Wenn die Faltung entgleist: Vom Protein zum Prion

Proteine erledigen fast alles, was in einer lebenden Zelle geschieht: Sie regeln das Zellinnere, leiten Signale von außen nach innen, transportieren Bausteine und beschleunigen chemische Reaktionen. Im Kern aber ist ein Protein etwas erstaunlich Schlichtes: eine lange Kette. Chemisch gesehen sind Proteine Polymere, deren Bausteine die Aminosäuren sind. Zusammengebaut werden diese Ketten in der Zelle von den Ribosomen, die eine Aminosäure nach der anderen über eine chemische Bindung aneinanderhängen. Die bloße Abfolge dieser Bausteine - ihre Zahl und ihre Reihenfolge - heißt Primärstruktur.

Doch eine Kette allein tut noch nichts. Erst wenn sie sich in ihre dreidimensionale Form legt, die native Struktur, kann das Protein seine Aufgabe erfüllen. Diesen Vorgang nennt man Faltung: Aus der ungeordneten Kette wird eine Kette mit einer definierten, einzigartigen räumlichen Gestalt. Selbst ein kleines Protein mit rund sechzig Aminosäuren besitzt etwa tausend Atome. Dass eine solche Kette dennoch zuverlässig ihre einzigartige, funktionsfähige Struktur erreicht, ist das eigentliche Rätsel der Faltung.

Faltet sich die Kette, entsteht eine gestufte Ordnung. Einzelne Abschnitte legen sich zu Helices oder Faltblättern zusammen, den sogenannten Sekundärstrukturen. Deren Packung bildet schließlich die vollständige dreidimensionale Tertiärstruktur.

Das Bemerkenswerte daran: Die Bauanleitung für diese Form steckt vollständig in der Kette selbst. Christian Anfinsen zeigte an dem Enzym Ribonuklease A, dass die dreidimensionale Struktur eines Proteins allein durch seine Primärsequenz bestimmt wird. Diese native Struktur ist eindeutig durch die Primärstruktur festgelegt - ein Grundsatz, der in den Lehrbüchern der Biochemie als Anfinsen-Dogma bekannt ist.

Daraus ergibt sich eine Kette der Zuständigkeiten, die bis heute als Prinzip gilt: Das Gen legt die Aminosäuresequenz fest, die Sequenz bestimmt die native Konformation, und diese Konformation bestimmt die biologische Aktivität. Reihenfolge wird zu Form, Form wird zu Funktion - solange alles nach Plan läuft.

Der Biochemiker Christian Anfinsen untersuchte den Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion von Enzymen und kam zunächst zu dem überraschenden Schluss, deren Struktur sei für ihre Aktivität belanglos — die folgenden rund 15 Jahre verbrachte er damit, das Gegenteil zu beweisen. Dafür wählte er ein einziges Modellprotein: Nach seiner Ankunft am NIH begann er, die Struktur der Rinderpankreas-Ribonuklease zu untersuchen. Die Wahl war auch praktisch begründet, denn die Fleischfabrik Armour in Chicago konnte seinem Labor reichlich Rohmaterial liefern.

Dann setzte Anfinsen das Enzym gezielt unter Extrembedingungen. Behandelte er die Ribonuklease mit einer konzentrierten wässrigen Lösung aus Guanidin-Hydrochlorid, verlor sie ihre enzymatische Aktivität vollständig. Entfernte er das Guanidin jedoch wieder und setzte das Molekül der Luft aus, oxidierte die Ribonuklease von selbst zurück und gewann ihre volle enzymatische Aktivität wieder. In weiteren Experimenten blieb das Enzym in Gegenwart von Harnstoff und einem Thiol-Reagenz entfaltet und faltete sich nach deren Entfernung spontan zurück — bis hin zur korrekten Wiederherstellung aller vier Schwefelbrücken. Da die Ribonuklease acht Sulfhydrylgruppen besitzt, die 105 mögliche Anordnungen mit vier Disulfidbrücken zulassen, schloss Anfinsen, dass bestimmte Wechselwirkungen die Bildung der richtigen Disulfidbrücken lenken müssen.

Für Anfinsen folgte daraus, dass die Information, die die räumliche Struktur des Proteins festlegt, bereits in der chemischen Abfolge seiner Aminosäuren steckt. Den nativen Zustand deutete er als die thermodynamisch stabilste Anordnung des Moleküls. Aus seinen zahlreichen Denaturierungs- und Renaturierungsexperimenten schloss er, dass dieser native Zustand dem globalen Minimum der freien Energie entspricht. Diese Vermutung nannte er die thermodynamische Hypothese der Proteinfaltung.

