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Toutes les espèces animales sont-elles sujettes à une infection à prions induite par le cannibalisme ?

Toutes les espèces animales sont-elles sujettes à une infection à prions induite par le cannibalisme ?


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Les humains ont tendance à contracter certaines maladies à prions en mangeant de la chair humaine. On sait que les animaux peuvent également contracter des maladies à prions.

Le cannibalisme parmi d'autres espèces animales les rend-ils également plus susceptibles de contracter une maladie à prions, et existe-t-il des distinctions entre les mammifères qui le font et d'autres ordres comme les reptiles, les oiseaux, les poissons, etc. ?


Il vaut peut-être la peine de se pencher sur des maladies à prions plus établies historiquement chez les animaux non carnivores, comme les moutons. Si les maladies à prions étaient seul transmis en consommant des tissus cérébraux riches en prions, ils devraient alors être extrêmement rares (produits par des événements uniques de mauvais repliement ou des mutations chez les individus affectés) ou complètement absents chez les herbivores sauvages et les herbivores domestiques qui ne sont pas nourris avec de la farine de viande.

En fait, je mentionne la tremblante parce qu'elle est antérieure à la pratique consistant à compléter les aliments du bétail avec des protéines dérivées de la viande. (La première mention documentée de la maladie remonte à environ 1772 et mentionne que la maladie a environ 40 ans à ce moment-là.) trouver des dates d'environ 1890. Les maladies à prions apparaissent également dans les populations sauvages de wapitis et de cerfs sous la forme de la maladie débilitante chronique, actuellement un gros problème dans le nord des États-Unis et du Canada, ainsi que chez les bovins et les moutons.

Alors, comment la tremblante est-elle devenue un problème pour les éleveurs de moutons européens ?

Eh bien, d'une part, la tremblante (et la MDC) peuvent être transmises via des ectoparasites. Mais le coupable le plus courant réside probablement dans le sol. Il s'avère que les prions infectieux peuvent survivre pendant années dans le sol une fois déposés. Non seulement la décomposition d'une carcasse est un moyen d'infecter le sol avec les prions mal repliés, mais les protéines de la MDC sont également présentes dans les excréments des animaux infectés et même dans le velours des bois.

C'est un problème, car la tremblante et la MDC peuvent être contractées simplement en consommant de la terre infectée ou en broutant de l'herbe qui la contient. C'est probablement la manière la plus courante d'acquérir naturellement ces maladies à prions - pas du tout le cannibalisme, ou du moins pas le genre auquel nous pensons généralement ! Il s'agit d'une simple voie de transmission fécale-orale, mais avec une période d'incubation potentielle alarmante.


Un individu (animal ou humain) acquiert une maladie à prions lorsqu'il consomme de la viande contenant des prions (des protéines suffisamment déformées pour modifier radicalement leur fonctionnalité), ce qui entraîne par la suite un mauvais repliement des protéines chez l'individu dans la même forme que le prion, ce qui entraîne toute une série de problèmes.

Pour le moment, on sait peu d'où viennent les prions/comment ils se forment. De plus, on sait peu de choses sur la façon dont les infections/transmissions inter-espèces se produisent. Les chercheurs étudient actuellement diverses combinaisons de transmissions inter-espèces, telles que des humains mangeant de la viande de cheval infectée ou des chats mangeant de la viande de poulet infectée, mais ne savent encore que très peu de choses sur ce phénomène.

Pour dire quelles espèces ont des taux plus élevés de maladie à prions lorsque l'on examine les communautés cannibales au sein de cette espèce, je ne pense pas que nous soyons près de tirer ces conclusions, et il en va de même pour les transmissions inter-espèces.

Tous mes vœux.


Comportement des prions dans l'environnement : implications pour la biologie des prions

Droits d'auteur: © 2013 Bartelt-Hunt, Bartz. Il s'agit d'un article en libre accès distribué selon les termes de la licence d'attribution Creative Commons, qui permet une utilisation, une distribution et une reproduction sans restriction sur n'importe quel support, à condition que l'auteur et la source d'origine soient crédités.

Le financement: Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation, CBET-1149242, (S. Bartelt-Hunt) et le National Center for Research Resources, P20 RR0115635-6, C06 RR17417-01 et G200RR024001, (J. Bartz). Les bailleurs de fonds n'ont joué aucun rôle dans la conception de l'étude, la collecte et l'analyse des données, la décision de publier ou la préparation du manuscrit.

Intérêts concurrents : Les auteurs ont déclaré qu'ils n'existaient pas de conflit d'intérêts.


Infection à prions subclinique

Les maladies à prions sont des maladies neurodégénératives transmissibles qui incluent la tremblante du mouton, l'encéphalopathie spongiforme bovine (ESB) chez les bovins et la maladie de Creutzfeldt-Jakob (MCJ) chez l'homme. Le composant principal de l'agent infectieux responsable de ces maladies semble être une isoforme anormale de la protéine prion codée par l'hôte (PrP), désignée PrP Sc . Les maladies à prions sont transmissibles à la même espèce de mammifère ou à des espèces différentes par inoculation ou exposition alimentaire à des tissus infectés. Bien que la tremblante du mouton soit reconnue depuis plus de 200 ans, c'est la récente épidémie d'ESB qui a beaucoup attiré l'attention du public et des scientifiques sur ces maladies neurodégénératives. L'apparition de la variante de la MCJ chez l'homme et la confirmation expérimentale qu'elle est causée par la même souche de prion que l'ESB ont mis en évidence la nécessité d'une étude intensive de la pathogenèse de ces maladies et de nouvelles approches diagnostiques et thérapeutiques. L'existence et les implications des formes subcliniques de la maladie à prions sont discutées.


Particules infectieuses, stress et amyloïdes prions induits : une perspective fédératrice

Beaucoup pensent que les encéphalopathies transmissibles (EST) surviennent par conversion spontanée de la protéine prion de l'hôte (PrP) en une amyloïde infectieuse (PrP-res, PrP (Sc)) sans acide nucléique. De nombreux agents d'EST résident dans l'environnement et l'infection est contrôlée par des mesures de santé publique. Ceux-ci incluent la disparition du kuru avec la cessation du cannibalisme rituel, la réduction spectaculaire de l'encéphalopathie bovine épidémique (ESB) par la suppression des aliments contaminés et l'absence de tremblante endémique chez les moutons australiens géographiquement isolés avec des génotypes PrP sensibles. Alors que la modélisation des protéines prions a suscité une attention intense sur les types courants de mauvais repliement des protéines et de formation d'amyloïde dans divers organismes et maladies, les caractéristiques biologiques des agents infectieux des EST et leur reconnaissance par l'hôte en tant qu'entités étrangères, soulèvent plusieurs nouvelles directions fondamentales pour une enquête fructueuse. tels que : (1) des agents microbiens non reconnus dans le métagénome environnemental qui peuvent provoquer une maladie neurodégénérative latente, (2) les fonctions sociales et protectrices évolutives de différentes protéines amyloïdes dans divers organismes, des bactéries aux mammifères, et (3) la formation d'amyloïde en tant que produit bénéfique réponse immunitaire innée au stress (infectieuse et non infectieuse). Cependant, ce processus inné, une fois amorcé, peut devenir imparable dans le vieillissement neuronal accéléré.

Mots clés: Maladie d'Alzheimer Maladie de Parkinson vieillissement biofilms agents pathogènes environnementaux latence métagénome acides nucléiques encéphalopathies transmissibles levure prions.

Les figures

15 et 100 d. La charge de gel à 130 jours a été réduite à 0,5 × pour une détection dans la plage linéaire. L'augmentation du log de l'infectiosité par voie ic a été reproduite (m > 3 de différents passages en série).

