Prionen - Chemische Feitelijkheden
advertisement
Inhoud Startpagina Prionen 132–1 Prionen door dr. W. J. Gerritsen Tijdschrift Voeding Stichting Voeding Nederland Den Haag 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Inleiding: schapen, koeien en kannibalen Prionen: protein only Prion-eiwitten: in soorten en maten Prionziekten: van buiten af, van binnen uit Prion of virus: een „stammen”strijd Gekke koeien: barrières doorbroken Aanvullende literatuur 20 Chemische feitelijkheden mei 1997 132– 132– 132– 132– 132– 132– 132– 3 4 4 7 8 8 9 tekst/132 Inhoud Startpagina Prionen 1. 132–3 Inleiding: schapen, koeien en kannibalen De term „prion” werd in 1982 door de Amerikaanse biochemicus Stanley Prusiner gelanceerd voor „proteinaceous infectious particle”, een eiwitdeeltje dat zonder DNA of RNA besmettelijk zou kunnen zijn. Dit in tegenstelling tot bekende ziekteverwekkers zoals bacteriën en virussen. De prionhypothese kwam voort uit studies van de schapenziekte scrapie bij hamsters. Deze ziekte leidt tot neurologische afwijkingen en tot de vorming van holten in het hersenweefsel; vandaar de benaming sponsvormige hersenziekte (spongiforme encefalopathie). Verwante vormen van deze ziekte komen ook voor bij de mens, zoals de ziekte van Creutzfeldt-Jakob, genoemd naar de Duitse artsen H. G. Creutzfeldt en A. Jakob, die rond 1920 de eerste patiëntbeschrijvingen publiceerden. De verwantschap ervan met scrapie kwam pas aan het licht nadat een exotische neurologische ziekte onder bewoners van de hooglanden van Nieuw-Guinea de aandacht van wetenschappers had getrokken: kuru of „lachende dood”, voor het eerst beschreven in 1957. Net als scrapie bleek dit een overdraagbare aandoening te zijn, zoals experimenteel met chimpansees werd vastgesteld. Aangenomen wordt dat de slachtoffers de ziekte kregen door kannibalistische rituelen, waarbij hersenen van overledenen werden gegeten. Met de afschaffing van deze rituelen is de ziekte aan het einde van de vijftiger jaren snel verdwenen. Gezien de overeenkomsten in pathologie met kuru werd ook van de ziekte van Creutzfeldt-Jakob de overdraagbaarheid getest en deze kon, eveneens in chimpansees, worden vastgesteld. De aandoening komt echter maar zelden voor – ongeveer één ziektegeval per miljoen personen per jaar – en zou zeker veel minder aandacht hebben getrokken als zich in Groot-Brittannië niet een gelijksoortige ziekte bij runderen had gemanifesteerd: boviene spongiforme encefalopathie (BSE), inmiddels beter bekend als de gekkekoeienziekte. Deze runderziekte werd voor het eerst in november 1987 in Zuid-Engeland geïdentificeerd en leidde in 1996 – meer dan 150.000 gevallen hadden zich inmiddels voorgedaan – tot grote beroering, toen wetenschappers juist in Engeland een nieuwe variant van de ziekte van 20 Chemische feitelijkheden mei 1997 tekst/132 Inhoud Startpagina 132–4 Prionen Creutzfeldt-Jacob op het spoor kwamen. De overdracht van de ziekte van rund naar mens werd daarmee een reeële mogelijkheid, een mogelijkheid die met latere onderzoeksgegevens alleen maar waarschijnlijker is geworden. 