eiwitten spelen een cruciale rol in ons lichaam. het zijn gesofisticeerde moleculaire machines die perfect zijn uitgerust voor hun specifieke opdracht. om hun functionele structuur aan te nemen, moeten ze echter een ingewikkeld vouwingsproces doorlopen. de efficiëntie van dit proces neemt af als we ouder worden. fout gevouwen eiwitten vormen een belangrijke factor bij tal van neurodegeneratieve aandoeningen. binnen deze groep nemen de prionziektes een aparte plaats in.
Prionen en neurodegeneratie (#41)
De oorzaken van eiwitmisvouwing kunnen zowel mutaties zijn in het eiwit zelf, als een vermindering in de cellulaire proteostase
De oorzaken van eiwitmisvouwing kunnen zowel mutaties zijn in het eiwit zelf, als een vermindering in de cellulaire proteostase. Een goed voorbeeld hiervan is cataract, waar het alfacrystaline eiwit misvouwt in de lens van het oog en daar troebele afzettingen vormt die gemakkelijk waarneembaar zijn met het (gezonde) blote oog. Maar ook neurodegeneratieve aandoeningen zoals de ziekte van Alzheimer (AD) en Amyotrofe Laterale Sclerose (ALS), worden gekenmerkt door eiwitafzettingen, ook wel aggregaten genoemd. De aandoeningen verschillen in de weefsels waar de aggregaten worden gevonden, en ook in de identiteit van de aggregerende eiwitten. Bij de ziekte van Alzheimer worden ‘plaques’ van het Azheimer-bèta-peptide buiten de cel gevonden, evenals ‘neurofibrillary tangles’ van het tau-proteïne binnen de cel in het centrale zenuwstelsel. In ALS worden de aggregaten gevonden in de motorneuronen van het perifere zenuwstelsel. De betrokken eiwitten heten hier tdp-43, FUS en SOD1. Een opmerkelijke bevinding is ook dat, hoewel de structuren van de afgezette eiwitten weinig of geen gemeenschappelijke kenmerken in hun functionele, ‘gezonde’ vorm vertonen, ze allemaal een gelijkaardige structuur aannemen in de afgezette aggregaten. Deze structuur wordt met de term ‘amyloïde fibrillen’ benoemd, omdat de eiwitafzettingen bij sterke vergroting een vezelige structuur hebben die aan zetmeel doet denken (in het Latijn amylum) en in microscopische coupes aankleurt met kleurstoffen als congorood. Recent werd de moleculaire architectuur blootgelegd die aanleiding geeft tot de vorming van amyloïde aggregaten, en werd duidelijk dat de meeste eiwitten dergelijke structuren kunnen vormen als de condities gunstig zijn. Dit veranderde onze kijk op de functionele structuur van eiwitten fundamenteel. Waar vroeger werd aangenomen dat de functionele vorm van eiwitten hun meest stabiele vorm was, die ze spontaan aannemen, werd nu duidelijk dat levende cellen voortdurend energie moeten investeren om te vermijden dat hun eiwitten ‘uit vorm’ geraken en de stabielere maar niet-functionele en misschien zelfs toxische amyloïde vorm aannemen.
Binnen de (steeds groeiende) groep van aandoeningen die met eiwitaggregatie in verband worden gebracht, nemen de zogenaamde prionziektes een speciale plaats in. De term ‘prion’ werd in de jaren 1980 bedacht door Stanley Prusiner, als samentrekking van ‘protein infection’. Hij had namelijk de theorie voorgesteld dat een bepaalde groep overdraagbare hersenziektes (de ‘transmissible spongiform encephalopathies’) worden veroorzaakt door overdracht tussen individuen van een foutief gevouwen eiwit. Dit concept was revolutionair, omdat tot dan toe werd aangenomen dat infectieuze ziektes werden veroorzaakt door bacteriën of virussen, die beide genetisch materiaal bevatten dat essentieel werd geacht voor de replicatie van het pathogeen. Prusiner stelde daarentegen dat een foutief gevouwen eiwit, in de amyloïde vorm, via de spijsvertering van het ene individu op het andere kon overgaan en zelfs de hersenen kon bereiken. De infectie bestaat er dan in dat het infecterende eiwit zijn amyloïde vorm opdringt aan de goed gevouwen eiwitten van de gastheer, die daardoor hun functie verliezen en wellicht zelf toxisch worden, met neurodegeneratie tot gevolg.
