The ADAM10-mediated shedding of the prion protein in humans and other mammals: characterization of cleavage site-specific antibodies

Abstract

Summary Prion protein (PrPC) is a widely expressed GPI-anchored glycoprotein that naturally undergoes various proteolytic processes. Among these, PrP shedding, a cleavage mediated by the metalloprotease ADAM10, holds significant implications for neurodegenerative diseases. Recent studies suggest that the shed form of PrP (sPrP) acts as a signaling molecule in intercellular communication and plays crucial roles in PrP-related physiological functions. Despite being an evolutionarily conserved protein, the precise site of PrP cleavage and its responsible protease in humans, as well as the biological significance of this shedding process, have not been conclusively studied. In this study, by employing cleavage site prediction and producing/characterizing specific antibodies targeting human sPrP, we identified amino acid Y226 as the site of PrP shedding. Additionally, we demonstrated that the cleavage is solely mediated by ADAM10, similar to what has been previously reported in mice. Our experiments conducted within various models, including cell lines, neural stem cells, and brain organoids, reveal that stimulation of human PrP shedding can be achieved by certain PrP-binding molecules, such as antibodies, without directly affecting ADAM10, suggesting new avenues for therapeutic intervention. Furthermore, our cleavage site-specific antibodies targeting human sPrP can also detect respective shed forms of the protein in the brains of cattle, sheep, and deer (the most relevant animal species naturally affected by fatal and transmissible prion diseases), due to the similarities in the C-terminal amino acid sequences. In both prion and Alzheimer’s diseases, sPrP transitions from a physiological diffuse tissue distribution to a close association with misfolded protein aggregates, indicating a protective blocking activity towards harmful protein conformers and potential as a diagnostic marker. This study highlights the effectiveness of sPrP-specific antibodies for reliably and easily detecting this relevant fragment in human samples. Although the exact role of sPrP in neurodegenerative diseases remains largely undefined, its interaction with aggregates suggests it may have a significant functional role. These findings provide a crucial tool for further research and offer new avenues for exploring sPrP's potential impact on neurodegenerative and other disorders.

Zusammenfassung Das Prionprotein (PrP) ist ein weit verbreitetes GPI-verankertes Glykoprotein, das natürlicherweise verschiedenen proteolytischen Prozessen unterliegt. Unter diesen hat das PrP-Shedding, eine Spaltung, die durch die Metalloprotease ADAM10 vermittelt wird, bedeutende Auswirkungen auf neurodegenerative Erkrankungen. Aktuelle Studien legen nahe, dass die freigesetzte Form von PrP (sPrP) als Signalmolekül in der interzellulären Kommunikation fungiert und eine entscheidende Rolle bei physiologischen Funktionen im Zusammenhang mit PrP spielt. Obwohl es sich um ein evolutionär konserviertes Protein handelt, wurde die genaue Spaltstelle von PrP und die verantwortliche Protease beim Menschen sowie die biologische Bedeutung dieses Spaltungsprozesses noch nicht abschließend untersucht. In dieser Studie haben wir durch die Verwendung von Spaltstellenvorhersage und die Herstellung spezifischer Antikörper, die sich gegen humanes sPrP richten, die Aminosäure Y226 als die Spaltstelle von PrP identifiziert. Zusätzlich wurde bestätigt, dass die Spaltung exklusiv durch ADAM10 vermittelt wird, ähnlich wie zuvor bei Mäusen berichtet wurde. Unsere Experimente, die in verschiedenen Modellen einschließlich Zelllinien, neuralen Stammzellen und Hirnorganoiden durchgeführt wurden, zeigen, dass eine Stimulation des PrP-Sheddings beim Menschen durch bestimmte PrP-bindende Moleküle, wie z.B. Antikörper, möglich ist, ohne ADAM10 direkt zu beeinflussen, was neue Ansätze für therapeutische Interventionen nahelegt. Darüber hinaus können unsere neu generierten Antikörper, die gegen sPrP gerichtet sind, die entsprechenden freigesetzten Formen des Proteins auch in Gehirnen von Rindern, Schafen und Hirschen nachweisen (also den relevanten natürlicherweise von fatalen und übertragbaren Prionenerkrankungen betroffenen Tierarten), aufgrund der Ähnlichkeit der Spaltstellen. Sowohl bei Prionerkrankungen als auch der Alzheimer-Krankheit wechselt sPrP von einer physiologisch diffusen Verteilung im Hirngewebe zu einer engen Assoziation mit fehlgefalteten Proteinaggregaten, was auf eine möglicherweise schützende, blockierende Wirkung gegenüber toxischen Proteinkonformeren sowie sein Potenzial als diagnostischer Marker hinweist. Diese Studie hebt die Wirksamkeit von sPrP-spezifischen Antikörpern zur verlässlichen und einfachen Detektion dieses pathophysiologisch relevanten Fragments in menschlichen Proben hervor. Obwohl die genaue Rolle von sPrP bei neurodegenerativen Erkrankungen weitgehend ungeklärt bleibt, deutet seine Interaktion mit Aggregaten darauf hin, dass es eine signifikante funktionale Rolle spielen könnte. Diese Ergebnisse bieten ein wesentliches Werkzeug für die weiterführende Forschung auf dem Gebiet und eröffnen neue Wege zur Untersuchung des potenziellen Einflusses von sPrP auf neurodegenerative und auch andere Erkrankungen.