阿爾茲海默癥、帕金森綜合癥、亨廷頓病等常見的神經退行性疾病對人類健康構成極大威脅，其發(fā)病機理和治療手段也讓科學家困惑多年。研究發(fā)現，所有的神經退行性疾病和瘋牛病一樣，有特定的變性蛋白纖維（或顆粒）形成。由此，變性蛋白將看起來毫不相關的疾病在一起，它暗示科學家可以借此去尋找這些疾病共同的治療靶點。

鐘貞（英國醫(yī)學研究中心分子生物學實驗室）

1瘋牛病的起源

瘋牛病 (“mad cow"disease)學名為“牛海綿狀腦病"(Bovine Spongiform Encephalopathy,BSE)，是一種發(fā)生在牛身上的進行性中樞神經系統(tǒng)病變，由于病牛出現步態(tài)不穩(wěn)、平衡失調、搔癢、煩燥不安等癥狀，因此又俗稱“瘋牛病"。病牛腦組織呈海綿狀病變，通常在14至90天內死亡。瘋牛病的潛伏期長短不同，一般在2到30年之間。大約在1920年，兩位德國醫(yī)生Hans Gerhard Creutzfeldt和ALfons Maria Jakob發(fā)現了人類感染瘋牛病的癥狀，就以他們的名字命名為“克－雅氏癥(Creutzfeldt-Jakob Disease,CJD)"。當時他們只知道這是一種神經退行性疾病，對疾病的發(fā)病機理一無所知?；颊吣X部會出現海綿狀空洞，先是表現為焦躁不安，后導致記憶喪失、身體功能失調，zui終精神錯亂甚至死亡。

時間推移到上世紀50年代，一群勇敢的澳大利亞人去巴布亞（Papua）高地探險。在那里，他們發(fā)現了許多從未見過的動物和風景如畫的原始森林。同時，他們還發(fā)現了一個叫做“Fore"的食人部落！當時，這個部落正流行一種未知且無法治療的神經退行性疾病。這個情況立即引起了前去探險的西方醫(yī)生和科學家的極大興趣。他們迅速在當地建立起醫(yī)院，開始研究這種被當地人稱為“庫魯(kuru)病"的疾病。

好幾年過去了，這些醫(yī)生和科學家除了發(fā)現庫魯病在婦女和兒童中的高患病率之外，對疾病的傳染源和傳染模式一無所知。而庫魯病在食人部落里繼續(xù)流行，人們不斷發(fā)病，相繼死亡。尋找傳染源的zui大困難是，食人部落的人們集聚在這個小部落，他們擁有相似的基因背景、生活地點，甚至飲食習慣都是一樣的，那么傳染源到底在哪里？

直到有一天，一個人類學家從食人部落的葬禮中找到了線索：這個古老部落仍舊保留著食人尸體的風俗，即人去世后，他的尸體被分給他的親屬們在葬禮上食用。而家族地位成為選擇尸體部位的重要考量因素，腦部是zui不搶手的食用部分，因此會傳遞給家族中地位zui低的婦女和兒童。這就解釋了為什么庫魯病的發(fā)病率在婦女和兒童中zui高。更為重要的是，食人部落食用的尸體是經過高溫“烹飪"的，但仍然不能阻止疾病的傳播，這暗示了庫魯病是不同于細菌和病毒的一種新型的致病源。時至今日，食人部落*擯棄了食人尸體的舊俗，庫魯病的發(fā)病也慢慢降低并消失了，zui后一個患者于2005年去世。

科學家做了如下實驗,從庫魯病那里找到了瘋牛病研究的突破點。

（1）將病死者的腦組織制成無菌、無原蟲的懸浮液，注入黑猩猩的顱腔，20個月時，黑猩猩發(fā)病，其癥狀與人相似，此過程證明庫魯病的病原體不是細菌或原蟲；

（2）將致病組織用能夠導致核酸失活的放射線進行輻射，發(fā)現處理過的致病組織仍有傳染性，此過程說明庫魯病的病原體不是核酸，并進一步推測其致病因子可能是不含核酸的蛋白質；

（3）為了證明上一步的推測，科學界繼續(xù)設計如下實驗來驗證：取等量的致病組織，編號為A、B。將A致病組織用滅活蛋白質或加入蛋白質變性劑的方法，使蛋白變性，B則不作任何處理；分別將其注入生理狀態(tài)相同的甲、乙兩只黑猩猩的顱腔中，其余的條件適宜且相同；觀察黑猩猩的發(fā)病情況。結果發(fā)現，注射A樣本的黑猩猩不再發(fā)病。這個實驗進一步證實，致病源是非核酸的蛋白質本身。