2. Prionen: protein only Zoals gezegd vond de prionhypothese zijn oorsprong bij scrapie, een dodelijke ziekte die al zo’n 250 jaar bij schapen bekend is en die naast coördinatiestoornissen ook ernstige jeuk kan veroorzaken, waardoor de beesten hun vacht afschrapen; vandaar de naam „scrapie”. De ziekte bleek met hersen- of ruggenmergmateriaal overgeënt te kunnen worden en filtratie-experimenten wezen op de betrokkenheid van de kleinste soort ziekteverwekkers die bekend was: de virussen. Maar de besmettelijke factor, het scrapie-agens, had bijzondere eigenschappen: het was bestand tegen verhitting, bestraling en chemische behandelingen die de nucleïnezuren DNA en RNA beschadigen, condities die de besmettelijkheid van virussen gewoonlijk aantasten. Behandelingen met eiwitsplitsende enzymen of eiwitdenaturerende chemicaliën deed de infectiviteit wel sterk afnemen. Prusiner en medewerkers isoleerden het scrapie-agens uit hamsterhersenen, zuiverden de eiwitfractie en identificeerden een eiwit met een molecuulgewicht van 27 tot 30.000. De term prionen werd geïntroduceerd om deze klasse van ziekteverwekkers, waarbij nucleïnezuren geen rol leken te spelen, te onderscheiden van virussen. Het eiwit werd PrP gedoopt, voor „prion protein”. Hoe zonder nucleïnezuren in het infecterende deeltje de bij een infectie optredende aanmaak van prion-eiwit werd gestuurd, was nog onduidelijk. 3. Prion-eiwitten: in soorten en maten Nadat een deel van de aminozuurvolgorde van het geïsoleerde prion-eiwit was vastgesteld, kon het gen voor dit eiwit worden gelokaliseerd in het DNA van de hamsters. Ook in de chromosomen van andere zoogdieren, inclusief de mens, werd de aanwezigheid van zo’n gen, het Prnp-gen, nu vastgesteld. Het codeert voor een eiwit 20 Chemische feitelijkheden mei 1997 tekst/132 Inhoud Startpagina Prionen 132–5 dat PrPc is gaan heten (met de c van „cellulair”) en dat voorkomt op de celmembranen van neuronen, vooral in de hersenen, maar ook wel in andere organen zoals het hart en de spieren. Het onderscheidt zich van de infectieuze vorm, die alleen in besmette dieren aanwezig is, doordat het gemakkelijk door eiwitsplitsende enzymen wordt afgebroken. De infectieuze vorm, die wordt aangeduid met PrPsc (sc staat hier voor „scrapie”) is in hoge mate resistent tegen proteolytische afbraak. 0886-077 PrP-gen PrP-mRNA PrP c PrP sc PrP sc Figuur 1. Model voor de vorming van de infectieuze vorm van het prion-eiwit PrPsc uit de cellulaire vorm PrPc. (Bron: C. Weissmann et al.; British Medical Bulletin, 49 (1993); p. 997.) Volgens het gangbare model kan het PrPsc, de infectieuze vorm, een verandering teweegbrengen in het PrPc, waardoor dit overgaat in PrPsc (zie Figuur 1). Door zo’n kettingreactie wordt steeds meer PrPsc gevormd, dat zich ophoopt omdat het ook in de cel niet effectief door afbraak kan worden opgeruimd. Dit model heeft een stevige ondersteuning gekregen met de waarneming dat „knockout” muizen, waarvan met recombinant-DNA-technieken het Prpngen op beide chromosomen was uitgeschakeld, totaal niet meer gevoelig zijn voor infectie. Deze knock-out muizen hebben trouwens nog geen duidelijk zicht gebracht op de functie van PrPc in de cel, 20 Chemische feitelijkheden mei 1997 tekst/132 Inhoud Startpagina 132–6 Prionen omdat geen of slechts subtiele afwijkingen in de muizen werden waargenomen. 