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我们不知道答案的125个科学问题(78)朊病毒 精选

已有 3665 次阅读 2024-4-7 11:16 |个人分类:科学教育|系统分类:科普集锦

78. 朊病毒疾病是如何发生的?How do prion diseases work?

题记:即便人们接受朊病毒只是发生错误折叠的蛋白质,但朊病毒仍然存在许多未解之谜。例如,它们是如何从肠道进入大脑,以及它们是如何杀死神经元细胞的?

1985年英国一头独自站在牛圈角落里的牛表现得十分地焦躁不安,它肌肉痉挛不断抽搐、时常站立不稳,对靠近它的主人表现出极大的恐惧和愤怒,会狂暴地攻击任何企图靠近它的人。对于无奈地站在远处的农场主来说,这头牛似乎是彻底地疯了。这就是后来导致了全球恐慌的疯牛病。

疯牛病自1985年被首次发现后迅速席卷英国(约18万头牛发病),并快速传播到欧洲、美洲和亚洲及世界100多个国家和地区,直接被屠宰或焚烧的牛就达到1100万头,给全世界的养牛业造成了巨大损失。然而随着疯牛病的流行,由同一种致病因素引起的传播于人类之间的疯牛病(变异型克雅氏病)也出现了,从而最终导致了人类对疯牛病全球性的恐慌。

为了找到疯牛病产生的原因,人类对疯牛进行了大量的尸体解剖,发现病牛的牛脑竟然全都变成了海绵状组织(医学上称为牛类海绵状脑病:BSE,bovine spongiform encephalopathy),进一步的研究发现导致这种疾病的病原体竟然不是细菌,也不是病毒,而是一种没有核酸类遗传物质的蛋白质(PrPC, Cellular prion protein)。而且这种蛋白质还丰富地存在于人体神经元的外膜之中,它是一种糖基磷脂酰肌醇(GPI)锚定蛋白(glycosylphosphatidylinositol (GPI)-anchored protein),这种蛋白主要用于锚定多种跨膜蛋白,各种各样的蛋白质会通过糖基磷脂酰肌醇(GPI)被锚定在细胞膜的外表面,在那里GPI蛋白参与从酶催化到粘附的许多功能,它可以用于调节膜的生物物理特性,完成细胞间跨膜信息传送或催化,特异性磷脂酶在细胞表面释放的GPI锚定蛋白在调节膜表面表达和功能特性中起关键作用。所以GPI锚定蛋白的结构非常灵活,具有灵活的尾部和核心结构特征,它可以与各种物质相互作用进行结合,参与细胞的多种生理化学过程。

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图1 正常朊病毒蛋白PrPC和它的错误折叠PrPSc

然而如果这种广泛存在于神经元外膜中的GPI锚定蛋白在合成中发生了错误折叠(见科学问题58蛋白质的折叠)。如图1所示,正常成熟的PrPC由大约210个氨基酸组成,排列为无序的n端结构域和由三个α-螺旋和一个短的反平行β-褶片组成的球形c端结构域,然而如果它发生了错误的折叠就变成了一种有毒的物质,即错误折叠的朊病毒蛋白(PrPSc, Scrapie prion protein),而正是这种蛋白导致了所谓的朊病毒疾病。所以因为这种蛋白其和导致疯牛病一类疾病的致病病原有关,所以直接就把这种蛋白命名为了朊病毒蛋白(PrPC),人们开始以为它是一种传染的病毒,然而它只是一种错误折叠的PrPC蛋白而已(它不是病毒,因为没有核酸类遗传物质,也不会产生免疫炎症反应,但人们还是习惯称它为朊病毒),所以作为一种特殊的蛋白类物质,朊病毒蛋白具有非常独特的传染性。

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图2 正常PrPC和非正常PrPSc朊蛋白的循环过程

总之,朊病毒疾病是细胞朊病毒蛋白PrPC的一种致病性错误折叠和聚集所导致的神经退行性疾病,这种蛋白具有独特的传染机制。PrPSc具有高度稳定,它可以在中枢神经系统中积累数月至数年,但它却是一种一旦发病就能迅速致死而无法治愈的疾病,包括上面提到的疯牛病、人类的克雅氏病、库鲁病等等,其标志性的组织病理学特征包括海绵状脑组织、神经元的丧失、神经胶质瘤和大小不等的聚集朊蛋白沉积等。朊病毒蛋白在传播到宿主后,它会通过自催化过程加强宿主在合成PrPC时的错误蛋白质折叠,并造成PrPSc在脑和脊髓中的指数增长和大量堆积,最终造成神经元细胞的死亡,导致脑损伤。朊病毒疾病虽然很罕见,全世界大约每一百万人中就有一人患病,但目前由于朊病毒疾病根本无法治疗,医学上只能缓解病人死亡前的痛苦(palliative care),所以造成了对它的无知性恐慌。

