NR AUCT
AU Piening,N.; Nonno,R.; Di Bari,M.A.; Walter,S.; Windl,O.; Agrimi,U.; Kretzschmar,H.A.; Bertsch,U.
TI Conversion efficiency of bank vole prion protein in vitro is determined by residues 155 and 170, but does not correlate with the high susceptibility of bank voles to sheep scrapie in vivo
QU The Journal of Biological Chemistry 2006 Apr 7; 281(14): 9373-84
PT journal article
AB The misfolded infectious isoform of the prion protein (PrPsc) is thought to replicate in an autocatalytic manner by converting the cellular form (PrPc) into its pathogenic folding variant. The similarity in the amino acid sequence of PrPc and PrPsc influences the conversion efficiency and is considered as the major determinant for the species barrier. We performed in vitro conversion reactions on wild-type and mutated PrPc to determine the role of the primary sequence for the high susceptibility of bank voles to scrapie. Different conversion efficiencies obtained with bank vole and mouse PrPc in reactions with several prion strains were due to differences at amino acid residues 155 and 170. However, the conversion efficiencies obtained with mouse and vole PrPc in reactions with sheep scrapie did not correlate with the susceptibility of the respective species to this prion strain. This discrepancy between in vitro and in vivo data may indicate that at least in the case of scrapie transmission to bank voles additional host factors can strongly modulate the species barrier. Furthermore, in vitro conversion reactions with different prion strains revealed that the degree of alteration of the conversion efficiency induced by amino acid exchanges was varying according to the prion strain. These results support the assumption that the repertoire of conformations adopted by a certain PrPc primary sequence is decisive for its convertibility to the strain-specific PrPsc conformation.
IN
In der Einleitung ihres Artikels werfen Piening et al. die Frage auf, ob nicht wilde Nager wie beispielsweise die auch auf Schafweiden lebenden Feldmäuse aufgrund ihrer hohen Empfänglichkeit für Schaf-Scrapie ein Reservoir für Scrapie sein könnten.
Hirnhomogenate von 3 Scrapie-kranken Schafen ließen alle 33 damit intrazerebral inokulierten Rötelmäuse (Rötel- oder Waldwühlmaus, Clethrionomys glareolus) erkranken. Je nach Spenderschaf ermittelten Piening et al. durchschnittliche Inkubationszeiten von 199, 200 bzw. 236 Tagen.
Hirnhomogenate von 2 Scrapie-kranken Schafen infizierten nur 4 von 19 damit intrazerebral inokulierten C57Bl-Hausmäusen und keine einzige erkrankte.
Hirnhomogenat eines Scrapie-kranken Schafes infizierte bei einer Beobachtungszeit von bis zu 608 Tagen keinen einzigen von 8 Goldhamstern.
Hirnhomogenat einer Scrapie-kranken Ziege ließ alle 6 damit intrazerebral inokulierten Rötelmäuse (Rötel- oder Waldwühlmaus, Clethrionomys glareolus) mit einer durchschnittlichen Inkubationszeit von 187 Tagen erkranken.
Hirnhomogenat einer Scrapie-kranken Ziege infizierte nur 1 von 8 damit intrazerebral inokulierten C57Bl-Hausmäusen und keine einzige erkrankte.
Hirnhomogenat einer Scrapie-kranken Ziege infizierte keinen einzigen von 10 damit intrazerebral inokulierten Goldhamstern.
Hirnhomogenat einer ME7-Scrapie-kranken Hausmaus ließ alle 7 damit intrazerebral inokulierten Rötelmäuse (Rötel- oder Waldwühlmaus, Clethrionomys glareolus) mit einer durchschnittlichen Inkubationszeit von 230 Tagen erkranken.
Hirnhomogenat einer ME7-Scrapie-kranken Hausmaus ließ alle 22 damit intrazerebral inokulierten C57Bl-Hausmäuse mit einer durchschnittlichen Inkubationszeit von 169 Tagen erkranken.
Hirnhomogenat eines 263K-Scrapie-kranken Hamsters ließ alle 12 damit intrazerebral inokulierten Rötelmäuse (Rötel- oder Waldwühlmaus, Clethrionomys glareolus) mit einer durchschnittlichen Inkubationszeit von 195 Tagen erkranken.
Hirnhomogenat eines 263K-Scrapie-kranken Hamsters ließ alle 7 damit intrazerebral inokulierten Goldhamster mit einer durchschnittlichen Inkubationszeit von 79 Tagen erkrankten.
