The agent responsible for transmissible spongiform encephalopathies (TSEs) is thought to be a malfolded, protease-resistant version (PrPres) of the normal cellular prion protein (PrP). The interspecies transmission of bovine spongiform encephalopathy (BSE) to mice was studied. Although all of the mice injected with homogenate from BSE-infected cattle brain exhibited neurological symptoms and neuronal death, more than 55 percent had no detectable PrPres. During serial passage, PrPres appeared after the agent became adapted to the new host. Thus, PrPres may be involved in species adaptation, but a further unidentified agent may actually transmit BSE.

Abstract Prions cause infectious and fatal neurodegenerative diseases in mammals. Chronic wasting disease (CWD), a prion disease of cervids, spreads efficiently among wild and farmed animals. Potential transmission to humans of CWD is a growing concern due to its increasing prevalence. Here, we provide the strongest evidence to date supporting the zoonotic potential of CWD prions, and their probable materialization in humans using mice expressing human prion protein (PrP) as an infection model. Inoculation of these mice with deer CWD isolates resulted in atypical clinical manifestations, with prion seeding activity and efficient transmissible infectivity in the brain and, remarkably, in feces. Intriguingly, the protease-resistant PrP in the brain resembled that found in a familial human prion disease and was transmissible upon second passage. Our results are the first evidence that CWD can infect humans with a distinctive clinical presentation, signature, and tropism, and might be transmissible between humans while current diagnostic assays might fail to detect it. These findings have major implications for public health and CWD management.

Summary Prion assemblies responsible for transmissible spongiform encephalopathies grow in the form of linear amyloid fibrils. Traditional models for prion growth and tissue-spreading have relied upon the assumption that propagation is based on the process of fragmentation, wherein an assembly literally breaks in two, creating additional templating interfaces. Recent experimental data shows that PrP Sc assemblies are in detailed balance with an elementary oligomeric building block called suPrP. In the present work we compare the dynamics of the canonical model of induced-fragmentation to the model of PrP Sc assemblies in detailed balance with suPrP. The model is a dynamical system describing the populations of fibrils of varying lengths as a function of time; we analyze the system via both analytical and numerical techniques. We demonstrate that the detailed balance between suPrP and PrP Sc model can equivalently replace the induced-fragmentation model. This equivalence opens a new opportunity in an optimal control problem.

Summary Prion diseases, or Transmissible Spongiform Encephalopathies (TSE), are neurodegenerative disorders caused by the accumulation of misfolded conformers (PrP Sc ) of the cellular prion protein (PrP C ). During the pathogenesis, the PrP Sc seeds disseminate in the central nervous system and convert PrP C leading to the formation of insoluble assemblies. As for conventional infectious diseases, variations in the clinical manifestation define a specific prion strain which correspond to different PrP Sc structures. In this work, we implemented the recent developments on PrP Sc structural diversity and tissue response to prion replication into a stochastic reaction-diffusion model using an application of the Gillespie Algorithm. We showed that this combination of non-linearities can lead prion propagation to behave as a complex system, providing an alternative to the current paradigm to explain strain specific phenotypes, tissue tropisms and strain co-propagation while also clarifying the role of the connectome in the neuro-invasion process.

Prions are pathogens formed from abnormal conformers (PrP Sc ) of the host-encoded cellular prion protein (PrP C ). PrP Sc conformation to disease phenotype relationships extensively vary among prion strains. In particular, prions exhibit a strain-specific tropism for lymphoid tissues. Prions can be composed of several substrain components. There is evidence that these substrains can propagate in distinct tissues (e.g. brain and spleen) of a single individual, providing an experimental paradigm to study the cause of prion tissue selectivity. Previously, we showed that PrP C expression levels govern prion substrain selection in the brain. Transmission of sheep scrapie isolates (termed LAN) to multiple lines of transgenic mice expressing varying levels of ovine PrP C in the brain resulted in the phenotypic expression of the dominant sheep substrain in mice expressing near physiological PrP C levels, whereas a minor substrain replicated preferentially on high-expressors. Considering that PrP C expression levels are markedly decreased in the spleen compared to the brain, we interrogate whether spleen PrP C dosage could drive prion selectivity. The outcome of the transmission of a large cohort of LAN-like scrapie isolates in the spleen from high-expressors correlated with the replication rate dependency on PrP C amount; There was a prominent spleen colonization by the substrain preferentially replicating on low-expressors and a relative incapacity of the substrain with higher-PrP C level need to propagate in the spleen. Early colonization of the spleen allowed neuropathological expression of the lymphoid substrain after intraperitoneal inoculation. In addition, a pair of substrain variants resulting from the adaptation of human prions to ovine high-expressors, and exhibiting differing brain versus spleen tropism, showed different tropism on transmission to low-expressors, with the lymphoid substrain colonizing the brain. Overall, these data suggest that PrP C expression levels are instrumental in prion substrain lymphotropism.