Particule virale TSE de 25 nm se liant à la PrP hôte requise…

Particule virale TSE de 25 nm liant son récepteur PrP hôte requis pour induire l'amyloïde PrP-res. (UNE) Montre la désintégration et l'élimination de la particule infectieuse avec son noyau d'acide nucléique (cercle plein) et sa cage de capside de protéine protectrice lorsqu'il n'y a pas de PrP sur laquelle s'arrimer. (B) Montre deux conformères PrP-res différents induits par deux souches virales différentes d'EST (particules A et B avec des cages de capside protectrices). Comme précédemment modélisé, la particule infectieuse initie ou « sème » le mauvais repliement de la PrP. Comme maintenant montré expérimentalement, cet amyloïde peut continuer à se perpétuer même après l'élimination de l'agent. (C) Le haut illustre la fabrication d'abondantes particules infectieuses d'EST avec un résidu de sites de fixation membranaire de PrP limités et étroitement liés. Le bas montre l'amyloïde PrP-res de l'hôte à accumulation tardive qui peut piéger, protéger et éventuellement éliminer l'agent.


Sephin1 réduit l'infection à prions dans les cellules et le modèle animal infectés par des prions

Les maladies à prions sont des maladies neurodégénératives infectieuses mortelles chez l'homme et les animaux causées par un mauvais repliement de la protéine prion cellulaire (PrP C ) dans l'isoforme infectieuse PrP Sc . Ces maladies ont le potentiel de se transmettre au sein ou entre les espèces, et aucun traitement n'est disponible à ce jour. Le ciblage de la réponse protéique dépliée (UPR) comme approche thérapeutique anti-prion a été largement rapporté pour les maladies à prions. Ici, nous décrivons l'effet anti-prion du composé chimique Sephin1 qui s'est avéré protéger dans des modèles murins de maladies du mauvais repliement des protéines, notamment la sclérose latérale amyotrophique (SLA) et la sclérose en plaques (SEP) en inhibant sélectivement la sous-unité régulatrice induite par le stress de protéine phosphatase 1, prolongeant ainsi la phosphorylation de eIF2α. Nous montrons ici que la dose de Sephin1 et le temps ont réduit la PrP Sc dans différentes lignées cellulaires neuronales infectées de manière persistante par diverses souches de prions. De plus, l'activité d'ensemencement des prions a été réduite dans les cellules traitées par Sephin1. Surtout, nous avons constaté que Sephin1 surmontait de manière significative le stress du réticulum endoplasmique (RE) induit dans les cellules traitées, tel que mesuré par une expression plus faible de la protéine prion aberrante induite par le stress. Dans un modèle murin d'infection à prions, le traitement intrapéritonéal avec Sephin1 a considérablement prolongé la survie des souris infectées par des prions. Lors de la combinaison de Sephin1 avec le médicament neuroprotecteur metformine, la survie des souris infectées par des prions a également été prolongée. Ces résultats suggèrent que Sephin1 pourrait être un médicament anti-prion potentiel ciblant sélectivement un composant de la voie UPR.

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IMMUNOINTERVENTION CIBLÉE À LA PrP

La cécité frappante du système immunitaire vis-à-vis des agents EST [77] n'est pas due au fait que l'hôte est immunodéprimé à la suite d'une infection, ni causée par un manque d'immunogénicité intrinsèque de la PrP Sc , le principal composant des prions. . En effet, la PrP d'une espèce étrangère ou la PrP autologue injectée dans Prnp les souris knock-out évoquent de bonnes réponses en anticorps [787980]. La cécité est simplement le résultat de l'auto-tolérance, du fait que la PrP n'est pas perçue comme étrangère ou comme « dangereuse » et n'alerte donc pas le système immunitaire. Même le fait que la PrP Sc représente un repliement différent qui n'a pas été vu par le système immunitaire avant l'infection ne fournit pas une différence suffisante par rapport à la configuration normale pour provoquer une réponse. Le système immunitaire ne prend en compte que la séquence primaire de la protéine et les fragments peptidiques qui résultent de la maturation de la PrP C et de la PrP Sc . Les deux ensembles d'épitopes échantillonnés par les molécules du CMH semblent être fondamentalement similaires, malgré le fait que les deux conformères ont des propriétés physico-chimiques différentes et, surtout, des sensibilités différentes aux enzymes protéolytiques et probablement aux endopeptidases. Il sera intéressant de savoir si des différences mineures dans les motifs peptidiques existent néanmoins et pourraient servir de base pour générer des réponses cellulaires T spécifiques de la PrP Sc uniquement.

Bien que l'auto-tolérance à la PrP reste un réel obstacle aux tentatives de vaccination, plusieurs groupes ont néanmoins commencé à évaluer, via des modèles in vitro ou en utilisant des souris transgéniques, les bénéfices potentiels d'une réponse immunitaire.

Une première indication encourageante est venue de deux études récemment publiées montrant que des anticorps anti-PrP ajoutés au milieu de culture pouvaient guérir des lignées cellulaires infectées en empêchant la conversion de PrP C en PrP Sc [81, 82]. Dans les deux études, les lignées ou clones étaient dérivés de N2a, un neuroblastome murin d'origine de souche A/J, qui exprime constitutivement la PrP C et peut être infecté relativement facilement par coculture avec des extraits de cerveau infectieux de souris tremblantes. Les cellules N2a infectées peuvent produire en continu de la PrP Sc résistante à la PK et rester infectieuses pour les souris même après plusieurs passages in vitro [83]. Ce sont d'excellents modèles pour étudier les événements cellulaires et moléculaires impliqués dans la conversion de la PrP et pour cribler les inhibiteurs potentiels de la réaction [84].

Les anticorps monoclonaux (mAb) qui empêchent la conversion cellulaire in vitro de la PrP C en PrP Sc ne sont pas spécifiques d'une isoforme particulière, car ils se lient de manière égale aux deux. A l'inverse, tous les anticorps anti-PrP n'ont pas la capacité de bloquer la conversion avec la même efficacité. Comme le montrent les deux études, la liaison à une région de la molécule PrP entre les résidus 132 et 156, correspondant à la première hélice de PrP C , semble être critique. Comment ces anticorps inhibent la conversion n'est pas encore totalement compris. Ils pourraient éventuellement entraver le contact physique entre les deux conformères ou empêcher l'amarrage d'un cofacteur auxiliaire catalysant la transconformation. Alternativement, il est possible que les anticorps redirigent le trafic de la PrP C et séquestrent la protéine dans un compartiment subcellulaire où la conversion ne peut pas avoir lieu, car inaccessible à la PrP Sc , ou les conditions physico-chimiques particulières ne favorisent pas la conversion. Enfin, une explication moins excitante avec une pertinence in vivo douteuse pourrait être que les anticorps augmentent la pression sélective contre les cellules infectées et laissent les cellules non infectées se multiplier.

La question de savoir si les anticorps peuvent également empêcher la conversion in vivo a en fait été abordée récemment [85]. Les auteurs ont produit une souris transgénique exprimant le domaine VH réarrangé de l'anticorps anti-PrP 6H4, l'un des mAb qui bloque la conversion in vitro. La lignée transgénique développe un répertoire de lymphocytes B hétérogène en raison des réarrangements endogènes libres des chaînes légères κ et mais est toujours biaisé vers les spécificités de la PrP en raison de la contrainte imposée par la chaîne lourde 6H4 réarrangée. Les souris transgéniques de la chaîne μ 6H4 produisent des anticorps anti-PrP spontanés d'isotype de l'immunoglobuline M, réactifs dans les tests immuno-enzymatiques et les tests Western blot. La réplication de la PrP Sc et l'infectivité de la tremblante ont été suivies dans les tissus de ces souris après i.p. inoculation de prions RML. Par rapport aux souris de type sauvage, la réplication des prions est significativement retardée dans les transgéniques de la chaîne μ 6H4. Il y a aussi considérablement moins d'accumulation de PrP Sc dans la rate et dans le cerveau. Ainsi, les anticorps anti-PrP produits de manière endogène peuvent inhiber la progression de la tremblante in vivo. Cependant, le rapport ne mentionne pas si la maladie clinique est effectivement retardée et, dans l'affirmative, pour combien de temps. Bien que les mécanismes d'inhibition restent à clarifier, les résultats sont encourageants, car ils suggèrent d'une part que les anticorps peuvent antagoniser la conversion des prions in vivo d'autre part, que les clones de cellules B dirigés contre l'auto-PrP ne sont pas nécessairement voués à la délétion clonale ou à l'anergie périphérique et troisièmement, que les auto-anticorps anti-PrP ne provoquent pas de manifestations apparentes d'auto-immunité. Cette dernière question doit être considérée avec une certaine prudence après le rapport de Souan et al. [86] montrant que des rats Lewis immunisés avec des peptides immunogènes de PrP homologue peuvent développer une inflammation cutanée sévère.

