De koe en haar prion

De rotsvaste verankering van een hersenziekte

Door onze redacteur WIM KÖHLER

9 NOVEMBER 1996. Het prion is niet naar prof. Stanley Prusiner genoemd, al heeft hij het ziekmakende eiwit wel ontdekt. Woensdag hield hij de Huygenslezing.

Dit voorjaar raakten de Britse en Europese vleesconsumenten met een schok doordrongen van het bestaan van prionen. De Britse koeien werden ziek van prionen. En de vleeseters misschien ook. Tot dan waren de prionziekten slechts in beperkte kring bekend, ook krijgen schapen al eeuwenlang soms scrapie en sterven een aantal oude mensen jaarlijks aan de ziekte van Creutzfeldt-Jakob (CJ). Van de nog veel zeldzamere prionziekten van Gerstmann-Sträussler-Scheinker (GSS) of fatal familial insomnia (FFI) weten overigens nog altijd alleen neurologen iets af.

Dit voorjaar meldde de Britse regering dat tien jonge Britten aan een nieuwe variëteit van CJ waren overleden, vermoedelijk als gevolg van de consumptie van vlees van runderen met bovine spongioforme encephalopathy (BSE). Inmiddels zijn er vijftien patiënten, één in Frankrijk en veertien in Groot-Brittannië, het land waar van 1985 af 160.000 koeien met BSE zijn geteld. Inmiddels is overtuigend aangetoond dat de jonge Britten met de nieuwe variëteit CJ ziek zijn geworden van prionen uit koeien. De vraag is nog wel of de prionen in het vlees zaten of dat ziekte is overgebracht met in voedsel verwerkt zenuwweefsel.

Prionen mogen pas sinds maart op de Europese politieke agenda en in de hersenen van veel Europeanen gegrift staan, in de wetenschap dolen de vreemde besmettelijke deeltjes al vijftig jaar rond.

Prof. Stanley Prusiner, hoogleraar in de virologie, de neurologie èn de biochemie, ontdekte in 1982 prionen, de infectieuze eiwitten die de gekke-koeienziekte en de ziekte van Creutzfeldt-Jakob veroorzaken. Prusiner: “Maar het prionverhaal begint al in de jaren veertig toen bij een vaccinbereiding duidelijk werd dat het ziekmakende deeltje ontsmetting met formaline doorstond. Dat was een eerste aanwijzing dat het geen virus of bacterie was, want die sneuvelen doorgaans bij zo"n behandeling.”

Halverwege de jaren zestig was bekend dat de prionziekten soms toevallig voorkwamen, soms in familieverband, maar dat ze ook besmettelijk konden zijn. Uit proefdieronderzoek bleek dat hersenpreparaat van overleden CJ-patiënten, ingespoten in de hersenen van muizen, bij die proefdieren een degeneratieve hersenziekte veroorzaakte. Het infectievermogen bleef in stand na bestraling van het hersenmateriaal met UV-licht en radioactiviteit. Dat zijn bronnen die eiwitten intact laten, maar waardoor nucleïnezuren in DNA en RNA kapot gaan. Virussen en bacteriën die zich alleen met behulp van intact DNA of RNA kunnen vermenigvuldigen verliezen door die straling hun infectievermogen. Sommige onderzoekers opperden de mogelijkheid van een niet-virale besmetting, maar de meesten zochten het in een langzaam werkend en uitzonderlijk resistent virus.

Prusiner werd in 1974 assistent professor in de neurologie aan de universiteit van Californië in San Francisco en begon direct zijn speurtocht naar de onbekende ziekteverwekker: “De enige manier om dat te doen was om fracties van hersenen van zieke dieren te testen op overblijvende infectiviteit in nieuwe proefdieren. Na jaren werk hadden we eindelijk een vrij zuiver infectieus preparaat in handen. Dat bleek het prion-eiwit te zien, of beter gezegd de eiwitromp die overblijft na een behandeling met eiwitsplitsende enzymen.”

Het onderzoek leidde in 1982 tot een publicatie in Science waarmee Prusiner de prionwetenschap en de naam prion grondvestte. Waar komt de naam prion eigenlijk vandaan?

Prusiner, tijdens een gesprek op de ochtend voor de Huygenslezing: “In het voorjaar van 1981 belde ik Science om te vragen of ik onze gegevens voor hen mocht opschrijven. Dat was goed. Over de juistheid van onze metingen was geen twijfel meer mogelijk. Of de interpretatie juist was, en of de conclusie van een infectieus eiwit terecht was, daar hebben we nog wel eens aan getwijfeld. Wij doolden in zekere zin ook maar in de mist rond. Maar toen we na acht jaar werk gingen publiceren wilde ik het deeltje - een nieuw fundamenteel deeltje in de biologie - een framework geven. Het moest een naam hebben. Ik probeerde een krachtig woord te vinden, met korte lettergrepen, waar mensen makkelijk op konden komen, makkelijk te schrijven en in alle talen uit te spreken. Het moest terugverwijzen naar proteineaous infectious particle. Je stoeit wat met die woorden en je verwisselt wat letters tot het goed valt. Het werd prion.”

