Proteine werden an Ribosomen als entstehende Polypeptide im Lumen des endoplasmatischen Retikulums (ER) synthetisiert. Die Aminosäuresequenz von Proteinen, die die sekundären und tertiären Strukturen bestimmt, wird durch die Nukleotidsequenz der mRNA bestimmt. mRNA-Sequenzen werden wiederum durch DNA-Sequenzen bestimmt (Kapitel 23-25232425). Wie bereits erwähnt, führten die klassischen Experimente von Pauling und Anfinsen zu der Vorstellung, dass bestimmte Schlüsselaminosäuren an den richtigen Positionen für die Faltung von Proteinen in eine dreidimensionale, funktionelle, einzigartige Konformation essentiell sind. Es ist erstaunlich, dass von Hunderten von Millionen Konformationsmöglichkeiten nur eine einzige Konformationsform mit einem funktionellen Protein assoziiert ist. Der Prozess der Steuerung und Ausrichtung der Faltung von intermediären Polypeptiden zu den vollständig gefalteten Strukturen wird in einigen Fällen durch Proteine unterstützt, die als molekulare Chaperone (auch Chaperonine genannt) bekannt sind (Abbildung 4-13).

ABBILDUNG 4-13. Weg der Proteinfaltung. Die normale Faltung erfolgt mit Hilfe von Chaperonen und anderen Faktoren. Eine Fehlfaltung von Polypeptiden kann dazu führen, dass sie auf ungeeignete zelluläre Standorte abzielen oder als Teil des Qualitätskontrollprozesses abgebaut oder aggregiert werden. Das aggregierte Produkt ist häufig resistent gegen Proteolyse und bildet Aggregate wie Amyloid-Plaques.

Es sind mehrere Störungen der Proteinfaltung bekannt, die das charakteristische pathologische Kennzeichen der Proteinaggregation und Ablagerungen in und um die Zellen aufweisen. Die Proteinablagerungen werden Amyloid genannt und die Krankheit wird als Amyloidose bezeichnet. Proteinfaltungskrankheiten, auch Konformationskrankheiten genannt, haben viele verschiedene Ursachen, wie z. B. Veränderungen in der Primärstruktur von Proteinen, Defekte in Chaperonen und das unangemessene Vorhandensein oder den Einfluss anderer Proteine. Eine Liste der Proteinfaltungsstörungen ist in Tabelle 4-1 angegeben; einige werden unten und andere in den folgenden Kapiteln diskutiert. Ein häufiger, wenn auch nicht unveränderlicher Aspekt von Konformationsproteinerkrankungen ist, dass die Aggregation von Polypeptiden aus β-Strukturen besteht. Dies ist hauptsächlich auf einen Übergang von der α-helikalen Struktur zur β-Struktur zurückzuführen. Ein weiteres Merkmal ist, dass die Aggregate gegen normale Proteolyse resistent sind.

TABELLE 4-1. Examples of Protein Folding Diseases*

Disease	Mutant protein/protein involved	Molecular phenotype
Inability to fold
Cystic fibrosis	CFTR	Misfolding/altered Hsp70 and calnexin interactions
Marfan syndrome	Fibrillin	Misfolding
Amyotrophic lateral sclerosis	Superoxide dismutase	Misfolding
Scurvy	Collagen	Misfolding
Maple syrup urine disease	α-Ketoacid dehydrogenase complex	Misassembly/misfolding
Cancer	p53	Misfolding/altered Hsp70 interaction
Osteogenesis imperfecta	Type I procollagen pro α	Misassembly/altered BiP expression
Toxic folds
Scrapie/Creutzfeldt-Jakob/ familial insomnia	Prion protein	Aggregation
Alzheimer’s disease	β-Amyloid	Aggregation
Familial amyloidosis	Transthyretin/lysozyme	Aggregation
Cataracts	Crystallins	Aggregation
Mislocalization owing to misfolding
Familial hypercholesterolemia	LDL receptor	Improper trafficking
α1-Antitrypsin deficiency	α1-Antitrypsin	Improper trafficking
Tay-Sachs disease	β-Hexosaminidase	Improper trafficking
Retinitis pigmentosa	Rhodopsin	Improper trafficking
Leprechaunism	Insulin receptor	Improper trafficking