Tijdens de zogeheten ‘dollekoeiencrisis’ werd duidelijk dat een misgevouwen PrP-eiwit in het beendermeel van runderen kon worden doorgegeven aan de runderen die het aten
Het concept kwam sterk onder de aandacht tijdens de zogeheten ‘dollekoeiencrisis’, waarbij duidelijk werd dat een misgevouwen PrP-eiwit in het beendermeel van runderen kon worden doorgegeven aan de runderen die het aten. Wat paniek veroorzaakte, was de observatie dat de runderversie van de ziekte, BSE genaamd (Bovine Spongiform Encephalopathy), de menselijke ziekte van Creutzfeldt-Jakob (CJD) kon veroorzaken via het eten van besmet rundvlees. Een PrP-eiwit uit de hersenen van runderen bleef dus voortbestaan dankzij de voedselketen en kon zelfs het menselijke PrP-eiwit beïnvloeden. De gebruikelijke voedselveiligheidsvoorzieningen bleken onvoldoende om deze transmissie te verhinderen. Deze en andere observaties leidden ertoe dat Prusiner in 1997 de Nobelprijs voor geneeskunde ontving voor zijn werk rond prionen, hoewel zijn theorie op dat moment nog niet algemeen bewezen werd geacht. Ondertussen is er een vrij brede aanvaarding van het prionconcept. Het is bijvoorbeeld ook duidelijk geworden dat de Kuruziekte, die in de jaren 1950 werd opgemerkt in de Fore-stam in de oostelijke hooglanden van Papoea-Nieuw-Guinea, ook een prionziekte is die veel op Creutzfeldt-Jakob lijkt, omdat de misvouwing van PrP ook hier aan de basis ligt. De bron van het misgevouwen PrP is hier echter niet geïnfecteerd rundvlees, maar wel de hersenen van overleden familieleden die tijdens rituelen werden gegeten. Het is belangrijk om op te merken dat we ondanks al deze vooruitgang, momenteel slechts een zeer beperkt inzicht hebben in hoe prionen werken, welke eigenschappen een eiwit prionogeen maken en vooral hoe we overdracht tussen individuen kunnen voorkomen.
Hoewel het duidelijk is dat prionen een bijzondere subklasse vormen van de amyloïde eiwitten, en dat besmettelijkheid niet bij andere amyloïde ziektes voorkomt, is recent de vraag gerezen of andere amyloïde eiwitten toch niet in beperkte mate en onder specifieke omstandigheden overgedragen zouden kunnen worden. In de voorbije jaren is namelijk het besef gegroeid dat vanuit moleculair standpunt de amyloïde vorm van het PrP-eiwit in Creutzfeldt-Jakob op een aantal punten lijkt op de amyloïde vorm van andere eiwitten in andere aandoeningen. Hierbij gaat het om de neurodegeneratieve ziektes van Alzheimer of Parkinson, maar ook om andere ziektes zoals type II-diabetes, waar het ‘eiland amyloïde eiwit’ aanleiding geeft tot de degeneratie van de eilandjes van Langerhans in de pancreas. Er wordt nu dus onderzocht of andere amyloïde eiwitten beperkt overdraagbaar zouden kunnen zijn. Het ligt voor de hand dat een dergelijk scenario enorme implicaties heeft voor de manier waarop we moeten omgaan met bijvoorbeeld bloedstalen van patiënten die aan dergelijke ziektes lijden. Er is bovendien ook een enorm verschil in prevalentie tussen prionziektes en andere amyloïde ziektes. Terwijl Creutzfeldt-Jakob jaarlijks niet meer dan één persoon op 1 000 000 treft, treft de ziekte van Alzheimer één op acht mensen boven de 65 jaar in de westerse wereld, en type II-diabetes treft één op zeventien mensen.
