Informacija

Kako točno prion uzrokuje bolest?

Kako točno prion uzrokuje bolest?



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Tijekom mog proučavanja imunološkog sustava, naišao sam na 2 vrlo suprotna objašnjenja o tome kako prioni rade.

Prvo, znanstveni Amerikanac je istaknuo ovo:

link ovdje:

"Veliki napredak dogodio se kada su istraživači otkrili da se infektivni agens prvenstveno sastoji od proteina koji se nalazi u membranama normalnih stanica, ali u ovom slučaju protein ima promijenjen oblik, odnosno konformaciju. Neki znanstvenici su pretpostavili da bi se iskrivljeni protein mogao vezati za druge proteine ​​istog tipa i potaknuti ih da promijene i svoju konformaciju, proizvodeći lančanu reakciju koja širi bolest i stvara novi infektivni materijal.Otada je gen za ovaj protein uspješno kloniran, a studije na transgenim miševima podržale su prionska hipoteza Dokazi koji potvrđuju hipotezu sada su vrlo jaki, iako ne i nepobitni

Međutim na temelju ove web stranice

Pretpostavljalo se da su zarazili stanice uzrokujući deformaciju i normalnih priona. Ta se teorija, međutim, pokazala lažnom, iako se u nju još uvijek vjeruje. (Vidi Sanctuary: Bad Bad Prions iz Discovera, od 9. siječnja ove godine za primjer postojećeg uvjerenja.) Prvi ozbiljan napad na teoriju o prionima kao infektivnom agensu prijavljen je u Medical Hypotheses 1997. godine. u slučaju da prioni pokreću autoimuni odgovor. (1) Kao što postaje jasno što se više proučava problem, to ima smisla i odgovara poznatim činjenicama.

Trenutačno je problem što moj Campbell 11. izdanje udžbenika, koji je najnovije izdanje i tek nedavno revidiran, također ukazuje na isto objašnjenje kao i prvi izvor.

Koji je izvor točan u prikazu metode kojom prioni uzrokuju bolesti?


Slažem se s komentatorom Martinom Klvanom, ali ovdje se događa nekoliko stvari koje sam želio dotaknuti:

  1. Mislim da vaš drugi citat čini pogrešku u tvrdnji da ako prioni uzrokuju imunološki odgovor, to znači da nisu "zarazni" u smislu propagiranja pogrešnog savijanja homolognih proteina. Standardno je shvaćanje da prioni djeluju biokemijski tako što ponovno savijaju prionogene proteine ​​kako bi napravili više čestica prionskih infekcija (vidi npr. wikipedia), slično vašem izvoru 1 i vašem udžbeniku. Potpuno je moguće da te novozarazne prionske čestice dovode do imunoloških reakcija uz čestice koje "zaraze". Ovdje je ključno odvojiti biokemijski fenomen (propagirano pogrešno savijanje proteina) od medicinskog fenomena (bolest, imunološki odgovor).
  2. Da direktnije odgovorim na pitanje: koliko mogu zaključiti iz skeniranja nekoliko članaka (ovdje, ovdje), imunološki odgovori nisu istaknuti dio najpoznatijih prionskih bolesti, ali nisam stručnjak i mogao bih biti krivo. Nisam mogao lako locirati dokument o medicinskim hipotezama iz 1997. na koji se poziva vaš izvor 2.
  3. Nisam ovo detaljno proučio, ali čini se da tu web stranicu vodi zagovaračka skupina i veza "pročitajte cijeli članak" je prekinuta. Dakle... stavio bih manje dionica u taj izvor. Grupe za zagovaranje su u redu i sve, ali ne mislim da su njihovi postovi na blogu dobar izvor biomedicinskih znanstvenih informacija.

Nadam se da to pomaže.


3.3: Promjene u obliku proteina mogu uzrokovati bolest

  • Doprinio Gerald Bergtrom
  • Profesor emeritus (bioznanosti) na Sveučilištu Wisconsin-Milwaukee

Dok konformacija proteina određuje njegovu biološku funkciju, alosterična promjena (promjena oblika) može ublažiti ili poremetiti njegovu funkciju. U normalnim okolnostima, stanice koriste promjene u obliku proteina za regulaciju metabolizma. Takav alosterična regulacija je dobro dokumentiran u poznatim biokemijskim putevima kao što je glikoliza i detaljnije se raspravlja na drugom mjestu. Manje je dobro poznato kako (ili zašto) je zašto konformacijska promjena u nekim proteinskim stanicama ima razorne učinke.


Kako točno prion uzrokuje bolest? - Biologija

Prioni su infektivne čestice koje ne sadrže nukleinske kiseline, a viroidi su mali biljni patogeni koji ne kodiraju proteine.

Ciljevi učenja

Opišite prione i viroide i njihova osnovna svojstva

Ključni za poneti

Ključne točke

  • Čini se da je prion prvi pronađeni infektivni agens čiji prijenos nije ovisan o genima napravljenim od DNA ili RNA.
  • Poznato je da infektivna strukturna varijanta normalnog staničnog proteina pod nazivom PrP (prionski protein) uzrokuje spongiformne encefalopatije.
  • Prioni su uključeni u fatalne neurodegenerativne bolesti, kao što je kuru kod ljudi i goveđa spongiformna encefalopatija (BSE) u goveda.
  • Gubitak motoričke kontrole i neobično ponašanje uobičajeni su simptomi osoba s kuruom, a simptome BSE obično prati smrt.
  • Viroidi nemaju kapsid ili vanjsku ovojnicu i mogu se razmnožavati samo unutar stanice domaćina.
  • Nije poznato da viroidi uzrokuju bilo kakve ljudske bolesti, ali su odgovorni za neuspjehe usjeva i gubitak milijuna dolara poljoprivrednih prihoda svake godine.

Ključni uvjeti

  • prion: samopropagirajući pogrešno savijeni konformer proteina koji je odgovoran za niz bolesti koje utječu na mozak i drugo neuralno tkivo
  • proteinski: od, koji se odnosi na, ili se sastoji od proteina
  • viroid: biljni patogeni koji se sastoje od samo kratkog dijela RNA, ali bez proteinskog omotača tipičnog za viruse

Prioni

Prioni, tzv. jer su proteinski, su infektivne čestice, manje od virusa, koje ne sadrže nukleinske kiseline (ni DNK ni RNA). Povijesno gledano, ideja o infektivnom agensu koji ne koristi nukleinske kiseline smatrala se nemogućem, ali pionirski rad biologa Stanleyja Prusinera, dobitnika Nobelove nagrade, uvjerio je većinu biologa da takvi agensi doista postoje.

Pokazalo se da se smrtonosne neurodegenerativne bolesti, kao što je kuru kod ljudi i goveđa spongiformna encefalopatija (BSE) u goveda (općepoznato kao “bolest kravljeg ludila”), prenose prionima. Bolest se širila konzumacijom mesa, živčanog tkiva ili unutarnjih organa između pripadnika iste vrste. Kuru, porijeklom od ljudi u Papui Novoj Gvineji, širio se s čovjeka na čovjeka putem ritualnog kanibalizma. GSE, izvorno otkriven u Ujedinjenom Kraljevstvu, proširio se između goveda praksom uključivanja živčanog tkiva goveda u hranu za drugu stoku. Osobe s kuruom i BSE-om pokazuju simptome gubitka motoričke kontrole i neobičnog ponašanja, kao što su nekontrolirani nalet smijeha s kuruom, nakon čega slijedi smrt. Kuru je kontroliran navođenjem stanovništva da napusti svoj ritualni kanibalizam.