L'immunité à médiation cellulaire contre la PrP n'a de loin pas été aussi intensément explorée que l'immunité humorale. Pourtant, il y a de bonnes raisons de croire que les cellules T reconnaissent les épitopes transformés de PrP C ou PrP Sc , en tant qu'anticorps anti-PrP produits dans des conditions hétérologues ou dans PrnpLes souris °/° sont soumises à une commutation isotypique, un événement qui nécessite la coopération de cellules T auxiliaires spécifiques de l'antigène. Souan et al. [86, 87] ont abordé la question de la réponse médiée par les cellules T contre la PrP dans deux études récentes. Dans l'étude plus détaillée, les auteurs ont immunisé des souris normales de type sauvage de trois souches indépendantes, NOD, C57BL/6 et A/J, avec une bibliothèque de peptides synthétiques couvrant presque toute la séquence de la PrP de souris. Après quelques cycles de stimulation in vitro avec des peptides et des cellules présentatrices d'antigènes (APC), ils ont pu identifier deux motifs épitopiques rappelant les cellules CD4+ T chez les trois souches de souris, malgré leurs différents haplotypes du CMH. Un peptide s'étend du résidu 131 à 150, la même région qui est critique dans le blocage de la conversion de PrP par les anticorps, l'autre se trouve à l'extrémité C-terminale entre les résidus 211 et 230. Enfin, les auteurs montrent que chez les souris A/J compatibles , qui ont été immunisés avec des peptides PrP immunogènes et ont reçu une greffe de cellules infectées par N2a, la quantité de PrP Sc récupérée des tumeurs en croissance est significativement inférieure à celle des tumeurs en croissance chez les témoins naïfs. Ainsi, une réponse immunitaire anti-PrP en cours semble capable d'antagoniser la conversion in vivo de la PrP. À l'instar du rapport d'Aguzzi et de ses collaborateurs [85], cette étude est encourageante à plusieurs égards. Cela suggère que, bien qu'indirectement, l'immunité anti-PrP pourrait ralentir la conversion de la PrP et que la tolérance des cellules T peut être surmontée chez des souris normales par une immunisation active avec des peptides synthétiques sans manifestation indésirable d'auto-immunité. Cependant, plusieurs questions restent en suspens : l'effet de l'immunisation peptidique sur la maladie naturelle et les contributions respectives de l'immunité à médiation cellulaire et humorale, les anticorps étant produits de manière concomitante par les cellules B suite à l'activation des cellules T auxiliaires. A partir d'expériences faites en Prnp souris knock-out non tolérantes à la PrP, nos propres observations confirment que la PrP est normalement traitée et présentée aux cellules T par APC et que les lignées cellulaires T peuvent être générées contre quelques épitopes dominants résidant dans les mêmes résidus couvrant la région, 142 et 186. Cependant , en contradiction avec les résultats de Souan et al. [87], nous avons trouvé que les souris C57/B6 de type sauvage sont plutôt réfractaires à l'immunisation avec les peptides PrP. Relativement peu de clones émergent de cultures in vitro et nécessitent de nombreux cycles itératifs de restimulation en présence d'antigène et d'interleukine-2. Certains épitopes sont les mêmes que ceux identifiés avec les cellules T de Prnp les souris knock-out, d'autres non, ce qui suggère que les répertoires de cellules T chez les souris exprimant ou n'exprimant pas la PrP ne se chevauchent pas totalement. Nous prévoyons que, sur la base de nos résultats, briser la tolérance chez les individus normaux nécessitera probablement des stratégies sophistiquées similaires à celles utilisées pour l'immunisation contre les tumeurs faiblement immunogènes. L'immunologie tumorale a été pionnière dans ce domaine en utilisant des stratégies basées sur des adjuvants bactériens puissants, des peptides modifiés, des DC chargées d'antigènes et des clones de cellules T redirigés par transfection de TCR de haute affinité. Des stratégies similaires devront probablement être développées pour briser la tolérance et s'opposer à la propagation des prions chez les hôtes infectés.


Résultats

Défi de souris CD-1 avec des prions de hamster syrien Sc237.

Des souris CD-1 conventionnelles ont été inoculées par voie intracérébrale avec ≈ 8,5 × 10 6 LD50 unités de prions Sc237 ou véhicule (PBS) seul. Aucun signe clinique semblable à celui de la tremblante n'a été observé chez les animaux des deux groupes. Toutes les souris ont été soigneusement observées jusqu'à leur mort ou jusqu'à ce qu'elles développent une autre maladie intercurrente, qui a nécessité un abattage selon les critères normaux de soins aux animaux (tableau 1). Les périodes d'observation pour les souris inoculées au Sc237 et au PBS [638 ± 28 jours et 649 ± 48 jours (moyennes ± SEM), respectivement] n'étaient pas significativement différentes (P = 0,84, non apparié t test).

Challenge de souris CD-1 avec des prions de hamster syrien Sc237 (38)

Une analyse Western blot a été réalisée sur tous les cerveaux. La PrP Sc a été démontrée chez environ 50 % des souris inoculées au Sc237, mais aucun des témoins inoculés au PBS. Les périodes d'observation pour les souris PrP Sc -positives allaient de 659 à 828 jours après l'inoculation, tandis que les souris inoculées PrP Sc -négatives Sc327 ont été observées pendant 408 à 655 jours. Les différences dans les périodes d'observation moyennes pour les souris inoculées à la PrP Sc -positive et à la PrP Sc -négative par Sc237 étaient statistiquement significatives (727 ± 15 et 528 ± 30 jours, respectivement P < 0,0001, non apparié t test). Le Western blot a été réalisé à la fois avec le mAb 3F4, qui détecte la PrP de hamster mais pas la PrP de souris (23) et l'anticorps polyclonal R073, qui détecte à la fois la PrP de hamster et de souris (26) pour déterminer le type de PrP Sc présent. La PrP Sc de souris était facilement détectable, mais aucune PrP Sc de hamster n'a pu être détectée (Fig. 1).

Analyse par transfert Western d'homogénats cérébraux traités à la protéinase K à l'aide d'anticorps anti-PrP R073, qui détectent à la fois la PrP de souris et de hamster (pistes 1 à 3) et 3F4, qui détecte uniquement la PrP de hamster (pistes 4 à 6) (40). Pistes 1 et 4 : Hamster inoculé au Sc237 Pistes 2 et 5 : Souris CD-1 inoculée au Sc237 positive pour la PrP Sc murine Pistes 3 et 6 : Souris inoculée au Sc237 négative pour la PrP Sc . Les nombres adjacents aux lignes horizontales indiquent les positions des marqueurs de masse moléculaire (kDa). Dix microlitres d'un homogénat de cerveau à 10 % ont été chargés dans chaque piste.

Les souris de chaque groupe ont été soumises à un examen neuropathologique complet. Plusieurs souris inoculées au Sc237 ont montré les caractéristiques histologiques d'une encéphalopathie spongiforme avec des plaques amyloïdes de PrP, compatibles avec une maladie à prions typique (Fig. 2). Les témoins appariés selon l'âge, inoculés au PBS, qui sont morts à un moment similaire après l'inoculation, avaient tous une histologie normale et une immunohistochimie PrP négative.

