BIS VOR WENIGEN JAHREN bestand kaum ein Zweifel darüber, dass alle übertragbaren Krankheiten entweder auf Viren oder auf Organismen wie Bakterien, einzellige (Protozoen) oder vielzellige Parasiten zurückzuführen seien. Allen diesen Erregern ist gemeinsam, dass sie ihr eigenes Erbmaterial enthalten und ihre Wesenszüge weitgehend eigenständig bestimmen. In letzter Zeit setzt sich jedoch nach und nach die Meinung durch, dass bestimmte Erkrankungen des Zentralnervensystems auf einen andersartigen übertragbaren Erreger zurückzuführen sind, der sich von einem Bestandteil des befallenen Organismus selbst ableitet, nämlich von einem Protein, einem Eiweiss, das vor allem im Hirn vorkommt. Um ihn von konventionellen Krankheitserregern zu unterscheiden, gab man ihm den Namen Prion.
Die Geschichte der heute als Prionenerkrankungen bekannten Krankheiten geht etwa 250 Jahre zurück, als in England eine tödliche Erkrankung des Schafes beschrieben wurde, die sich in Erregbarkeit, Juckreiz, Desorientierung und Lähmung äusserte. Seither wurde diese Krankheit auch in anderen Ländern beobachtet, wo sie, die Vielfalt der Symptome widerspiegelnd, verschiedenste Namen erhielt: In England «Scrapie» (abgeleitet von «to scrape», abreiben - kranke Tiere reiben sich wund an Bäumen und Pfählen), im deutschsprachigen Raum «Traberkrankheit» (wegen der gestörten Gangart), in Frankreich «la tremblante» (Zitterkrankheit) und in China «Sou Yiang» (Juckreizkrankheit). In den letzten Jahrzehnten wurde Scrapie als Prototyp einer ganzen Reihe übertragbarer Krankheiten des Zentralnervensystems von Mensch und Tier erforscht, die auch als übertragbare schwammartige Enzephalopathien bezeichnet werden.
Der erste wichtige Fortschritt in der experimentellen Erforschung von Scrapie erfolgte 1936, als Cuillé und Chelle zeigten, dass die Krankheit mittels Injektion von Rückenmark kranker Tiere auf gesunde Schafe und Ziegen übertragen werden kann. Später gelang die Übertragung auf Hamster und Mäuse, die sich besser für Laborversuche eignen. Bald wurde erkannt, dass der Erreger ungewöhnliche Eigenschaften aufweist. So ist er ungemein widerstandsfähig gegen übliche Sterilisationsverfahren wie Erhitzen, Behandlung mit Formaldehyd oder Bestrahlung mit ultraviolettem Licht, und die Inkubationszeit kann sehr lange, Monate bis Jahre, dauern.
Unabhängig von diesen Entwicklungen wurden in den zwanziger Jahren eine Anzahl langsamer degenerativer Krankheiten des zentralen Nervensystems des Menschen beschrieben, darunter die Creutzfeldt-Jakob-Erkrankung (CJD), das Gerstmann-Sträussler-Scheinker-Syndrom (GSS) und Kuru. CJD und GSS sind seltene Krankheiten, die jährlich nur bei einem von 1 bis 10 Millionen Menschen auftreten. Im Gegensatz dazu nahm Kuru in den ersten Jahrzehnten dieses Jahrhunderts in Papua-Neuguinea epidemische Ausmasse an. Der amerikanische Medizin-Nobelpreisträger Carlton Gajdusek publizierte 1959 die erste detaillierte Beschreibung von Kuru, die nahelegte, die Krankheit könnte das menschliche Gegenstück zu Scrapie sein. 1966 führten Gajdusek und seine Kollegen Langzeitexperimente durch, in denen zuerst Kuru, später auch CJD auf Schimpansen übertragen werden konnte. Es scheint, dass in Papua-Neuguinea Kuru durch rituellen Kannibalismus übertragen wurde und dass die Epidemie im Verzehr von Leichenteilen eines an CJD erkrankten Individuums ihren Ursprung gehabt haben könnte.
In den letzten Jahren ist, vor allem in England, eine neue Prionenkrankheit epidemieartig aufgetreten, der Rinderwahnsinn. Man führt seine Verbreitung auf die Verfütterung von aufbereiteten Schlachtabfällen zurück, in denen sich Überreste Scrapie-infizierter Tiere befanden, wobei es nicht klar ist, ob die Krankheit ursprünglich vom Schaf oder von spontan erkrankten Rindern ausging. Eine wichtige Frage in diesem Zusammenhang ist, ob der Erreger durch den Genuss des Fleisches erkrankter Schafe oder Rinder auf den Menschen übertragen werden kann. Ausgedehnte epidemiologische Untersuchungen ergaben keine Anhaltspunkte für eine Übertragung vom Schaf auf den Menschen, aber es ist noch zu früh, um eine ähnliche Aussage im Falle von Rindern machen zu können. Immerhin ist festgestellt worden, dass Prionen nur im Hirn und Rückenmark, nicht aber im Muskelfleisch erkrankter Rinder vorkommen.