S druge strane, u početku se mislilo da GSE pogađa samo goveda. Goveda koja su umrla od BSE razvila su lezije ili “rupe” u mozgu, zbog čega je moždano tkivo nalikovalo spužvi. Međutim, kasnije, tijekom izbijanja, pokazalo se da se slična encefalopatija kod ljudi poznata kao varijanta Creutzfeldt-Jakobove bolesti (CJD) može dobiti od jedenja govedine životinja s BSE-om, što je izazvalo zabranu uvoza britanske govedine od strane raznih zemalja. nanijevši znatnu ekonomsku štetu britanskoj industriji govedine. BSE još uvijek postoji u raznim područjima. Iako je rijetka bolest, osobe koje dobiju CJD teško je liječiti. Bolest se krvlju širi s čovjeka na čovjeka, pa su mnoge zemlje zabranile darivanje krvi iz regija povezanih s BSE-om.

Uzrok spongiformnih encefalopatija, kao što su kuru i BSE, je infektivna strukturna varijanta normalnog staničnog proteina nazvanog PrP (prionski protein). Upravo ta varijanta čini prionsku česticu. PrP postoji u dva oblika: PrP c , normalni oblik proteina, i PrP sc , infektivni oblik. Nakon što se unese u tijelo, PrP sc sadržan u prionu veže se na PrP c i pretvara ga u PrP sc. To dovodi do eksponencijalnog povećanja proteina PrP sc, koji se agregira. PrP sc je nenormalno savijen, rezultirajuća konformacija (oblik) izravno je odgovorna za lezije koje se vide u mozgu zaraženih goveda. Stoga, iako ne bez nekih klevetnika među znanstvenicima, čini se da je prion potpuno novi oblik infektivnog agensa, prvi pronađen čiji prijenos nije ovisan o genima napravljenim od DNA ili RNA.

Primjer formiranja priona: (a) Endogeni normalni prionski protein (PrPc) se pretvara u oblik koji uzrokuje bolest (PrPsc) kada naiđe na ovaj varijantni oblik proteina. PrPsc može nastati spontano u moždanom tkivu, osobito ako je prisutan mutantni oblik proteina, ili se može pojaviti kroz širenje pogrešno savijenih priona konzumiranih hranom u moždano tkivo. (b) Ovo moždano tkivo zaraženo prionom, vizualizirano svjetlosnom mikroskopom, pokazuje vakuole koje mu daju spužvastu teksturu, tipičnu za transmisivne spongiformne encefalopatije.

Viroidi

Viroidi su biljni patogeni: male, jednolančane, kružne RNA čestice koje su mnogo jednostavnije od virusa. Nemaju kapsid ili vanjsku ovojnicu, ali, kao i kod virusa, mogu se razmnožavati samo unutar stanice domaćina. Viroidi, međutim, ne proizvode nikakve proteine. Oni proizvode samo jednu, specifičnu RNA molekulu. Ljudske bolesti uzrokovane viroidima tek treba identificirati.

Biljke zaražene Viroidom odgovorne su za neuspjehe usjeva i gubitak milijuna dolara poljoprivrednih prihoda svake godine. Neke od biljaka koje zaraze uključuju krumpir, krastavce, rajčice, krizanteme, avokado i kokosove palme.

Krumpir zaražen viroidom: Ovi krumpiri su zaraženi viroidom vretenastog gomolja krumpira (PSTV). Obično se širi kada se zaraženi noževi koriste za rezanje zdravih krumpira, koji se potom sade.


Istraživači otkrivaju kako prionski protein oštećuje moždane stanice

Ljudsko moždano tkivo s Creutzfeldt-Jakob bolešću ima izgled spužve Teresa Hammett, Centri za kontrolu i prevenciju bolesti.

Znanstvenici su stekli veliki uvid u to kako lažni protein odgovoran za kravlje ludilo i povezane neurološke bolesti uništava zdravo moždano tkivo.

Transmisivne spongiformne encefalopatije (TSE) su rijetke, smrtonosne bolesti koje uzrokuju da mozak razvije lezije tako da izgleda kao spužva. Oni uključuju bolest "kravljeg ludila" kod goveda, scrapie u ovaca i Creutzfeldt-Jakob bolest u ljudi.

Oštećenje mozga kod TSE-a uzrokovano je abnormalnim proteinima zvanim prioni koji se skupljaju i nakupljaju u moždanom tkivu. Prioni su jedinstveni među infektivnim agensima jer nemaju genetski materijal. Umjesto toga, oni su pogrešno savijeni oblici proteina koji se inače nalaze u tijelu. Kada se stvore proteinski lanci, oni se savijaju u različite oblike, slično kao papir presavijen u origami. Ako se lanci pogrešno savijaju i poprime pogrešan oblik, ne mogu ispravno funkcionirati i ponekad se šalju u pogrešan dio ćelije.

Krivac za prionske bolesti je protein nazvan PrP. Obično se nalazi na površini mnogih stanica u tijelu, uključujući mozak. Ako pogrešno presavijena verzija PrP uđe u tijelo, može se vezati za normalni PrP i "pretvoriti" ga u pogrešno presavijeni oblik. Ovaj dobro proučen proces pretvorbe je ono što uzrokuje kravlje ludilo i nekoliko drugih TSE-a.

Dr. Oishee Chakrabarti i dr. Ramanujan S. Hegde, istraživači na Nacionalnom institutu za zdravlje djece i ljudski razvoj Eunice Kennedy Shriver NIH-a (NICHD), željeli su otkriti kako i zašto prioni uzrokuju staničnu štetu koja čine. U prethodnom radu, oni i drugi su primijetili da su mnogi abnormalni oblici PrP pronađeni u citoplazmi, želatinoznoj unutrašnjosti stanice, a ne na površini. "Pogrešno postavljeni" proteini bili su povezani s bolešću kod miševa, što sugerira da PrP uzrokuje štetu u citoplazmi.

Znanstvenici su proučavali soj miševa s tamnim krznom boje mahagonija uzrokovane genom zvanim Mahogunin. Miševi s defektnim genima Mahogunina imaju kasnu neurodegeneraciju. Njihovi mozgovi, izrešetani sićušnim rupama, slični su onima u TSE-u.

U broju časopisa od 11. lipnja 2009 stanica, istraživači su u nizu eksperimenata pokazali da se PrP može vezati za Mahogunin u citoplazmi stanica kako bi formirao proteinske skupine. Ovo grupiranje dovodi do promjena unutar stanica vrlo sličnih oštećenjima kada su stanice lišene Mahogunina.

