Abstract Proteolytic cell surface release (‘shedding’) of the prion protein (PrP), a broadly expressed GPI-anchored glycoprotein, by the metalloprotease ADAM10 impacts on neurodegenerative and other diseases in animal and in vitro models. Recent studies employing the latter also suggest shed PrP (sPrP) to be a ligand in intercellular communication and critically involved in PrP-associated physiological tasks. Although expectedly an evolutionary conserved event, and while soluble forms of PrP are present in human tissues and body fluids, neither proteolytic PrP shedding and its cleavage site nor involvement of ADAM10 or the biological relevance of this process have been demonstrated for the human body thus far. In this study, cleavage site prediction and generation (plus detailed characterization) of sPrP-specific antibodies enabled us to identify PrP cleaved at tyrosin 226 as the physiological and strictly ADAM10-dependent shed form in humans. Using cell lines, neural stem cells and brain organoids, we show that shedding of human PrP can be stimulated by PrP-binding ligands without targeting the protease, which may open novel therapeutic perspectives. Site-specific antibodies directed against human sPrP also detect the shed form in brains of cattle, sheep and deer, hence in all most relevant species naturally affected by fatal and transmissible prion diseases. In human and animal prion diseases, but also in patients with Alzheimer’s disease, sPrP relocalizes from a physiological diffuse tissue pattern to intimately associate with extracellular aggregates of misfolded proteins characteristic for the respective pathological condition. Findings and research tools presented here will accelerate novel insight into the roles of PrP shedding (as a process) and sPrP (as a released factor) in neurodegeneration and beyond.

Abstract Proteolytic cell surface release (‘shedding’) of the prion protein (PrP), a broadly expressed GPI-anchored glycoprotein, by the metalloprotease ADAM10 impacts on neurodegenerative and other diseases in animal and in vitro models. Recent studies employing the latter also suggest shed PrP (sPrP) to be a ligand in intercellular communication and critically involved in PrP-associated physiological tasks. Although expectedly an evolutionary conserved event, and while soluble forms of PrP are present in human tissues and body fluids, for the human body neither proteolytic PrP shedding and its cleavage site nor involvement of ADAM10 or the biological relevance of this process have been demonstrated thus far. In this study, cleavage site prediction and generation (plus detailed characterization) of sPrP-specific antibodies enabled us to identify PrP cleaved at tyrosin 226 as the physiological and apparently strictly ADAM10-dependent shed form in humans. Using cell lines, neural stem cells and brain organoids, we show that shedding of human PrP can be stimulated by PrP-binding ligands without targeting the protease, which may open novel therapeutic perspectives. Site-specific antibodies directed against human sPrP also detect the shed form in brains of cattle, sheep and deer, hence in all most relevant species naturally affected by fatal and transmissible prion diseases. In human and animal prion diseases, but also in patients with Alzheimer`s disease, sPrP relocalizes from a physiological diffuse tissue pattern to intimately associate with extracellular aggregated deposits of misfolded proteins characteristic for the respective pathological condition. Findings and research tools presented here will accelerate novel insight into the roles of PrP shedding (as a process) and sPrP (as a released factor) in neurodegeneration and beyond.

Recent computational advancements in the simulation of biochemical processes allow investigating the mechanisms involved in protein regulation with realistic physics-based models, at an atomistic level of resolution. Using these techniques to study the negative regulation of the androgen receptor (AR), we discovered a key functional role played by non-native metastable states appearing along the folding pathway of this protein. This unexpected observation inspired us to design a completely novel drug discovery approach, named Pharmacological Protein Inactivation by Folding Intermediate Targeting (PPI-FIT), based on the rationale of negatively regulating protein expression by targeting folding intermediates. Here, PPI-FIT was tested for the first time on the cellular prion protein (PrP), a cell surface glycoprotein playing a key role in fatal and transmissible neurodegenerative pathologies known as prion diseases. We predicted the all-atom structure of an intermediate appearing along the folding pathway of PrP, and identified four different small molecule ligands for this conformer, all capable of selectively lowering the expression of the protein by promoting its degradation. Our data support the notion that the level of target proteins could be modulated by acting on their folding pathways, implying a previously unappreciated role for folding intermediates in the biological regulation of protein expression.

Abstract The cellular prion protein (PrP C ) is a central player in neurodegenerative diseases caused by protein misfolding, such as prion diseases or Alzheimer’s disease (AD). Expression levels of this GPI-anchored glycoprotein, especially at the neuronal cell surface, critically correlate with various pathomechanistic aspects underlying these diseases, such as templated misfolding (in prion diseases) and neurotoxicity and, hence, with disease progression and severity. In stark contrast to cell-associated PrP C , soluble extracellular forms or fragments of PrP are linked with neuroprotective effects, which is likely due to their ability to interfere with neurotoxic disease-associated protein conformers in the interstitial fluid. Fittingly, the endogenous proteolytic release of PrP C by the metalloprotease ADAM10 (‘shedding’) was characterized as a protective mechanism. Here, using a recently generated cleavage-site specific antibody, we shed new light on earlier studies by demonstrating that shed PrP (sPrP) negatively correlates with conformational conversion (in prion disease) and is markedly redistributed in murine brain in the presence of prion deposits or AD-associated amyloid plaques indicating a blocking and sequestrating activity. Importantly, we reveal that administration of certain PrP-directed antibodies and other ligands results in increased PrP shedding in cells and organotypic brain slice cultures. We also provide mechanistic and structural insight into this shedding-stimulating effect. In addition, we identified a striking exception to this, as one particular neuroprotective antibody, due to its special binding characteristics, did not cause increased shedding but rather strong surface clustering followed by fast endocytosis and degradation of PrP C . Both mechanisms may contribute to the beneficial action described for some PrP-directed antibodies/ligands and pave the way for new therapeutic strategies against devastating and currently incurable neurodegenerative diseases.