Examen neuropathologique de sc237 inoculés (une) et (b) et inoculé au PBS (c) et () Souris CD-1 (41). (une et c) Coupes colorées à l'hématoxyline et à l'éosine montrant une neurodégénérescence spongiforme dans une. (b et ) Immunohistochimie PrP montrant une immunoréactivité PrP anormale, y compris des plaques PrP-positives dans b. (c et ) Apparences normales. Grossissements : ×150.

Passage de l'homogénat cérébral à partir de souris CD-1 inoculées Sc237 ou simulées chez des souris et des hamsters.

Pour déterminer si la propagation des prions s'était produite chez des souris inoculées au Sc237 et pour étudier les caractéristiques de tous les prions infectieux détectés, nous avons effectué des transmissions de second passage chez des souris CD-1, des souris Tg20, qui surexpriment la PrP de souris de type sauvage et ont des périodes d'incubation raccourcies. pour les prions de souris (27) et les hamsters syriens. Deux souris CD-1 inoculées au Sc237 ont été choisies pour le passage, l'une était positive à la PrP Sc, l'autre négative. Deux souris CD-1 inoculées au PBS ont été passées en tant que contrôle négatif.

Tous les animaux des trois groupes (souris CD-1 et Tg20 et hamsters syriens) inoculés avec le cerveau de souris CD-1 positif à la PrP Sc inoculé par Sc237 ont développé des signes typiques de tremblante avec des périodes d'incubation comme indiqué dans le tableau 2.

Passage de l'infectiosité de souris CD-1 inoculées avec Sc237 ou PBS à la fois aux souris et aux hamsters (38)

L'inoculation d'une souris CD-1 négative à la PrP Sc inoculée par Sc237 aux trois types d'animaux a entraîné une transmission uniquement aux hamsters avec des périodes d'incubation très prolongées et plus variables (148-238 jours) (tableau 2). Aucun des animaux inoculés avec du matériel provenant des souris CD-1 inoculées au PBS n'a présenté de symptômes semblables à ceux de la tremblante jusqu'à 650 jours après l'inoculation.

Tous les animaux de ces groupes de passage ont été examinés par Western blot et/ou neuropathologie. Tous les animaux cliniquement atteints présentaient des caractéristiques neuropathologiques classiques de la maladie à prions avec une vacuolisation spongiforme étendue et une immunoréactivité positive à la PrP (données non présentées). Le Western blot a révélé la présence de PrP Sc résistante aux protéases (Fig. 3).

Analyse par transfert Western d'homogénats cérébraux traités à la protéinase K en utilisant l'anticorps anti-PrP R073 pour déterminer les types de PrP Sc (40). Piste 1 : Hamster syrien inoculé au Sc237 Piste 2 : Souris CD-1 inoculée au Sc237 Pistes 3 à 5 : passage de souris CD-1 inoculées au Sc237 dans le hamster syrien (piste 3), la souris CD-1 (piste 4) et Souris Tg20 (piste 5). Les nombres adjacents aux lignes horizontales indiquent les positions des marqueurs de masse moléculaire (kDa).

Titrage au point final des prions Sc237 passés par CD-1.

Le titre en prions chez les souris CD-1 inoculées avec des prions de hamster Sc237 a été déterminé par titrage au point final, à la fois chez les souris Tg20 et les hamsters syriens (tableau 3). Les titres de prions dans le cerveau positif à la PrP Sc inoculé par Sc237 ont été estimés à ≈10 8 LD50/g chez les hamsters et ≈10 7 LD50/g chez les souris Tg20. Le titrage des prions du cerveau de souris CD-1 PrP Sc-négatif inoculé par Sc237 a révélé un titre de ≈10 6 LD50/g chez les hamsters mais il n'y a pas eu de transmission aux souris Tg20.

Titrage au point final de souris CD-1 inoculées par Sc237 chez des hamsters syriens et des souris Tg20 (39)

Analyse Moléculaire Des Caractéristiques De La Souche De Prions Sc237 De Souris CD-1 Passées.

Les souches de prions peuvent être différenciées par des différences dans les tailles des fragments PrP Sc et les rapports de glycoformes sur les transferts Western après clivage de la protéinase K. Nous avons comparé la PrP Sc chez des hamsters inoculés avec des prions Sc237 avec celle observée chez des souris CD-1 inoculées par Sc237 et dans des cerveaux de hamsters et de souris inoculés avec des souris CD-1 PrP Sc -positives et PrP Sc -négatives inoculées (Fig. 3 ). Le type de PrP Sc observé chez les souris CD-1 inoculées par Sc237 différait nettement de celui des hamsters inoculés par Sc-237, à la fois en ce qui concerne la taille des fragments et les rapports de glycoformes après digestion par la protéinase K. La taille du fragment PrP non glycosylé était de 21,7 kDa chez les souris CD-1 inoculées avec Sc237, et la glycoforme la plus abondante était monoglycosylée [rapports (moyenne ± SEM) : 34,6 ± 1,6 % di- 45,3 ± 1,6 % mono- et 20,0 ± 0,4 % PrP non glycosylée]. Chez les hamsters inoculés avec Sc237, la PrP diglycosylée prédominait (rapports : 83,0 % di-15,2 % mono- et 1,8 % PrP non glycosylée), et le fragment non glycosylé était d'environ 20,7 kDa.

Lors du passage des prions de souris CD-1 inoculées par Sc237 à d'autres souris CD-1, ainsi qu'à des souris Tg20, le même type de PrP Sc a été généré, avec des tailles de fragments et des ratios de glycoformes impossibles à distinguer de ceux de la CD inoculée par Sc-237 -1 souris. Cependant, lors du passage chez les hamsters syriens, le type PrP Sc est revenu à celui observé chez les hamsters inoculés au Sc237 (Fig. 3).


Contenu

Encéphalopathies spongiformes connues
Code ICTVdb Nom de la maladie Hôte naturel Nom du prion Isoforme PrP Ruminant
Mammifères non humains
90.001.0.01.001. tremblante Moutons et chèvres Prion de la tremblante PrP Sc Oui
90.001.0.01.002. Encéphalopathie transmissible du vison (EMT) Vison prion TME PrP TME Non
90.001.0.01.003. Maladie débilitante chronique (MDC) Wapiti, cerf de Virginie, cerf mulet et cerf élaphe prion de la MDC PrP CWD Oui
90.001.0.01.004. Encéphalopathie spongiforme bovine (ESB)
communément appelée « maladie de la vache folle »
Bovins Prion de l'ESB PrP ESB Oui
90.001.0.01.005. Encéphalopathie spongiforme féline (ESF) Chats prion FSE PrP FSE Non
90.001.0.01.006. Encéphalopathie des ongulés exotiques (EUE) Nyala et grand koudou prion UE PrP UE Oui
Encéphalopathie spongiforme du chameau (ESC) [8] chameau PrP CSE Oui
Maladies humaines
90.001.0.01.007. Kuru Humains prion kuru PrP Kuru Non
90.001.0.01.008. Maladie de Creutzfeldt-Jakob (MCJ) prion MCJ PrP MCJ Non
Variante de la maladie de Creutzfeldt–Jakob (vMCJ, nvMCJ) prion vMCJ [9] PrP vMCJ
90.001.0.01.009. Syndrome de Gerstmann-Sträussler-Scheinker (GSS) prion GSS PrP GSS Non
90.001.0.01.010. Insomnie fatale familiale (FFI) prion FFI PrP FFI Non
Encéphalopathie spongiforme familiale [10]

Les lésions tissulaires dégénératives causées par les maladies à prions humaines (MCJ, GSS et kuru) sont caractérisées par quatre caractéristiques : changement spongiforme, perte neuronale, astrocytose et formation de plaques amyloïdes. Ces caractéristiques sont communes aux maladies à prions chez les animaux, et la reconnaissance de ces similitudes a incité les premières tentatives de transmission d'une maladie à prions humaine (kuru) à un primate en 1966, suivies de la MCJ en 1968 et du GSS en 1981. Ces caractéristiques neuropathologiques se sont formées. la base du diagnostic histologique des maladies à prions humaines pendant de nombreuses années, bien qu'il ait été reconnu que ces changements sont extrêmement variables à la fois d'un cas à l'autre et au sein du système nerveux central dans les cas individuels. [11]

Les signes cliniques chez l'homme varient, mais comprennent généralement des changements de personnalité, des problèmes psychiatriques tels que la dépression, un manque de coordination et/ou une démarche instable (ataxie). Les patients peuvent également ressentir des mouvements saccadés involontaires appelés myoclonies, des sensations inhabituelles, de l'insomnie, de la confusion ou des problèmes de mémoire. Dans les derniers stades de la maladie, les patients souffrent de troubles mentaux sévères (démence) et perdent la capacité de bouger ou de parler. [12]

Les premiers rapports neuropathologiques sur les maladies à prions humaines souffraient d'une confusion de nomenclature, dans laquelle l'importance de la caractéristique diagnostique du changement spongiforme était parfois négligée. La démonstration ultérieure que les maladies à prions humaines étaient transmissibles a renforcé l'importance du changement spongiforme en tant que caractéristique diagnostique, reflétée dans l'utilisation du terme « encéphalopathie spongiforme » pour ce groupe de troubles.

