阿爾茲海默癥、帕金森綜合癥、亨廷頓病等常見的神經(jīng)退行性疾病對人類健康構(gòu)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(xiàn)，所有的神經(jīng)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(guān)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(jīng)系統(tǒng)病變，由于病牛出現(xiàn)步態(tài)不穩(wěn)、平衡失調(diào)、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(nèi)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(xiàn)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(jīng)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(xiàn)海綿狀空洞，先是表現(xiàn)為焦躁不安，后導(dǎo)致記憶喪失、身體功能失調(diào)，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(xiàn)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(xiàn)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(jīng)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?shù)亟⑵疳t(yī)院，開始研究這種被當?shù)厝朔Q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(xiàn)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(jīng)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?qū)е潞怂崾Щ畹姆派渚€進行輻射，發(fā)現(xiàn)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(zhì)；

（3）為了證明上一步的推測，科學界繼續(xù)設(shè)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(zhì)或加入蛋白質(zhì)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，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(zhì)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(jīng)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)異構(gòu)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(jié)構(gòu)的朊蛋白結(jié)合，誘導(dǎo)其改變結(jié)構(gòu)，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(fù)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(jié)構(gòu)被破壞，形成病理性的空洞和海綿狀結(jié)構(gòu)。沒有了腦組織的調(diào)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(dǎo)致死亡。

圖1：朊蛋白從正常結(jié)構(gòu) PrPC（綠色圓點）自我復(fù)制成為貝塔板狀構(gòu)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(shù)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(zhì)*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(yù)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(jīng)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(yīng)該去掉zui可能出現(xiàn)瘋牛病病原體的部位，主要是中樞神經(jīng)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(xiàn)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(jīng)退行性疾病與瘋牛病

神經(jīng)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(cè)索硬化癥 (ALS)、亨廷頓病（Huntington’s disease）等等。

所有的神經(jīng)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(nèi)自我復(fù)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(jīng)系統(tǒng)中； （2）神經(jīng)細胞組織的結(jié)構(gòu)和功能缺失、退化、凋亡，引發(fā)一系列進行性神經(jīng)功能喪失。

阿爾茲海默癥是發(fā)病率zui高的神經(jīng)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(xiàn)是記憶困難，zui終表現(xiàn)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(jīng)細胞膜蛋白APP剪切產(chǎn)物）和細胞內(nèi)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(zhì)多巴胺能神經(jīng)元變性缺失和路易小體形成為特征，研究表現(xiàn)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(nèi)神經(jīng)肌肉組織*萎縮，失去運動能力，zui后波及到呼吸肌，導(dǎo)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(xiàn)的變性蛋白顆粒是SOD1，近年來也發(fā)現(xiàn)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(xié)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(jīng)退行性疾病，主要影響運動協(xié)調(diào)能力，并導(dǎo)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(zhì)，正常的亨廷頓基因的谷氨酰胺拷貝數(shù)為10～25個，但如果谷氨酰胺超過40個，改變了正常蛋白的構(gòu)型，即形成亨廷頓蛋白沉淀。

科學家通過體內(nèi)和體外的實驗證實了這些特定的非正常折疊蛋白質(zhì)顆粒（Aβ、 tau、 路易小體、SOD1以及亨廷頓蛋白顆粒）具有自我復(fù)制以及在體內(nèi)擴散的能力。由于不同的蛋白質(zhì)沉積在中樞神經(jīng)系統(tǒng)不同部位，因此表現(xiàn)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(jīng)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(jīng)退行性疾病的變構(gòu)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(xiàn)出特異的研究特征。

4神經(jīng)退行性疾病的病因及治療

對于包括瘋牛病在內(nèi)的神經(jīng)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(nèi)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(nèi)生化反應(yīng)。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(fù)制和擴散。神經(jīng)科學家把目光聚集在這些不斷自我復(fù)制和傳播的變性蛋白上，認為它們就是引起神經(jīng)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(jīng)（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(jié)合變構(gòu)蛋白結(jié)構(gòu)，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(dǎo)通路，試圖通過阻止這條通路上的關(guān)鍵蛋白，進而達到阻止疾病在體內(nèi)擴散的目的。

（2）蛋白質(zhì)量控制與老年化。在正常的機體內(nèi)，蛋白質(zhì)無時不在進行著一個動態(tài)的循環(huán)，蛋白質(zhì)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(jié)構(gòu)—運輸?shù)教囟ńM織細胞發(fā)回其功能。當在病變情況下，蛋白質(zhì)氨基酸鏈發(fā)生變異，不再形成正常的三維結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致蛋白變性沉淀。這些變構(gòu)的蛋白顆粒被機體內(nèi)的蛋白清除系統(tǒng)識別降解，同時為新一輪蛋白質(zhì)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(nèi)。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(jīng)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(nèi)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(yīng)（unfolded protein reaction UPR)，它通過激活一系列蛋白因子，加快體內(nèi)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(yīng)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(diào)節(jié)這條通路上的蛋白生成，以期達到改善病情的結(jié)果。

圖3：隨著老年化的進展，蛋白質(zhì)量控制調(diào)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(jīng)組織內(nèi)的變構(gòu)蛋白沉積，因此代表健康狀態(tài)的天枰傾斜，神經(jīng)退行性疾病進一步發(fā)展，腦組織病理切片呈現(xiàn)空洞。

5變性蛋白的延伸

在神經(jīng)退行性疾病的研究領(lǐng)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(jīng)系統(tǒng)？

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

相同特征的變性蛋白顆粒將這些看起來毫不相關(guān)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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