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变性蛋白:从疯牛病到老年痴呆症的共同敌人

阿尔兹海默症、帕金森综合症、亨廷顿病等常见的神经退行性疾病对人类健康构成极大威胁,其发病机理和治疗手段也让科学家困惑多年。研究发现,所有的神经退行性疾病和疯牛病一样,有特定的变性蛋白纤维(或颗粒)形成。由此,变性蛋白将看起来毫不相关的疾病联系在一起,它暗示科学家可以借此去寻找这些疾病共同的治疗靶点。

钟贞(英国医学研究中心分子生物学实验室)

1疯牛病的起源

疯牛病 (“mad cow”disease)学名为“牛海绵状脑病”(Bovine Spongiform Encephalopathy,BSE),是一种发生在牛身上的进行性中枢神经系统病变,由于病牛出现步态不稳、平衡失调、搔痒、烦燥不安等症状,因此又俗称“疯牛病”。病牛脑组织呈海绵状病变,通常在14至90天内死亡。疯牛病的潜伏期长短不同,一般在2到30年之间。大约在1920年,两位德国医生Hans Gerhard Creutzfeldt和ALfons Maria Jakob发现了人类感染疯牛病的症状,就以他们的名字命名为“克-雅氏症(Creutzfeldt-Jakob Disease,CJD)”。当时他们只知道这是一种神经退行性疾病,对疾病的发病机理一无所知。患者脑部会出现海绵状空洞,先是表现为焦躁不安,后导致记忆丧失、身体功能失调,最终精神错乱甚至死亡。

时间推移到上世纪50年代,一群勇敢的澳大利亚人去巴布亚(Papua)高地探险。在那里,他们发现了许多从未见过的动物和风景如画的原始森林。同时,他们还发现了一个叫做“Fore”的食人部落!当时,这个部落正流行一种未知且无法治疗的神经退行性疾病。这个情况立即引起了前去探险的西方医生和科学家的极大兴趣。他们迅速在当地建立起医院,开始研究这种被当地人称为“库鲁(kuru)病”的疾病。

好几年过去了,这些医生和科学家除了发现库鲁病在妇女和儿童中的高患病率之外,对疾病的传染源和传染模式一无所知。而库鲁病在食人部落里继续流行,人们不断发病,相继死亡。寻找传染源的最大困难是,食人部落的人们集聚在这个小部落,他们拥有相似的基因背景、生活地点,甚至饮食习惯都是一样的,那么传染源到底在哪里?

直到有一天,一个人类学家从食人部落的葬礼中找到了线索:这个古老部落仍旧保留着食人尸体的风俗,即人去世后,他的尸体被分给他的亲属们在葬礼上食用。而家族地位成为选择尸体部位的重要考量因素,脑部是最不抢手的食用部分,因此会传递给家族中地位最低的妇女和儿童。这就解释了为什么库鲁病的发病率在妇女和儿童中最高。更为重要的是,食人部落食用的尸体是经过高温“烹饪”的,但仍然不能阻止疾病的传播,这暗示了库鲁病是不同于细菌和病毒的一种新型的致病源。时至今日,食人部落完全摈弃了食人尸体的旧俗,库鲁病的发病也慢慢降低并消失了,最后一个患者于2005年去世。

科学家做了如下实验,从库鲁病那里找到了疯牛病研究的突破点。

(1)将病死者的脑组织制成无菌、无原虫的悬浮液,注入黑猩猩的颅腔,20个月时,黑猩猩发病,其症状与人相似,此过程证明库鲁病的病原体不是细菌或原虫;

(2)将致病组织用能够导致核酸失活的放射线进行辐射,发现处理过的致病组织仍有传染性,此过程说明库鲁病的病原体不是核酸,并进一步推测其致病因子可能是不含核酸的蛋白质;

(3)为了证明上一步的推测,科学界继续设计如下实验来验证:取等量的致病组织,编号为A、B。将A致病组织用灭活蛋白质或加入蛋白质变性剂的方法,使蛋白变性,B则不作任何处理;分别将其注入生理状态相同的甲、乙两只黑猩猩的颅腔中,其余的条件适宜且相同;观察黑猩猩的发病情况。结果发现,注射A样本的黑猩猩不再发病。这个实验进一步证实,致病源是非核酸的蛋白质本身。

2疯牛病的发病机理

疯牛病的罪魁祸首是朊蛋白(prion),这个单词是1982年美国神经科学家Stanley Prusiner创造的(PROteinaceous INfectious particle),意思就是可以感染的蛋白颗粒。正常情况下,朊蛋白是存在于正常的哺乳动物个体内的细胞膜蛋白,参与细胞的粘附和细胞信号传递。正常的朊蛋白简称为PrPC,而当基因突变的朊蛋白的结构在病理情况下发生了变化,其氨基酸链形成稳定的“贝塔板状构造”, 这种非正常折叠的朊蛋白不再被蛋白酶K消化降解,就集聚成为淀粉样纤维。结构异构的朊蛋白简称为PrPSC,具有致病性和传染性。