Heeft het iets met uw eigen naam te maken?

“Nee! Daar ben ik van beschuldigd. Maar het antwoord is nee.”

Prionen zijn nu bekend als eiwitten die twee of meer vormen kunnen aannemen. Er zijn vormen met een "gezonde" functie in het lichaam, maar er bestaan ook één of meer ziekmakende vormen. De ziekmakende vorm kan toevallig of door een genetische afwijking ontstaan. Bovendien is de ziekmakende vorm infectieus doordat het een gezonde vorm omzet in een ziekmakende vorm.

In principe zouden alle tienduizenden eiwitten die in een levend wezen voorkomen als prion kunnen werken. Er is echter pas één eiwit ontdekt dat van vorm verandert en ziekte veroorzaakt. Prusiner vond dat eiwit en noemde het prion protein, ofwel PrP. De gezonde vorm die in veel organen maar vooral in hersenweefsel voorkomt, wordt aangeduid met cellulair PrP (PrP), de ziekmakende vormen met PrP (sc van scrapie, de al honderden jaren bekende prionziekte in schapen).

De veronderstelde vormverandering van het prioneiwit is lange tijd voor veel geleerden het struikelblok geweest om de theorie te accepteren. Maar ieder eiwit heeft voldoende mogelijkheden voor vormveranderingen. De structuur van ieder eiwit wordt bepaald door de driedimensionale opvouwing van een lange keten aaneengeschakelde aminozuren. Elk van de tienduizenden eiwitten die in een menselijk lichaam een functie hebben als bouwsteen, boodschappermolecuul of katalysator van biochemische reacties (enzym) bestaat uit een specifieke volgorde van tientallen tot honderden aaneengeregen aminozuren. Voor de bouwstenen wordt geput uit een voorraad van twintig verschillende aminozuren. De volgorde van de aminozuren in de eiwitketen wordt bepaald door de erfelijke informatie in het DNA van onze chromosomen. Nadat de aminozuurketen is aaneengeregen, vouwt hij op tot een biologisch actieve vorm. Daarin zijn een kurkentrekker (-helix) en een platte structuur (-sheet) belangrijke vormelementen. In PrP, zo is het idee, ontstaat bij de overgang naar PrP -sheet in plaats van twee -helices.

Na 1981 heeft een stroom aan experimentele resultaten de priontheorie verder bevestigd en de virustheorie ontkracht. In 1982 is het gen voor PrP gevonden, de aminozuurvolgorde is vastgesteld en de genafwijkingen in families met familiale prionziekten zijn bekend. Met genetisch gemanipuleerde transgene muizen zijn in de jaren negentig beslissende infectie-experimenten uitgevoerd. De muis zonder PrP-gen wordt bijvoorbeeld niet ziek als hij hersenmateriaal van een soortgenoot met prionziekte krijgt ingespoten. Dat bewijst dat er niet een zelfstandig replicerend agens, zoals een virus of bacterie, de hersenen van een geïnfecteerd dier binnendringt. Iedere patiënt maakt zijn eigen dodelijke prioneiwit.

Toch verlangen tegenstanders een wat zij noemen definitief bewijs: maak een prioneiwit in een reageerbuis, verander de conformatie van goedaardig in kwaadaardig en toon aan dat je daarmee proefdieren kunt infecteren.

Prusiner zelf heeft weinig geduld meer met collega-onderzoekers die zijn priontheorie nog steeds niet accepteren. Prusiner "s morgens: “Dat experiment vind ik nonsens. De gegevens zijn al lang overtuigend. In dieren hebben we al aangetoond wat ze ons nu nog in de reageerbuis willen zien doen. Natuurlijk willen we nog wel eens het mechanisme helemaal ontrafelen. Natuurlijk willen we het prioneiwit een keer fabriceren uit niet-biologische componenten. Maar belangrijker vind ik het momenteel om te zoeken naar het verband tussen de mogelijke vormen van het prioneiwit en de soorten ziekte die ze veroorzaken.”

"s Avonds zegt hij in de Nieuwe Kerk in Den Haag, in zijn NWO-Huygenslezing: “De tegenstanders zijn nu zo volhardend dat ze alleen nog maar kunnen uitsterven.” Eerder gebruikte hij voor hen de term ruminants, herkauwers. Vermoedelijk wenst hij ze de prionen.