* Reproduced with permission from P. J. Thomas, B-H. Qu and P. L. Pedersen. Trends in Biochemicals Sciences 20, 456 (1995). Ein Demenzsyndrom, das durch einen heimtückischen fortschreitenden Rückgang von Gedächtnis, Kognition, Verhaltensstabilität und unabhängiger Funktion gekennzeichnet ist, wurde von Alois Alzheimer beschrieben und ist als Alzheimer-Krankheit (AD) bekannt. Das Alter ist ein wichtiger Risikofaktor für AD; Es betrifft 10% der Personen über 65 Jahre und etwa 40% der Personen über 85 Jahre. Die charakteristischen neuropathologischen Veränderungen umfassen die Bildung extrazellulärer neuritischer Plaques und intraneuronaler Verwicklungen mit damit verbundenem neuronalem Verlust im Hippocampus und Neokortex (Abbildung 4-14).

ABBILDUNG 4-14. Abschnitt der Großhirnrinde eines Patienten mit Alzheimer-Krankheit, der neurofibrilläres Gewirr (A) und neuritische Plaque (B) enthält. Der Schnitt wurde mit Bielsehowskys Beize bearbeitet. (Mit freundlicher Genehmigung von John M. Hardman.)

Der Hauptbestandteil der extrazellulären Plaques ist das Amyloid-β-Protein (Aß), das zu 8-nm-Filamenten aggregiert. Aß ist ein Peptid mit 40 oder 42 Aminosäureresten und wird proteolytisch von einem Transmembran-Glykoprotein abgeleitet, das als β-Amyloid-Vorläuferprotein (β APP) bekannt ist. Die Enzyme, die ßAPP zu Aß spalten, sind als Sekretasen bekannt. ßAPP ist weit verbreitet, insbesondere im Gehirn, und sein Gen wurde auf Chromosom 21q lokalisiert. Zwei wichtige Beobachtungen haben dazu beigetragen, die Rolle von Aß-Peptiden in der Pathologie der Alzheimer-Krankheit zu verstehen. Die erste ist, dass Patienten mit Down-Syndrom Trisomie 21 haben (d.h., drei Chromosomen 21 anstelle von zwei), zeigen Aß-Ablagerungen und entwickeln klassische Merkmale der Alzheimer-Krankheit im Alter von 40 Jahren oder früher. Zweitens wurden mehrere Missense-Mutationen in ßAPP bei autosomal dominanter Alzheimer-Krankheit identifiziert. Diese dominanten Mutationen in ßAPP beeinträchtigen die Wirkung von Sekretasen entweder durch Erhöhung der absoluten Rate der Aß-Ausscheidung (N-terminale Mutationen) oder durch Erhöhung des Verhältnisses Aß42 zu Aß40 (C-terminale Mutationen).

Erbkrankheiten der Alzheimer-Krankheit machen weniger als 1% aller Fälle aus. Die Aß-Peptide aggregieren zu β-Strukturen, die zu Fibrillen führen. Die Aß42-Peptide sind neurotoxischer und erzeugen toxische Wirkungen durch viele miteinander verbundene Mechanismen. Diese können oxidative Verletzungen, Veränderungen der intrazellulären Ca2 + -Homöostase, Reorganisation des Zytoskeletts und Wirkungen von Zytokinen beinhalten.

Die intraneuronalen Tangles sind Bündel von langen gepaarten helikalen Filamenten, die aus dem Mikrotubuli-assoziierten Protein Tau bestehen. Die normale Funktion des Tau-Proteins besteht darin, Mikrotubuli in Neuronen zu stabilisieren, indem die Polymerisation von Tubulin verstärkt wird. Normalerweise ist Tau-Protein löslich; wenn es jedoch übermäßig phosphoryliert wird, wird es zu einem unlöslichen filamentösen Polymer. Die Dysregulation von Phosphorylierungs- / Dephosphorylierungsereignissen wurde auf eine erhöhte Aktivität bestimmter Kinasen und eine verminderte Aktivität bestimmter Phosphatasen zurückgeführt. Während Plaques für AD pathognomonisch sind, finden sich Tangles bei ätiologisch unterschiedlichen neurologischen Erkrankungen. Störungen der abnormalen Hyperphosphorylierung und der aberranten Aggregation des Tau-Proteins zu fibrillären Polymeren sind als Taupathien bekannt. Beispiele für Taupathien neben AD sind progressive supranukleäre Lähmung, Pick-Krankheit, kortikobasale Degeneration und frontotemporale Demenzen.