2瘋牛病的發(fā)病機理

瘋牛病的罪魁禍首是朊蛋白（prion)，這個單詞是1982年美國神經科學家Stanley Prusiner創(chuàng)造的（PROteinaceous INfectious particle)，意思就是可以感染的蛋白顆粒。正常情況下，朊蛋白是存在于正常的哺乳動物個體內的細胞膜蛋白，參與細胞的粘附和細胞信號傳遞。正常的朊蛋白簡稱為PrPC，而當基因突變的朊蛋白的結構在病理情況下發(fā)生了變化，其氨基酸鏈形成穩(wěn)定的“貝塔板狀構造", 這種非正常折疊的朊蛋白不再被蛋白酶K消化降解，就集聚成為淀粉樣纖維。結構異構的朊蛋白簡稱為PrPSC，具有致病性和傳染性。

當然，真正讓人們驚恐的是PrPSC的傳染性，它能與正常結構的朊蛋白結合，誘導其改變結構，集聚形成越來越多的淀粉樣纖維，疾病進一步發(fā)展。這就相當于正常蛋白以病理蛋白為模版，不斷復制為更多的病理蛋白（圖1）。由于越來越多的非正常折疊蛋白沉積腦組織，于是腦組織的結構被破壞，形成病理性的空洞和海綿狀結構。沒有了腦組織的調節(jié)控制，機體便逐漸失去運動、語言以及身體基本生理功能，zui后波及呼吸肌，導致死亡。

圖1：朊蛋白從正常結構 PrPC（綠色圓點）自我復制成為貝塔板狀構造的病變PrPSC（紅色圓點）。圖片來源：www.bioninja。。ｃｏｍ.au

病變朊蛋白有三種傳染途徑，一是通過食入病牛的朊蛋白，二是醫(yī)源性感染 （輸血和外科手術等），三是遺傳途徑。高溫蒸煮、酒精、酸，一般的高溫高壓消毒法、射線等對傳染性朊蛋白絲毫沒有殺傷力。因此，我們也不要幻想通過高溫蒸煮就能夠殺滅瘋牛病牛肉的病原體。這就是需要焚燒處理患瘋牛病的牛群的原因——使得蛋白質*碳化才能zui終消除它的傳染能力。

如今，英國已建立起一套完整的預防和檢測瘋牛病疫情的體系。自1996年起，英國制定了兩項強制性措施，以控制瘋牛病的發(fā)生。*項措施是規(guī)定未經過瘋牛病檢測的，年齡在兩歲半以上的牛，不能直接用作人類食品，這便是大家通常所說的“30個月以上條例"。另外，英國同其他歐洲國家一樣，在牛屠宰過程中嚴格執(zhí)行“高危部位條例"。該條例明確規(guī)定，牛在屠宰過程中，應該去掉zui可能出現瘋牛病病原體的部位，主要是中樞神經系統(tǒng)組織（包括大腦和脊柱）必須得*去除，減少傳染幾率。同時，法律也規(guī)定，不能將生病或死去的動物制成飼料去喂養(yǎng)牲畜，避免病原體在動物之間傳遞，歷*曾出現過感染肉制品在飼養(yǎng)牲畜之間循環(huán)傳播的例子。

3神經退行性疾病與瘋牛病

神經退行性疾病，zui常見的包括阿爾茲海默癥（Alzheimer's disease，又稱老年癡呆癥)、帕金森綜合癥（Parkinson’s disease)、肌萎縮性脊髓側索硬化癥 (ALS)、亨廷頓?。℉untington’s disease）等等。

所有的神經退行性疾病和瘋牛病一樣，有特定的變性蛋白纖維（或顆粒）形成，他們的共同特征是：（1）這些不同的變性蛋白都能在細胞內自我復制；這些蛋白纖維能夠在細胞和組織之間進行傳遞，并沉積在腦組織及其他中樞神經系統(tǒng)中； （2）神經細胞組織的結構和功能缺失、退化、凋亡，引發(fā)一系列進行性神經功能喪失。

阿爾茲海默癥是發(fā)病率zui高的神經退行性疾病，通常發(fā)病較晚（65歲以上)，從確診開始計算存活時間是3～9年。這種疾病zui初的表現是記憶困難，zui終表現為進行性腦癡呆。它的疾病生化特征包括兩種蛋白顆?！毎獾摩碌矸蹣拥鞍壮恋鞟β（是神經細胞膜蛋白APP剪切產物）和細胞內的微管蛋白沉淀tau（一種細胞骨架蛋白）。

帕金森綜合癥的發(fā)病率僅次于阿爾茲海默癥，平均發(fā)病年齡為60歲，以黑質多巴胺能神經元變性缺失和路易小體形成為特征，研究表現為靜止性震顫、運動遲緩、肌強直和姿勢步態(tài)異常等。

ALS發(fā)病于中青年，疾病進展非常迅速，通常在診斷的幾年內神經肌肉組織*萎縮，失去運動能力，zui后波及到呼吸肌，導致患者死亡。英國物理學家史蒂芬?霍金就是患了這種疾病。這類患者中zui早發(fā)現的變性蛋白顆粒是SOD1，近年來也發(fā)現了其他一些蛋白沉淀。大家也許還記得，2014年，為了支持ALS患者治療、給美國ALS協會籌款而發(fā)起了一場轟動*的“冰桶挑戰(zhàn)"。

