Pathogenesis of prion diseases in animals is associated with the misfolding of the cellular prion protein PrPC to the infectious form, PrPSc. We hypothesized that an animal’s susceptibility to prions is correlated with the propensity of an animal’s PrPC to adopt a β-sheet, PrPSc-like, conformation. We have developed a method which uses circular dichroism (CD) to directly calculate the relative population of PrP molecules that adopt a β-sheet conformation or the ‘β-state’, as a function of denaturant concentration and pH. We find that the PrP from animals that are more susceptible to prion diseases, like hamsters and mice, adopt the β-state more readily than the PrP from rabbits. The X-ray crystal structure of rabbit PrP reveals a helix-capping motif that may lower the propensity to form the β-state. PrP in the β-state contains both monomeric and octameric β-structured species, and possesses cytotoxic properties.

How the linear protein chains fold into their three-dimensional active conformation is one of the remaining puzzles of modern science. Other than molecular chaperones, ribosome - the cellular protein synthesis machinery, has also been implicated in protein folding. The active site of protein folding activity of the ribosome (PFAR) is in the domain V of the main RNA component of the large ribosomal subunit, which also constitutes the peptidyl transferase center. We have characterized the mechanism of PFAR using ribosomes or ribosome-borne folding modulators (RFMs) and human carbonic anhydrase I (HCA) as a model system. RFMs from all three kingdoms of life showed PFAR.  By multiple addition of the denatured protein in the refolding assay we demonstrate that the RFMs can recycle efficiently to assist refolding of a new batch of denatured protein. The turnover of the RFMs, which includes release of the protein substrate, takes milliseconds. Furthermore, fast kinetics of HCA refolding suggests that an early folding intermediate is the substrate for PFAR. Our results demonstrate for the first time that PFAR is catalytic. It was shown that two anti-prion drugs 6AP and GA specifically inhibit PFAR by binding to the domain V of the 23S / 25S rRNA. Using UV-crosslinking followed by primer extension we have identified the interaction sites of 6AP on domain V of 23S rRNA, which overlap with the protein binding sites, and are sensitive to mutagenesis. We find that 6AP and GA inhibit PFAR by direct competition with the substrate protein for the binding sites. Also, 6AP derivatives inhibit PFAR in the same order as their antiprion activity, 6AP8CF3 > 6AP8Cl > 6AP > 6APi. These results suggest involvement of PFAR in prion processes. To clarify the role of PFAR in prion processes, we studied HET-s prion aggregation in the presence of domain V/ IV/II of rRNA. The rRNAs, especially domain V rRNA not only reduced HET-s aggregation, but also changed the morphology of the HET-s fibrils, which became shorter and less compact. These results show that PFAR actively prevents large amyloid aggregation and thus, possibly influence prion propagation.