Zwei weitere Gene zusätzlich zu ßAPP wurden in den frühen Beginn der autosomal dominanten Formen der Alzheimer-Krankheit verwickelt. Die anderen beiden ursächlichen Gene befinden sich auf den Chromosomen 14 und 1 und kodieren für die Transmembranproteine Presenilin 1 (bestehend aus 467 Aminosäureresten) und Presenilin 2 (bestehend aus 448 Aminosäureresten). Diese Proteine werden in Neuronen synthetisiert, aber ihre Funktionen sind nicht bekannt. Mutationen in den Presenilin-Genen führen jedoch zu einer übermäßigen Produktion von Aß42-Peptiden.Sporadische Formen der Alzheimer-Krankheit, die für 90% aller Fälle verantwortlich sind, sind komplexe Krankheiten und können die kombinierte Wirkung von Umweltfaktoren und genetischen Merkmalen darstellen, die sich über lange Zeiträume manifestieren. Es wurde festgestellt, dass verschiedene Formen eines polymorphen Gens für Apolipoprotein E (apo E), das sich auf Chromosom 19 befindet, bei Personen mit Alzheimer-Krankheit häufiger auftreten. Es gibt drei Allele des Apo E-Gens mit sechs Kombinationen: ε2/ε2, ε3/ε3, ε4/ε4, ε2/ε3, ε2/ε4 und ε3/ε4. Apo E ist ein Lipidträgerprotein, das hauptsächlich in der Leber synthetisiert wird; Es wird jedoch auch in Astrozyten und Neuronen synthetisiert. Die Funktion von Apo E-Proteinen im Lipoproteinstoffwechsel und ihre Beziehung zur vorzeitigen Atherosklerose werden in Kapitel 20 erörtert.

Von den verschiedenen Genotypen für apo E kann der Erwerb von zwei apo E ε4-Allelen das Risiko für Alzheimer um das Achtfache erhöhen. Jede Kopie des apo E-Gens erhöht das Risiko und verschiebt den Beginn in ein niedrigeres Alter. Der biochemische Mechanismus, durch den das apo E ε4-Protein an der Bildung von Tangles und Plaques beteiligt ist, ist unklar. Mehrere Mechanismen wurden vorgeschlagen, nämlich Interaktion mit Tau-Protein und Generation und Clearance von Aß-Peptiden.

Die pharmakologische Therapie der Alzheimer-Krankheit besteht in der Korrektur des cholinergen Defizits durch Verabreichung von Acetylcholinesterase-Inhibitoren (z. B. Tacrin, Donepezil). Östrogentherapie bei Frauen mit Alzheimer-Krankheit wurde mit einer verbesserten kognitiven Leistung in Verbindung gebracht. Die vorteilhafte Wirkung von Östrogen kann auf cholinerge und neurotrophe Wirkungen zurückzuführen sein. Andere therapeutische Strategien zielen darauf ab, die Bildung neurotoxischer Peptide zu hemmen oder zu verringern. Darüber hinaus können sich Arzneimittel, die die aggregierten Peptide selektiv verdauen, als nützlich erweisen. Ein experimenteller Impfstoff, der AP-Peptid enthält, das Plaque-produzierenden Mäusen verabreicht wird, führt bei jüngeren Mäusen zu einer geringeren Plaquebildung und zum Verschwinden von Plaques bei älteren Mäusen. Die Veränderungen in der Plaquebildung bei Mäusen waren mit der Erhaltung des Gedächtnisses und der Lernfähigkeit verbunden. Die Impfung löste bei den Versuchstieren keine Autoimmunreaktion oder toxische Reaktion aus. Somit haben diese Studien Impulse für die Entwicklung eines humanen Impfstoffs gegeben.Bei der Beurteilung eines Patienten auf Alzheimer-Krankheit ist es wichtig, dass andere behandelbare Ursachen von Demenz durch Bestimmung kritischer biochemischer und klinischer Parameter ausgeschlossen werden. Einige der behandelbaren, relativ häufigen Anomalien, die Demenz hervorrufen, sind Drogenmissbrauch, Elektrolytstörungen, Schilddrüsenanomalien und Vitamin B12-Mangel; weniger häufige Anomalien sind Tumor, Schlaganfall und Wernicke-Enzephalopathie.