Istraživači su se zatim okrenuli miševima koji su proizvodili promijenjene oblike PrP za koje je poznato da dolaze u kontakt s citoplazmom. Jedan od sojeva koje su testirali bila je mišja verzija ljudskog nasljednog prionskog poremećaja nazvanog Gerstmann-Straussler-Scheinkerov sindrom, iznimno rijetke bolesti koja uzrokuje progresivno neurološko pogoršanje. Istraživači su otkrili da su stanice u dijelovima mišjeg mozga iscrpljene od Mahogunina. Također su uočili promjene u određenim moždanim stanicama slične onima koje su vidjeli u stanicama uzgojenim u laboratoriju.

Nalazi sugeriraju da su neka od neuroloških oštećenja u prionskim bolestima uzrokovana promijenjenim oblicima PrP koji interferiraju s Mahoguninom u citoplazmi. "PrP vjerojatno ometa i druge proteine", rekao je Hegde. "Ali naši nalazi snažno upućuju na to da je gubitak Mahogunina važan čimbenik."

Ovo otkriće postavlja pozornicu za napore da se razviju strategije za sprječavanje ulaska PrP u citoplazmu ili za zamjenu iscrpljenog Mahogunina.


Istraživači NIH-a otkrivaju kako prionski protein oštećuje moždane stanice

Nalazi bi mogli unaprijediti razumijevanje kravljeg ludila, povezanih poremećaja.

Znanstvenici s Nacionalnog instituta za zdravlje stekli su veliki uvid u to kako lažni protein odgovoran za kravlje ludilo i s njim povezane neurološke bolesti uništava zdravo moždano tkivo.

"Ovaj napredak postavlja temelj za buduće napore za razvoj potencijalnih tretmana za prionske bolesti ili možda za sprječavanje njihovog pojavljivanja." rekao je Duane Alexander, MD, direktor NIH-a Eunice Kennedy ShriverNacionalni institut za zdravlje djece i ljudski razvoj (NICHD), gdje je studija provedena.

Istraživači su otkrili da protein odgovoran za ove poremećaje, poznat kao prionski protein (PrP), ponekad može završiti u pogrešnom dijelu stanice. Kada se to dogodi, PrP se veže za Mahogunin, protein za koji se vjeruje da je bitan za opstanak nekih moždanih stanica. Ovo vezanje lišava stanice u dijelovima mozga funkcionalnog Mahogunina, uzrokujući njihovu smrt na kraju. Znanstvenici vjeruju da ovaj slijed događaja važan doprinosi karakterističnoj neurodegeneraciji ovih bolesti.

Nalazi su objavljeni u aktualnom broju časopisa Cell. Studiju je proveo Oishee Chakrabarti, dr. sc. i Ramanujan S. Hegde, MD, Ph.D., iz NICHD programa stanične biologije i metabolizma.

Središnji za prionske bolesti poput kravljeg ludila i mnogih drugih bolesti je fenomen poznat kao pogrešno savijanje proteina, objasnio je dr. Hegde. Proteini se sastoje od dugih lanaca molekula poznatih kao aminokiseline. Kada se stvore proteini, moraju se pažljivo presavijati u različite konfiguracije. Proces savijanja proteina analogan je origamiju, gdje se list papira presavija u zamršene oblike. Nakon ispravnog savijanja, proteini se transportiraju na određena mjesta unutar stanica gdje mogu obavljati svoje različite funkcije. Međutim, proteinski lanci ponekad se pogrešno sklapaju. Kada se to dogodi, pogrešno presavijeni protein poprima pogrešan oblik, ne može ispravno funkcionirati i kao posljedica toga ponekad se prebacuje u drugi dio stanice.

U slučaju prionskih bolesti, protein krivac koji se pogrešno savija i uzrokuje oštećenje moždanih stanica je PrP. Normalno, PrP se nalazi na površini mnogih stanica u tijelu, uključujući i mozak. Međutim, normalno savijanje i distribucija PrP može poći po zlu. Ako lažna pogrešno savijena verzija PrP-a uđe u tijelo, ponekad se može vezati za normalni PrP i "pretvoriti" ga u pogrešno presavijeni oblik.

Ovaj proces pretvorbe uzrokuje kravlje ludilo, također poznatu kao goveđa spongiformna encefalopatija. Hrana pripremljena od tkiva goveda koja sadrži abnormalno presavijeni oblik PrP-a može zaraziti krave. U vrlo rijetkim slučajevima smatra se da su ljudi koji jedu meso zaraženih krava oboljeli od slične bolesti koja se zove varijanta Creutzfeld Jacobove bolesti (vCJD). U drugim ljudskim poremećajima, genetske pogreške uzrokuju stvaranje drugih abnormalnih oblika PrP.

"Proces konverzije proteina je dobro proučen", rekao je dr. Hegde. "Ali fokus našeg laboratorija bio je na tome kako - i zašto - abnormalni oblici PrP uzrokuju oštećenje stanica."

Kako bi istražio ovaj problem, tim dr. Hegdea proučavao je točno kako, kada i gdje stanica proizvodi abnormalne oblike PrP. Otkrili su da se mnogi abnormalni oblici PrP nalaze u pogrešnom dijelu stanice. Umjesto da se nalazi na površini stanice, dio PrP je izložen citoplazmi, želatinoznoj unutrašnjosti stanice. Štoviše, nekoliko studija iz grupe dr. Hegdea i drugih pokazalo je da kada je previše stanične PrP izloženo citoplazmi kod laboratorijskih miševa, oni razvijaju propadanje mozga.

"Zbroj ovih otkrića pružio nam je ključni uvid", rekao je dr. Hegde. "Shvatili smo da bi u barem nekim slučajevima PrP mogao nanijeti štetu ometajući nešto u citoplazmi."

U trenutnoj studiji, dr. Chakrabarti i Hegde pokušali su utvrditi što je pošlo po zlu kada je PrP bio neprikladno izložen citoplazmi. Njihov sljedeći trag došao je od soja miševa s tamnim krznom boje mahagonija. Iako se ovi miševi u početku normalno razvijaju, dijelovi njihova živčanog sustava propadaju s godinama. Nakon obdukcije, njihov mozak je prožet sitnim rupama i ima isti spužvasti izgled kao i mozgovi ljudi i životinja koji su umrli od prionskih bolesti. Gen koji je neispravan u ovom soju miševa zove se Mahogunin.

"Sličnost u moždanoj patologiji između Mahogunin mutantnih miševa i onih uočenih u prionskim bolestima sugerirala nam je da možda postoji povezanost", rekao je dr. Hegde.

Kako bi istražili ovu moguću povezanost, istraživači su prvo analizirali PrP i Mahogunin u stanicama koje rastu u laboratorijskoj posudi. Kada su istraživači uveli promijenjene oblike PrP u citoplazmu stanica, vidjeli su da se molekule Mahogunina u citoplazmi vežu za PrP, tvoreći klastere. Ovo grupiranje dovelo je do oštećenja u stanici koja je bila vrlo slična šteti koja se javlja kada su stanice lišene Mahogunina.

