Unfolding of the disease-linked bank vole prion protein E200K in the context of PrPSc propagation

Prionenerkrankungen gehören zu den rätselhaftesten und tödlichsten Zuständen, die in der Medizin bekannt sind. Sie greifen das Gehirn an und verursachen einen rapiden Verfall sowie den Tod, doch sie werden nicht durch ein Virus oder ein Bakterium verursacht. Stattdessen ist der Übeltäter ein fehlgefaltetes Protein. In einem gesunden Körper existiert ein Protein namens PrP in einer normalen, gefalteten Form. Im Krankheitsfall verdreht sich dasselbe Protein in eine starre, abnormale Form, die als PrPSc bekannt ist. Diese abnormale Version wirkt wie eine Vorlage, die andere normale Proteine dazu zwingt, sich in dieselbe schädliche Form zu verdrehen, was eine Kettenreaktion auslöst, die das Hirngewebe zerstört. Jahrzehntelang haben Wissenschaftler darum gerungen, genau zu verstehen, wie diese Transformation geschieht. Sie kennen die endgültige, starre Form des krankheitsverursachenden Proteins, aber sie können den Moment nicht sehen, in dem sich das gesunde Protein entscheidet, sich zu verändern. Das zentrale Rätsel ist, wie ein stabiles, gefaltetes Protein dazu verleitet werden kann, sich gerade so weit zu entfalten, dass es durch die Krankheitsvorlage umgeformt werden kann.

Ein Forscherteam aus Spanien und Frankreich hat diesen Prozess genauer unter die Lupe genommen und sich dabei auf eine spezifische genetische Mutation namens E200K konzentriert. Diese Mutation ist die häufigste Ursache für erbliche Prionenerkrankungen beim Menschen, stellt jedoch ein Paradoxon dar. Das Protein, das diese Mutation trägt, ist nur geringfügig weniger stabil als die normale Version, und seine Gesamtform sieht fast identisch aus. Trotz dieses winzigen Unterschieds entwickeln Menschen mit dieser Mutation die Krankheit mit erschreckender Geschwindigkeit und Gewissheit. Die Forscher wollten wissen, ob diese winzige Änderung in der Struktur des Proteins es einfacher machte, sich zu entfalten, was erklären würde, warum sich die Krankheit so aggressiv ausbreitet. Sie verwendeten ein Modellprotein der Bankvögel, einem Tier, das für seine außergewöhnliche Anfälligkeit gegenüber Prionenerkrankungen bekannt ist, um das Verhalten sowohl des normalen Proteins als auch des E200K-Mutanten unter kontrollierten Bedingungen zu untersuchen.

Die Wissenschaftler setzten beide Versionen des Proteins steigenden Temperaturen aus und beobachteten genau, welche Teile des Moleküls zuerst locker würden. Sie wussten, dass für die Ausbreitung der Krankheit der starre, gefaltete Teil des gesunden Proteins vorübergehend entfalten muss, um auf die Oberfläche der Krankheitsvorlage zu passen. Unter Verwendung fortschrittlicher Bildgebungstechniken, die die Bewegung einzelner Atome verfolgen, kartierten sie genau, wie sich das Protein beim Erhitzen verhielt. Sie fanden heraus, dass der erste Schritt im Entfaltungsprozess im Wesentlichen für das normale Protein und das mutierte Protein derselbe war. In beiden Fällen war ein bestimmtes Segment nahe dem Beginn der gefalteten Region, etwa zwischen den Positionen 121 und 140, am wahrscheinlichsten, sich zu lockern und flexibel zu werden. Dies bestätigte, dass die Mutation nicht den grundlegenden Pfad ändert, den das Protein einschlägt, wenn es beginnt, auseinanderzufallen.