Summary Prion diseases are fatal neurodegenerative diseases that affect mammals through the transconformation of a host protein, the prion protein (PrP), into a toxic and pathogenic conformer termed PrP Sc . Until now, the diagnosis is only confirmed with a post-mortem histology study of the central nervous system. Among the methods to detect the etiological agent, in vitro amplification techniques have emerged as very sensitive, highly specific and rapid tools, even though some prion strains remain refractory or difficult to amplify. Here we report the use of a new recombinant substrate for Real-Time Quaking Induced Conversion (RT-QuIC), a natural polymorphism of human prion protein with a lysine at position 219 instead of a glutamic acid, PrP E219K. This substrate amplifies the six sporadic human strains responsible for Creutzfeldt-Jakob Disease (CJD) and the strain responsible for its variant form in a few hours and over a large dilution range of the seeds. Moreover, based on the lag time of the amplification reactions, the PrP E219K substrate allows to discriminate between sporadic and variant CJD strains, a first step towards an ante-mortem typing of the prion strain affecting a patient.

Abstract The pathogenicity of fibrillar assemblies derived from bacterially expressed recombinant prion protein (rPrP) has been key to the demonstration that prions are infectious proteins responsible for human and animal transmissible spongiform encephalopathies. Yet, their use in identifying which structural PrP features are important for prion biology, including strain properties and capacity to transmit between species, has been hampered by their limited transmissibility de novo. We report the generation of prions with distinct biological characteristics from rPrP assemblies differing only in their primary structure (hamster, mouse and human amino acid sequence). These rPrP assemblies were transmissible to transgenic mice expressing hamster PrP, causing a clinical disease at full attack rate, brain deposition of pathological prion protein PrP Sc and spongiform degeneration. Their adaptation process on serial sub-passaging seemed to depend, as for genuine prions, on the presence of a species/transmission barrier, due notably to PrP sequence mismatch. Remarkably, one of the strains obtained is an unprecedented shortened prion, lacking the 90-140 amino-acid region which is believed to be key to infectivity and structural stability of disease-associated PrP assemblies. Finally, we provide evidence that rPrP prionogenicity lies in the structural organization and/or heterogeneity of the rPrP assemblies. These preparations of rPrP offer unprecedented opportunities for meaningful studies correlating the dynamicity and structures of PrP Sc assemblies to prion pathobiology. Author summary Prions are infectious proteins, causing rapidly progressive neurodegenerative diseases in animals and humans. They are formed from the assisted-refolding and aggregation of the host-encoded prion protein (PrP). During the propagation of the disease, pathological PrP forces normal PrP to adopt its own conformation by a self-templating process. In infected host, different pathological structures of PrP or strains are found, causing diseases with specific biological phenotypes. Prions can also transmit between species. This capacity is limited by a species barrier, which critically depends on the infecting strain and PrP primary structure. How strain biological information is encoded in PrP structural fold remains unknown. We describe here the generation of different bona fide prion strains with markedly distinct adaptation capacities by transmission of refolded assemblies derived from bacterially-derived recombinant PrP (rPrP) of different species. We provide evidence that pathogenicity lies in the structural organization and/or heterogeneity of rPrP assemblies. Pathological PrP from one of the generated strains exhibited unique molecular features, including absence of domains that are thought to be key to prion infectivity, according to most recent ultrastructural studies. Our findings provide new insights for generating prion infectious material and resolving mechanisms of infectivity acquisition during PrP conversion process.