Les prions semblent être plus infectieux lorsqu'ils sont en contact direct avec les tissus affectés. Par exemple, la maladie de Creutzfeldt-Jakob a été transmise à des patients recevant des injections d'hormone de croissance prélevée sur des glandes pituitaires humaines, à partir d'allogreffes de dure-mère cadavérique et à partir d'instruments utilisés pour la chirurgie cérébrale (Brown, 2000) (les prions peuvent survivre au processus de stérilisation « en autoclave » utilisé pour la plupart des instruments chirurgicaux). On croit aussi [ Par qui? ] que la consommation alimentaire des animaux affectés peut entraîner une accumulation lente des prions, en particulier lorsque le cannibalisme ou des pratiques similaires permettent aux protéines de s'accumuler sur plus d'une génération. Un exemple est le kuru, qui a atteint des proportions épidémiques au milieu du 20e siècle chez le peuple Fore de Papouasie-Nouvelle-Guinée, qui consommait ses morts comme rituel funéraire. [13] Les lois des pays développés interdisent désormais l'utilisation de protéines fondues de ruminants dans l'alimentation des ruminants par mesure de précaution contre la propagation de l'infection à prions chez les bovins et autres ruminants.

Il existe des preuves que les maladies à prions peuvent être transmissibles par voie aérienne. [14]

Notez que toutes les encéphalopathies ne sont pas causées par des prions, comme dans les cas de PML (causée par le virus JC), CADASIL (causée par une activité anormale de la protéine NOTCH3) et la maladie de Krabbe (causée par un déficit de l'enzyme galactosylcéramidase). La leucoencéphalopathie spongiforme progressive (PSL) - qui est une encéphalopathie spongiforme - n'est probablement pas non plus causée par un prion, bien que l'adultérant qui le provoque chez les fumeurs d'héroïne n'ait pas encore été identifié. [15] [16] [17] [18] Ceci, combiné à la nature très variable de la pathologie de la maladie à prions, est la raison pour laquelle une maladie à prions ne peut pas être diagnostiquée sur la seule base des symptômes d'un patient.

La génétique

Des mutations du gène PRNP provoquent une maladie à prions. Les formes familiales de la maladie à prions sont causées par des mutations héréditaires du gène PRNP. Cependant, seul un faible pourcentage de tous les cas de maladie à prions sont familiaux. La plupart des cas de maladie à prions sont sporadiques, ce qui signifie qu'ils surviennent chez des personnes sans facteurs de risque connus ni mutations génétiques. Dans de rares circonstances, les maladies à prions peuvent également être transmises par exposition à des tissus contaminés par des prions ou à d'autres matériels biologiques obtenus à partir d'individus atteints de la maladie à prions.

Le gène PRNP fournit les instructions pour fabriquer une protéine appelée protéine prion (PrP). Dans des circonstances normales, cette protéine peut être impliquée dans le transport du cuivre dans les cellules. Il peut également être impliqué dans la protection des cellules cérébrales et les aider à communiquer. 24 [ citation requise ] Les mutations ponctuelles dans ce gène amènent les cellules à produire une forme anormale de la protéine prion, connue sous le nom de PrP Sc . Cette protéine anormale s'accumule dans le cerveau et détruit les cellules nerveuses, ce qui entraîne les signes et les symptômes de la maladie à prions.

Les formes familiales de la maladie à prions sont héritées selon un mode autosomique dominant, ce qui signifie qu'une copie du gène altéré dans chaque cellule est suffisante pour provoquer la maladie. Dans la plupart des cas, une personne affectée hérite du gène altéré d'un parent affecté.

Chez certaines personnes, les formes familiales de la maladie à prions sont causées par une nouvelle mutation du gène PRNP. Bien que ces personnes n'aient probablement pas de parent affecté, elles peuvent transmettre le changement génétique à leurs enfants.

Hypothèse de la protéine seule

La protéine pourrait être l'agent infectieux, induisant sa propre réplication en provoquant un changement de conformation de la PrP C cellulaire normale en PrP Sc . Preuve de cette hypothèse :

  • Le titre d'infectiosité est en corrélation avec les niveaux de PrP Sc. Cependant, cela est contesté. [19]
  • PrP Sc est un isomère de PrP C
  • Denaturing PrP removes infectivity [20]
  • PrP-null mice cannot be infected [21]
  • PrP C depletion in the neural system of mice with established neuroinvasive prion infection reverses early spongeosis and behavioural deficits, halts further disease progression and increases life-span [22]

Multi-component hypothesis

While not containing a nucleic acid genome, prions may be composed of more than just a protein. Purified PrP C appears unable to convert to the infectious PrP Sc form, unless other components are added, such as RNA and lipids. [23] These other components, termed cofactors, may form part of the infectious prion, or they may serve as catalysts for the replication of a protein-only prion.

Spiroplasma hypothèse

There is some disputed evidence for the role of bacteria of the Spiroplasma genus in the etiology of TSEs, primarily due to the work of Frank Bastian. The fact that PrP Sc cannot be detected in about 10% of cases of CWD, while Bastian claims to have successfully cultured Spiroplasma spp. from the brains of 100% of deer with CWD and sheep with scrapie, which were able to spread the disease to other ruminants in the absence of PrP Sc , [24] has led him and others to suspect that Spiroplasma infection may be the genuine cause of TSEs. Under this hypothesis PrP Sc would merely be an imperfect marker of infection (with both sensitivity and NPV <1) either induced by Spiroplasma directly or by a defence mechanism of the host.

Other researchers have found no evidence for the Spiroplasma hypothesis of TSE causation. [25] [26] Bastian however attributes the inability to find Spiroplasma in 100% of cases to genetic variability. [27] Bastian also stated that the authors of the hamster study used different primers for their PCR than he did, which could result in a false negative.

Viral hypothesis

This hypothesis postulates that an as of yet undiscovered infectious viral agent is the cause of the disease. Evidence for this hypothesis is as follows:

  • Incubation time is comparable to a lentivirus
  • Strain variation of different isolates of PrP Sc [28]
  • An increasing titre of PrP Sc as the disease progresses suggests a replicating agent.

There continues to be a very practical problem with diagnosis of prion diseases, including BSE and CJD. They have an incubation period of months to decades during which there are no symptoms, even though the pathway of converting the normal brain PrP protein into the toxic, disease-related PrP Sc form has started. At present, there is virtually no way to detect PrP Sc reliably except by examining the brain using neuropathological and immunohistochemical methods after death. Accumulation of the abnormally folded PrP Sc form of the PrP protein is a characteristic of the disease, but it is present at very low levels in easily accessible body fluids like blood or urine. Researchers have tried to develop methods to measure PrP Sc , but there are still no fully accepted methods for use in materials such as blood.