Die Transthyretin-Amyloidose (auch familiäre Amyloid-Polyneuropathie genannt) ist ein autosomal dominantes Syndrom, das durch periphere Neuropathie gekennzeichnet ist. Diese Krankheit resultiert aus einer von fünf bisher identifizierten Mutationen im Gen für Transthyretin. Transthyretin wird auch Präalbumin genannt (obwohl es keine strukturelle Beziehung zu Albumin hat), da es in der Standardelektrophorese bei pH 8,6 vor Albumin wandert. Transthyretin wird in der Leber synthetisiert und ist ein normales Plasmaprotein mit einer Konzentration von 20-40 mg / dl. Es transportiert Thyroxin und Retinol bindendes Protein (Kapitel 38). Die Konzentration von Transthyretin ist bei Mangelernährung signifikant erniedrigt und die Plasmaspiegel sind diagnostisch für Störungen der Mangelernährung (Kapitel 17).

Das Gen für Transthyretin befindet sich auf Chromosom 18 und wird konstitutiv exprimiert. Die Primärstruktur von Transthyretin besteht aus 127 Aminosäureresten und acht β-Blattstrukturen, die in einer antiparallelen Konformation auf parallelen Ebenen angeordnet sind (Abbildung 4-15).

ABBILDUNG 4-15. Die Struktur von Transthyretin. Das Molekül enthält acht antiparallele β-Stränge (A-H), die in zwei parallelen Ebenen angeordnet sind. Die zirkulierende Form von Transthyretin ist ein Tetramer. Einige Mutationen im Transthyretin-Gen sind mit Amyloidose assoziiert, und acht der Aminosäureveränderungen, die diese Krankheit verursachen, sind indiziert. Im Plasma ist Transthyretin ein Tetramer, das aus identischen Monomeren besteht. Es scheint, dass Mutationen dazu führen, dass das monomere entfaltete Zwischenprodukt von Transthyretin zu einer unlöslichen β-Amyloid-Fibrillenbildung aggregiert.

TSEs können vererbte, infektiöse und sporadische Präsentationen aufweisen. Darüber hinaus kann die Erbkrankheit auch infektiös sein. CJD tritt sowohl als vererbte autosomal dominante Erkrankung als auch in übertragbarer Form auf. In der Hypothese „Nur Protein“ beeinflusst das abnormale Prionprotein, das entweder aus externen Quellen eingeführt oder durch das mutierte Prionproteingen produziert wird, die normale Proteinfaltung und verschiebt die Prionproteinfaltung in Richtung Bildung eines abnormalen Prionproteins. Die Umwandlung des normalen Prionproteins, dessen Funktion unbekannt ist, in eine aberrante Form beinhaltet eher eine Konformationsänderung als eine kovalente Modifikation. Das abnormale Prionenprotein fungiert als ein Samen, der das normale zelluläre Prionenprotein in Richtung der abnormalen amyloidogenen reichen β-Strukturproteine induziert, die vermehrt und auf andere Zellen übertragen werden können. Die aggregierte Form des Prionproteins, das Amyloid bildet, ist resistent gegen Proteolyse.