Prionenkrankheiten des Menschen sind insofern ungewöhnlich, als sie einerseits selten in der allgemeinen Bevölkerung, anderseits gehäuft in bestimmten Familien auftreten. Neben der schon erwähnten Verbreitung von Kuru durch Kannibalismus sind mehrere Fälle indirekter Übertragung von Mensch zu Mensch bekannt, durch Transplantation menschlicher Gewebe, Verabreichung von Hormonen, die aus menschlichen Drüsen gewonnen wurden, oder durch Anwendung ungenügend sterilisierter Instrumente. In all diesen Fällen dürfte es sich um Spender handeln, die sich im Frühstadium der Krankheit befanden, also noch nicht erkennbar krank waren, jedoch den Erreger schon in sich trugen.
Obwohl die Inkubationszeit gewöhnlich Jahre oder Jahrzehnte beträgt, kann die Krankheit nach Auftreten der ersten Symptome innerhalb weniger Monate zum Tod führen. Die ersten Anzeichen beim Menschen sind Gedächtnis-, Schlaf- oder Bewegungsstörungen; die Krankheit endet mit dem Erlöschen geistiger Präsenz und immer mit dem Tod. Im Gehirn findet man typischerweise löchrige Degeneration der Hirnsubstanz, was zu einem schwammartigen Erscheinungsbild führt, ein Absterben von Nervenzellen und Wucherung von Stützgewebe. Ein Hauptmerkmal von Prionenkrankheiten ist die Anreicherung eines Eiweisskörpers, PrP (hoch Sc) genannt, im kranken Hirn. Anzeichen einer Entzündung oder einer Immunreaktion finden sich dagegen nicht, wahrscheinlich deshalb, weil der Erreger keine Fremd-, sondern eine körpereigene Substanz ist.
Die ungewöhnlichen Eigenschaften des Scrapie-Erregers führten früh zu den verschiedensten Vermutungen über seinen Aufbau. Die vom englischen Molekularbiologen J. S. Griffith 1967 umrissene, zwanzig Jahre später von S. Prusiner detailliert formulierte sogenannte Nur-Eiweiss-Hypothese geniesst heute die weiteste Akzeptanz. Sie besagt, dass der Erreger, das Prion, keine Nukleinsäure enthält - und deshalb kein Virus ist - und identisch ist mit PrP (hoch Sc), einer modifizierten Form von PrP (hoch C) (C steht für cellular, Sc für Scrapie). Letzteres ist ein normales Protein, das von allen Wirbeltieren gebildet wird, vor allem im Gehirn an der Oberfläche von Neuronen. Welche Funktion es im gesunden Organismus erfüllt, ist nicht bekannt. Gemäss der Nur-Eiweiss-Hypothese bewirkt PrP (hoch Sc), das in eine nichtinfizierte Zelle eindringt, die kaskadenartige Umwandlung von vorhandenem PrP (hochC) in weiteres PrP (hoch Sc).
Es gibt aber auch Anhänger entgegengesetzter Meinungen. Sie sind etwa der Ansicht, das infektiöse Agens sei ein konventionelles Virus mit ungewöhnlichen Eigenschaften, das bis jetzt noch nicht identifiziert wurde. Eine andere These, die Virino-Hypothese, besagt, das infektiöse Agens bestehe aus einer Scrapie-spezifischen Nukleinsäure, umhüllt von dem vom Wirt kodierten PrP (hoch Sc), im Gegensatz zu konventionellen Viren, deren Hüllproteine durch die eigene Nukleinsäure kodiert werden. Allerdings konnte eine solche Scrapie-spezifische Nukleinsäure, wie sie von der Virino- und der Virus-Hypothese postuliert wird, bisher nicht gefunden werden.
Wie unsere kleine Arbeitsgruppe, die 1983 mit ihren Untersuchungen begann, 1985 zeigte, ist die Bauanleitung für das PrP (hoch C) in einem wirtsspezifischen Gen enthalten. PrP (hoch C) wird im Zellinnern aufgebaut und an der äusseren Zellwand verankert. Von dort wird es wieder in die Zelle aufgenommen, wo ein Teil abgebaut und ein Teil wieder an die Zelloberfläche transportiert wird.