In 2010, a team from New York described detection of PrP Sc even when initially present at only one part in a hundred billion (10 −11 ) in brain tissue. The method combines amplification with a novel technology called Surround Optical Fiber Immunoassay (SOFIA) and some specific antibodies against PrP Sc . After amplifying and then concentrating any PrP Sc , the samples are labelled with a fluorescent dye using an antibody for specificity and then finally loaded into a micro-capillary tube. This tube is placed in a specially constructed apparatus so that it is totally surrounded by optical fibres to capture all light emitted once the dye is excited using a laser. The technique allowed detection of PrP Sc after many fewer cycles of conversion than others have achieved, substantially reducing the possibility of artefacts, as well as speeding up the assay. The researchers also tested their method on blood samples from apparently healthy sheep that went on to develop scrapie. The animals’ brains were analysed once any symptoms became apparent. The researchers could therefore compare results from brain tissue and blood taken once the animals exhibited symptoms of the diseases, with blood obtained earlier in the animals’ lives, and from uninfected animals. The results showed very clearly that PrP Sc could be detected in the blood of animals long before the symptoms appeared. [29] [30]

Transmissible spongiform encephalopathies (TSE) are very rare but can reach epidemic proportions. [ éclaircissements nécessaires ] It is very hard to map the spread of the disease due to the difficulty of identifying individual strains of the prions. This means that, if animals at one farm begin to show the disease after an outbreak on a nearby farm, it is very difficult to determine whether it is the same strain affecting both herds—suggesting transmission—or if the second outbreak came from a completely different source.

Classic Creutzfeldt-Jakob disease (CJD) was discovered in 1920. It occurs sporadically over the world but is very rare. It affects about one person per million each year. Typically, the cause is unknown for these cases. It has been found to be passed on genetically in some cases. 250 patients contracted the disease through iatrogenic transmission (from use of contaminated surgical equipment). [31] This was before equipment sterilization was required in 1976, and there have been no other iatrogenic cases since then. In order to prevent the spread of infection, the World Health Organization created a guide to tell health care workers what to do when CJD appears and how to dispose of contaminated equipment. [32] The Centers for Disease Control and Prevention (CDC) have been keeping surveillance on CJD cases, particularly by looking at death certificate information. [33]

Chronic wasting disease (CWD) is a prion disease found in North America in deer and elk. The first case was identified as a fatal wasting syndrome in the 1960s. It was then recognized as a transmissible spongiform encephalopathy in 1978. Surveillance studies showed the endemic of CWD in free-ranging deer and elk spread in northeastern Colorado, southeastern Wyoming and western Nebraska. It was also discovered that CWD may have been present in a proportion of free-ranging animals decades before the initial recognition. In the United States, the discovery of CWD raised concerns about the transmission of this prion disease to humans. Many apparent cases of CJD were suspected transmission of CWD, however the evidence was lacking and not convincing. [34]

In the 1980s and 1990s, bovine spongiform encephalopathy (BSE or "mad cow disease") spread in cattle at an epidemic rate. The total estimated number of cattle infected was approximately 750,000 between 1980 and 1996. This occurred because the cattle were fed processed remains of other cattle. Then human consumption of these infected cattle caused an outbreak of the human form CJD. There was a dramatic decline in BSE when feeding bans were put in place. On May 20, 2003, the first case of BSE was confirmed in North America. The source could not be clearly identified, but researchers suspect it came from imported BSE-infected cow meat. In the United States, the USDA created safeguards to minimize the risk of BSE exposure to humans. [35]

Variant Creutzfeldt-Jakob disease (vCJD) was discovered in 1996 in England. There is strong evidence to suggest that vCJD was caused by the same prion as bovine spongiform encephalopathy. [36] A total of 231 cases of vCJD have been reported since it was first discovered. These cases have been found in a total of 12 countries with 178 in the United Kingdom, 27 in France, five in Spain, four in Ireland, four in the United States, three in the Netherlands, three in Italy, two in Portugal, two in Canada, and one each in Japan, Saudi Arabia, and Taiwan. [37]

In the 5th century BCE, Hippocrates described a disease like TSE in cattle and sheep, which he believed also occurred in man. [38] Publius Flavius Vegetius Renatus records cases of a disease with similar characteristics in the 4th and 5th centuries AD. [39] In 1755, an outbreak of scrapie was discussed in the British House of Commons and may have been present in Britain for some time before that. [40] Although there were unsupported claims in 1759 that the disease was contagious, in general it was thought to be due to inbreeding and countermeasures appeared to be successful. Early-20th-century experiments failed to show transmission of scrapie between animals, until extraordinary measures were taken such as the intra-ocular injection of infected nervous tissue. No direct link between scrapie and disease in man was suspected then or has been found since. TSE was first described in man by Alfons Maria Jakob in the 1921. [41] Daniel Carleton Gajdusek's discovery that Kuru was transmitted by cannibalism accompanied by the finding of scrapie-like lesions in the brains of Kuru victims strongly suggested an infectious basis to TSE. [42] A paradigm shift to a non-nucleic infectious entity was required when the results were validated with an explanation of how a prion protein might transmit spongiform encephalopathy. [43] Not until 1988 was the neuropathology of spongiform encephalopathy properly described in cows. [44] The alarming amplification of BSE in the British cattle herd heightened fear of transmission to humans and reinforced the belief in the infectious nature of TSE. This was confirmed with the identification of a Kuru-like disease, called new variant Creutzfeldt–Jakob disease, in humans exposed to BSE. [45] Although the infectious disease model of TSE has been questioned in favour of a prion transplantation model that explains why cannibalism favours transmission, [46] the search for a viral agent is being continued in some laboratories. [47] [48]


Prions: Diseases and Treatment

Prions comprise a distinctive class of infectious agents that are protein-based and lack a specific nucleic acid genome. The prion concept includes novel protein-based elements of inheritance, that is, altered forms of host proteins that, when transferred to a new host, can cause a heritable phenotypic change in the recipient. Most prions are pathogens but, compared to all other pathogens (e.g., viruses, bacteria, fungi, parasites), prions are unique in that they propagate within and between hosts without carrying or replicating any DNA or RNA genes of their own.

Prions are typically refolded and aggregated proteins that propagate themselves by incorporating and inducing the refolding of the corresponding normal form of the protein in the host. The prion aggregate grows and then is fragmented somehow to generate more prion aggregates. In many ways, like Kurt Vonnegut’s “Ice Nine”, the growth of prions is analogous to the templated growth of crystals, and prions are often described as “seeds” by analogy to seed crystals. Thus, prions need not carry any nucleic acid code for themselves, but a susceptible host must make the normal precursor protein from which the infectious prions are made. Many, if not most, proteins can refold and/or assemble into ordered aggregates that can seed further growth under certain natural or experimental conditions, whether in a tissue or a test tube. However, not all such protein aggregates are infectious prions. Le terme prion implies that at the biological level the refolded state of the protein can propagate between hosts, or at least from cell-to-cell within a multicellular host. There have been recent calls to include all protein states that promote their own growth as multimeric assemblies under the prion umbrella, but this broadened usage of the term neglects the core concept of transmissibility and fails to discriminate prions from many cellular structures that can grow but have no tendency to spread to other cells and individuals.

History of Research

The prototypic prion disease was a deadly and mysterious transmissible neurodegenerative disease of sheep called scrapie. Early studies revealed that the scrapie agent was unusually resistant to treatments that disinfect other pathogens and could lay dormant in pastures for years. The scrapie agent’s resistance to radiation, in particular, led to proposals in the 1960’s by J.S. Griffith and Tikva Alper that it represents a novel class of pathogen that lacks its own nucleic acid genome and might instead be an abnormal self-replicating form of a protein or membrane. Meanwhile, Carlton Gajdusek’s descriptions of the brain pathology of the human disease kuru in Papua New Guinea led William Hadlow to the observation that kuru looks like scrapie in sheep. Accordingly, Hadlow recommended that kuru be tested for transmissibility from humans to other primates. Gajdusek did so successfully, and showed that the Fore people were acquiring kuru during ritual cannibalistic feasts. A striking feature of kuru and other prion diseases that has often obscured their causes is the long incubation periods between the initial infection and the appearance of clinical signs, which, in humans, can exceed four decades.

