Molecular elements involved in replication and transmission of prions

Abstract

Classical bovine spongiform encephalopathy (BSE-C) from cattle is the prion agent responsible for one of the greatest food safety crisis ever reported and the only recognized zoonotic prion to date in the form of variant Creutzfeld-Jakob disease (vCJD) in humans. Thanks to the control measures implemented by the EU, epidemic BSE has been controlled. However, other prion agents are circulating within livestock species included in the human food chain. Classical scrapie still has a high incidence in European sheep and goat herds despite the implemented sheep breeding selection programs. In addition, active surveillance for prion disease led to the discovery of atypical scrapie in sheep and goats as well as atypical BSE-L and atypical BSE-H in cattle. No epidemiological link has been found between these animal prions and human prion diseases. Nevertheless, the zoonotic potential of these agents has never been assessed in a systematic and reliable way, partially due to the experimental design of the studies performed. Therefore, this thesis has been lay out aiming to gain insights in the zoonotic potential of animal prion strains. With that purpose, a great collection of animal prion isolates from different European countries was selected to be studied. Prior to study their zoonotic potential in transgenic mice expressing the human prion protein, characterization of the isolates were done by bioassay in transgenic mice expressing the bovine or ovine prion proteins. This allowed the study of prion strain diversity coming for livestock animals. Analysis of the zoonotic potential of the animal prions gave interesting results pointing the critical role of the codon 129 polymorphism located in the human prion protein. While atypical BSE-H and certain classical scrapie strains were not-transmissible to the humanized mice, BSE-C, atypical BSE-L, some classical scrapie strains and atypical scrapie were transmissible to mice Met129 homozygous for the codon 129 polymorphism of the human prion protein with variable efficiency. Val129 homozygosity in codon 129 polymorphism were generally protective against animal prions with the exception of secondary BSE-C prion that produced non vCJD/BSE-C strain features. The zoonotic potential of these strains may be radically affected after passage in other animal species. In addition, the role of Met166 and E168 residues in the human prion protein were studied for general prion transmission by bioassay in a new transgenic mouse model in which these variants were generally protective against prions. The results obtained in this thesis shed light into the zoonotic potential of animal prions and the elements in the human prion protein involved in human susceptibility/resistance to prions. The information generated in this work would be valuable for the risk assessment of animal prion transmission to humans as well as for interspecies transmission between animals

La encefalopatía espongiforme bovina clásica (EEB-C) es el prion responsable de una gran crisis de seguridad alimentaria y el único prion zoonótico descrito hasta la fecha en forma de la nueva variante de Creutzfeldt-Jakob (vCJD). Gracias a las medidas de control instaladas por la Unión Europea, la EEB ha sido controlada. Sin embargo, otros agentes priónicos están circulando en especies ganaderas incluidas en la cadena alimenticia humana. El scrapie clásico aún tiene una alta incidencia en los rebaños de ovejas y cabras europeos a pesar de los programas de cría selectiva de ovejas implementados. Además, los programas de vigilancia activa llevaron al descubrimiento del scrapie atípico en ovejas y cabras y las cepas atípicas EEB-L y EEB-H en vacas. No se ha encontrado relación epidemiológica entre estos priones animales y enfermedades humanas. Sin embargo, el potencial zoonótico de estos agentes nunca se ha estudiado de forma sistemática y confiable en parte debido a los diseños experimentales de los estudios realizados. Por tanto, esta tesis se planteó con el objetivo de conocer el potencial zoonótico de los priones animales. Para ello, una gran colección de aislados priónicos animales procedentes de diferentes países europeos fue seleccionada para su estudio. Antes de estudiar el potencial zoonótico de estos aislados en ratones transgénicos que expresan la proteína priónica humana, éstos fueron caracterizados mediante bioensayo en ratones transgénicos que expresan la proteína priónica bovina u ovina. Esto permitió estudiar la diversidad de cepas priónicas en especies ganaderas. El análisis del potencial zoonótico de los priones animales produjo resultados interesantes apuntando la importancia del polimorfismo del codón 129 de la proteína priónica humana. EEB-H y algunas cepas de scrapie clásico no fueron transmisibles en los modelos humanizados mientras que EEB-C, EEB-L, otras cepas de scrapie clásico y scrapie atípico fueron transmisibles en los ratones Met129 homocigotos para el polimorfismo del codón 129 con una eficiencia variable. El alelo Val129 en homocigosis fue generalmente protector contra los priones animales excepto para infecciones secundarias con EEB-C en las que se produjeron características de cepa diferentes a las de vCJD/EEB-C. El potencial zoonótico de estas cepas puede ser diferente tras pasar en otras especies animales. Además, el papel de los aminoácidos Met166 y E168 de la proteína priónica humana en la transmisión priónica se estudió mediante bioensayos en un nuevo modelo de ratón transgénico en el que estas variantes de la proteína priónica humana protegieron contra los priones de forma general. Los resultados de esta tesis arrojan luz sobre el potencial zoonótico de los priones animales y los elementos de la proteína priónica humana involucrados en la susceptibilidad/resistencia a priones. La información generada en este trabajo es valiosa para el análisis del riesgo de la transmisión de priones animales a los humanos así como para la transmisión entre animales