Die zelluläre Form PrP C

Bei der zellulären Form des Prion Proteins, PrP^C, handelt es sich um ein 207 Aminosäuren großes, monomeres Glykoprotein, das eine Disulfidbrücke besitzt und über einen GPI-Anker mit der Zelloberfläche verbunden ist (Abb. 1.1).

N S Oktarepeat

Signalpeptid

GPIAnker -Signalpeptid

stellen

1 23 91 179 214 230 253

N S 51

Disulfidbrücke

Cu(II) Cu(II)

Cu(II)

Cu(II)

S1 S2

H1 H2 H3

Cu(II)

Cu(II)

Abb. 1.1) Die Primärstruktur des humanen Prion Proteins (PrP^C)

Über einen Glykosylphosphatidylinositol (GPI) - Anker ist das zelluläre PrP mit der Zelloberfläche verknüpft.

Das aminoterminale Signalpeptid (AS 1-22) dient dem Eintritt in das Endoplasmatische Retikulum und wird vor dem Erreichen der Zelloberfläche abgespalten. Das carboxyterminale Signalpeptid vermittelt die Anknüpfung des GPI-Ankers an Serin 230 (Nummerierungsschema des humanen Prion Proteins) und wird im Zuge der Reaktion entfernt. Die Oktarepeat-Region (AS 51-91) enthält fünf Sequenzwiederholungen und kann bis zu vier Cu(II) - Ionen binden. Zwei weitere Cu(II)-Ionen können im Bereich His 96 bis His 111 gebunden werden. Eine Glykosylierung kann an einem, beiden oder keinem der Asparagine Asn 181 & Asn 197 erfolgen. Der vergrößerte Ausschnitt zeigt den globulären Bereich von PrP^C (AS 125-228) und dessen topologischen Aufbau aus den beiden antiparallelen β-Faltblattsträngen S1 und S2, sowie den Helices H1, H2 und H3. Die Cysteine 179 und 214 bilden eine Disulfidbrücke zwischen den Helices H2 und H3.

Die Struktur des löslichen Prion Proteins aus verschiedenen Säugern konnte mittels magnetischer Kernresonanz (NMR) - Spektroskopie aufgeklärt werden. Nachdem die Strukturen des Prion Proteins aus Maus (Riek et al., 1997) und Goldhamster (Donne et al., 1997) vorlagen, folgten im Jahr 2000 die des Menschen (Zahn et al., 2000) und die des Rinds (López Garcia et al., 2000). Die 2004 für das Schaf veröffentlichte Struktur (Haire et al., 2004) stellt die erste mit Röntgenkristallographie gelöste PrP^C-Struktur dar. Mittlerweile veröffentlichte die Gruppe von Prof. Dr. K. Wüthrich die Strukturen für PrP^C der Mammalia Elch, Hund, Katze, Schwein und Schaf, sowie für Huhn, Frosch und Schildkröte, die alle eine gleiche Faltung aufweisen (Lysek et al., 2005; Gossert et al., 2005; Calzolai et al., 2005).

Der hohen Sequenzhomologie folgend, zeigt der Vergleich der Strukturen von Prion Proteinen aus verschiedenen Säugern nur geringe strukturelle Unterschiede. Der Aufbau des Volllängen - Prion Proteins kann in einen hoch flexiblen, ungeordneten N-Terminus und eine

aminoterminale Domäne mit globulärer Struktur gegliedert werden. Die globuläre Domäne (AS 125-228) ist aus drei α-Helices (Reste 144-154, 173-194 und 200-228) und einem kurzen antiparallelen β-Faltblatt aus den zwei Strängen 128-131 und 161-164 aufgebaut.

Die aminoterminale Domäne hat keinen signifikanten Einfluss auf die dreidimensionale Faltung des C-Terminus, was aus Strukturvergleichen mit aminoterminal verkürzten Prion-Konstrukten hervorgeht. Lediglich in wenigen Bereichen der Strukturen gibt es Anzeichen für Kontakte, die sich auf transiente Wechselwirkungen zwischen dem flexiblen N-Terminus und der globulären Domäne reduzieren lassen. Für die Konformation der Helix-Abschnitte 187-193 und 219-226 konnte gezeigt werden, dass sie in geringem Maß von der Länge der aminoterminalen Polypeptidkette abhängig sind. Im Fall des vollständigen Prion Proteins ist der α-helikale Anteil in diesen Bereichen größer als in C-terminalen Fragmenten (Zahn et al., 2000).