当然,真正让人们惊恐的是PrPSC的传染性,它能与正常结构的朊蛋白结合,诱导其改变结构,集聚形成越来越多的淀粉样纤维,疾病进一步发展。这就相当于正常蛋白以病理蛋白为模版,不断复制为更多的病理蛋白(图1)。由于越来越多的非正常折叠蛋白沉积脑组织,于是脑组织的结构被破坏,形成病理性的空洞和海绵状结构。没有了脑组织的调节控制,机体便逐渐失去运动、语言以及身体基本生理功能,最后波及呼吸肌,导致死亡。

图1:朊蛋白从正常结构 PrPC(绿色圆点)自我复制成为贝塔板状构造的病变PrPSC(红色圆点)。图片来源:www.bioninja.com.au

病变朊蛋白有三种传染途径,一是通过食入病牛的朊蛋白,二是医源性感染 (输血和外科手术等),三是遗传途径。高温蒸煮、酒精、酸,一般的高温高压消毒法、射线等对传染性朊蛋白丝毫没有杀伤力。因此,我们也不要幻想通过高温蒸煮就能够杀灭疯牛病牛肉的病原体。这就是需要焚烧处理患疯牛病的牛群的原因——使得蛋白质完全碳化才能最终消除它的传染能力。

如今,英国已建立起一套完整的预防和检测疯牛病疫情的体系。自1996年起,英国制定了两项强制性措施,以控制疯牛病的发生。第一项措施是规定未经过疯牛病检测的,年龄在两岁半以上的牛,不能直接用作人类食品,这便是大家通常所说的“30个月以上条例”。另外,英国同其他欧洲国家一样,在牛屠宰过程中严格执行“高危部位条例”。该条例明确规定,牛在屠宰过程中,应该去掉最可能出现疯牛病病原体的部位,主要是中枢神经系统组织(包括大脑和脊柱)必须得完全去除,减少传染几率。同时,法律也规定,不能将生病或死去的动物制成饲料去喂养牲畜,避免病原体在动物之间传递,历史上曾出现过感染肉制品在饲养牲畜之间循环传播的例子。

3神经退行性疾病与疯牛病

神经退行性疾病,最常见的包括阿尔兹海默症(Alzheimer"s disease,又称老年痴呆症)、帕金森综合症(Parkinson’s disease)、肌萎缩性脊髓侧索硬化症 (ALS)、亨廷顿病(Huntington’s disease)等等。

所有的神经退行性疾病和疯牛病一样,有特定的变性蛋白纤维(或颗粒)形成,他们的共同特征是:(1)这些不同的变性蛋白都能在细胞内自我复制;这些蛋白纤维能够在细胞和组织之间进行传递,并沉积在脑组织及其他中枢神经系统中; (2)神经细胞组织的结构和功能缺失、退化、凋亡,引发一系列进行性神经功能丧失。

阿尔兹海默症是发病率最高的神经退行性疾病,通常发病较晚(65岁以上),从确诊开始计算存活时间是3~9年。这种疾病最初的表现是记忆困难,最终表现为进行性脑痴呆。它的疾病生化特征包括两种蛋白颗粒——细胞外的β淀粉样蛋白沉淀Aβ(是神经细胞膜蛋白APP剪切产物)和细胞内的微管蛋白沉淀tau(一种细胞骨架蛋白)。

帕金森综合症的发病率仅次于阿尔兹海默症,平均发病年龄为60岁,以黑质多巴胺能神经元变性缺失和路易小体形成为特征,临床表现为静止性震颤、运动迟缓、肌强直和姿势步态异常等。

ALS发病于中青年,疾病进展非常迅速,通常在诊断的几年内神经肌肉组织完全萎缩,失去运动能力,最后波及到呼吸肌,导致患者死亡。英国著名物理学家史蒂芬·霍金就是患了这种疾病。这类患者中最早发现的变性蛋白颗粒是SOD1,近年来也发现了其他一些蛋白沉淀。大家也许还记得,2014年,为了支持ALS患者治疗、给美国ALS协会筹款而发起了一场轰动全世界的“冰桶挑战”。

亨廷顿病为常染色体显性遗传的一种神经退行性疾病,主要影响运动协调能力,并导致进行性认知和精神障碍。亨廷顿基因编码带有多个谷氨酰胺拷贝的蛋白质,正常的亨廷顿基因的谷氨酰胺拷贝数为10~25个,但如果谷氨酰胺超过40个,改变了正常蛋白的构型,即形成亨廷顿蛋白沉淀。

科学家通过体内和体外的实验证实了这些特定的非正常折叠蛋白质颗粒(Aβ、 tau、 路易小体、SOD1以及亨廷顿蛋白颗粒)具有自我复制以及在体内扩散的能力。由于不同的蛋白质沉积在中枢神经系统不同部位,因此表现出疾病的多样性(图2)。但迄今为止,除了疯牛病的朊蛋白,从未有过神经退行性疾病的变性蛋白颗粒在动物之间(或者动物与人之间)传播的例子。