Istraživači su otkrili da se to oštećenje nije dogodilo u staničnim kulturama ako je PrP bio ograničen na površinu stanice, ako su stanice bile opskrbljene dodatnim Mahoguninom ili ako je PrP bio spriječen da se veže na Mahogunin.

Istraživači su zatim proučavali miševe s laboratorijski izazvanom verzijom ljudskog nasljednog prionskog poremećaja zvanog GSS ili Gerstmann-Straussler-Scheinkerov sindrom. Ova iznimno rijetka bolest uzrokuje progresivno neurološko pogoršanje, što obično dovodi do smrti između 40. i 60. godine. Dr. Hegde je objasnio da neke GSS mutacije rezultiraju oblikom PrP koji dolazi u izravan kontakt s citoplazmom. Kod miševa koji sadrže jednu od ovih mutacija, istraživači su otkrili da su stanice u dijelovima mozga iscrpljene Mahoguninom. Istraživači nisu vidjeli ovo iscrpljivanje ako je PrP projektiran da izbjegne citoplazmu.

Nalazi, rekao je dr. Hedge, snažno upućuju na to da promijenjeni oblici PrP ometaju Mahogunin i uzrokuju neka od neuroloških oštećenja koja se javljaju kod prionskih bolesti.

"PrP vjerojatno ometa i druge proteine", rekao je dr. Hegde. "Ali naši nalazi snažno upućuju na to da je gubitak Mahogunina važan čimbenik."

Razumijevanje načina na koji PrP stupa u interakciju s Mahoguninom postavlja teren za dodatne studije koje mogu pronaći načine da spriječi PrP da uđe u citoplazmu ili da zamijeni Mahogunin koji je iscrpljen.


Patogeneza prionskih bolesti

Jedinstvena značajka prionskih bolesti je da jesu samorazmnožavajuće i prenosive. Jednom kada se PrP Sc generira endogeno ili unese u tijelo iz okoline, pretvara normalne prione u abnormalne. Ova pretvorba počinje s početnom proizvodnjom malog polimera pogrešno savijenih priona, (a sjeme), možda ne više od 28 molekula. Ovo sjeme nepoznatim mehanizmom pretvara normalne susjedne prione u abnormalne. Kako se proizvodi više PrP Sc polimera, oni zauzvrat djeluju kao sjemenke, propagirajući pretvorbu normalnih u abnormalne prione. Ovaj novi mehanizam bolesti također je uključen u širenje pogrešnog savijanja proteina koji je uključen u Alzheimerovu bolest, Parkinsonovu bolest i amiotrofičnu lateralnu sklerozu.

Većina ljudskih prionskih bolesti (vidi tablicu u nastavku) je sporadična. Oko 15% je obiteljsko, autosomno dominantno. Neki su dobiveni iz okoliša (jatrogeni i konzumiranjem mesa kontaminiranog BSE-om). U obiteljskim prionskim bolestima, promjena konformacije PrP C uzrokovana je mutacijama PRNP gena (više od 40 prijavljenih), koji mijenjaju njegovu aminokiselinsku sekvencu. Kada se vanjski abnormalni prioni unesu u tijelo, oni stupaju u interakciju s normalnim autohtonim prionima i uzrokuju da promijene svoju konformaciju u abnormalnu. Kako nastaje sporadična prionska bolest, misterij je. Možda je početno sjeme PrP Sc uzrokovano somatskim mutacijama ili posttranslacijskim modifikacijama.

Prenosivost prionskih bolesti dokazana je pokusima na životinjama. Prirodni prijenos sa životinje na životinju (osobito kod ovaca) poznat je već dugi niz godina. U nekoliko slučajeva također su se prionske bolesti slučajno prenijele s čovjeka na čovjeka transplantacijom tkiva (duralni transplantati, rožnica) ili injekcijom ekstrakta hipofize od pacijenata s prionskim bolestima. Godine 1996. u Velikoj Britaniji zabilježen je prijenos goveđe spongiformne encefalopatije na ljude.

Ljudske prionske bolesti su:

Creutzfeldt-Jakobova bolest. Sporadični-sCJD, obiteljski-fCJD, jatrogeni-iCJD i varijantni-vCJD) (vidi dolje).

Kuru. Sada izumrla bolest domorodaca Nove Gvineje, koja se prenosi jelom
mozgova umrlih osoba koje su imale bolest. Kuru je povijesno značajan jer je bila prva otkrivena prionska bolest, a njezino je proučavanje utvrdilo prijenos prionskih bolesti.

Gerstmann-Straüssler-Scheinkerov sindrom (GSS). Autosomno dominantna polako progresivna ataksija i demencija, karakterizirana raširenim PrP TSE amiloidnim plakovima u cijelom CNS-u.

Fatalna obiteljska nesanica (FFI). Autosomno dominantni poremećaj spavanja s patološkim
lezije u talamusu.

Najčešće prionske bolesti životinja su:

Scrapie. Važna bolest ovaca koja je poznata više od 100 godina. Bolesne životinje trljaju se o kamenje ili druge tvrde površine, stružući svoje runo. Otkriće prenosivosti i drugih važnih aspekata biologije prionskih bolesti temeljilo se na poznavanju scrapie.

goveđa spongiformna encefalopatija (BSE)-kravlje ludilo.

Prenosiva mink encefalopatija.

Izgubljena bolest jelena i losova.

Prionske bolesti također su zabilježene u nekoliko drugih domaćih i divljih životinjskih vrsta i mogu prijeći s jedne vrste na drugu. Eksperimentalni prijenos na primate i zamorce odigrao je važnu ulogu u razjašnjavanju njihove patogeneze.


Kako točno prion uzrokuje bolest? - Biologija

Neuhvatljiva i nepoznata bolest pojavila se u Novoj Gvineji početkom 1900-ih i #146. Do 1950-ih antropolozi i vladini dužnosnici izvijestili su da je ova bolest nazvana kuru harala među South Foreom. South Fore su identificirali australski vladini dužnosnici 1950-ih i #146-ih kao jedinstveni popisni odjel koji se sastojao od približno 8000 pojedinaca unutar podokružja Okapa (Lindenbaum, 1979.). Promatrajte sljedeće karte kako biste vidjeli točan položaj South Forea.

Ova posebna skupina sudjelovala je u ritualnim radnjama kanibalizma u mrtvačnici, a to je ponašanje kasnije smatrano odgovornim za prijenos smrtonosne kuru epidemije. Ovaj osebujni aspekt bolesti učinio ju je još fascinantnijom za razne zapadnjačke znanstvenice koji su posvetili svoje vrijeme njenom osvajanju. Mnogo je napora uloženo da se kuru razumije i opiše, a znanje o dinamici bolesti nastavilo je rasti, iako je bolest gotovo nestala u Novoj Gvineji s prestankom kanibalizma. Patologija i simptomi kurua ovdje su od posebnog interesa, kao i usporedba kurua s drugim prionskim bolestima. Znanstvenici su sada identificirali kuru kao prionsku bolest. Razumijevanje strukture i replikacije priona ključno je za tumačenje dinamike kurua i nekoliko drugih prionskih bolesti, koje danas postoje. Pojava kurua dovela je do proučavanja nepoznate bolesti koja je trajala gotovo pet desetljeća. Ova konkretna bolest služi kao primjer postupaka kojima se znanstvenici podvrgavaju kako bi razumjeli i uvažili sve aspekte bolesti i kako se mogu pronaći potencijalne terapije i rješenja.