Die Umwandlung von natürlich vorkommendem proteasesensitivem Prionprotein in eine proteaseresistente Form erfolgt in vitro durch Mischen der beiden Proteine. Diese proteaseresistenten Prionenproteine sind jedoch nicht infektiös. Daher ist in der „Protein-only“ -Hypothese der Prioneninfektion der Erwerb einer abweichenden Konformation nicht ausreichend für die Ausbreitung der Infektiosität. Im System der Hefe (Saccharomyces cerevisiae) kann jedoch die abnormale Prionenform des Hefeproteins, die durch Liposomenfusion eingeführt wird, eine sich selbst vermehrende Konformationsänderung der normalen Proteine auslösen, die sich als Aggregate ansammeln. Die Aggregate sind zusammen mit der Vermehrung eines abnormalen Phänotyps auf Tochterhefezellen übertragbar.Vor kurzem ist ein ernstes Problem der öffentlichen Gesundheit entstanden, indem gezeigt wurde, dass eine Prionenkrankheit bei Rindern Artenbarrieren überwinden und Menschen infizieren kann. Dies geschah, als Rinder mit Mehl aus Schafen gefüttert wurden, die mit Scrapie infiziert waren. Die Rinder entwickelten BSE (gemeinhin als „Rinderwahnsinn“ bezeichnet). Als die Menschen anschließend prion-kontaminiertes Rindfleisch konsumierten, entwickelte eine kleine Anzahl, hauptsächlich in Großbritannien, ungefähr fünf Jahre später eine Variante von CJD (vCJD). Die Variantenform der CJD ist eine einzigartige Form der Prionenkrankheit, die in einer viel jüngeren Population auftritt, als von einer vererbten oder sporadischen CJD erwartet würde. Sowohl BSE als auch vCJD weisen viele ähnliche pathologische Merkmale auf, die auf einen ätiologischen Zusammenhang zwischen menschlicher vCJD und RINDERBSE hindeuten.Das Tumorsuppressorprotein p53 liefert ein weiteres Beispiel für eine Proteinfehlfaltung, die zu pathologischen Effekten führen kann, in diesem Fall Krebs (p steht für Protein und 53 steht für sein ungefähres Molekulargewicht von 53.000). Das Gen für p53 befindet sich auf dem kurzen Arm von Chromosom 17 (17 p) und kodiert für ein 393-Aminosäure-Phosphoprotein. Bei vielen Krebsarten ist das p53-Gen mutiert und der Mangel an normalem p53-Protein wurde mit der Entwicklung von bis zu 40% der menschlichen Krebserkrankungen in Verbindung gebracht.Normales p53 fungiert als Tumorsuppressor und ist ein Transkriptionsfaktor, der normalerweise an der Regulation mehrerer Gene beteiligt ist, die zur Kontrolle des Zellwachstums, der DNA-Reparatur und der Apoptose (programmierter Zelltod) erforderlich sind. Normales p53 ist ein Tetramer und bindet sequenzspezifisch an DNA. Eines der p53-regulierten Gene produziert ein Protein namens p21, das den Zellzyklus durch Bindung an Cyclinkinasen stört. Andere Gene, die durch p53 reguliert werden, sind MDM2 und BAX. Das erstere Gen kodiert für ein Protein, das die Wirkung von p53 hemmt, indem es als Teil eines regulatorischen Rückkopplungsmechanismus fungiert. Es wird angenommen, dass das vom BAX-Gen hergestellte Protein eine Rolle bei der p53-induzierten Apoptose spielt.

Die meisten Mutationen von p53-Genen sind somatische Missense-Mutationen, die Aminosäuresubstitutionen in der DNA-Bindungsdomäne beinhalten. Die mutierten Formen von p53 sind falsch gefaltete Proteine mit abnormalen Konformationen und der Unfähigkeit, an DNA zu binden, oder sie sind weniger stabil. Personen mit der seltenen Störung Li-Fraumeni-Syndrom (autosomal dominant) haben ein mutiertes p53-Gen und ein normales p53-Gen. Diese Personen haben eine erhöhte Anfälligkeit für viele Krebsarten, wie Leukämie, Brustkarzinome, Weichteilsarkome, Hirntumoren und Osteosarkome.In klinischen Studien wird untersucht, ob die Einführung des normalen p53-Gens in Tumorzellen mittels Gentherapie (Kapitel 23) positive Auswirkungen auf die Behandlung von Krebs hat. Frühe Ergebnisse mit der p53-Gentherapie deuten darauf hin, dass der Tumor durch Auslösen der Apoptose schrumpfen kann.