Die Umwandlung von PrP (hoch C) in PrP (hoch Sc) scheint entweder an der Zelloberfläche oder nach der Aufnahme von PrP (hoch C) in die Zelle stattzufinden. Im Hirn wird im Fall einer Infektion über zehnmal mehr PrP (hoch Sc) als PrP (hoch C) angereichert.
Bisher wurden keine chemischen Unterschiede zwischen den beiden Formen von PrP gefunden, wohl aber Unterschiede in der Faltung, das heisst der räumlichen Anordnung der Eiweisskette. Das legt die Vermutung nahe, dass der Übergang von PrP (hoch C) in PrP (hoch Sc) auf einer Veränderung der Faltung des Moleküls beruht, die durch PrP (hoch Sc) gesteuert wird. Da sowohl PrP (hoch C) wie PrP (hoch Sc) sehr stabil sind, muss man annehmen, dass eine hohe Energiebarriere den spontanen Übergang von einer Form in die andere verhindert und dass möglicherweise energieabhängige biochemische Vorgänge der Umfaltung zugrunde liegen.
Zweierlei Arten von Befunden untermauern die Nur-Protein-Hypothese, nämlich biochemische und genetische. Die hochgradige Reinigung von Scrapie-Erregern aus erkrankten Hirnen - das heisst die Trennung von Hirnprotein und infektiösem Agens - ergab Präparate, die hauptsächlich aus PrP (hoch Sc) bestanden. Ferner führte die Reinigung von PrP aus Scrapie-infizierten Hirnextrakten mittels Antikörpern gegen PrP (die sowohl PrP (hoch C) als auch PrP (hoch Sc) erkennen) zu einer Anreicherung von Infektiosität. Diese 1988 durchgeführten Experimente aus S. Prusiners Arbeitsgruppe zeigen, dass der Scrapie-Erreger mit PrP (hoch Sc) oder einem PrP-verwandten Molekül physisch assoziiert oder mit ihm identisch ist. Allerdings schliessen die Befunde nicht aus, dass der Erreger noch weitere Komponenten umfasst. Langjährige Versuche in vielen Laboratorien bestärken aber die Ansicht, dass das Prion ein vom Wirt stammendes, abnormes Eiweiss ist.
Obwohl menschliche Prionenkrankheiten selten und die meisten Fälle sporadischer Art sind, das heisst ohne nachweisbaren Zusammenhang mit äussern Umständen - zum Beispiel Kontakt mit erkrankten Menschen oder Tieren - auftreten, gibt es Familien, in denen etwa die Hälfte der Mitglieder im fortgeschrittenen Alter an CJD oder GSS erkranken. Die molekularbiologische Untersuchung des Erbmaterials dieser Patienten ergab, dass sie in allen Fällen eine Mutation, das heisst eine Veränderung im PrP-Gen aufwiesen, die zu einer Strukturänderung des PrP-Proteins führt. Im Laufe der letzten Jahre erwies es sich, dass es mehrere verschiedenartige mutierte PrP-Genformen gibt, die in den belasteten Familien auftreten und in der normalen Population nicht gefunden werden. Im Rahmen der Nur-Eiweiss-Hypothese könnte das bedeuten, dass solche Mutationen die spontane Umfaltung von PrP (hoch C) zu PrP (hoch Sc) erleichtern und damit die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass die Krankheit während der Lebensspanne des Betroffenen auftritt.
Die Nur-Eiweiss-Hypothese impliziert, dass Tiere ohne PrP resistent gegen Scrapie sein sollten. Ferner dürfte sich der Erreger in ihnen nicht mehr vermehren können. Um dies zu überprüfen, hat unsere Arbeitsgruppe 1988 mittels gentechnischer Methoden eine Mauslinie erzeugt, in der das PrP-Gen zerstört worden war. Die Experimente, die einen erheblichen Aufwand erforderten, dauerten nahezu vier Jahre und verlangten einiges an Fingerspitzengefühl und Kenntnissen. In den Gehirnen solcher Tiere konnte kein PrP nachgewiesen werden; erstaunlicherweise wiesen sie keine Abnormalitäten auf, weder anatomisch noch in ihrem Verhalten.