Kuru među južnom prednjom stranom

Kuru je neurodegenerativni poremećaj koji se pojavio u južnom dijelu Nove Gvineje, a dinamiku ove bolesti istraživali su razni znanstvenici. Lindenbaum je radio sa South Foreom i proučavao kuru bolest. Zigas je radio u Novoj Gvineji, a Gadjusek je također putovao tamo 1957. kako bi proučavao obrasce bolesti u primitivnim i izoliranim populacijama (Gadjusek, 1996.). Lindenbaum, Zigas i Gadjusek bili su presudni za objašnjenje obilježenih, specifičnih svojstava kurua ostatku svijeta.

Epidemija kurua dosegla je svoj vrhunac 1960-ih i #146-ih (Lindenbaum, 1979.). Između 1957. i 1968., preko 1.100 stanovnika South Forea umrlo je od kurua (Lindenbaum, 1979.). Velika većina žrtava među South Foreom bile su žene. Zapravo, osam puta više žena nego muškaraca oboljelo je od ove bolesti (Lindenbaum, 1979.). Kasnije je u velikoj mjeri zahvatila i malu djecu i starije osobe. To je i za očekivati, budući da su žene bile glavni sudionici mrtvačničkog kanibalizma (Lindenbaum, 1979.). Trenutno se vjeruje da se kuru prenio među South Fore kroz sudjelovanje u takvom kanibalizmu. Nakon smrti pojedinca, srodstvo po majci bilo je zaduženo za raskomadanje leša (Lindenbaum, 1979.). Žene bi uklonile ruke i stopala, ogolile udove mišića, izvadile mozak i razrezale prsa kako bi uklonile unutarnje organe (Lindenbaum, 1979.). Lindenbaum (1979) navodi da su žrtve kurua bile visoko cijenjene kao izvori hrane, jer je sloj masti na žrtvama koje su brzo umrle nalikovao svinjetini. Žene su također bile poznate po tome da svoju djecu i starije hrane zalogajima poput ljudskog mozga i raznih dijelova organa (Lindenbaum, 1979.).

Pogrešna tumačenja Kurua

Znanstvenici koji su prvi proučavali bolest u South Foreu u početku su imali dvije velike zablude o prirodi bolesti. Prvo su pogrešno pretpostavili da je riječ o genetskom poremećaju. Nakon što je ta mogućnost isključena, znanstvenici su zatim ustvrdili da je kuru manifestacija sporog virusa. Genetski poremećaji mogu se u potpunosti razumjeti primjenom na populacijsku genetiku. Mutacije osiguravaju varijacije i potiču prirodnu selekciju. Genetski poremećaj je onaj koji je uzrokovan mutacijom koja se prenosi na sljedeće potomke. Budući da je kuru imao tendenciju pojavljivanja među članovima obitelji (Lindenbaum, 1979.), izvorna predodžba da se radi o genetskom poremećaju čini se donekle prikladnom. Ta je mogućnost na kraju isključena, jer je kuru bio prečest i previše fatalan (Lindenbaum, 1979.). Potpuno smrtonosni genetski poremećaj drastično bi smanjio kondiciju populacije. Prije ili kasnije umrijet će iz genetskog fonda. Ova činjenica navela je znanstvenike da traže dodatna moguća objašnjenja kako bi opisali dinamiku bolesti.

Studije na čimpanzama kojima je ubrizgan moždani materijal žrtve navele su znanstvenike da vjeruju da je agens spor virus, jer su čimpanze razvile vrlo slično stanje nakon dugog razdoblja inkubacije (Gadjusek i sur., 1966.). Gadjusek je bio odgovoran za provođenje ovih testova na čimpanzama. On je definirao spori virus kao virusnu bolest s nenormalno dugim razdobljem inkubacije (Gadjusek i sur., 1966.). Kod ljudi je kuru imao razdoblje inkubacije od najmanje dvije, a najviše 23 godine (Lindenbaum, 1979:26). Gadjusekovi rezultati također su potvrdili zaraznu, prenosivu prirodu priona. Mestel (1996:185) piše, "Od tada je njegov [Gadjusek’s] tim pokazao da su CJD [Creutzfeldt-Jakobova bolest] i GGS [German-Straussler-Scheinkerov sindrom] također zarazni. " S kuruom nije bilo dokaza imunološkog odgovora ili antitijela. Kasnije će se pokazati da su obje ove hipoteze bile netočne. Za sada su specifični simptomi kurua relevantni za stjecanje potpunijeg razumijevanja bolesti kao neurološkog poremećaja.

Gadjusek je proučavao kuru i smatrao je da je stanje žrtava kurua uznemirujući prizor. On objašnjava, ". Međutim, vidjeti ih kako redovito napreduju do neurološke degeneracije za tri do šest mjeseci (obično tri) i do smrti je druga stvar i ne može se odbaciti« (Gadjusek, 1996:10). Gadjusek (1973) je izvijestio o tri glavna stupnja u napredovanju simptoma. Prvi stadij naziva se ambulantni stadij, a uključuje nestabilnost stava, hoda, glasa, ruku i očiju, pogoršanje govornog drhtanja, neusklađenost u donjim ekstremitetima koji se polagano pomiču prema gore i dizartriju (zamućenje govora) (Gadjusek, 1973. ). Drugi stadij poznat je i kao sjedeći stadij, a Gadjusek (1973) ga definira sljedećim simptomima: bolesnik više ne može hodati bez potpore, jači tremor i ataksija (gubitak koordinacije mišića), trzaji mišića nalik na šok. , emocionalna labilnost, izljevi smijeha, depresija i mentalno usporavanje (važno je napomenuti da u ovoj fazi nije došlo do degeneracije mišića, a refleksi tetiva su obično još uvijek normalni) (Gadjusek, 1973.). Treći stadij je terminalni stadij, koji je obilježen nemogućnošću pacijenta da sjedi bez oslonca, teža ataksija (gubitak koordinacije mišića), tremor i dizartrija (nerazgovjetan govor), urinarna i fekalna inkontinencija otežano gutanje (disfagija) a pojavljuju se duboke ulceracije (Gadjusek, 1973.). Cerebelarna disfunkcija je uzrok ovih stanja. Simptomi su općenito uobičajeni među prionskim bolestima, što će pokazati usporedba s Creutzfeldt-Jakob bolešću.

Creutzfeldt-Jakobova bolest pokazuje zapanjujuće sličnosti s kuruom u pogledu prikazanih simptoma i oštećenja organa (uglavnom mozga). Očigledne su usporedbe i paralele između ove dvije prionske bolesti. Uvidom u detaljnu studiju slučaja CJD iz Opće bolnice u Massachusettsu, moguće je steći potpunije razumijevanje prionskih bolesti.