Später gelang Gutte und Merrifield die chemische Synthese eines 124 Aminosäuren langen RNase-A-Fragments mit einer von der natürlichen kaum zu unterscheidenden Aktivität. Anfinsens Studie zur Denaturierung und Renaturierung der Ribonuklease A gilt als einer der wichtigsten Meilensteine für das Verständnis der Proteinfaltung. Für die Erkenntnis, dass die Aminosäuresequenz eines Proteins dessen native Konformation bestimmt, erhielt Anfinsen die Hälfte des Chemie-Nobelpreises 1972.

Damit ein Eiweiß arbeiten kann, muss es seine native, funktionsfähige räumliche Struktur finden. Wie einer Kette das spontan gelingt, ist ein seit Langem ungelöstes Rätsel der Molekularbiologie. Das eigentliche Problem wird sichtbar, sobald man die Zahl der möglichen Faltungsformen betrachtet, denn sie steigt exponentiell mit der Länge der Aminosäurekette.

Levinthal formulierte dazu ein Paradox, um die Komplexität der Faltung vorzuführen. Nähme man an, jede Aminosäure könne nur zwei Faltungszustände einnehmen und ein einziger Wechsel dauere ein Zehnbillionstel einer Sekunde, dann bräuchte ein Protein aus 150 Aminosäuren mehr als 10^24 Jahre, um alle Varianten durchzuspielen. Ein größeres Molekül mit rund 2000 Atomen müsste sogar mehr als 10^300 verschiedene Faltungsformen durchmustern. Eine solche Zufallssuche nach dem nativen Zustand ist schlicht unmöglich. Levinthal schloss daraus, dass ein Protein einem bestimmten Weg folgen muss, der es zum nativen Zustand lenkt. Es muss also einen Mechanismus geben, der die Faltung gezielt in Richtung des nativen Zustands begünstigt.

Das wirkt nur deshalb wie ein echter Widerspruch, weil man sich die Energielandschaft als absolut flaches, unrealistisches „Golfplatz“-Modell vorstellte, auf dem der einzig richtige Punkt rein zufällig getroffen werden müsste. Die Auflösung liegt in der tatsächlichen Form dieser Landschaft, die nicht flach, sondern trichterförmig ist, mit den ungefalteten Zuständen am oberen Rand und dem nativen Zustand am tiefsten Punkt. Nach unten hin verengt sich der Trichter, und diese abnehmende Breite steht für die schrumpfende Zahl der noch verfügbaren Konformationen. Gerade große Proteine erreichen den nativen Zustand dabei nicht direkt, sondern durchlaufen zunächst teilgefaltete Zwischenzustände, die im Modell als lokale Mulden in der Trichterwand erscheinen. So wird das faltende Protein in den nativen Zustand geführt, ohne dass es dafür einen festgelegten Pfad braucht. Diese Faltungstrichter-Hypothese ist heute das gängige Modell der Proteinfaltung.

Im Inneren einer lebenden Zelle herrscht dichtes Gedränge: Der Zellraum ist mit Makromolekülen vollgestopft — bis zu 400 mg/ml drängen sich dort. Dieses molekulare Gedränge ist für neu entstehende Proteine ein zweischneidiges Schwert: Es kann die produktive Faltung beschleunigen, oder im Gegenteil die Verklumpung fördern, indem es den Kontakt zwischen halb oder falsch gefalteten Abschnitten verstärkt. Damit die Faltung trotzdem gelingt, hält die Zelle eine Maschinerie spezialisierter Proteine bereit, die Chaperone genannt werden und die Ausbeute der produktiven Faltung erhöhen.

Dass diese Hilfe nötig ist, zeigt der Alltag der Zelle: Fehlfaltung von Proteinen findet ständig statt. Sie beginnt bereits während der Proteinbiosynthese, wenn die Polypeptidketten aus den arbeitenden Ribosomen heraustreten. Hier setzen die Chaperone an — sie verhindern unerwünschte intra- oder intermolekulare Proteinwechselwirkungen und helfen der Kette, ihre native Form einzunehmen. Wie dieser Zyklus im Detail abläuft, hat vor allem ein bakterielles System aufgedeckt: das GroEL/GroES-System, an dem die Faltungszyklen der sogenannten Chaperonine aufgeklärt wurden. Der GroEL-Komplex ist dabei aus zwei Ringen von je sieben Untereinheiten aufgebaut, die Rücken an Rücken gestapelt sind.