L'objectif de ce travail de thèse vise à élaborer un dispositif de dépistage de maladies à prions à partir de la synthèse et greffage sur support de molécules actives vis-à-vis de la structure de la protéine prion pathogène (PrPSc). Dans les résultats antérieurs, l'équipe du Dr. Mike Robitzer a mis en évidence des molécules qui présentent une forte affinité vis-à-vis de la protéine prion pathologique. Les tests réalisés (du type Western-Blot) avec les homogénats de cerveaux contaminés avec le prion traités avec ces composés, montrent la formation d'oligomères (dimères et trimères) de la PrPSc uniquement avec les échantillons contaminés. L'identification de ces formes oligomériques caractérise l'échantillon comme étant contaminé. Les molécules synthétisées ouvrent les portes à une nouvelle famille de molécules avec une activité sélective confirmée avec la PrPSc.Parmi les molécules synthétisées par l'équipe du Dr. Mike Robitzer, une en particulier présente une affinité accentuée dans le processus d'oligomerisation de la protéine prion pathologique. Cette molécule, nommée MR100, porte deux fonctions du type 1,3,5-triazine-2,4-diamine couplées à un espaceur quaterthiophène et présente une forte activité d'oligomerization de la PrPSc.Les tests réalisés et le mécanisme d'action de cette molécule sont encore en début d'étude (en partenariat avec l'unité 710 d'INSERM et l'EFS) et pour cela, l'amélioration de la synthèse du MR100 et la synthèse de nouvelles molécules porteuses de fonctions chimiques différentes augmentant l'affinité avec la PrPSc ont été réalisée dans cette thèse doctorale.La synthèse du dispositif de dépistage de maladies à prion a été réalisée en deux étapes principales. La première était basée sur la synthèse de molécules actives et les tests in vitro pour l'induction de l'oligomérisation du prion pathogène.La deuxième étape a consisté à sélectionner et à greffer les meilleurs candidats sur des supports solides pour tester leur stabilité, réactivité et réponse vis-à-vis des échantillons contaminés.Ces dispositifs sensibles au prion pathogène ont été utilisés pour la détection de la maladie avec les échantillons contaminés. / The objective of this thesis was to develop a diagnostic device to prion diseases departing from the synthesis and functionalization of molecules having a high selectivity with the pathogenic form of the prion protein (PrPSc).In previous results, the Dr. Mike Robtizer's team has highlighted molecules that exhibit a strong affinity with the pathological form of the prion protein. The Western-Blot tests with contaminated brains homogenates treated with these compounds showed the formation of oligomeric forms (dimers and trimers) of the PrPSc only with contaminated samples. The identification of these oligomeric forms characterizes the sample as contaminated. The synthesized molecules represent a new family of compounds with a confirmed selectivity with the PrPSc.Among the synthesized molecules, one in particular has a pronounced affinity in the process of oligomerization of the pathological prion protein. This molecule, named MR100, has two 1,3,5-triazine-2,4-diamines functions coupled to a quaterthiophene spacer presents a high activity with the PrPSc.The tests with this molecule are still in the beginning (in partnership with INSERM - Unité 710 and EFS) and for this reason the improved synthesis of MR100 and the synthesis of new compounds carrying different chemical functions were developed in this doctoral thesis.The elaboration of the diagnostic device was made in two main steps. The first one was based on the synthesis of active molecules and its in vitro tests to verify their oligomeric-induced activity with PrPSc contaminated samples, inspired by the molecular approach developed in previous work.The active molecules have a high selectivity and specificity to the pathogenic forms of prion proteins and induce the formation of dimers and trimers of the PrPSc. The identification by Western Blot of these oligomeric forms characterizes the sample as contaminated.The second step was to select and graft the best candidates on solid supports to test their stability, reactivity and response in the same conditions.