U dobi od 47 godina, žena s depresijom potražila je stručnu pomoć u Općoj bolnici Massachusetts (Scully i sur., 1993.). Postala je hipoaktivna, primijetila je oštećenje svog nedavnog pamćenja i imala je urinarnu inkontinenciju (Scully i sur., 1993.). U roku od nekoliko mjeseci dobila je vrtoglavicu i imala je nestabilan hod (Scully i sur., 1993.). U ovom trenutku kompjuterizirana tomografija (CAT skeniranje) mozga pokazala je blagu cerebralnu i središnju atrofiju koja se počela javljati (Scully i sur., 1993.). Prema Scully i sur. (1993), by age 50 the patient’s cranial-nerve functions were still normal, as well as motor power, sensation, and coordination. The next symptom to appear was the occurrence of inappropriate laughter, and her replies to questions became irrelevant and incorrect (Scully et al., 1993). Mild tremor was noted, although the cranial-nerve functions, strength, coordination, and sensation were still intact (Scully et al., 1993). At this time another CAT scan was performed, and the results were the same as the year before (Scully et al., 1993). Within a week after this scan, she was readmitted with shaking spells (Scully et al., 1993). There was a constant alteration between laughing and crying, but reflexes were still normal (Scully et al., 1993). By the age of 51 and a half years, her speech had deteriorated rapidly, and a new CAT scan showed marked cerebral and cerebellar atrophy (Scully et al., 1993). According to Scully et al. (1993), gradual deterioration continued up until her death four months prior to her fifty-fourth birthday.

Important similarities occur between Creutzfeldt-Jakob disease (CJD) and kuru. Both prion diseases cause tremor and inappropriate laughter. Depression was expressed early in CJD and in stage two of kuru. Unsteadiness in gait and sporadic muscle jerks were observed in both ailments. Dysarthria occurred in kuru during the initial stages of the diseases and in CJD more towards the end, and the exact same situation is seen with the condition of urinary incontinence as well.

The exact nature of kuru perplexed scholars for decades after the discovery of the ailment, until Prusiner identified and defined prion diseases in 1982 (Prusiner, 1995). Prusiner (1991) classified a prion as an infectious particle composed of a protein that causes neurodegenerative disorders. According to Cashman (1997), prions are infectious agents by biological and medical criteria. However, they are also fairly unique, and properties of prions differ from those of conventional microbes. All known prion diseases are fatal. Such diseases are often called spongiform encephalies, because they frequently cause the brain to become spongy and riddled with holes (Prusiner, 1995). Well known prion diseases include scrapie, bovine spongiform encephalopathy (mad cow disease or BSE), and Creutzfeldt-Jakob disease (CJD). Less well-known prion diseases include the following: transmissible mink encephalopathy, chronic wasting disease, feline spongiform encephalopathy, exotic ungulate encephalopathy, German-Straussler-Scheinker syndrome (GSS), and fatal familial insomnia (Krakauer et al., 1997). Of these infirmities, four affect humans: Creutzfeldt-Jakob disease, Gertsmann-Straussler-Scheinker syndrome, fatal familial insomnia, and kuru. The most common form of prion disease is scrapie, expressed in sheep and goats (Prusiner, 1995). According to Cohen et al. (1994), prions cause a variety of degenerative neurologic diseases that can be infectious, inherited, or sporadic in origin. The cause of the sporadic forms is unknown inherited forms are caused by up to twenty different mutations of the human PrP gene and the infectious forms are transmitted through contact with or consumption of previously infected tissues (Prusiner, 1997).

PrPC is the normal, cellular prion protein, and it is converted into PrPSc (Prusiner, 1997). Mutations in the 102nd codon of this gene have been linked to neurodegeneration, which is the main, encompassing attribute of the prion diseases. Prusiner (1995) identified 15 amino acids at one end of the PrP protein. Using this knowledge, molecular probes were constructed and used to study the sequences of the normal verses the mutated form of the gene (Prusiner, 1995). Specifically, Prusiner discovered that the amino acid leucine is substituted by the amino acid proline (Prusiner, 1995). An incident of this type is commonly known as a point mutation. In the case of prion proteins, this mutation encodes additional copies of an octapeptide repeat toward the 5' end (Krakauer et al., 1997). The normal protein consists of mainly alpha helices with a spiral backbone, but the new, mutated prion protein is predominately formed by beta strands with a fully extended backbone (Prusiner, 1995). This alteration in tertiary structure provides evidence for post-translational modification of the protein. Observe the following illustration in order to see the tertiary structure of PrPSc:

It is essential to gain a more detailed understanding of the prion protein’s specific structure in order to comprehend kuru and other similar maladies.

Structure of a Prion Protein

The structure of a prion protein and its replication are fundamental to studying kuru. Although the precise details concerning the configuration of the prion were initially unclear, Prusiner was able to put forth three hypotheses. He claimed:

Hypotheses for the structure of the infectious prion particle included the following: (i) proteins surrounding a nucleic acid that encodes the proteins (a virus), (ii) proteins associated with a small polynucleotide, and (iii) proteins devoid of nucleic acid (Prusiner, 1991:1515).

Subsequent to the publication of this article, thousands of scientists tried to figure out the prion puzzle. According to Prusiner (1995), extracts from scrapie-infected brains were subjected to ultraviolet and ioninzing radiation (Prusiner, 1995). Such treatments usually destroy nucleic acids, but these tissues remained infectious (Prusiner, 1995). Prusiner (1995) concluded that the scrapie agent was indeed nucleotide-free, like a protein. This means that a prion does not contain DNA or RNA, which disproved Prusiner’s first hypothesis (that the prion could possibly be a virus). Furthermore, the prion was inactivated by extreme treatments that destroy or denature proteins, such as chaotropic ions or denaturing detergents (Cashman, 1997). After discovering these clues, scientists began to question the prion’s method of replication.

Cashman (1997) has suggested that the same nucleic acid and amino acid sequence gave rise to the two, different proteins. Further studies indicated the structural differences between the normal protein PrPC and the abnormal prion protein PrPSc. To summarize, the normal protein (PrPC) dissolves in nondenaturing detergents and breaks down easily with exposure to proteases, but PrPSc does not dissolve and is partially resistant to proteases (Prusiner, 1997). PrPSc can inhabit various acidic or basic environments, because it is stable between pH 2 and 10 and has survived two year immersions in formol saline (Mims and White, 1984). The last important feature to note with respect to the pathogenic prion particle is that the prion protein gene (PrP) in laboratory mice controlled the incubation time, neuropathology, and prion synthesis within the infected organism (Prusiner 1991).

Scientists believe that the replication of a prion particle occurs almost exactly as the duplication of a virus. The mechanism of replication involves the synthesis of polypeptides in the absence of nucleic acid templates and the post-translational modifications of cellular proteins (Prusiner, 1991). A polypeptide is a chain of amino acids, and a nucleic acid template is a group of DNA or RNA molecules that carry information to direct cellular functions. For the prion, replication involves converting conventional proteins into prions. The resulting PrPSc is a four helix bundle protein with four regions of secondary structure, numbered H1 through H4 (Prusiner, 1997). Mestel (1996) explains that prions replicate by recruiting normal proteins to their cause, "flipping" them into a rogue prion-like shape that can go on to infect other cells and animals. This change initiates a chain reaction, and newly converted prions convert other proteins which they come into contact with on the interior of their respective cell membrane (Prusiner, 1995). In cell cultures, the conversion occurred inside neurons. The PrPSc accumulated in lysosomes and eventually filled the lysosomes until they exploded, releasing the prions to attack other cells (Prusiner, 1995). Future understanding of the operation of the PrP gene could possibly lead to a manipulation of these conditions in patients with a prion disease.