Piening et al. klonierten die kodierenden Regionen der Prionproteingene von Hamster, Hausmaus und Rötelmaus in Plasmide, die eine Expression der Prionproteine in Zellkulturen von Säugerzellen erlaubten. Vom Prionprotein der Rötelmaus erzeugten sie durch gezielte Mutagenese 5 Zwischenformen zwischen den Prionproteinen von Hausmaus und Rötelmaus. Durch Zugabe Methionin und Cystein mit jeweils einem radioaktiven Schwefelisotop markierten sie die in Zellkultur exprinmierten Prionproteine. Diese Palette markierter Prionproteine PrPc mischten sie in vitro mit PrPsc verschiedener Erregerstämme, die aber alle zuletzt dreimal in Rötelmäusen passagiert worden waren. Wenig überraschend konnten sie so in vitro zeigen, dass jede Variante des Prionproteins PrPc von jedem Rötelmaus-passagierten Erregerstamm mit einer anderen Effizienz in PrPsc umgewandelt wird. Umgekehrt unterschieden sich auch die Umwandlungsgeschwindigkeiten aller PrPc-Varianten nach Zugabe eines PrPsc-Typs. Die eingeführten Mutationen im Prionprotein der Rötelmaus reduzierten dessen Neigung zur Umfaltung zu PrPsc in Abhängigkeit vom dafür benutzten PrPsc-Stamm sehr unterschiedlich. Es gab sogar eine Kombination von mutiertem Rötelmaus-Prionprotein PrPc und Rötelmaus-PrPsc, bei der die Umfaltung noch etwas besser zu funktionieren schien, als bei der Kombination des nicht mutierten Rötelmaus-Prionproteins PrPc mit dem Rötelmaus-PrPsc. Die Höhe der Speziesbarriere hängt also nicht einfach von der Ähnlichkeit der Sequenzen von PrPc und PrPsc, sondern von der strukturellen Kompatibilität zwischen PrPc und der jeweiligen PrPsc-Raumstruktur ab. Die an den Positionen 155 und 170 eingeführten Mutationen wirkten sich auch nicht generell auf die Umwandlungsfähigkeit des PrPc aus, denn die mutierten PrPc wurden von einigen PrPsc-Stämmen langsamer, von anderen PrPsc-Stämmen jedoch schneller als das normale Rötelmaus-PrPc umgewandelt. Offenbar hat einfach jedes PrPc in Abhängigkeit von seiner Aminosäuresequenz ihr eigenes Spektrum von PrPsc-Konformationen, in welche es mehr oder weniger leicht umgefaltet werden kann.
Mit den Prionenstämmen ME7, 263K und Rinder-BSE fanden die Autoren in vitro eine gute Übereinstimmung zu in vivo durchgeführten Übertragungsexperimenten. Bemerkenswert ist aber eine Diskrepanz zwischen den bekannten Speziesbarrieren bei in vivo durchgeführten Übertragungsexperimenten und einem weiteren in vitro durchgeführten Umwandlungsexperiment. Während die Rötelmaus in vivo effizienter als die Hausmaus mit Scrapie infiziert wird und resistent gegen BSE-Infektionen ist, wurde in vitro das PrPc der Rötelmaus durch BSE-Prionen ebenso wenig effizient wie durch Scrapie-Prionen umgewandelt und in beiden Fällen funktionierte die Umwandlung mit dem Prionprotein der Hausmaus erheblich besser. Demnach hängt die Höhe der Speziesbarriere nicht nur von den Kompatibilitäten von PrPc und PrPsc, sondern auch von anderen wirtsspezifischen Faktoren ab. Die Speziesbarriere beruht ja auch nicht nur auf der Umwandlungsgeschwindigkeit von PrPc zu PrPsc, sondern kann durch viele Faktoren von der Wirkung des Verdauungssystems auf die Prionen bis hin zur Zielzellenspezifität eines Erregerstammes beeinflusst werden.
Nebenbei lieferten die in vitro Umwandlungen von Piening et al. ein weiteres Beispiel für extrem unterschiedliche Umwandlungseffizienzen bei zwei verschiedenen Prionproteinen in Abhängigkeit davon, welches Prionprotein jeweils als PrPc bzw. PrPsc eingesetzt wurde. Während Rötelmaus-PrPsc das Hamster-PrPc nur sehr langsam umwandelte, funktionierte die Umwandlung von Rötelmaus-PrPc durch Hamster-PrPsc des Erregerstammes 263K sogar besser als die Umwandlung von Hamster-PrPc. Zumindest in vitro gibt es also auch negative Speziesbarrieren.
Insgesamt schlagen die Autoren aufgrund ihrer Ergebnisse vor, den Begriff Speziesbarriere durch den passenderen Begriff Übertragungsbarriere zu ersetzen.
MH Amino Acid Sequence; Animals; Arvicolinae/*physiology; Disease Susceptibility; Mice; Molecular Sequence Data; PrPc Proteins/*chemistry; PrPsc Proteins/*chemistry; *Protein Conformation; Research Support, Non-U.S. Gov't; Scrapie/*transmission; Sheep
AD Niklas Piening, Stephanie Walter, Hans A. Kretzschmar, Uwe Bertsch (Uwe.Bertsch@med.uni-muenchen.de), Zentrum für Neuropathologie und Prionforschung, Ludwig-Maximilians-Universität, Feodor-Lynen-Strasse 23, 81377 Munich, Germany; Romolo Nonno, Michele Di Bari, Umberto Agrimi, Instituto Superiore di Sanità, 00161 Rome, Italy; Otto Windl, TSE Molecular Biology Department, Veterinary Laboratories Agency, Weybridge New Haw, Addlestone Surrey KT15 3NB, United Kingdom
SP englisch
PO USA