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Hintergrund: Die sporadische Creutzfeldt-Jakob-Krankheit (sCJK) ist eine seltene neurodegenerative Erkrankung. Bisher existieren nur wenige Studien im Hinblick auf das Initialstadium der Erkrankung. Ziel dieser Studie war es unter Berücksichtigung des M129V-Genotyps und des Prionproteintyps maximal zwei Erstsymptome begrenzt auf einen Zeitraum von 2 Wochen, den ärztlichen Erstkontakt und die erste fachärztliche Diagnose zu erfassen. Material und Methoden: In der vorliegenden Dissertation wurden retrospektiv Akten von 492 Patienten mit einer neuropathologisch gesicherten oder klinisch wahrscheinlichen sCJK ausgewertet, die im Zeitraum von 1993 bis 2003 an das Göttinger Surveillance-Zentrum für CJK gemeldet worden waren. Bei 204 Patienten des Gesamtkollektivs war zusätzlich der Prionproteintyp bekannt. Mithilfe eines Dokumentationsbogens wurden die relevanten Parameter erfasst und statistisch ausgewertet. Ergebnisse: Zehn Prozent aller Patienten klagten über Prodromalsymptome wie Kopfschmerz, Müdigkeit, gestörte Schlaf-Wach-Rhythmik, Summen bzw. "komisches Gefühl im Kopf", Hörstörungen, Gewichtsverlust oder Photophobie. Patienten mit dem Subtyp MV-2 oder VV-1 gaben keine Prodromalsymptome an. Das häufigste Erstsymptom stellte die Demenz (37%) dar, gefolgt von zerebellären (34%), visuellen (15%) oder psychiatrischen (14%) Symptomen. Fünfzehn Prozent berichteten innerhalb von 2 Wochen bereits über 2 Erstsymptome. Als erster ärztlicher Kontakt wurde der Hausarzt (41%) aufgesucht, gefolgt vom niedergelassenen Neurologen (17%) oder einem Krankenhaus (13%), unabhängig von der Spezialisierung der Abteilung. Die fachärztliche Erstdiagnose lautete nur in 35% der Fälle CJK (in 42% bei MM-Patienten, 28% bei MV-Patienten, 25% bei VV-Patienten). Die Meldung eines CJK-Verdachtsfalles an das Göttinger CJK-Surveillance-Zentrum erfolgte überwiegend durch Neurologen, gefolgt von Psychiatern oder von anderen Berufsgruppen. Diskussion: Diese erste detaillierte Analyse von Erstsymptomen und ärztlichen Erstkontakten unterstreicht, wie relevant das Wissen von CJK und den atypischen CJK-Subtypen für Ärzte verschiedener Fachrichtungen ist. Hieraus entsteht die Hoffnung, dass in Zukunft insbesondere auch atypische CJK-Formen frühzeitig erkannt werden können.

Prionkrankheiten sind übertragbare, tödliche neurodegenerative Erkrankungen beim Menschen und bei Tieren. Sie basieren auf der Konversion des zellulären Prion-Proteins (PrPC) in seine pathogene Form (PrPSc). Durch diese Konversion sind Prionkrankheiten pathogen und übertragbar. Bis heute ist weder der dem zugrunde liegende Mechanismus verstanden noch eine Behandlung gefunden worden. Die sichere Diagnose einer sporadischen Prionkrankheit ist ausschließlich mittels Gehirnbiopsie möglich, weswegen zu Lebzeiten des Patienten häufig nur die Diagnose einer wahrscheinlichen Prionkrankheit erfolgt. Zusammen mit der klinischen Heterogenität der Prionkrankheiten weisen neueste Erkenntnisse auf das Vorhandensein mehrerer humaner Prionstämme hin. Für die Suche nach Medikamenten fehlt ein geeigneter Wirkstoff-Suchtest, der auf der humanen Pathogenese basiert, für einen hohen Durchsatz geeignet und gut reproduzierbar ist. Die real-time quaking-induced conversion (RT-QuIC), eine neu entwickelte in vitro-Methode, erlaubt den Nachweis von bisher nicht messbaren Mengen an PrPSc in humanem Liquor cerebrospinalis (Liquor). Dazu werden die selbst-replizierenden Eigenschaften des PrPSc genutzt. Erste Untersuchungen weisen auf distinkte Eigenschaften humaner Prionkrankheiten in der RT-QuIC hin. Zum Einsatz in Diagnostik