Currently, Prusiner (1995) believes that a more comprehensive understanding of the three-dimensional structure of the PrP protein will lead to the development of therapies. According to Prusiner (1995), experiments with laboratory mice were conducted. The PrP gene was targeted, and mice lacking the gene were created (Prusiner, 1995). In this case, the animals did not display any noticeable side effects or abnormalities (Prusiner, 1995). This is encouraging: if further studies show the PrP gene to be inessential, then physicians may be able to inject antigene therapies to patients with prion diseases in the future (Prusiner, 1995).

Recently, prion infections have been termed amyloidoses (Serpell et al., 1997). Serpell and colleagues state, "Amyloidoses are diseases. in which soluble proteins are deposited in a specific, highly stable, fibrillar form" (Serpell et al., 1997:871). Amyloid fibrils have three diagnostic characteristics: under the electron microscope, the fibrils are straight and unbranched with a smooth surface amyloid fibrils can be stained with Congo Red and subsequently exhibit an apple-green birefringe and they have a distinct X-ray defraction pattern, indicative of the beta sheets found in the PrPSc formation (Serpell et al., 1997). The following picture illustrates the hydrogen bonding patterns in beta-sheet structure:

Understanding the process of amyloid formation may aid in the development of therapies for such diseases.

Since the 1950s, scientists have worked on the prion puzzle. Microbiologists and epidemiologists have been confused by the prions. Advancements have been made, especially in the 1990s. This can be evidenced by Prusiner's reception of the Nobel Prize in 1997. However, it has still been difficult to detect prion infection, track its transmission, and type the different strains (Cashman, 1997). The Fore experienced a long struggle with kuru, which serves as a poignant example.

Since the discovery of the kuru epidemic in New Guinea, a vast amount of knowledge has been gained concerning prion diseases. The specific dynamics of the kuru disease are important to realize in order to better understand all prion diseases. Scientists admit that there is still a lot of ground to cover in this area of research. Numerous questions have been answered, yet many puzzles still remain to be solved. A large amount of the work done in the name of understanding prion diseases was carried out by anthropologists in the field studying the Fore. Their contributions to this research have played an enormous role. Fortunately, kuru has disappeared in New Guinea, but many prion diseases remain that can attack humans and animals. Although the case may be closed for kuru, the other prion diseases must continue to be studied in the hopes of conquering these illnesses.

Cashman NR (1997) A prion primer. Canadian Medical Journal Association, 157(10):1381-1386.

Cohen FE, Pan K, Huang Z, Baldwin M, Fletterick RJ, and SB Prusiner (1994) Structural clues to prion replication. Science, 264:530-531.

Gadjusek DC (1996) Kuru: from the New Guinea field journals 1957-1962. Grand Street, 15:6-33.

Gadjusek DC (1973) Kuru in the New Guinea Highlands. In Spillane JD (ed): Tropical Neurology. New York, Oxford University Press.

Gadjusek DC, Gibbs CJ, and M Alpers (1966) Experimental transmission of a kuru-like syndrome to chimpanzees. Nature, 209:794.

Krakauer DC, de Zanotto PM, and M Pagel (1998) Prion’s progress: patterns and rates of molecular evolution in relation to spongiform disease. Journal of Molecular Evolution, 47:133-145.

Lindenbaum S (1979) Kuru Sorcery. Mountain View, Ca, Mayfield Publishing Company.

Mestel R (1996) Putting prions to the test. Science, 273:184-189

Mims CA and DO White (1984) Viral Pathogenesis and Immunology. Boston, Blackwell Scientific Publications.

Prusiner SB (1991) Molecular biology of prion diseases. Science, 252:1515-1521.

Prusiner SB (1995) Prion diseases. Scientific American, 272(1):48-56.

Prusiner SB (1997) Prion diseases and the BSE crisis. Science, 278:245-251.

Scully RE, Mark EJ, McNeely WF, and BU McNeely (eds) (1993) Case records of the Massachusetts General Hospital. N Eng. J. Med., 328:1259-1266.

Serpell L, Sunde M, and CCF Blake (1997) The molecular basis of amyloidosis. Cellular and Molecular Life Sciences, 53:871-887.


A New Twist on Prion Disease

In mad cow disease, misfolded proteins called prions punch holes in the brain, eventually destroying it. Inherited prion diseases, which are rare and passed through families, do the same thing. But it's long been a puzzle why prions attack neurons more than other types of cells, and how they do their damage. In a new study, researchers propose that prions deplete a poorly understood protein that normally keeps nerve cells healthy. The theory still has a ways to go before it's proven, but researchers are intrigued by this potential new twist on a mysterious disease.

Prions are a faulty version of a healthy protein called PrP when it misfolds, the results are disastrous. Yet researchers don't know exactly why. One argument suggests that whereas healthy PrP is normally located on the cell's surface, prions go astray and end up in the cytosol, the liquid found inside cells, somehow destroying them.

The new study bolsters this theory. The first clues came in a paper published in 2003. In that work, researchers reported that mice lacking an obscure protein, Mahogunin, suffered a form of neurodegeneration much like prion disease. Cell biologists Ramanujan Hegde and Oishee Chakrabarti of the National Institute of Child Health and Human Development in Bethesda, Maryland, decided to probe deeper into the Mahogunin connection.

The team tested whether artificial prion proteins, constructed to resemble real prions, interact with Mahogunin. They did--but because prions are sticky and adhere to almost anything, that wasn't enough proof. So the researchers showed that this interaction caused problems for Mahogunin in living cells: Adding the artificial prion depleted levels of Mahogunin, but when prions were stopped from entering the cytosol, Mahogunin levels remained normal. Finally, mice with a mutation in the PrP gene, which develop prion disease, also lost Mahogunin in some parts of their brains, the duo reports today in stanica.

Although there's no evidence yet that Mahogunin plays a role in infectious prion diseases like mad cow disease, the theory is reasonable for inherited cases, which more closely resemble what's seen in the mice used here, says Adriano Aguzzi, a neuropathologist at the University of Zurich in Switzerland. "On first blush, it is plausible," agrees Neil Cashman, a neuroscientist at the University of British Columbia in Vancouver, Canada, who says the theory needs to be tested further. One issue, says Cashman, is whether the Mahogunin mechanism is compatible with other theories that try to explain prion toxicity, such as those that attribute it to faulty cell signaling.

The authors agree that there are a lot of unanswered questions. One is why a deficit of Mahogunin would harm a cell. Hegde is also interested in whether prions deplete cells of other molecules as well.