PrPSc的初级氨基酸序列由宿主的PrPC决定,它是由人类20号染色体上的朊病毒基因PRNP编码合成。正常的PrPC在完成循环性生理过程后可以被溶菌酶正常降解,然而错误折叠的PrPSc却高度稳定而无法正常降解,因而会造成PrPSc的积累。越来越多的证据表明,PrPSc的积累会极大地影响负责降解聚集蛋白的自噬-溶酶体途径,不断堆积的PrPSc对内质网的蛋白质输运产生压力,引发恶性循环后会导致正常PrPC运输紊乱和PrPC功能受损,最终正常的PrPC的翻译合成关闭,从而削弱神经元的正常功能,导致突触丢失并最终诱导神经元细胞的死亡。朊病毒在大脑中缓慢积聚的过程中会在脑细胞中形成微小的气泡(海绵状结构的来源),然后脑细胞神经元会逐渐死亡,当有足够多的脑细胞死亡后,大脑会出现功能性障碍,出现类似疯牛病的人体症状(对人而言除了运动失调、肌肉抽搐等肉体生理症状外,还会有失语、意识模糊、失眠、焦虑和抑郁等精神症状),再多的脑神经元细胞死亡后就是人的死亡。

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图3 左:正常PrPC和非正常PrPSc朊蛋白的相互作用及转化;右:脑部感染的结构切片图像

那人或动物是如何患上朊病毒疾病的呢?通常通过三种方式:一是偶然自发发生,称为偶发朊病毒病(Sporadic prion diseases);二是通过家族遗传;三是被传染

第一种偶发性朊病毒病就是人体不知道什么原因自发地出现了朊病毒蛋白的错误折叠,这种偶发朊病毒病主要包括(1)克雅氏病(Creutzfeldt-Jakob disease,CJD), 这是一种最常见的偶发性朊病毒病,占所有病例的85%,每年全世界每百万人中会发生1-2例;(2)致死性失眠症,这是一种非常罕见的偶发性朊病毒疾病,它比致命性家族性失眠病更加少见;(3)变蛋白酶敏感型朊病毒病,这也是一种非常罕见的偶发性朊病毒疾病。

第二种家族性朊病毒病显然是由合成PrPCPRNP基因发生突变引起的,这种突变导致正常的PrPC转变为致病的朊病毒PrPSc。家族遗传性性朊病毒病属于常染色体显性遗传疾病,从父母中任何一方继承一个突变基因就能患上家族性朊病毒疾病。主要包括(1)Gerstmann-Sträussler-Scheinker (GSS)综合症,也是一种非常罕见的遗传性疾病,全世界每1亿人中只有1-10人会出现;(2)致命性家族失眠症,这种疾病甚至比GSS综合症更为罕见,世界上大约有50-70个家庭携带导致这种疾病的突变基因;(3)其他与PNRP基因突变有关的朊病毒疾病。

第三种就是被传染。如果人们接触到受污染的食物(如食用受污染的牛肉或牛肉产品)或医疗设备,就会发生获得性朊病毒病。而令人惊奇的是从没有通过与患者偶然接触甚至亲密接触而被传染的事件发生,所以被传的染朊病毒疾病依然是一件非常罕见的事情。而库鲁病是第一个被发现和研究的传染性神经退行性朊病毒疾病,这种传染病发生在巴布亚新几内亚的福尔人身上,据说他们是通过宗教仪式上的同类相食而在人与人之间传播的,显然如果不吃污染的人肉,感染这种病的概率也是很小的。

然而虽然这种通过食用感染食物而被感染朊病毒的机会很小,但从这种传染的途径来看,那些在胃里的不正常的PrPSc蛋白是如何从肠胃进入大脑的,而这些变异的蛋白又怎么会影响神经元正常PrPC的翻译和合成,又为什么这种变异蛋白能触发和加强正常PrPC蛋白的错误折叠,这些PrPSc又是如何不断堆积而最后造成脑神经元细胞的死亡?朊病毒疾病这种既不是由病毒也不是由细菌引起的传染病,竟然仅仅是因为一段错误折叠的蛋白质(210个氨基酸的肽链),虽然它并非人们想象的那么恐怖(可以看成一种在人脑中不断积累的毒素),但对它传染和致病分子机理的研究对人类的健康进步却具有特殊重要的意义。



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