Doch selbst mit dieser Unterstützung bleibt das Gleichgewicht fragil. Die Proteinhomöostase — kurz Proteostase — wird unablässig durch den Strom ungefalteter Proteine herausgefordert, der aus der Biosynthese nachströmt. Was geschieht nun mit einem Protein, das sich nicht richtig gefaltet hat? Um die Unversehrtheit des Proteoms zu wahren, hat die Zelle eine Qualitätskontrolle entwickelt, die fehlgefaltete Proteine erkennt und einem von drei Wegen zuführt: der Rückfaltung, dem Abbau oder der Einlagerung in spezialisierte Qualitätskontroll-Kompartimente. Dabei scheint die Zelle die Reparatur zu bevorzugen, denn Hsp70 und andere Chaperone liegen in deutlich höherer Menge vor als die Faktoren, die Proteine zum Abbau markieren. Vom reibungslosen Normalfall bis zur drohenden Entgleisung ist es damit nur ein schmaler Grat.

Normalerweise ist das Prionprotein ein unauffälliger Baustein unserer Zellen: Der Körper stellt es schon ab dem frühen Embryonalstadium in fast allen Geweben her. Es sitzt außen an der Zellmembran, über einen speziellen Lipidanker mit ihr verknüpft, und pendelt dort zwischen Zelloberfläche und inneren Bläschen. Welche Aufgabe diese gesunde Form genau erfüllt, ist bis heute nicht abschließend geklärt. Das Besondere kommt erst jetzt ins Spiel: Dieses Eiweiß kann in zwei verschiedenen Faltungsformen vorliegen — einer zellulären und einer krankheitsauslösenden.

Diese zweite Gestalt rückt nun in den Mittelpunkt. Die krankhafte Form, fachlich PrPSc genannt, ist eine Strukturvariante des wirtseigenen zellulären Prionproteins — gleicher Bauplan, andere Faltung. Sie entsteht aus der gesunden Form durch eine nachträgliche Umarbeitung des körpereigenen Eiweißes. Und anders als das lösliche Original ist die fehlgefaltete Form widerstandsfähig gegen bestimmte eiweißspaltende Enzyme.

Hier beginnt die eigentliche Entgleisung — und zugleich das Verblüffende am Prion: Der Erreger besteht ausschließlich aus dieser krankhaften Faltungsform des Prionproteins. Er trägt kein Erbgut, keine Nukleinsäure, mit der sonst jede biologische Information weitergegeben wird. Dass ein Krankheitserreger gänzlich ohne Gene auskommt, war so neu, dass von neuartigen proteinhaltigen Infektpartikeln die Rede war. Solche Prionen lösen tödliche neurodegenerative Erkrankungen bei verschiedenen Säugetierarten aus.

Wie aber vermehrt sich etwas, das keine Gene besitzt? Die Antwort steckt im Protein selbst: Die Vermehrung läuft als katalytischer Prozess ab, der bereits vorhandene PrPSc-Keime als Vorlage braucht. Ein solcher Keim lagert sich unmittelbar an ein gesundes Prionprotein an und zwingt es in die eigene, fehlgefaltete Gestalt. Aus einem umgefalteten Molekül werden so zwei, aus zwei werden vier: Das Prion verhält sich wie ein selbst vervielfältigendes Eiweiß und prägt die gesunden Proteine des Wirts eines nach dem anderen um.

So kehrt sich ein eigentlich harmloser Baustein des Körpers gegen ihn selbst — allein dadurch, dass er seine Form verliert.

Ein gesundes Prionprotein pendelt unauffällig zwischen der Zelloberfläche und dem Inneren der Zelle. Das ändert sich mit seiner krankhaften Variante. Kennzeichnend für die Erkrankung ist die replikative Vermehrung dieser krankheitsassoziierten Form. Das Tückische daran: Die krankhafte Form trägt keinen eigenen Bauplan in sich.

Fachleute zerlegen diese Vermehrung in zwei getrennte Schritte. Der erste Schritt ist die Bindung der normalen Form des Prionproteins, kurz PrPC, an die bereits fehlgefaltete Form PrPSc. Der zweite Schritt ist die anschließende Umwandlung von PrPC in PrPSc. Erst dockt das gesunde Eiweiß also an, dann ändert es seine Gestalt. Diese Verwandlung geht von einer unmittelbaren Berührung aus und entsteht aus der direkten Wechselwirkung beider Formen entlang ihres Transportwegs durch die Zelle. Und sie gelingt nur dann, wenn schon fehlgefaltete Keime vorhanden sind, an die sich frisches Protein anlagern kann.