Lymph nodes from (a) healthy and (b) infected sheep – colouring with antibodies shows clear sign of scrapie prions in the tissue of the infected sheep / wikipedia.org

In the 1980’s Stanley Prusiner coined the term prion for such agents and first identified the specific host protein (prion protein or PrP) that is the main component of scrapie prions. Homologs of the same protein were then found in many mammalian species, including humans, and, abnormal PrP aggregates were found in other transmissible scrapie-like neurodegenerative diseases of humans and animals. These diseases are now known as prion diseases or transmissible spongiform encephalopathies. Prusiner, Charles Weissmann and others showed that PrP is an essential susceptibility factor for prion diseases.

Although the word prion was first applied to the transmissible spongiform encephalopathies described above, the first unequivocal evidence that infectious proteins exist in biology came from Reed Wickner’s realization in 1994 that certain unexplained epigenetic elements of yeast were prions. These prions were not composed of a PrP homolog, but of entirely distinct proteins of yeast. The relative simplicity and power of yeast biology and genetics enabled Wickner and others to clearly demonstrate a number of fundamental principles of prion biology and structure that have been much more difficult to pin down with mammalian prion models.

Methods of Research

Unfortunately, many of the standard methods that have long been crucial in studies of conventional pathogens –pathogen-specific genetics, serology, x-ray crystallography, nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy — have been exceptionally difficult to apply to prions. Without any pathogen-specific genes to sequence and mutate, many of the standard genetic and reverse genetic approaches to revealing pathogen structure and function have not been available. Because prions are composed of host (self) proteins, there is little host immune response to the pathogen, and no easy serological, antibody-based way to detect prion infections. Because mammalian prions tend to be tightly packed, heavily glycosylated, and bound to other host molecules, even prion-specific conformational epitopes (surfaces recognized by antibodies) on the PrP aggregates have been difficult to find and exploit. The aggregated, yet non-crystalline, nature of purified prions has long stymied attempts to determine their 3-D structures.

For many years the only way to detect and measure mammalian prions was by bioassay in animals, which, even in the fastest rodent models, takes months to years for a single experiment. Prion strains were typically discriminated in a given host by comparing incubation periods, neuropathological patterns, and biochemical attributes of the disease-associated PrP deposits or prions.
Fortunately, more recently, powerful cell-free prion amplification assays such as protein misfolding cyclic amplification (PMCA), real-time quaking induced conversion (RT-QuIC) and the scrapie cell assay have been developed that exploit the inherent replication mechanism of prions. PMCA and RT-QuIC are extraordinarily sensitive and can amplify the presence of prions by a trillion-fold, almost to the point of detecting a few prion particles. PMCA reactions faithfully propagate prion infectivity, reflecting and illuminating many aspects of prion biology. RT-QuIC assays do not, as a rule, propagate fully infectious prions, but provide faster, more practical, higher-throughput methods for detecting prions. As such, they have become the state-of-the-art in diagnosing prion diseases. Both PMCA and RT-QuIC can, in some cases, discriminate important prion strains within given host species.

Slow progress is being made in revealing the underlying structure of prions. Solid state NMR studies have revealed molecular architectures of some fungal prions and prion-like fibrillar structures of mammalian PrP. Electron crystallography, fiber diffraction and cryo-electron microscopic studies have also provided key structural constraints for mammalian prions, but further improvements in the application of these and potentially other structural biological methods are sorely needed.

Structure and Reproduction of Prions

It has been extremely challenging to unravel the structures and replication mechanisms of mammalian prions at least in molecular detail. One must first explain how misfolded host proteins can propagate as pathogens without carrying any of their own nucleic acid-based genetic code. Then one must also explain how proteins of a single amino acid sequence, such as that of PrP in a given host animal, can form different strains of prions that propagate faithfully and cause distinct disease phenotypes –without requiring the sorts of genetic mutations that explain strain variation in conventional pathogens.

Beyond that gross description, the details of prion structure and propagation at the molecular level remain obscure. Also unresolved is how prions propagate beyond the original site of infection in the host. Current evidence suggests that the most efficient transfer between cells involves membranous structures such as exosomes or tunneling nanotubes, most likely because prions are usually bound to membranes by lipid anchors however, the relevance of these membranous structures to prion spreading in vivo remains to be determined. Spreading mechanisms are important to understand because the relative abilities of various misfolded self-propagating protein aggregates to spread within and between cells, tissues and individuals are primary determinants of whether they act as infectious pathogens or relatively innocuous accidents of protein metabolism.

Prion Diseases

Many, but not all, mammalian species are susceptible to PrP-based prion diseases, including humans, non-human primates, cattle, sheep, goats, deer, elk, moose, cats, mink, rodents and various exotic ungulates. Dogs and horses appear to be notable exceptions. Different species usually express slightly different normal PrP molecules, and their differences in PrP amino acid sequence can strongly influence host susceptibility to incoming prion infections. For example, humans are known to be somewhat susceptible to bovine spongiform encephalopathy (BSE), but appear to be resistant to sheep scrapie and, as far as we know, chronic wasting disease in cervids. For some reason, bank voles and squirrel monkeys are unusually susceptible to a wide range of prion infections from other species.

The mechanisms by which prion infections cause neurodegenerative disease are unclear. Different prion strains within a given host type can accumulate preferentially in different regions of the central nervous system and cause a range of neuropathological lesions. Obviously, the ultimate effect of at least some of the damage is the malfunctioning and loss of neurons, causing a variety of clinical signs and death. A number of neurophysiological processes and pathways are known to be disrupted, but much remains to be determined about (i) whether such disruptions are due to direct or indirect toxicities of prions, and (ii) the extent to which any given deficit or combination of deficits is most responsible for the ultimate demise of the host.

In humans, the causes of prion diseases can be genetic (due to specific mutations in the host’s PrP gene), acquired (due to infections, such as exposures to kuru, BSE or other prion-contaminated materials), or sporadic (of unknown origin, but usually presumed to be due to spontaneous prion formation in the individual). The vast majority of human prion diseases are sporadic, the most common being sporadic Creutzfeldt-Jakob disease (sCJD), which has an incidence of about 1 case per million population per year world-wide. A number of different mutations in the PrP gene can cause a variety of familial human prion diseases, with some mutations being fully penetrant (always causing disease in people carrying the mutation), and others being less penetrant. The clinical symptoms and progression can vary markedly between prion disease types and individuals, but can include dementia, incoordination, insomnia, hallucinations, muscle stiffness, confusion, fatigue, and speaking difficulties.

There are also important prion diseases of animals. BSE arose as a major epidemic in cattle due to what might be described as “agricultural cannibalism” in the 1990’s. Consumption of BSE-contaminated beef then caused nearly 200 cases of variant CJD in humans. However, preventative measures have nearly eliminated BSE and the occurrence of new vCJD cases. Chronic wasting disease of cervids is sweeping through North America at an alarming rate, with cases also arising in South Korea and Norway. Scrapie is a persistent problem in sheep and goats in many parts of the world.

Diagnosis and Treatment of Prion Diseases

Considerable strides have been made recently toward being able to diagnose human prion disease accurately and relatively non-invasively in living patients based on new prion-specific testing of cerebrospinal fluid, nasal swabbings, blood, urine or skin. For example, RT-QuIC testing of cerebrospinal fluid and/or nasal brushings can be nearly 100% accurate in diagnosing sCJD. These tests have the advantage of measuring the causative agent of prion disease, but have not yet been fully vetted and recommended officially by organizations such as the WHO. Otherwise, diagnoses of sporadic prion disease in humans depend primarily on a confluence of clinical signs, brain scans, electroencephalograms, and other biomarker measurements, which collectively can have high diagnostic sensitivity, but are not fully specific for prion disease.

