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In dieser Hinsicht verhalten sie sich, obwohl ihnen DNA und RNA fehlen, ähnlich wie Viren, indem sie ausgeprägte, sich selbst erhaltende Strukturmutationen hervorbringen, die einen klaren evolutionären Vorteil darstellen.

Die Studie wurde diese Woche in der Online Early Edition der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

„Wir haben herausgefunden, dass sich die Eigenschaften eines bestimmten Prionenstammes, wenn er von Gehirnzellen auf eine andere Zelllinie übertragen wird, allmählich verändern, so dass eine Stammvariante entsteht, die besser an die neue zelluläre Umgebung angepasst ist“, sagte Dr. Charles Weissmann, Dr. Charles Weissmann, Leiter der Abteilung für Infektiologie von Scripps Florida, der die Studie leitete. „Wenn dieselben Prionen anschließend auf eine andere Zelllinie übertragen werden, verändern sie sich erneut und passen sich an diese neuen Wirtszellen an. Und wenn sie ins Gehirn zurückkehren, nehmen die Prionen allmählich ihre ursprünglichen Eigenschaften wieder an. Wir fanden physikalische Beweise dafür, dass sich zumindest in einem Fall die Faltung des Prions änderte, als sich seine Eigenschaften änderten.“

Darwinistische Evolution ohne DNA

Diese neuen Erkenntnisse kommen etwa ein Jahr nachdem Weissmann und Kollegen in der Ausgabe vom 1. Januar 2010 der Zeitschrift Science eine Studie veröffentlicht hatten, die zeigte, dass Prionen zu einer darwinistischen Evolution fähig sind.

Diese frühere Studie zeigte auch, dass Prionen eine große Anzahl von Mutationen entwickeln können und dass diese Mutationen zu evolutionären Anpassungen wie Arzneimittelresistenz führen können, ein Phänomen, das bisher nur bei Bakterien und Viren bekannt war. Diese Studie deutet auch darauf hin, dass das normale Prionprotein – das natürlicherweise in Säugetierzellen vorkommt – sich als wirksameres therapeutisches Ziel erweisen könnte als seine abnorme toxische Verwandtschaft.

„Da Prionen sich an veränderte Umgebungen anpassen können, wird es nun klar, dass es schwieriger sein wird als ursprünglich angenommen, Medikamente zu finden, die gegen sie wirken“, sagte Weissmann. „Aber wenn man ein Medikament entwickeln könnte, das die Bildung des normalen Prionproteins hemmt, könnte man die infektiösen Prionen im Wesentlichen aushungern und sie an der Vermehrung hindern. Dieser Behandlungsansatz ist zwar technisch anspruchsvoll, aber durchaus denkbar, denn wie wir bereits gezeigt haben, ist der Entzug von PrP nicht gesundheitsschädlich – zumindest nicht für Mäuse.“

Faltung und Fehlfaltung

Prionen, die ausschließlich aus Eiweiß bestehen, werden in verschiedene Stämme eingeteilt, die sich durch ihre Inkubationszeit und die von ihnen verursachte Krankheit auszeichnen. Zu den durch Prionen verursachten Krankheiten gehören neben BSE/Mad Cow Disease bei Rindern auch Scrapie bei Schafen, Chronic Wasting Disease bei Hirschen und die Variante der Creutzfeldt-Jakob-Krankheit beim Menschen. Prionen sind in der Lage, sich zu vermehren, obwohl sie kein Nukleinsäuregenom enthalten.

Säugetierzellen produzieren normalerweise zelluläres Prionprotein oder PrPC. Während der Infektion wandelt ein abnormales oder fehlgefaltetes Protein – bekannt als PrPSc – das normale Wirtsprionprotein in seine toxische Form um, indem es seine Konformation oder Form verändert. Das Endstadium besteht aus großen Blättern (Polymeren) dieser fehlgefalteten Proteine, die massive Gewebe- und Zellschäden verursachen.

„Das infektiöse Prionprotein kann sich auf unterschiedliche Weise falten, und je nach Faltung entsteht ein anderer Prionenstamm“, so Weissmann. „Solange Prionen im selben Wirt gehalten werden, behalten sie ihre charakteristische Faltung bei, so dass sich die Stämme richtig fortpflanzen.“

Wenn sich Prionen jedoch vermehren, wird diese Faltung nicht immer korrekt reproduziert, so dass eine Prionenpopulation viele Varianten enthält, wenn auch auf niedrigem Niveau.

Die neue Studie ergab, dass sich eine der Varianten schneller replizieren kann, wenn eine Prionenpopulation auf einen anderen Wirt übertragen wird – ein evolutionärer Vorteil – und zum dominanten Stamm wird. Diese neue Population enthält auch Varianten, von denen eine gegenüber anderen selektiert werden kann, wenn sie auf einen anderen Wirt übertragen wird.

„Das Ergebnis ist, dass Prionen, obwohl sie kein genetisches Material besitzen, sich ähnlich wie Viren und andere Krankheitserreger verhalten, indem sie mutieren und einer evolutionären Selektion unterliegen können“, so Weissmann. „

Vielfältig und doch verwandt

Die neue Studie legt nahe, dass Prionenpopulationen eine „Quasi-Spezies“ bilden, die RNA-Viren und Retroviren wie Grippeviren und HIV ähnelt.

Die Idee einer Quasi-Spezies wurde erstmals von Manfred Eigen entwickelt, einem deutschen Biophysiker, der 1967 den Nobelpreis für Chemie erhielt. Im Grunde genommen ist eine Quasi-Spezies eine komplexe, sich selbst erhaltende Population von verschiedenen und verwandten Entitäten, die als Ganzes agieren. Weissmann war es jedoch, der 1978 die erste Bestätigung der Theorie durch die Untersuchung eines bestimmten Bakteriophagen – eines Virus, der Bakterien infiziert – lieferte, während er Direktor des Instituts für Molekularbiologie in Zürich, Schweiz, war.

Aber hier endet der Vergleich, sagte Weissmann.

„Die Tatsache, dass sie sich wie Viren verhalten, bedeutet nicht, dass sie wie ein Virus sind“, sagte er. „Ein Fahrrad ist wie ein Auto, weil es einen von einem Ort zum anderen bringt, aber es ist nicht dasselbe. Die Endwirkung ist jedoch die gleiche. Prionen und Viren sind beide in der Lage, ihre Struktur zu verändern, um zu überleben.“

Der erste Autor der Studie ist Sukhvir P. Mahal von Scripps Research. Weitere Autoren sind Shawn Browning, Jiali Li und Irena Suponitsky-Kroyter, ebenfalls von Scripps Research.

Die Studie wurde von den National Institutes of Health und der Alafi Family Foundation unterstützt.