De priontheorie ligt inmiddels rotsvast verankerd binnen de biomedische wetenschappen. Maar het is een fundament, niemand weet hoe groot het huis wordt dat er nu op wordt gebouwd. Zullen prionen altijd vreemde uitzonderingen blijven? Misschien is het beperkt tot één eiwit, het prioneiwit, dat zich fataal gedraagt?

Prusiner: “Ik weet het natuurlijk niet, maar kijk naar de ontrafeling van sikkelcelanemie. Dat stond aan het begin van alle kennis over erfelijke ziekten. Mijn gok is dat we een nieuwe ziekteoorzaak hebben, de protein conformation diseases. Met dat principe kunnen we degeneratieve ziekten onderzoeken die langzaam ontstaan en op hogere leeftijd tot uiting komen, speciaal de ziekten die voortschrijden zonder het afweersysteem ook maar een moment aan het werk te zetten. Goede kandidaten zijn Alzheimer, Parkinson, ALS, ouderdomssuikerziekte en inclusion body miositis.”

Inclusion body miositis is de bij ouderen meest voorkomende maar toch zeldzame spierziekte die vanouds onder de auto-immuunziekten wordt gerangschikt. Bij de chronische vorm is echter geen activiteit van het afweersysteem meetbaar en het immuunsysteemonderdrukkende medicijn prednison remt het ziekteproces niet. Wel ontstaan er blaasjes in de spiercellen.

Behalve de vraag of en welke prionziekten er eigenlijk zijn, is ook de "filosofische status" van het prion nog ongewis. Verkeren prionen, net als virussen en bacteriën in een dynamisch evenwicht met hun gastheer? Staan ze onder evolutiedruk? Zijn het eigenlijk enge indringers?

Prusiner: “Er is geen overeenkomst met virussen en bacteriën. Prionziekte is net zo goed een genetische als een infectieziekte. Er is geen deeltje dat zich vermenigvuldigt met zijn eigen DNA. Het lijkt dus niet op een virus dat overleeft door minder of meer virulent te worden in combinatie met zijn verspreidingssnelheid en lethaliteit. Prionen zijn geen indringers, maar lichaamseigen eiwitten. Ze staan niet onder selectiedruk.”

Dus er is geen ruimte voor science fiction verhalen over prionen die de wereld overnemen?

“O, ja, die is er wel. Prionen figureren al in science fiction. Heeft u Michael Crichton"s boek The Lost World gelezen? Dat moet u lezen. Het is de opvolger van Jurassic Park en er wordt nu een film van gemaakt. In dat boek sterven de dinosaurussen door prionen.”

Ten slotte de koeien. Iedere Europeaan wil nu wel eens van de Amerikaanse prion-godfather weten hoe gevaarlijk Europa voor de vleeseter is. Prusiner weet het niet: “Er zijn 160.000 koeien met BSE geteld. Er zijn 14 jonge Britten ziek geworden. De nieuwe ziektegevallen doen zich lineair in de tijd voor, ongeveer iedere twee maanden een nieuwe patiënt. Niemand weet hoeveel mensen er nog ziek worden. Als we nu iets concluderen, dan is het dat er tot nu toe waarschijnlijk meer slachtoffers zijn gevallen door het ineenstorten van de rundvleesprijzen dan door de nieuwe variëteit CJ. Hoeveel mensen in de sector hebben een hartaanval gehad? Hoeveel boeren hebben uit wanhoop zelfmoord gepleegd? We moeten niet vergeten dat de koe in het centrum van de wereldeconomie staat, naast de auto.”

Prusiner acht het op grond van kennis over de prion-genen bij schaap, koe en mens goed mogelijk dat de prionziekte binnen twintig jaar is overgegaan van schaap naar koe naar mens, en al eeuwenlang niet direct van schaap naar mens. Het prion-gen van schaap wijkt op dertig posities af van het prion-gen van de mens en maar op zeven posities van dat van de koe.

Het gevaar van die gekke koeien moeten we niet overdrijven, vindt Prusiner voorlopig. Maar ze moeten wel de voedselketen uit. Koeien zijn duizend keer gevoeliger voor prionziekte dan de muizen die worden gebruikt als diagnostische test om te bewijzen dat een koe echt BSE had. Het is daardoor niet te meten hoeveel een- en tweejarige slachtdieren besmet de voedselketen in zijn gegaan.