Abstract It is commonly accepted that the prion replicative propensity and strain structural determinant (SSD) are encoded in the fold of PrP Sc amyloid fibril assemblies. By exploring the quaternary structure dynamicity of several prion strains, we revealed that all mammalian prion assemblies exhibit the generic property of spontaneously generating two sets of discreet infectious tetrameric and dimeric species differing significantly by their specific infectivity. By using perturbation approaches such as dilution and ionic strength variation, we demonstrated that these two oligomeric species were highly dynamic and evolved differently in the presence of chaotropic agents. In general, our observations of seven different prion strains from three distinct species highlight the high dynamicity of PrP Sc assemblies as a common and intrinsic property of mammalian prions. The existence of such small infectious PrP Sc species harboring the SSD indicates that the prion infectivity and the SSD are not restricted only to the amyloid fold but can also be encoded in other alternative quaternary structures. Such diversity in the quaternary structure of prion assemblies tends to indicate that the structure of PrP Sc can be divided into two independent folding domains: a domain encoding the strain structural determinant and a second domain whose fold determines the type of quaternary structure that could adopt PrP Sc assemblies. Highlights Mammalian prion assemblies are highly dynamic Prion assemblies spontaneously disassemble into two infectious oligomers Prion infectivity is not exclusively encoded in the amyloid fibrils’ structure Two independent folding domains could structure Prion assemblies

Aggregation of misfolded forms from host-encoded proteins is key to the pathogenesis of a number of neurodegenerative disorders, including prion diseases, Alzheimer's disease and Parkinson's disease. In prion diseases, the cellular prion protein PrPC can misfold into PrPSc and auto-organize into conformationally distinct assemblies or strains. A plethora of observations reports the existence of PrPSc structural heterogeneity within prion strains, suggesting the emergence and coevolution of structurally distinct PrPSc assemblies during prion replication in controlled environment. Such PrPSc diversification processes remain poorly understood. Although central to prion host-adaptation, structural diversification of PrPSc assemblies is also a key issue for the formation of PrP conformers involved in neuronal injury. Here, we characterized the evolution of the PrPSc quaternary structure during prion replication in vivo and in bona fide cell-free amplification assays. Regardless of the strain studied, the early replication stage conduced to the preferential formation of small PrPSc oligomers, thus highlighting a quaternary structural convergence phenomenon. Their evolutionary kinetics revealed the existence of a PrPC-dependent secondary templating pathway in concert with a structural rearrangement. This secondary templating pathway provides, for the first time, a mechanistic explanation for prion structural diversification during replication, a key determinant for prion adaptation on further transmission, including to other host species. The uncovered processes are also key for a better understanding of the accumulation mechanisms of other misfolded assemblies believed to propagate by a prion-like process.

Background: Prion replication results from the autocatalytic templated assisted conversion of the host-encoded prion protein PrPC into misfolded, polydisperse PrPSc conformers. Structurally distinct PrPSc conformers can give rise to multiple prion strains. Within and between prion strains, the biological activity (replicative efficacy and specific infectivity) of PrPSc assemblies is size-dependent and thus reflects an intrinsic structural heterogeneity. The contribution of such PrPSc heterogeneity across species prion adaptation, - which is believed to be based on fit-adjustment between PrPSc template(s) and host PrPC -, has not been explored. Methods: to define the structural-to-fitness PrPSc landscape, we measured the relative capacity of size-fractionated PrPSc assemblies from different prion strains to cross mounting species barriers in transgenic mice expressing foreign PrPC. Results: in the absence of a transmission barrier, the relative efficacy of the isolated PrPSc assemblies to induce the disease is superimposable to the efficacy observed in the homotypic context. However, in the presence of a transmission barrier, size fractionation overtly delays and even abrogates prion pathogenesis in both neural and extraneural, prion-permissive tissues, for reason independent of the infectivity load of the isolated assemblies. This suggests that a synergy between structurally distinct PrPSc assemblies in the inoculum is requested for crossing the species barrier. We further strengthen this hypothesis by showing that altering, by serial dilution, PrPSc assemblies content of unfractionated inocula reduce their specific infectivity in an aberrant manner, solely in the presence of a transmission barrier. Conclusions: Our data support a mechanism whereby overcoming prion species barrier requires complementation between structurally distinct PrPSc assemblies. This work provides key insight into the quasi-species concept applied to prions, which would not necessarily rely on prion sub-strains as constituent but on structural PrPSc heterogeneity within prion population.