und Forschung bedarf es jedoch einer umfassenden Validierung der Methode für die Anwendung mit humanem Liquor. In dieser Arbeit beträgt die Sensitivität der RT-QuIC 85,5 % und die Spezifität 99,5 % für humane Prionkrankheiten. Die Reproduzierbarkeit im Ringversuch ist gut bis exzellent. Die Kurzzeitlagerungen der Liquorproben bei Raumtemperatur und +4°C sowie die Langzeitlagerung bei −80°C und das wiederholte Einfrieren und Auftauen haben keinen Einfluss auf die Testergebnisse. Jedoch führt die Kontamination mit Blut zu falsch-negativen Resultaten. Diese Ergebnisse weisen auf eine Eignung der RT-QuIC zur sicheren Diagnose von Prionkrankheiten zu Lebzeiten der Patienten hin. Zur Charakterisierung des Reaktionspotentials möglicher humaner Prionstämme wurden Liquorproben von verschiedenen humanen Prionkrankheiten wie bspw. der sporadischen und der genetischen Form mittels RT-QuIC untersucht. Die Auswertung der Daten zeigt distinkte Eigenschaften des PrPSc im Liquor, die moduliert werden durch die Form der Prionkrankheit, den Prnp Codon 129-Genotyp und die Krankheitsdauer. Diese Ergebnisse zeigen das Potential der RT-QuIC, die selbst-replizierenden Eigenschaften des PrPSc im Liquor zu untersuchen, womit erstmals eine Methode zur Verfügung steht, um diese Effekte in Patienten während der symptomatischen Phase zu studieren. Zur Nutzung der RT-QuIC als neuartige Methode zur Wirkstoffsuche wurde die Wirkung mehrerer Stoffe auf die RT-QuIC-Reaktion untersucht. Doxyzyklin inhibiert diese Reaktion sowohl in Korrelation mit der Dosis als auch mit dem Zeitpunkt der Zugabe. Diese Ergebnisse weisen auf eine Eignung der RT-QuIC zur Suche von Stoffen hin, die den PrP-Konversionsprozess inhibieren und zeigen die inhibierende Wirkung von Doxyzyklin auf die in-vitro-Amplifikation von PrPSc.

Prionerkrankungen sind eine Gruppe seltener, infektiöser neurodegenerativer Erkrankungen, die durch die Aggregation des fehlgefalteten pathologischen Prionproteins ausgelöst werden. Anhand der Ätiologie lassen sich drei Subtypen unterscheiden: die sporadische Creutzfeldt-Jakob Krankheit (CJK), infektiöse Prionerkrankungen, wie zum Beispiel die iatrogene CJK und die neue Variante der CJK sowie genetische Prionerkrankungen. Alle Untergruppen führen zu progredienter Behinderung und schließlich unausweichlich zum Tode des Erkrankten. Genetische Prionerkrankungen werden durch eine Mutation des Prionprotein-Gens (PRNP) ausgelöst. Die zwei häufigsten Mutationen, die E200K- und V210I-Mutation, zeigen einen Phänotyp, der dem klassischen klinischen Bild der sporadischen CJK sehr ähnelt. Patienten entwickeln häufig eine rasch progrediente Demenz, eine Ataxie, visuelle Symptome und Myoklonien. Die definitive Diagnose einer Prionerkrankung kann nur durch die neuropathologische Untersuchung von Hirngewebe nach einer Hirnbiopsie oder post-mortem gestellt werden. Anhand definierter klinischer Diagnosekriterien kann jedoch auch ohne Hirnbiopsie mit relativer Sicherheit eine wahrscheinliche Prionerkrankung diagnostiziert werden. In den Diagnosekriterien finden neben klinischen Symptomen auch Zusatzuntersuchungen wie das EEG, die Liquoruntersuchung und seit kürzerer Zeit auch die kraniale MRT, Berücksichtigung. Ziel dieser Arbeit war es, zu untersuchen, ob die für die sporadische CJK definierten MRT-Kriterien auch auf Patienten mit der E200K- und V210I-Mutation anwendbar sind und ob sich Unterschiede im Verteilungsmuster der Läsionen zeigen, die eine eventuelle Unterscheidung von der sporadischen CJK erlauben. Im vorliegenden Patientenkollektiv von 29 Patienten mit genetischer CJK konnten im Vergleich zur Kontrollgruppe mit sporadischer CJKD keine Unterschiede der Sensitivität der MRT-Veränderungen oder dem Verteilungsmuster nachgewiesen werden. Eine genetische Untersuchung auf das Vorliegen einer möglichen Mutation im PRNP bleibt daher zur Abgrenzung der genetischen CJK von der sporadischen CJK unabdingbar.