 3 alpha Helices, 2 beta Faltblattabschnitte, N - terminaler Anteil (AS ) in wäßriger Lösung ohne feste räuml. Struktur, zwischen AS Endoproteasespaltstellen PrP C und PrP Sc 2

3 PrP C (li) und PrP Sc (re) Physiol. Funktion von PrP C Noch unklar, PRNP 0/0 Mäuse entwickeln sich normal kupferbindendes Protein (Oktarepeat - Motiv im N - terminalen Bereich) aktiviert Superoxiddismutase, liefert ihr Cu - Ionen bindet toxisches freies Cu Cu Homöostase an Synapsen Cu beeinträchtigt spannungsaktvierte Ca - Kanäle PrP C liefert Cu an Enzyme für Melatoninsynthese Cu als Co - Faktor für antioxidative Enzymaktivität des PrP C bindet an andere Moleküle Hsp 60 (Chaperone), GFAP, Lamininrezeptor, Protein X bindet an Laminin Laminin Integrine: Proliferation, Differenzierung, Zelltod PrP c erhält Leben von Neuronen nach Entfernung von Laminin Signaltransduktion PrP c aktiviert Tyrosinkinase Fyn, Proteinkinase C Signalkaskaden über camp und Ca PrP Sc gleiche AS - Sequenz, gleiche posttranslationale Modifizierung andere Tertiärstruktur: hoher ß - Faltblattanteil teilweise proteaseresistent, Protease K PrP protease resistant core unlöslich, fibrilläre Strukturen: prion rods (= SAF), zusätzlich polymere Zucker 3

4 Knock out Mäuse nicht mit TSE infizierbar: kein PrP c kein PrP Sc kein TSE Schlüsselereignis der Pathogenese: Konformationsänderung von PrP c zu PrP Sc und Vermehrung Theorie I: Heterodimer - Modell Theorie II: keimabhängiges Polymerisationsmodell Lysosomale PrP Sc Bildung? In Lysosomen akummulieren unlösliche PrP Sc Oligomere, möglicherweise Umwandlung von PrP C in PrP Sc bei saurem ph Artenschranke Probleme der Prionenhypothese Lösung: im mittleren Prionmolekülbereich (AS ) Unterschiede zwischen den Spezies: Prionenstämme Prion Lösung: AS - Sequenz und räumliche Struktur untersch. Inkubationszeit und Läsionsmuster - Glycosylierungsverhältnisse Bsp.: s CJD monoglycosyliertes PrP Sc - Konformation v CJD diglycosyliertes PrP Sc 4

5 Infektionsweg periphere Pathogenese Gastrointenstinaltrakt: Aufnahme über Lamininrezeptor in M - Zellen B - Zell abhängig follikuläre dendritische Zellen Makrophagen Anhäufung von PrP Sc im lymphatischen Gewebe (distales Ileum, Milz, Lymphknoten, Payer Plaque) Neuroinvasion: Weitergabe der Prionen an das PNS, wahrscheinlich über bewegliche Zellen des lymphatischen Systems. Ausbreitung ins ZNS über unbekannten Transportmechanismus ZNS Pathogenese: Theorie: PrP Sc Ablagerung Neuronenuntergang aber: FFI und GSS: Hirnläsionen ohne Ablagerungen Ausgangspunkt: physiol. Funktion von PrP C - hohe PrP C Expression in Neuronen hohe SOD - und Gluthationperoxidaseaktivität - eigene antioxidative Aktivität Gehirne von CJD - Patienten zeigten oxidativen Streß Konformationsänderung zu PrP Sc PrP C verliert seine Funktion: PrP Sc ox. Str. PrP C PrP Sc ox. Str. Folge: Zelltod - Apoptose (Nachweis von fragmentierter DNS) - Mikroglia (Sauerstoffradikale) TSE Erkrankungen beim Menschen übertragene / iatrogene TSE: Kuru erstmals 1957 erstmals beschrieben, nur bei den Fore auf Papua Neuguinea, übertragen durch Zubereitung und Verzehr von Gehirn bei rituellem Kannibalismus. Seit Verbot des Kannibalismus praktisch verschwunden. Kinik: vor allem Ataxie, späte Demenz, Inkubation < 40 J. iatrogene CJD übertragen durch Transplantationen von Cornea und Dura Mater, kontaminierte neurochirg. Instrumente, menschliches Wachstumshormon. infektiöse Gewebe: ZNS, Darm, Augen, lymphat. Gewebe Klinik: in unterschiedlicher Ausprägung Demenz / Ataxie, Inkubation 2-10 J. Übertragungserfolg abh. von Genotyp: Homozygotie (Met / Met, Val / Val, auf Codon 129) nv CJD seit 1996 in UK beschrieben, Unterschied zur übrigen CJD: jüngeres Alter, keine EEG Veränderung, starke psychiatrische Symptomatik, dann mot. und sensible Störungen sowie Verlust kognitiver Fähigkeiten, schließlich akinetischer Mutismus und Tod. 5