Im Reagenzglas lässt sich dieser Ablauf nachstellen. Gibt man wenige fehlgefaltete Keime in einen Überschuss gesunder Prionproteine, lagern sich die strukturell umgefalteten Bausteine an diese Keime an und lassen die Aggregate weiterwachsen. Die kranke Form wirkt dabei wie eine Gussform, die ihre eigene verdrehte Gestalt an jeden neuen Baustein weitergibt. Man kann es sich wie einen Stempel vorstellen, der sein Muster unermüdlich auf jeden frischen Abdruck überträgt. Fachleute beschreiben diese Weitergabe als eine vorlagegesteuerte Umfaltung von PrPC durch die Vorlage PrPSc.

Das vielleicht Verblüffendste ist, dass dieses bloße Kopieren ganz unterschiedliche Krankheitsbilder hervorbringen kann. Es gibt viele verschieden ausgeprägte Prionstämme, die sich wie Viren verhalten, obwohl ihnen das übliche genetische Material fehlt. Die stammspezifischen Eigenschaften stecken vermutlich allein in den strukturellen Details der fehlgefalteten Form. Aus winzigen Unterschieden in der Faltung werden so Krankheitsmerkmale, die über Generationen hinweg stabil weitergegeben werden. Ein harmloses Eiweiß wird damit zur Entgleisung, die sich allein über die eigene Gestalt immer weiter abschreibt.

Am Ende steht die Entgleisung in ihrer deutlichsten Form. Übertragbare spongiforme Enzephalopathien, auch Prionkrankheiten genannt, sind tödlich verlaufende neurodegenerative Erkrankungen, die bei Menschen und Säugetieren vorkommen und durch Prionen verursacht werden. Zu den bekanntesten Formen zählen die bovine spongiforme Enzephalopathie bei Rindern sowie Scrapie bei Schafen und Ziegen. Die häufigste menschliche Variante ist die Creutzfeldt-Jakob-Krankheit. Kennzeichnend sind eine monate- bis jahrelange symptomfreie Inkubationszeit und ein fortschreitender Verlauf mit Störungen wie Ataxie und Demenz.

Ihre Besonderheit liegt darin, dass Prionen Erreger ganz ohne Erbgut sind. Nach der sogenannten „Protein-only“-Hypothese ist der auslösende Erreger das fehlgefaltete Prionprotein selbst, das sich durch Umfaltung der normalen Form vermehrt. Hinzu kommt eine bemerkenswerte Widerstandsfähigkeit: Die Erreger besitzen eine ausgeprägte Thermostabilität bei trockener Hitze und sind weitgehend resistent gegen ionisierende und ultraviolette Bestrahlungen.

Zwei Geschichten machen anschaulich, wie sich solche Erreger ihren Weg bahnen. Kuru bedeutet „Muskelzittern“ und bezeichnet eine Erkrankung, die durch rituellen Kannibalismus übertragen wurde. Bei der auch als „Rinderwahnsinn“ bezeichneten BSE lag die Ursache der Epidemie in der Verfütterung von kontaminiertem Rinderkraftfutter.

So eindrücklich diese Fälle sind, sie zeigen nur einen Ausschnitt eines allgemeineren Musters. Die Amyloid-Form ist typischerweise kein funktioneller Zustand, sondern ein generisches Strukturmotiv aus langgestreckten, nahezu identischen, aufeinandergestapelten ß-Faltblättern. Solche Amyloide sind thermodynamisch außerordentlich stabil und können als Keime wirken, die andere lösliche Proteine in denselben Zustand überführen — ein Verhalten, das diesen Aggregattyp zu einem potenziell infektiösen Agens macht.

Und wo steht die Forschung beim Grundproblem, welche Gestalt eine Kette am Ende annimmt? Die Frage, welche Struktur sich einstellt, wurde jüngst mit Bioinformatik und neuronalen Netzen gelöst, während die Frage, wie die Kette unter unzähligen Möglichkeiten ihre einzigartige räumliche Struktur findet, von der Physik beantwortet wurde. Der Erfolg der besten Vorhersageprogramme beruht dabei auf riesigen Datenbanken bekannter Proteinstrukturen.

So schließt sich der Bogen: vom geordneten Faltungsvorgang des Normalfalls bis zu jener Entgleisung, bei der eine einzige fehlgefaltete Gestalt zur Vorlage für die nächste wird.