0886-078 Figuur 2. Structuurmodellen van de prion-eiwitten PrPc en PrPc. PrPc bestaat vooral uit spiraalvormige gedeelten (a); in PrPsc zijn deze deels opengevouwen (b). Aangenomen wordt dat PrPc overgaat in PrPsc door een verandering in ruimtelijke structuur, de vorm van het eiwitdeeltje. Chemische verschillen tussen de twee fracties zijn nooit gevonden. Er zijn aanwijzingen dat de aminozuurketen in PrPc voor een aanzienlijk deel een spiraalvorm (α-helix) heeft. Zulke spiraalgedeelten zouden kunnen ontvouwen en in een platte structuur (ß-sheet) kunnen overgaan (Figuur 2). Dat PrPc onder invloed van het infectieuze PrPsc kan veranderen in een vorm die, althans wat betreft gevoeligheid 20 Chemische feitelijkheden mei 1997 tekst/132 Inhoud Startpagina Prionen 132–7 voor proteolytische afbraak, sterk lijkt op PrPsc, heeft men inderdaad in reageerbuisproeven kunnen aantonen. 4. Prionziekten: van buiten af, van binnen uit Door injectie van infectieus materiaal, van prionen dus, in de hersenen kunnen scrapie en de menselijke varianten, zoals de ziekte van Creutzfeldt-Jakob, op proefdieren worden overgebracht. Ook is in ruim honderd gevallen een besmetting van patiënten met de ziekte van Creutzfeldt-Jakob door een geneeskundige behandeling gedocumenteerd, met name door behandeling met groeihormoon verkregen uit hersenen en door neurochirurgie met hersenvliesmateriaal. Bij zo’n 15% van de patiënten met de ziekte van Creutzfeldt-Jakob is echter duidelijk sprake van een erfelijke aandoening en dat is ook het geval bij enkele nog zeldzamer voorkomende verwante ziekten (Tabel 1). De verklaring hiervoor is gezocht – en gevonden – in het gen van het prion-eiwit, dat bij de mens ligt op chromosoom 20 en codeert voor 253 aminozuren. In dit gen zijn bij families met de erfelijke ziektevormen een aantal specifieke mutaties aangetroffen. De veronderstelling dat deze mutaties leiden tot een zodanige wijziging in de structuur van het prion-eiwit dat dit spontaan in een ziekteverwekkende vorm kan overgaan, kon worden bevestigd in transgene muizen. In deze muizen, die waren voorzien van een gen met zo’n mutatie, trad inderdaad spontaan een dodelijke scrapie-achtige ziekte op. Tabel 1. Prionziekten van de mens Ziekte van Creutzfeldt-Jakob (CJ) Ziekte van Gerstmann-Sträussler-Scheinker (GSS) Fatale familaire insomnie (FFI) Atypische prion-dementie Kuru Hoe bij andere patiënten de ziekte van Creutzfeldt-Jakob ontstaat, is niet duidelijk. Bij deze zogeheten sporadische gevallen, die optreden zonder aanwijsbare besmetting of erfelijke belasting, zou sprake kunnen zijn van een spontaan optredende mutatie of wellicht van zeldzaam voorkomende spontane veranderingen in een prion-eiwit. 20 Chemische feitelijkheden mei 1997 tekst/132 Inhoud Startpagina 132–8 Prionen Gezien de pathologie die is waargenomen in transgene muizen met een groot aantal extra exemplaren van het prion-eiwitgen, zou ook een verhoogde productie van prion-eiwit eraan kunnen bijdragen. 5. Prion of virus: een „stammen”strijd Hoewel de „protein only”-theorie van Prusiner inmiddels in de wetenschappelijke wereld veel aanhangers heeft gekregen, is zeker nog niet iedereen overtuigd. Zo is het nog niet gelukt om in een reageerbuis PrPc om te zetten in infectieus materiaal. Maar vooral vanwege het bestaan van „stammen”, veronderstellen sommige wetenschappers nog steeds dat het om een virus gaat. Deze stammen – voor scrapie wel zo’n 20 – laten in muizen reproduceerbaar grote verschillen zien in incubatietijd en veranderingspatroon in de hersenen. Toch zijn er