Resources for systems biology in prion disease

This post was written during early stages of trying to understand a complex scientific problem, and we didn't get everything right. The original author no longer endorses the content of this post. It is being left online for historical reasons, but read at your own risk.

Systems biology is the science of using large datasets to infer what molecular interactions are happening and what biological networks are getting disturbed at the root of the disease or biological phenomenon you’re studying. When I first studied bioinformatics, my instructor told us a story about a drunk looking for his lost keys under a street light – not because that’s where he had lost them, but just because that was the only place with good enough light to bother looking for anything. This was an analogy for much of what we do in science. We’d love to watch PrP interact with the proteins it interacts with, see exactly what happens to convert it to PrP Sc , and witness what that isoform does to cause trouble in the cell. But since everything in biology is too small to see, we look where the light is better.

The good news is that there are a lot of bright lights these days. In particular, arrays and sequencing have made everything to do with nucleic acids pretty high throughput: genotypes, expression levels, epigenetic markers, protein-DNA interactions. These things aren’t always what we actually want to measure: for instance, in many cases, protein levels would be much more informative than RNA levels, but proteomics is still much more expensive than expression arrays or RNA-seq. But they’re cheap enough to let us generate heaps of data that we can sift through to look for hints as to what’s really going on.

Hwang 2009 provides us with a landmark demonstration of this systems approach applied to prion disease. At the core is the use of microarrays to measure gene expression levels in brain tissue of prion-infected and control mice and thus determine which genes are expressed at higher or lower levels as a result of prion disease. Importantly, Hwang varied the prion strain (RML, 301V), time of measurement (60 to 350 days post infection), and the mouse strain: three unmodified inbred lines - B6, B6.I, FVB and three genetically modified lines – Tg4053 (which overexpress PrP 8-fold), heterozygous and homozygous PrP knockout mice. The large number of different combinations made it possible not only to cancel out biological and technical noise but also to examine which effects were prion strain-specific and which were shared, and which effects were time-dependent (or PrPSc concentration-dependent). In all, 333 genes were found to be differentially expressed in all combinations tested. These were then assembled – using a wealth of publicly available annotations on function, cell-specific expression, interactomics, and so on – into hypothetical functional networks to explain what is going on.

This all ends up producing giant graphs of gene names in bubbles pointing to one another, as depicted in Fig 4:

Which isn’t always the most accessible thing in the world, although Hwang’s is perhaps the most elegant I’ve seen. But even if the pictures don’t speak to you, Omenn 2009 explains why this study is a big deal: instead of getting flummoxed by the variation in prion strains, genetic factors in the host that influence susceptibility, and so forth, this study uses all that information to its advantage, finding the core of what’s always involved in prion disease biology across all those factors. Omenn also converts some of what’s in the graphs to more of a story:

Visualization…provides a dynamic scheme for the processes that characterize the molecular conversion of benign prion protein (PrP C ) to disease-causing PrP Sc isoforms accumulating in lipid rafts, followed by the three stages of neuropathology: synaptic degeneration, activation of microglia and astrocytes, and neuronal cell death.

But if you don’t agree with that narrative, you’re welcome to spin your own: all the data from Hwang’s study are freely open to the public in the Prion Disease Database.


Nose swab detects fatal brain disease

The early signs of Creutzfeldt-Jakob disease (CJD)—a rare, incurable brain disorder caused by infectious, misshapen proteins called prions—are difficult to interpret. At first, people may simply feel depressed and can undergo personality changes or bouts of psychosis. By the time memory failure, blindness, and coma set in, typically within a year of infection, death is usually imminent. Now, researchers report that a simple nasal swab may help physicians detect the disease far more accurately and earlier than current methods.

Finding simple, noninvasive diagnostic tests is “one of the holy grails” for CJD and other prion diseases, says biochemist Byron Caughey of the National Institute of Allergy and Infectious Diseases’ Rocky Mountain Laboratories in Hamilton, Montana, who helped lead the new work. Although there’s no cure for CJD, early diagnosis is important because it can help rule out other, treatable disorders, and it allows medical personnel to take precautions that prevent the disease from spreading to others through exposure to brain tissue or spinal fluid, he says. A type of the disease called variant CJD in humans results from eating meat infected with mad cow disease.

Researchers made a major stride toward better diagnostic methods in 2010, when Caughey and other researchers first described a new technique called the RT-QuIC test. The test requires removing cerebrospinal fluid (CSF) from patients by means of a spinal tap, putting samples into a bath of normally shaped prion proteins, and agitating the solution to encourage any abnormal prion “seeds” in the tissue to latch onto the regular proteins. If even trace amounts of pathogenic protein are present, they rapidly use the normal proteins to create millions of insoluble, fibrous amyloid strands. Researchers believe that these amyloid aggregates, also seen in other neurodegenerative diseases such as Alzheimer’s disease, ultimately cause CJD by interfering with or killing off neurons en masse. After death, the brains of people affected by CJD are so badly damaged that they often resemble Swiss cheese or sponges.

The RT-QuIC test, now being used in diagnostic centers around the world, works well but still misses about 10% to 20% of cases, Caughey says. It also requires an invasive, potentially painful spinal tap. In the new study, the researchers ran a fiber optic scope straight up patients’ noses to the very top of the nasal cavity where olfactory neurons are located. In theory, these neurons should contain much higher levels of abnormal prion protein tangles than does CSF because they are directly connected to the brain, Caughey notes. Then, the scientists rolled a small brush along the roof of the nasal vault and analyzed the samples of discharge or tissue they collected with the RT-QuIC assay.

As predicted, the concentration of abnormal prions detected in the nasal samples was several orders of magnitude higher than those found in CSF, the group reports online today in The New England Journal of Medicine (NEJM). Compared with the CSF-based method, which correctly identified only about 77% of positive cases in this study, the swab test caught 97% of 30 CJD-positive patients, missing just one. In addition, the nasal brushings produced no false negative results in 45 disease-free controls, Caughey says.

“Much higher numbers of patients and controls need to be tested to work out the actual diagnostic sensitivity” of the test, but it appears to be a promising way of detecting CJD without performing an invasive procedure, Caughey says. One of his colleagues underwent the nasal brush test, he says, and although it was not exactly a pleasant experience, “there’s not much pain involved, apparently.”

“This is a big advance,” says Pierluigi Gambetti, a neuropathologist at Case Western Reserve University in Cleveland, Ohio. In principle, the nasal brush test should make it possible to diagnose the disorder much earlier than the CSF–based technique because abnormal prions build up in olfactory neurons more quickly than they migrate out of the brain into spinal fluid, he says.

Gambetti, who was not involved in the new study, is co-author on a second NEJM paper appearing online today that shows that an assay similar to the CSF–based RT-QuIC test can pick up very small amounts of abnormal prion protein in the urine of people who have contracted a rare variant of CJD that is transmitted by consuming contaminated meat. A handful of such cases have recently been diagnosed in the United States, he notes, and the urine test could be another quick, affordable way to screen for the disease.

Although these new diagnostic methods may help prevent CJD from spreading, they can do little for patients themselves, Caughey says. “Hopefully someday we’ll have a therapy” so that clinicians can intervene before too much damage is done.