图2:不同神经退行性疾病的变构蛋白沉积在不同的脑部位。不同部位的脑组织损伤缺失,由此最先表现出特异的临床特征。

4神经退行性疾病的病因及治疗

对于包括疯牛病在内的神经退行性疾病的病因,目前有两种假说。假说一认为,不断在体内集聚的蛋白颗粒是疾病的直接原因,这些毒蛋白直接杀死细胞。假说二则认为,蛋白颗粒只是疾病的过程,而真正引起细胞毒性的还是那些蛋白颗粒引起的细胞内生化反应。针对不同的疾病病因假说,引发出不同的治疗研究方案。

(1)最直接的阻断疾病的方法,是阻断蛋白颗粒的复制和扩散。神经科学家把目光聚集在这些不断自我复制和传播的变性蛋白上,认为它们就是引起神经细胞毒性的罪魁祸首。阻断变性蛋白在细胞间的传递,理论上能够抑制疾病的发展和恶化,因为能减少那些正常神经(脑或脊髓)组织感染变性蛋白的机会。许多实验室正在寻找新的抗体,希望这些抗体能特异性地结合变构蛋白结构,消除它们进一步感染正常蛋白的能力,这就好比是治疗细菌感染的抗生素。也有科学家开始探讨变性蛋白特异的细胞间传导通路,试图通过阻止这条通路上的关键蛋白,进而达到阻止疾病在体内扩散的目的。

(2)蛋白质量控制与老年化。在正常的机体内,蛋白质无时不在进行着一个动态的循环,蛋白质氨基酸链合成—修饰—氨基酸链折叠成具特异功能的蛋白三维结构—运输到特定组织细胞发回其功能。当在病变情况下,蛋白质氨基酸链发生变异,不再形成正常的三维结构,导致蛋白变性沉淀。这些变构的蛋白颗粒被机体内的蛋白清除系统识别降解,同时为新一轮蛋白质合成提供氨基酸原料。

在机体老年化的过程中,蛋白清除系统逐渐老化,变性的蛋白不能得到即时清除,长期沉淀在细胞内。由于变性蛋白的感染性,引发越来越多的变性蛋白沉淀,这就是大多神经退行性疾病发病较晚、病情进展很快的原因(图3)。如果蛋白沉淀不断增加,超过了细胞降解的极限,就将启动体内一系列的自我保护信号通路。其中,非常重要的一条自我保护通路是非正常折叠蛋白反应(unfolded protein reaction UPR),它通过激活一系列蛋白因子,加快体内新蛋白的合成。假说二否认沉淀的蛋白颗粒对细胞有直接作用,而恰恰是这条非正常折叠蛋白反应启动的一系列蛋白因子对细胞有直接毒性。有的实验室正研究通过调节这条通路上的蛋白生成,以期达到改善病情的结果。

图3:随着老年化的进展,蛋白质量控制调节能力下降,蛋白清除系统老化,无法有效清除中枢神经组织内的变构蛋白沉积,因此代表健康状态的天枰倾斜,神经退行性疾病进一步发展,脑组织病理切片呈现空洞。

5变性蛋白的延伸

在神经退行性疾病的研究领域里,一个热点问题是:这种变性蛋白颗粒是否仅仅局限于神经系统?

回答是否定的。近年来,科学家发现,糖尿病和癌症也存在与疯牛病有着共同特征的可自我复制和扩散的变性蛋白颗粒。因此,神经生物学家把疯牛病与其他的神经退行性疾病,以及糖尿病、癌症统称为“蛋白质构象病”。

相同特征的变性蛋白颗粒将这些看起来毫不相关的疾病联系在一起,代表共同的发病机理,因此暗示科学家去寻找这些疾病共同的治疗靶点。

2014年,很多人都挑战冰桶成功,那么接下来,让我们共同期待科学家成功挑战“蛋白质构象病”,我相信那一天终将到来!

参考文献:

[1]Bunton-Stasyshyn RK. et al. SOD1 Function and Its Implications for Amyotrophic Lateral Sclerosis Pathology: New and Renascent Themes. Neuroscientist. 2014 Dec 9.

[2]Halliday M, Mallucci GR. Targeting the unfolded protein response in neurodegeneration: A new approach to therapy. Neuropharmacology. 2014 Jan

[3]Liz Boatman. Problematic prions and the history of Mad Cow Disease. Berkeleysciencereview. May 4, 2012

[4]Silva JL et al. Ligand binding and hydration in protein misfolding: insights from studies of prion and p53 tumor suppressor proteins. Acc Chem Res. 2010 Feb

[5]Adam Smisth. Protein misfolding. Nature 426, 883 (18 December 2003)

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