亨廷頓病為常染色體顯性遺傳的一種神經退行性疾病，主要影響運動協調能力，并導致進行性認知和精神障礙。亨廷頓基因編碼帶有多個谷氨酰胺拷貝的蛋白質，正常的亨廷頓基因的谷氨酰胺拷貝數為10～25個，但如果谷氨酰胺超過40個，改變了正常蛋白的構型，即形成亨廷頓蛋白沉淀。

科學家通過體內和體外的實驗證實了這些特定的非正常折疊蛋白質顆粒（Aβ、 tau、 路易小體、SOD1以及亨廷頓蛋白顆粒）具有自我復制以及在體內擴散的能力。由于不同的蛋白質沉積在中樞神經系統(tǒng)不同部位，因此表現出疾病的多樣性（圖2）。但迄今為止，除了瘋牛病的朊蛋白，從未有過神經退行性疾病的變性蛋白顆粒在動物之間（或者動物與人之間）傳播的例子。

圖2：不同神經退行性疾病的變構蛋白沉積在不同的腦部位。不同部位的腦組織損傷缺失，由此zui先表現出特異的研究特征。

4神經退行性疾病的病因及治療

對于包括瘋牛病在內的神經退行性疾病的病因，目前有兩種假說。假說一認為，不斷在體內集聚的蛋白顆粒是疾病的直接原因，這些毒蛋白直接殺死細胞。假說二則認為，蛋白顆粒只是疾病的過程，而真正引起細胞毒性的還是那些蛋白顆粒引起的細胞內生化反應。針對不同的疾病病因假說，引發(fā)出不同的治療研究方案。

（1）zui直接的阻斷疾病的方法，是阻斷蛋白顆粒的復制和擴散。神經科學家把目光聚集在這些不斷自我復制和傳播的變性蛋白上，認為它們就是引起神經細胞毒性的罪魁禍首。阻斷變性蛋白在細胞間的傳遞,理論上能夠抑制疾病的發(fā)展和惡化，因為能減少那些正常神經（腦或脊髓）組織感染變性蛋白的機會。許多實驗室正在尋找新的抗體，希望這些抗體能特異性地結合變構蛋白結構，消除它們進一步感染正常蛋白的能力，這就好比是治療細菌感染的抗生素。也有科學家開始探討變性蛋白特異的細胞間傳導通路，試圖通過阻止這條通路上的關鍵蛋白，進而達到阻止疾病在體內擴散的目的。

（2）蛋白質量控制與老年化。在正常的機體內，蛋白質無時不在進行著一個動態(tài)的循環(huán)，蛋白質氨基酸鏈合成—修飾—氨基酸鏈折疊成具特異功能的蛋白三維結構—運輸到特定組織細胞發(fā)回其功能。當在病變情況下，蛋白質氨基酸鏈發(fā)生變異，不再形成正常的三維結構，導致蛋白變性沉淀。這些變構的蛋白顆粒被機體內的蛋白清除系統(tǒng)識別降解，同時為新一輪蛋白質合成提供氨基酸原料。

在機體老年化的過程中，蛋白清除系統(tǒng)逐漸老化，變性的蛋白不能得到即時清除，長期沉淀在細胞內。由于變性蛋白的感染性，引發(fā)越來越多的變性蛋白沉淀，這就是大多神經退行性疾病發(fā)病較晚、病情進展很快的原因（圖3）。如果蛋白沉淀不斷增加，超過了細胞降解的極限，就將啟動體內一系列的自我保護信號通路。其中，非常重要的一條自我保護通路是非正常折疊蛋白反應（unfolded protein reaction UPR)，它通過激活一系列蛋白因子，加快體內新蛋白的合成。假說二否認沉淀的蛋白顆粒對細胞有直接作用，而恰恰是這條非正常折疊蛋白反應啟動的一系列蛋白因子對細胞有直接毒性。有的實驗室正研究通過調節(jié)這條通路上的蛋白生成，以期達到改善病情的結果。

圖3：隨著老年化的進展，蛋白質量控制調節(jié)能力下降，蛋白清除系統(tǒng)老化，無法有效清除中樞神經組織內的變構蛋白沉積，因此代表健康狀態(tài)的天枰傾斜，神經退行性疾病進一步發(fā)展，腦組織病理切片呈現空洞。

5變性蛋白的延伸

在神經退行性疾病的研究領域里，一個熱點問題是：這種變性蛋白顆粒是否僅僅局限于神經系統(tǒng)？

回答是否定的。近年來，科學家發(fā)現，糖尿病和癌癥也存在與瘋牛病有著共同特征的可自我復制和擴散的變性蛋白顆粒。因此，神經生物學家把瘋牛病與其他的神經退行性疾病，以及糖尿病、癌癥統(tǒng)稱為“蛋白質構象病"。

相同特征的變性蛋白顆粒將這些看起來毫不相關的疾病在一起，代表共同的發(fā)病機理，因此暗示科學家去尋找這些疾病共同的治療靶點。

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