Dinsdagmiddag kwam op een wetenschappelijk symposium in Utrecht even aan de orde of er medicijnen of andere op wetenschap gebaseerde maatregelen mogelijk zijn tegen BSE in de veestapel. Heeft het zin koeien en schapen te fokken waarin het PrP-gen is uitgeschakeld? Die dieren maken dan geen PrP meer en kunnen dus ook geen prionziekte krijgen. De mogelijkheid wordt overwogen omdat een lichting prion-knockout-muizen die het PrP-gen missen nu 700 dagen oud is. De muizen zonder PrP zijn niet ziek. De hersenen van de dode dieren zien er normaal uit. Prusiner: “Maar misschien hebben die muizen zonder PrP wel voortdurend hoofdpijn. Dat kunnen we niet zien aan een proefdier in een kooitje.” De kennis over de rol van PrP is zo gering dat Prusiner er niets voor voelt nu PrP-loze koeien te gaan maken.

Is de biefstuk veilig?

De Huygenslezing wordt traditiegetrouw gevolgd door een repliek van een Nederlandse onderzoeker. De directeur van het Nederlands Kankercentrum prof.dr. Piet Borst ondersteunde de priontheorie van Prusiner volledig, maar plaatste Prusiners bijdrage in perspectief door ook facetten van het werk van Prusiners collega"s c.q. concurrenten (Weissmann in Zürich, Collinge in Londen) te belichten. Borst is er echter van overtuigd dat Prusiner de "paradigmashift" naar het infectieuze eiwit heeft bewerkstelligd. Zoals altijd realiseerde de wetenschap zich pas achteraf dat er van paradigma was gewisseld.

Borst haalde daarna een recent rapport van de EC-commissie voor BSE-research, onder voorzitterschap van Weissmann, aan. Daarin staat puntsgewijs genoemd wat onderzoekers nog willen weten om zekere uitspraken over de BSE-epidemie en de gezondheidseffecten van rundvlees te doen.

Dat rapport stelt de volgende vragen:
- Is BSE via voedsel van koe op mens overgegaan?
- Is er infectiegevaar voor meer runderproducten dan alleen hersenen en ruggenmerg?
- Is BSE uit runderen de afgelopen jaren teruggeïnfecteerd naar schapen?
- Kunnen varkens worden besmet?
- Hoe kan het BSE-prion worden vernietigd?
- Is het mogelijk vee met BSE-weerstand te fokken

Om de besmettingsrisico"s te achterhalen moet volgens het rapport de diagnostiek sterk verbeteren om vast te stellen of niet-zieke slachtdieren al besmet zijn, wat de infectiviteit is van alle onderdelen van de besmette koe vlak voor en nadat de ziekte zichtbaar wordt, of er verontreiniging van het vlees met hersenmateriaal plaatsvindt, wat de benodigde dosis is om primaten te besmetten, wat het effect is van veelvuldige inname van besmette doses (iedere dag vlees).

De vragen zijn gesteld met in het achterhoofd dat de ziekte wel eens blijvend in de veestapel aanwezig zou kunnen zijn. Borst voegde er moeiteloos een vraag aan toe: kan het BSE-prion ook, net als het scrapie-prion bij schapen, in de grasmat overleven?

Het is een groot raadsel hoe ziekmakende BSE-prionen uit rundvlees van de menselijke darm naar de hersenen reizen. Ook is onbekend hoe ze daar in contact komen met de gezonde prionen die de zenuwcellen zelf produceren en hoe ze de gezonde prionen omzetten in ziekmakende prionen. Een tipje van die sluier is onlangs opgelicht. De lichaamseigen gezonde prionen (in de tekening de ronde zwarte bolletjes met een varkensstaartje) worden zoals alle eiwitten nabij de celkern gesynthetiseerd. Uiteindelijk verschijnen de prionen gebonden in het celmembraan aan de buitenkant van de cel. Daar vlak bij, in het vocht tussen de cellen, zwerven ook de ziekmakende prionen (zwarte vierkantjes) rond. De prionen op de buitenkant van de cel zijn aangetoond door de groep van celbioloog dr. Peter Peters van de Universiteit Utrecht. Zij labelden prionen met goudkorreltjes die in een elektronenmicroscopische opname duidelijk zichtbaar zijn. Prusiner en zijn groep hebben nu aangetoond dat het contact tussen beide typen prionen plaatsheeft in caveolae (kleine grotjes) die aan de celwand naar binnen kunnen stulpen. De gezonde prionen worden selectief in die caveolae opgenomen. Als er ziekmakende prionen mee een caveola insluipen, heersen daar kennelijk de goede omstandigheden om de fatale vormverandering tot stand te brengen. Dit is aangetoond door de lichaamsprionen te voorzien van een andere eiwitstaart waardoor ze niet in caveaolae terecht komen, maar in een ander blaasje dat materiaal in de cel opneemt: de clathrine put. Als de prionen via die route in de cel worden opgenomen ontstaan er geen nieuwe ziekmakende prionen.