Notwithstanding the recent advances in the new prion tests described above, current guidelines indicate that definitive diagnosis of sporadic or acquired prion disease requires neuropathological examination of brain tissue obtained by biopsy (rare) or autopsy. I expect that the guidelines will soon be changed to include the new less-invasive intra vitam tests for prions. Unfortunately, although the above improvements in the early definitive diagnosis of prion disease should improve prospects for developing and implementing therapeutics, no treatments are currently available that have proven to be effective in the clinic.

Open Question and Future Directions

Key questions that remain in the mammalian prion disease field are: 1) What are the self-propagating structures of prions and how do they vary with prion strain? 2) How do prions damage the brain? 3) How can we prevent or repair the damage to treat these diseases? 4) What are the most relevant transmission mechanisms for prion diseases in humans and animals? 5) Which, if any, prion diseases of animals (besides BSE) have zoonotic potential to cause disease in humans? 6) To what extent can other pathogenic misfolded proteins with self-seeding activity behave like PrP-based prions in being able to propagate within or between individuals to cause disease?

These findings raise urgent questions about whether these many protein misfolding diseases, which are often much more common than the PrP-based prion diseases, might be transmissible in humans or animals under practical real-life circumstances. CJD has been transmitted between people via tissue transplants, cadaver-derived hormone injections, blood transfusions, and contaminated medical instruments. A contributing factor in such iatrogenic transmissions is the fact that prions are often not fully inactivated by standard clinical disinfection procedures. Whether other types of potentially prion-like disease-associated protein aggregates might be similarly resistant to inactivation and then capable of initiating or accelerating pathogenic processes in people remains to be determined. I know of no epidemiological indications that this is the case, but further scrutiny seems warranted.


What are human prion diseases?

Prion diseases are a group of neurodegenerative diseases caused by prions, which are “proteinaceous infectious particles.” For some background, first see this introduction to prions. Prion diseases are caused by misfolded forms of the prion protein, also known as PrP. These diseases affect a lot of different mammals in addition to humans – for instance, there is scrapie in sheep, mad cow disease in cows, and chronic wasting disease in deer.

The human forms of prion disease are most often the names Creutzfeldt-Jakob disease (CJD), fatal familial insomnia (FFI), Gertsmann-Straussler-Scheinker syndrome (GSS), kuru et variably protease-sensitive prionopathy (VPSPr). All of these diseases are caused by just slightly different versions of the same protein, so we refer to them all as prion diseases.

Even though prion diseases do come in slightly different forms, they have a whole lot in common. In each disease, the prion protein (PrP) folds up the wrong way, becoming a prion, and then causes other PrP molecules to do the same. Prions can then spread “silently” across a person’s brain for years without causing any symptoms. Eventually prions start to kill neurons, and once symptoms strike, the person has a very rapid cognitive decline. Most prion diseases are fatal within a few months, though some can last a few years [Pocchiari 2004].

Prion diseases in humans are fairly rare – about 1 to 2 people out of every 1 million people dies of a prion disease each year [Klug 2013]. Prion diseases can come about in one of three ways: acquired, genetic or sporadic.

Acquired means the person gets exposed to prions and becomes infected. Even though prions are scary, they’re very hard to catch, and so infection is the least common way of getting a prion disease. There was a famous epidemic of kuru, a prion disease which was passed from person to person by cannibalism, in Papua New Guinea, but this has now mostly subsided. Then there is mad cow disease or bovine spongiform encephalopathy. This disease passed from cows to humans through contaminated food. The human form of the disease is called variant Creutzfeldt-Jakob Disease (vCJD) and has killed about 200 people in the U.K. since 1994 [UK CJD Survelliance]. Today there are only a few people are dying of this disease each year. There have also been cases where prion disease has been transmitted via contaminated surgical instruments, human growth hormone supplements, or transplants of dura mater (a tissue surrounding the brain). These medical infections are called “iatrogenic” infections.

Prion diseases can also be génétique. First, let’s recall some biology basics. DNA contains instructions which get re-written in RNA, and then the instructions in RNA get translated into protein. So changes in a person’s DNA can cause changes in the proteins their cells produce. Everyone has a gene called PRNP which codes for the protein called PrP, and most of the time this protein is perfectly healthy and fine. Some people have mutations in the DNA of their PRNP gene, which cause it to produce mutant forms of PrP. These mutant forms don’t form prions instantly, and most people with PRNP mutations live perfectly healthy for decades. But as people get older, the mutant forms of PrP are more and more likely to fold up the wrong way and form prions. Once they do, the person has a rapid neurodegenerative disease.

Some people refer to genetic prion diseases as “hérité” or “familial” prion diseases. We prefer not to use these terms: just because a disease is genetic doesn’t mean it’s inherited or familial. Every DNA mutation has to start somewhere, so some people with genetic prion disease are the first in their family – they didn’t inherit the mutation, and it’s not familial. According to one estimate, 60% of genetic prion disease patients have no family history of the disease [Bechtel & Geschwind 2013].

Finally, prion diseases can simply be sporadic, meaning we don’t know why they happen. Some people think that sporadic prion diseases happen when one prion protein just misfolds by chance, and then spreads from there. Others think that the disease may start with one cell that has a spontaneous DNA mutation and starts producing mutant PrP. We don’t know what the real answer is. Either way, the effect is that people with no previous exposure to prions and no mutations in (most of) their DNA end up getting a prion disease out of nowhere.

The sporadic form of prion disease is by far the most common. It’s often estimated that human prion disease cases are 85% sporadic, 15% genetic and < 1% acquired [Appleby & Lyketsos 2011, CDC Fact Sheet, UCSF Primer].

So prion diseases can be categorized by where they came from: acquired, sporadic, and genetic. But as mentioned at the top of this post, you’ll also hear prion diseases categorized a different way, most often as Creutzfeldt-Jakob disease (CJD), fatal familial insomnia (FFI), et Gerstmann-Straussler-Scheinker (GSS) syndrome. The origin and use of these names can be confusing. The names were originally used to categorize patients by their symptoms, but later came to refer to particular strains or genetic varieties of prion disease.

For instance, the name fatal familial insomnia was originally applied to a family with a genetic disease with insomnia as the first and foremost symptom [Lugaresi 1986]. After it was later found that a particular genetic mutation caused this disease [Medori 1992], people started using FFI to refer to the disease caused by that one particular mutation, even though for some patients insomnia isn’t a major part of the disease [Zarranz 2005]. Later on scientists discovered a non-genetic form of FFI and called it sporadic fatal insomnia (sFI) [Parchi 1999], but other people see it as a subtype of CJD and refer to it as “MM2 thalamic Creutzfeldt-Jakob disease” [Moda 2012].

To add another layer of complexity, new types of prion disease are still being discovered that don’t fit into any of the original three categories (CJD, FFI or GSS). For example, the most recent new form was dubbed “variably protease-sensitive prionopathy” (VPSPr) [Zou 2010]. That’s quite a mouthful.

Since the naming system can be confusing, we usually avoid it altogether and simply refer to all of these diseases as prion diseases. For genetic prion diseases, it is useful to name the exact mutation – for instance, E200K or P102L (for how to interpret these numbers and letters see our upcoming primer on genetic prion diseases). As for sporadic prion diseases, scientists have a system of biochemical subtypes such as “MV1″, “VV2″, “MM2 cortical” and so on.

One of the surprising things about prion protein is that this single protein can fold up in so many différent ways that are toxic and cause disease. The diagram below illustrates how just one protein – PrP (green) – can fold up in several different ways, creating several different strains of prion (red).

There are actually a dizzying number of different forms of human prion disease. Kuru and vCJD, two strains that people have acquired by infection, are probably the most famous but also the most rare. There are also at least 6 strains of sporadic prion disease [Parchi 2011] and over 40 genetic mutations that cause prion disease [Beck 2010].

Many of these different prion strains act pretty differently. They come from different sources, cause different disease symptoms and strike people of different ages. But since they’re all caused by the same protein – PrP – we’re hopeful that it will be possible to find one treatment that will treat all of these different diseases.


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