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

Prionziekten behoren tot de meest raadselachtige en dodelijke aandoeningen die bekend zijn in de geneeskunde. Ze vallen de hersenen aan, wat leidt tot een snelle achteruitgang en de dood, maar ze worden niet veroorzaakt door een virus of een bacterie. In plaats daarvan is de boosdoener een verkeerd gevouwen eiwit. In een gezond lichaam bestaat er een eiwit genaamd PrP dat een normale, gevouwen vorm heeft. Bij ziekte vervormt ditzelfde eiwit tot een rigide, abnormale vorm die bekend staat als PrPSc. Deze abnormale versie werkt als een mal, die andere normale eiwitten dwingt om in dezelfde schadelijke vorm te vervormen, wat een kettingreactie creëert die het hersenweefsel vernietigt. Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd te begrijpen hoe deze transformatie precies gebeurt. Ze kennen de uiteindelijke, rigide vorm van het ziekteveroorzakende eiwit, maar ze kunnen het moment niet zien waarop het gezonde eiwit besluit te veranderen. Het centrale mysterie is hoe een stabiel, gevouwen eiwit kan worden bewogen om net genoeg te ontvouwen om door de ziektemal te worden herschapen.

Een team onderzoekers in Spanje en Frankrijk heeft een nadere blik geworpen op dit proces, waarbij zij zich concentreerden op een specifieke genetische mutatie genaamd E200K. Deze mutatie is de meest voorkomende oorzaak van erfelijke prionziekte bij mensen, maar het presenteert zich als een paradox. Het eiwit dat deze mutatie draagt, is slechts iets minder stabiel dan de normale versie, en de algehele vorm ziet er bijna identiek uit. Ondanks dit kleine verschil ontwikkelen mensen met de mutatie de ziekte met een angstaanjagende snelheid en zekerheid. De onderzoekers wilden weten of deze minuscule verandering in de structuur van het eiwit het makkelijker maakte om te ontvouwen, wat zou verklaren waarom de ziekte zo agressief zich verspreidt. Ze gebruikten een model-eiwit van de bankvol, een dier dat bekend staat als uitzonderlijk vatbaar voor prionziekten, om het gedrag van zowel het normale eiwit als het E200K-mutant onder gecontroleerde omstandigheden te bestuderen.

De wetenschappers onderwierpen beide versies van het eiwit aan stijgende temperaturen, waarbij ze nauwlettend observeerden welk deel van het molecuul als eerste zou loslaten. Ze wisten dat voor de verspreiding van de ziekte, het rigide, gevouwen deel van het gezonde eiwit tijdelijk moet ontvouwen om op het oppervlak van de ziektemal te passen. Met behulp van geavanceerde beeldvormingstechnieken die de beweging van individuele atomen volgen, brachten ze nauwkeurig in kaart hoe het eiwit zich gedroeg wanneer het werd verhit. Ze ontdekten dat de allereerste stap in het ontvoldingsproces in essentie hetzelfde was voor zowel het normale eiwit als het mutant. In beide gevallen was een specifiek segment nabij het begin van de gevouwen regio, ongeveer tussen de posities 121 en 140, het meest waarschijnlijk om los te raken en flexibel te worden. Dit bevestigde dat de mutatie de fundamentele route die het eiwit aflegt wanneer het begint uit elkaar te vallen, niet verandert.

Het verhaal eindigde echter niet daar. Hoewel het startpunt hetzelfde was, gedroegen de twee eiwitten zich anders naarmate de hitte toenam. Het normale eiwit begon, wanneer het werd verhit tot ongeveer 50 graden Celsius, samen te klonteren tot grote, kleverige groepen die niet gemakkelijk terugkeerden naar hun oorspronkelijke vorm. Het mutant eiwit was verrassend genoeg meer resistent tegen deze permanente klontering. Wanneer de onderzoekers het mutant verhitten tot 75 graden Celsius en het daarna lieten afkoelen, keerde een veel groter deel ervan terug naar zijn oorspronkelijke, gezonde staat vergeleken met de normale versie. Sterker nog, het mutant vormde veel minder van deze grote, kleverige groepen dan het normale eiwit onder dezelfde omstandigheden. Dit suggereert dat de E200K-mutatie het eiwit niet makkelijker laat ontvouwen op een manier die helpt bij de verspreiding zodra een ziektemal al aanwezig is.

De onderzoekers testten ook of het mutant eiwit eerder spontaan in de ziektevorm zou veranderen zonder enige externe hulp. Ze plaatsten het eiwit in een oplossing die ontworpen was om deze spontane verandering te stimuleren en keken of het uit zichzelf zou transformeren. De resultaten waren duidelijk: het mutant eiwit veranderde niet vaker in de ziektevorm dan het normale eiwit deed. Beide versies gedroegen zich bijna identiek in deze test, waarbij slechts een klein fractie van elk de schadelijke vorm aannam. Deze bevinding sluit het idee uit dat de E200K-mutatie het eiwit simpelweg inherent instabiel of vatbaar maakt voor spontane fouten.

Dus, als de mutatie het eiwit niet makkelijker laat ontvouwen of meer vatbaar maakt voor spontane misvouwen, waarom veroorzaakt het dan een dergelijke verwoestende ziekte? De auteurs suggereren dat het antwoord ligt in de specifieke manier waarop de mutatie het oppervlak van het eiwit verandert. De verandering van een negatief geladen aminozuur naar een positief geladen aminozuur creëert plekken van elektrische lading op het oppervlak van het eiwit die niet aanwezig zijn in de normale versie. Hoewel de algehele vorm stabiel blijft, zouden deze elektrische plekken het eiwit in staat stellen om anders te interageren met andere moleculen of cofactoren in het lichaam die nodig zijn om het transformatieproces te starten. De mutatie maakt het eiwit misschien niet makkelijker uit elkaar te laten vallen, maar het zou het veel waarschijnlijker kunnen maken om de specifieke helpers te grijpen die nodig zijn om de transformatie te beginnen.

De studie benadrukt een cruciaal onderscheid in hoe prionziekten werken. Er is de initiële, spontane gebeurtenis waarbij een gezond eiwit voor het eerst in de ziektevorm verandert, en er is de daaropvolgende propagatie waarbij die ziektevorm andere gezonde eiwitten dwingt om te veranderen. De E20K-mutatie lijkt weinig effect te hebben op de tweede fase, de verspreiding van de ziekte zodra deze is begonnen. In plaats daarvan komt de kracht waarschijnlijk voort uit de eerste fase, misschien door het eiwit aantrekkelijker te maken voor de cellulaire factoren die de initiële verandering triggeren. Door aan te tonen dat de vroege ontvoldingsstappen bijna identiek zijn tussen de normale en de mutant eiwitten, hebben de onderzoekers de zoektocht naar de oorzaak van deze agressieve ziekte vernauwd. Ze hebben aangetoond dat de sleutel tot het gevaar van de mutatie niet een algemene zwakte in de structuur van het eiwit is, maar een subtiele, specifieke verandering in hoe het interageert met zijn omgeving om het proces van vernietiging te beginnen.