Dat overdracht mogelijk zou zijn voor bijvoorbeeld het Alzheimer-bètapeptide ligt zeker niet voor de hand. Er zijn immers ook duidelijke verschillen met typische prionen zoals PrP, met name in de aminozuursamenstelling van de betrokken eiwitten. Waar prionen gekenmerkt worden door een aanrijking aan polaire aminozuren, die goed oplosbaar zijn in water, zijn de niet-prionachtige ziektegerelateerde amyloïden sterk aangerijkt aan hydrofobe aminozuren, en zijn ze dus slechts weinig oplosbaar in water. Het is aangetoond dat de aanwezigheid van polaire aminozuren essentieel is voor de efficiëntie van de overdraging van prionen, dus op basis hiervan zou men eerder verwachten dat hydrofobe peptides geen prionogene transmissie tussen individuen zouden vertonen. Het spreekt voor zich dat zo’n belangrijke vraag niet aan giswerk kan worden overgelaten. Recent is er dan ook nogal wat experimenteel werk gepubliceerd over dit onderwerp.
Een eerste type experiment betreft de overdraagbaarheid van eiwitaggregaten tussen cellen die buiten het lichaam in cultuur worden gehouden. Ron Kopito onderzocht bijvoorbeeld polyglutamine-aggregaten, die betrokken zijn in een reeks aandoeningen zoals het Fragile X-syndroom, de ziekte van Huntington en myotone dystrofie. Hij voegde deze aggregaten toe aan neuronale celculturen en toonde aan dat ze door de cellen via een onbekend mechanisme worden opgenomen in het cytoplasma. Vergelijkbare waarnemingen werden gedaan door Eliezer Masliah en Seung-Jae Lee met aggregaten van het alfa-synucleine eiwit, die betrokken zijn bij de ziekte van Parkinson, en door Anne Bertolotti, met aggregaten van SOD1 die bij ALS betrokken zijn. In de eerste studie werden ook bij muizen neuronale stamcellen ingespoten die een fluorescent merkereiwit tot uitdrukking brachten maar geen alfa-synucleine aggregaten. De muizen hadden zelf mutant alfa-synucleine aggregaten in hun hersenen. Via de fluorescente merker konden de ingespoten cellen vier weken later door microscopische analyse worden teruggevonden, en toen bleken ze alfa-synucleine aggregaten te bevatten, die ze dus van hun naburige cellen moeten hebben opgenomen.
Er is een bijzondere groep Parkinsonpatiënten waar de vraag verder post mortem kon worden bestudeerd, omdat ze een experimentele therapie hadden ondergaan waarbij via transplantaties ‘grafts’ waren aangebracht van embryonale neuronen. (Dit gebeurde in de hoop dat ze het verlies aan functie van de eigen neuronen konden compenseren, wat bij een deel van de patiënten ook effectief werkte). Aangezien deze therapie al een vijftiental jaren getest wordt, is intussen ook een aantal patiënten aan andere oorzaken overleden en konden hun hersenen post mortem worden onderzocht. Bij die onderzoeken was het mogelijk de gegrafte embryonale neuronen terug te vinden, en aan te tonen dat ze een periode van meer dan tien jaar in de hersenen van de patiënt hadden overleefd. De vraag of de getransplanteerde neuronen aggregaten van het eigen weefsel van de patiënt hadden opgenomen is minder duidelijk, en de rapporten spreken elkaar hierin tegen. In een studie van Patrick Brundin leken de getransplanteerde neuronen inderdaad te zijn getroffen, maar bij de patiënten van Ole Isacson werd dit niet waargenomen.