Lokale Variationen der PrP-Struktur sind speziesabhängig in exponierten Bereichen zu beobachten und werden als Ursache für Einschränkungen in der Übertragbarkeit von Prionerkrankungen zwischen verschiedenen Spezies verantwortlich gemacht (Billeter et al., 1997; Prusiner, 1998). Dies ist vor allem im Kontext der Übertragbarkeit von BSE und vCJK von Bedeutung, da die Strukturen aus Mensch und Rind kaum solche Unterschiede aufweisen (López Garcia et al., 2000).

Obwohl die Sequenz des Prnp-Gens hochkonserviert ist (Wopfner et al., 1999), was auf eine zelluläre Funktion hinweist, ist diese bis heute nicht bekannt. Experimente mit Knock-out-Mäusen (Prnp^0/0), die zu diesem Zweck durchgeführt wurden, blieben weitgehend ohne Befund (Martins et al., 2001). Dies deutet darauf hin, dass dem Prion Protein eine redundante oder eine nicht beobachtete Funktion zukommt. Im Zuge von Arbeiten über die Bedeutung des Prion Proteins für die Neuritenentwicklung wurde die Möglichkeit diskutiert, dass ein Funktionsverlust in Knock-out-Tieren über Integrine kompensiert werden könnte (Santuccione et al., 2005; Hajj et al., 2007).

Aus der experimentellen Beobachtung, dass das zelluläre Prion Protein zweiwertige Kupferionen binden kann (Cereghetti et al., 2001), ergibt sich die mögliche Funktion eines Cu(II)-Transportproteins oder eines Regulators im Kupferhaushalt, verbunden mit dem Schutz vor oxidativem Stress (Brown, 2001). Bis zu vier Cu(II)-Ionen können von der Oktarepeat-Region gebunden werden, einem Bereich, der beim Menschen fünf Wiederholungen des PHGGGWGQ-Motivs aus acht Aminosäuren enthält, wobei die erste Kopie um eine Aminosäure verlängert ist (Goldfarb et al., 1991). Parallel hierzu kann ein Bereich um die Histidine 96 und 111 ebenfalls Cu(II) binden (Jackson et al., 2001). Die

Affinität wird allerdings durch die Anwesenheit der Oktarepeats gesenkt (Thompsett et al., 2005). Die Möglichkeit der Bindung von Cu(II) teilt das Prion Protein mit dem Protein Doppel, welches eine Sequenz- und Strukturhomologie zu PrP^C aufweist (Lührs et al., 2003), dessen Funktion aber auch ungeklärt ist (Qin et al., 2003). Des Weiteren konnte für PrP^C eine Bindung von Mangan beobachtet werden, wobei sich der Bindungsmechanismus des Proteins für die beiden Schwermetalle unterscheidet (Tsenkova et al., 2004).

Bisher wurden nur wenige Bindungspartner des Prion Proteins identifiziert. Hierunter befinden sich die C-terminale SH3-Domäne von Grb2 (Spielhaupter & Schätzl, 2001; Lysek

& Wüthrich, 2004) und neurale Zelladhäsionsmoleküle (N-CAMs) (Schmitt-Ulms et al., 2001). Ebenso konnte die Bindung des stressinduzierbaren Proteins 1 (STI1) an den Bereich 113-128 des PrP^C (Zanata et al., 2002) nachgewiesen werden. Diese Region gehört bereits zum flexiblen N-Terminus des Prion Proteins und enthält ein hochkonserviertes, alaninreiches Motiv (A113GAAAAGA120).

PrP^C besitzt außerdem die Fähigkeit, das extrazelluläre Matrix-Glykoprotein Laminin zu binden, was einen weiteren Ansatz für eine zelluläre Funktion darstellt. Da Laminin bei der Bindung an Integrine zelluläre Vorgänge wie Proliferation, Differenziation, Migration und Apoptose beeinflusst, misst man der Bindung der Laminin-γ-1-Kette eine entsprechend hohe Bedeutung bei der pathogenen Transkonformation des Prion Proteins zu (Graner et al., 2000).

PrP^C interagiert des Weiteren mit dem 37-kDa/67-kDa Lamininrezeptor-Vorläuferprotein (LRP), eine Eigenschaft, die auch für Doppel beobachtet werden konnte (Yin et al., 2004).

Diese Interaktion ist essenziell für die Propagation von PrP^Scin Zellkulturen (Leucht et al., 2003).

Von Bedeutung scheint das LRP ebenfalls bei der Internalisierung von PrP^C zu sein. Diese erfolgt über Vesikel, wobei ein großer Anteil nicht degradiert wird und in das Plasmalemma zurückkehrt (Martins, 2002).