PrP-lose Mäuse, in die wir Prionen injizierten, erwiesen sich als vollständig resistent gegen die Krankheit und blieben zeitlebens gesund, während normale Mäuse 160 Tage nach der Infektion erkrankten und kurz danach eingingen. Um die Vermehrung von Prionen zu untersuchen, haben wir zu verschiedenen Zeiten nach der Infektion mit Scrapie Hirnextrakte von PrP-losen und normalen Mäusen hergestellt und deren Gehalt an Prionen bestimmt. In normalen Mäusen konnte eine Vermehrung des Erregers im Hirn erstmals acht Wochen nach Infektion festgestellt werden, und nach zwanzig Wochen war der Gehalt auf fast eine Milliarde Prionen pro Gramm Hirn angestiegen. Eine Vermehrung von Prionen in PrP-losen Tieren fand dagegen nicht statt.
Um uns zu vergewissern, dass die Resistenz PrP-loser Mäuse gegen Scrapie in der Tat auf der Abwesenheit dieses Eiweisses beruhte, haben wir in diese Mauslinie wieder ein oder mehrere Gene für PrP eingeführt. Wir fanden heraus, dass die sogenannten transgenen Mäuse nicht nur ihre Anfälligkeit für Scrapie zurückgewannen. Wenn mehrere Genkopien eingeführt wurden und es zu einer Überproduktion von PrP kam, steigerte sich ihre Anfälligkeit stark, was sich in einer auf bis zu 60 Tagen verkürzten Inkubationszeit äusserte. Je mehr PrP (hoch C) in der Zelle zur Verfügung steht, desto schneller kann infektiöses PrP (hoch Sc) hergestellt werden.
Prionen lassen sich, wenn überhaupt, nur sehr ineffizient und mit stark verlängerten Inkubationszeiten von einer Tierart auf eine andere übertragen. Es wird vermutet, dass die oben erwähnte Umfaltung von PrP (hoch C) unter dem Einfluss von PrP (hoch Sc) nur dann effizient vonstatten geht, wenn PrP (hoch C) des Empfängers und PrP (hoch Sc) des Spenders dieselbe Primärstruktur, das heisst Aminosäuresequenz, aufweisen, was nicht zutrifft, wenn Spender und Empfänger verschiedenen Arten angehören. Diese sogenannte Artenbarriere kann jedoch überwunden werden, wenn man mit Hilfe gentechnischer Methoden Hamster-PrP-Gene in normale oder PrP-lose Mäuse einführt. Mäuse, die sowohl ihre eigenen wie auch Hamster-PrP-Gene enthalten, produzieren dieselbe Sorte Prionen, mit der sie infiziert worden waren, mit anderen Worten: Wurden sie mit Prionen aus Maushirn infiziert, so produzierten sie mausspezifische Prionen, während Prionen aus Hamsterhirn zur Bildung von hamsterspezifischen Prionen führten. Enthält die Maus nur Hamster-PrP-Gene, so ist sie für Hamster-, aber nicht für Maus-Prionen anfällig.
Alle hier beschriebenen Befunde sprechen für die Annahme, dass das Prion teilweise oder ganz aus PrP (hoch Sc) besteht und dass es keiner Nukleinsäure als essentiellem Bestandteil bedarf. Die Virus- oder die Virino-Hypothese sind zwar nicht ausgeschlossen, bedürfen aber des Nachweises einer krankheitsspezifischen Nukleinsäure, der bis jetzt nicht erbracht werden konnte. Die nächste Näherung an einen definitiven Beweis für die Nur-Eiweiss-Hypothese wäre die Umwandlung im Reagenzglas von reinem PrP (hoch C) in infektiöse Prionen, ein schwieriges Unternehmen, das in vielen Laboratorien angestrebt wird. Es erfordert zahlreiche Detailuntersuchungen, mit denen man sich derzeit befasst.
Möglicherweise werden sich praktische Anwendungen der Prionenforschung ergeben, noch bevor diese Fragen geklärt sind. Weil Mäuse mit zerstörten PrP-Genen resistent sind gegen Scrapie, sich aber in jeder anderen Hinsicht nicht von normalen Tieren unterscheiden, sollte es möglich sein, mittels des oben beschriebenen Verfahrens der Geninaktivierung Rinder und Schafe zu züchten, die gegen Rinderwahnsinn beziehungsweise Scrapie resistent sind; die technischen Voraussetzungen für das Verfahren bei diesen Tieren sind allerdings noch nicht erarbeitet. Eine Reduktion der PrP (hoch C)-Synthese, die durch Verabreichung eines noch zu entdeckenden, die Aktivität des PrP-Gens spezifisch hemmenden Wirkstoffes zu erzielen wäre, könnte das Fortschreiten früh erfasster Prionerkrankungen verzögern. Dieses Ziel liegt allerdings noch in ferner Zukunft.
Charles Weissmann ist Leiter des Instituts für Molekularbiologie Abteilung I an der Universität Zürich.