6 Neuropathol. Besonderheit: floride Plaques. Inkubation unklar, Krankheitsdauer bis Tod ca. 14 Monate nv CJD = humane Form von BSE? PrP Sc v. a. diglycosyliert wie bei BSE Genotyp: Met / Met auf Codon 129 sporadische CJD häufigste Form (80%), Inzidenz: 1 Fall auf 1 Mil. Menschen Ursachen: somatische Mutation des PrP Gens / Bildung von PrP Sc als stochastisches Ereignis Klinik: Betroffene J., Tod nach 1-2 Monaten. Symptome: Demenz, typische EEG Veränderungen und Myoklonus Genotyp: vor allem Met / Met homozygote auf Codon 129 familiäre TSE - Formen autosomal dominant vererbt, familiäre CJD (Demenz), Gerstmann - Sträussler - Scheinker Syndrom (Ataxie) und die fatale familiäre Insomnie (schwere Schlafstörung, Demenz). Auftreten in jungem Alter, langer Verlauf. Genetik: je nach Genotypus sehr unterschiedl. Symptomatik, häufig Nachweis zusätzlicher Oktapeptidrepeats TSE Erkrankungen bei Tieren Scrapie (Traberkrankheit) seit 1732 als übertragbare Schafkrankheit beschrieben. Symptome: Schreckhaftigkeit, schwankender Gang, Juckreiz. BSE seit den 80er Jahren erstmals in UK beschrieben. Symptome: Schreckhaftigkeit, mot. Störungen, Speicheln. Ursache: Tiermehlproduktion für Futter seit den 70ger Jahren mit verringerter Hitze. Scrapieerreger wurde daher nicht inaktiviert (Verbot von Tiermehl in der Futterproduktion 1988 und Verbot von Einbringen infektiösen Gewebes in menschliche Nahrung) TSE befällt auch andere Säugetiere, z. B. Katzen, Nerze, Hirsche und Elche. BSE Test (Schlachtvieh) Diagnose beruht auf Detektion des Proteinase K - resistenten Teiles von PrP Sc (PrP 27-30). z. B. Fertigtests der Firma Prionics : SDS - Gelelektrophorese, dann zusätzlich Makierung mit Fluoreszenz - Ak. bei Mensch ( Klin.: ) Hirnuntersuchung lichtmikroskopisch, Bioassay, Untersuchung von Hirn- und Lymphgewebe mit fluoreszenzmarkierten Anti - PrP - Ak Gentest für Prädisposition Ziel: krankheitsspezifische Moleküle in leicht zugänglichen Körperflüssigkeiten auffinden 6

7 Therapie: Angriffspunkte Literaturangaben Hörnlimann, B., Riesner, D., Kretzschmar, H.; Prionen und Prionenkrankheiten, De Gruyter; 2001 Nunziante, M., Gilch, S., Schätzl, N.; Prion Diseases: From molecular biology to intervention strategies. ; Chem. Biochem.; Vol. 4: p 1268 ff.; 2003 Aguzzi, A., Heikenwalder, M., Miele, G.; Progress and problems in the biology, diagnostics, and therapeutics of prion diseases. ; J. Clin. Invest.; Vol. 114 (2): p 153 ff.; 2004 Unterberger, U., Voigtländer, T., Budka, H.; Pathogenesis of prion diseases. ; Acta Neuropathol.; Vol. 109: 32 ff.; 2005 Lawson, V. A., Collins, S. J., Masters, C. L., Hill, A. F.; Prion protein glycosylation. ; J. Neurochem.; Vol. 93: p 793 ff.; 2005 Martins, V. R., Mercadante, A. F., Cabral, A. L. B., Freitas, A. R. O., Castro, R. M. R. P. S.; Insights into the physiological function of cellular prion protein. ; Braz. J. Med. Biol. Res.; Vol. 34 (5): p 585 ff; 2001 Zyllka - Menhorn, V.; Prionen: Rätselhafte Proteine. ; Deutsches Ärztblatt; Vol. 98 (9); 2001 Riesner, D.; Biochemestry and structure of PrPc and PrPSc. : Br. Med. Bull.; Vol. 66: p. 21 ff.; 2003 van Everbroeck, B., Boons, J., De Leenheir, E., Lübke, U., Cras, P.; Molecular diagnostic tools in CJD and other prion disorders. ; Expert. Rev. Mol. Diagn.; Vol. 4 (3): p. 351 ff; 2004 Chesebro, B.; Introduction to the transmissable encephalopathies or prion diseases. ; Brit, Med. Bull; Vol. 66: p 1 ff; 2003 Bosque, P. J. et al.; Prions in sceletal muscle. ; PNAS; Vol. 99 (6): p 3812 ff.; 2002 Castilla, J., Saa, P., Soto, C.; Detection of prions in blood. ; Nature; e-pub; Brown, D. R. et al.; The cellular prion protein binds copper in vivo. ; Nature; Vol 390 (18): p 684 ff; 1997 Kübler, E., Oesch, B., Raeber, A.; Diagnosis of prion diseases. ; Brit. Med. Bull.; Vol. 66: p 267 ff.; 2003 Falldemonstration Kuh 7