inmiddels ook aanwijzingen dat bij zulke stammen wel hetzelfde PrPsc betrokken zou kunnen zijn, met alleen een andere ruimtelijke structuur. Zulke slechts in vorm van elkaar verschillende infectieuze eiwitten zouden het fenomeen van de stammen kunnen verklaren zonder dat daar DNA of RNA bij betrokken is, zoals dat bij mutanten van een virus het geval is. 6. Gekke koeien: barrières doorbroken De grootschalige verspreiding van de gekkekoeienziekte BSE in Groot-Brittannië – in 1992 en 1993 waren er meer dan 40.000 gevallen per jaar – is veroorzaakt door infectie van het veevoer met slachtafval. Men neemt aan dat veranderingen in de processen bij de verwerking van dit afval er de oorzaak van zijn geweest dat infectieus materiaal, vermoedelijk van schapen met scrapie, rond 1980 in het veevoer is terecht gekomen. In 1988, ruim anderhalf jaar na de eerste BSE-gevallen, is het toevoegen van slachtafval aan het voer voor koeien verboden. Van een verband tussen het optreden van scrapie bij schapen en de ziekte van Creutzfeldt-Jakob bij de mens is nooit iets gebleken, ook niet bij bevolkingen waar het eten van schapenhersenen gebruikelijk 20 Chemische feitelijkheden mei 1997 tekst/132 Inhoud Startpagina Prionen 132–9 is. Zo’n barrière tussen soorten is terug te voeren op verschillen in de prion-eiwiten. Het prion-eiwit van het schaap wijkt op 30 posities van de aminozuurketen af van dat van de mens, maar slechts op 7 van dat van de koe. Een overdracht van schaap op koe ligt dan ook meer voor de hand dan van schaap op mens. Uit epidemiologische waarnemingen werd in eerste instantie geconcludeerd dat infectie van de mens door de koe niet zo waarschijnlijk was. Experimenten met transgene muizen, voorzien van het gen van het menselijk prion-eiwit, steunden deze conclusie. Toch lijkt het erop dat ook de barrière naar de mens doorbroken is. Van een nieuwe vorm van de ziekte van Creutzfeldt-Jakob bij tien Britse patiënten – met jongere leeftijd en met afwijkende veranderingen in de hersenen – is een opmerkelijke overeenkomst aangetoond met BSE ten aanzien van het patroon van eiwitfragmenten dat bij proteolytische afbraak uit PrPsc ontstaat. Het is dan ook duidelijk dat BSE en gekke koeien uit de menselijke voedselketen zullen dienen te verdwijnen. 7. Aanvullende literatuur – S.B. Prusiner, „The prion diseases”; Scientific American (January 1995); pp. 30-37. W. A. van Gool e.a., „Prionziekten: een nieuwe klasse neurodegeneratieve aandoeningen”; Ned. Tijdschr. Geneeskd. 139 (1995); pp. 606-613. W. J. Gerritsen, „Ziekte van Creutzfeldt-Jakob via BSE?”; Voeding 57, 5 (1996); pp. 10-11. D. P. W. M. Wientjes e.a., „Spongiforme encefalopathie bij rund en mens”; Ned. Tijdschr. Geneeskd. 140 (1996); pp. 12521254. R. Mestel, „Putting prions to the test”; Science 273 (1996); pp. 184-189. A. Aguzzi en C. Weissmann, „A suspicious signature”; Nature 383 (1996); pp. 666-667. – – – – – 20 Chemische feitelijkheden mei 1997 tekst/132 Inhoud Startpagina 132–10 Prionen Dankbetuiging Figuur 2. is overgenomen uit „Trends in Biochemical Sciences”, vol. 21, december 1996 (252), S. B. Brusiner, molecular biology and pathogenesis of prion diseases, pp. 482-487 (1996), met vriendelijke toestemming van Elsevier Science-NL, Sara Burgerhartstraat 25, 1055 KV Amsterdam 20 Chemische feitelijkheden mei 1997 tekst/132