Die Geschichte endete jedoch nicht dort. Obwohl der Ausgangspunkt derselbe war, verhielten sich die beiden Proteine bei zunehmender Hitze unterschiedlich. Das normale Protein begann, wenn es auf etwa 50 Grad Celsius erhitzt wurde, zu großen, klebrigen Gruppen zusammenzuklumpen, die nicht leicht in ihre ursprüngliche Form zurückkehrten. Das mutierte Protein war überraschenderweise resistenter gegen dieses dauerhafte Verklumpen. Als die Forscher das mutierte Protein auf 75 Grad Celsius erhitzten und dann abkühlen ließen, kehrte ein viel größerer Teil in seinen ursprünglichen, gesunden Zustand zurück als beim normalen Protein. Tatsächlich bildete das Mutante weit weniger dieser großen, klebrigen Gruppen als das normale Protein unter denselben Bedingungen. Dies deutet darauf hin, dass die E200K-Mutation das Protein nicht in einer Weise leichter entfalten lässt, die bei der Ausbreitung hilft, sobald eine Krankheitsvorlage bereits vorhanden ist.

Die Forscher testeten auch, ob das mutierte Protein wahrscheinlicher dazu neigt, spontan in die Krankheitsform überzugehen, ohne äußere Hilfe. Sie platzierten das Protein in einer Lösung, die darauf ausgelegt war, diese spontane Veränderung zu begünstigen, und beobachteten, ob es sich von selbst verwandeln würde. Die Ergebnisse waren eindeutig: Das mutierte Protein verwandelte sich nicht häufiger in die Krankheitsform als das normale Protein. Beide Versionen verhielten sich in diesem Test fast identisch, wobei nur ein kleiner Bruchteil von jedem in die schädliche Form überging. Dieser Befund widerlegt die Vorstellung, dass die E200K-Mutation das Protein einfach inhärent instabil oder anfällig für spontane Fehler macht.

Wenn die Mutation also nicht das Protein leichter entfalten lässt oder es wahrscheinlicher macht, sich spontan fehlzufalten, warum verursacht sie dann eine so verheerende Krankheit? Die Autoren vermuten, dass die Antwort in der spezifischen Art und Weise liegt, wie die Mutation die Oberfläche des Proteins verändert. Der Wechsel von einer negativ geladenen Aminosäure zu einer positiv geladenen bewirkt, dass auf der Oberfläche des Proteins elektrische Ladungspatches entstehen, die in der normalen Version nicht vorhanden sind. Während die Gesamtform stabil bleibt, könnten diese elektrischen Patches dazu führen, dass das Protein anders mit anderen Molekülen oder Cofaktoren im Körper interagiert, die notwendig sind, um den Umwandlungsprozess einzuleiten. Die Mutation macht das Protein vielleicht nicht leichter zerfallen, aber sie könnte es viel wahrscheinlicher machen, sich an die spezifischen Helfer zu binden, die benötigt werden, um die Transformation zu beginnen.

Die Studie hebt eine entscheidende Unterscheidung in der Funktionsweise von Prionenerkrankungen hervor. Es gibt das anfängliche, spontane Ereignis, bei dem sich ein gesundes Protein zuerst in die Krankheitsform verwandelt, und es gibt die anschließende Propagation, bei der diese Krankheitsform andere gesunde Proteine dazu zwingt, sich zu verändern. Die E200K-Mutation scheint wenig Einfluss auf die zweite Phase, die Ausbreitung der Krankheit, sobald diese begonnen hat, zu haben. Stattdessen liegt ihre Kraft wahrscheinlich in der ersten Phase, möglicherweise indem sie das Protein attraktiver für die zellulären Faktoren macht, die die anfängliche Veränderung auslösen. Indem sie zeigten, dass die frühen Entfaltungsschritte zwischen dem normalen und dem mutierten Protein nahezu identisch sind, haben die Forscher die Suche nach der Ursache dieser aggressiven Krankheit eingegrenzt. Sie haben gezeigt, dass der Schlüssel zur Gefahr der Mutation nicht eine allgemeine Schwäche in der Proteinstruktur ist, sondern eine subtile, spezifische Änderung in der Art und Weise, wie es mit seiner Umgebung interagiert, um den Prozess der Zerstörung einzuleiten.