Een andere cruciale observatie kwam van de onderzoeksgroep van Mathias Jucker. Die nam een muismodel dat bij middelbare tot hoge leeftijd aggregaten van het eigen A-bètapeptide vertoont, en injecteerde op jonge leeftijd Alzheimer-bètapeptide dat geëxtraheerd was uit de hersenen van Alzheimerpatiënten. Hij merkte op dat de aggregatie van Alzheimer-bètapeptide in de muizen op veel jongere leeftijd voorkwam na injectie van het menselijk extract, wat toont dat de aggregatie versneld werd door het extern ingebrachte materiaal. Een gelijkaardige proef werd gedaan voor het tau-eiwit in een samenwerking tussen de groepen van Michel Goedert en Markus Tolnay. De onderzoekers namen hersenextracten van muizen die een mutante vorm tot uitdrukking brengen die aan aggregatie gevoelig is, en waar tau-aggregatie zeer uitgesproken is. Ze injecteerden die in de hersenen – niet in de bloedbaan – van muizen die het wilde type tau-eiwit uitdrukken en normaal gezien geen tau-aggregatie vertonen. Opnieuw waren de extern toegediende mutante eiwitten in staat om het wilde type in vivo te laten aggregeren, alsof het zelf mutant was.
Die experimenten zijn de recapitulatie in vivo van wat biofysici al lang hadden ontdekt in vitro, namelijk dat de aggregatiereactie bij een homogene oplossing van een correct gevouwen eiwit veroorzaakt kan worden door toevoeging van een kleine hoeveelheid voorgevormde aggregaten van hetzelfde eiwit, die dan ‘zaden’ worden genoemd. Omdat deze eigenschap van aggregatie lijkt te gelden voor alle tot op heden bestudeerde eiwitten, suggereert het in-vivo-experiment dat op zijn minst bij intraveneuse toedieningen nauwlettend moet worden toegezien dat er geen ongewenste aggregaten worden ingespoten. Dit geldt bijvoorbeeld bij het therapeutische gebruik van extern aangemaakte versies van lichaamseigen eiwitten, de zogeheten biosimilairen, waarvan epo en insuline wellicht de meest bekende zijn.
Het ‘infectieuze’ karakter van alle onderzochte amyloïdogene eiwitten is beperkt tot overdracht tussen naburige cellen in vitro of tussen cellen van één individu
Tot op vandaag luidt de conclusie dat het ‘infectieuze’ karakter van alle onderzochte amyloïdogene eiwitten beperkt is tot overdracht tussen naburige cellen in vitro of tussen cellen van één individu. Er is echter geen enkele evidentie voor microbiologische transmissie tussen individuen in een populatie, en er zijn geen epidemieën vastgesteld zoals bij Kuru of BSE. Adriano Aguzzi heeft in die zin de term ‘prionoïdes’ voorgesteld om een onderscheid te maken tussen amyloïden die microbiologisch overdraagbare partikels vormen en de andere amyloïden. Toch kunnen we op basis van de nu beschikbare data niet uitsluiten dat we in de nabije toekomst de status van sommige prionoïde eiwitten moeten verhogen naar dat van het volledige prion.
Adriano Aguzzi en Lawrence Rajendran, ‘The Transcellular Spread of Cytosolic Amyloids, Prions, and Prionoids’, in: Neuron, 2009, 64, 783-790.
Seung-Jae Lee, Paula Desplats, Christina Sigurdson, Igor Tsigelny en Eliezer Masliah, ‘Cell-to-cell transmission of non-prion protein aggregates’, in: Nature Reviews Neurology, 2010, 6, 702-706.
Joost Schymkowitz en Frederic Rousseau zijn als structureel en computationeel biologen verbonden aan VIB – KU Leuven.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License