傳染性蛋白的“負面”和“正面”（1）

朱欽士 （美國南加州大學醫學院）

1 傳染性蛋白的結構和形成機制

1958年，DNA 雙螺旋結構的發現者之一的佛朗西斯·克里克（Francis Crick）提出了分子生物學中的“中心法則”（The central dogma of molecular biology）。按此法則，信息在生物大分子之間的流動是有方向性的：DNA 分子中儲存的信息可以經過mRNA 流向蛋白質分子，RNA 中的信息也可以反向傳遞回DNA，但是儲存在蛋白質分子中的信息卻不能反向傳回RNA 或者DNA，也不能傳給其他蛋白分子。

由于RNA 和DNA 一樣，都是核酸，化學結構極其相似，它們之間也可進行堿基配對，所以儲存在RNA 分子中的信息可反向流回DNA，即以RNA 為模板合成DNA。此過程稱為“反轉錄”（reverse transcription），意思是將以DNA模板合成RNA的轉錄過程反過來。同理，RNA 也可用自身作為模板合成RNA，使得含RNA 的病毒能復制自己的RNA。所以RNA 和DNA 一樣，所含的信息是可以輸出的。

但是蛋白質分子則不同。蛋白質分子中氨基酸的序列也含有信息，且與DNA 中編碼部分的信息是等價的（因為二者有對應關系），但這樣的信息不能被生物所讀取而加以利用，即蛋白質分子中的信息不能被輸出，例如不能將蛋白質分子中包含的信息反向轉變為RNA 分子中的核苷酸序列，或者DNA 分子中的脫氧核苷酸序列。而且與DNA 和RNA 能以自身為模板復制自己不同，蛋白質分子也不能以自身為模板合成新的蛋白質。

從理論上講，將蛋白質分子中的氨基酸序列變回DNA 中的脫氧核苷酸序列還是有用的，例如某個基因發生了突變，或者被刪除，如果原先合成的蛋白質還在，編碼基因的信息也就還在，原則上是可以從這些蛋白質的氨基酸序列，再“造出”mRNA 分子中的核苷酸序列，或DNA 分子中脫氧核苷酸的序列，這樣受損的基因就有可能被修復。該過程相當于產品設計書丟失時，如果產品還在，是有可能從產品的結構再寫出設計書的。具體步驟可以將核糖體中mRNA 分子指導合成蛋白質的步驟反過來，例如讓能“認識”氨基酸的轉移RNA（tRNA）用“反密碼子”指導mRNA 的合成。但這樣做會遇到大量的困難和問題，所帶來的“麻煩”和“代價”多于“好處”，所以從“中心法則”被提出后的幾十年中，信息從蛋白質分子流回mRNA分子或DNA 分子的機制還沒有被發現，或許根本就不存在。同樣，蛋白質分子用自己做模板，合成和自己相同的蛋白質（即蛋白質在沒有DNA 和mRNA 的情況下自我復制）的機制也沒有被發現，或者也根本不存在。所以克里克的“中心法則”仍然是基本正確的。

DNA 中的另一類信息不是為蛋白質編碼，而是作為基因的“開關”，這些信息序列結合控制基因表達的蛋白分子，決定基因在什么時候、什么地方被“打開”，輸出信息，合成RNA 和蛋白質。

DNA 分子儲存的這2 種信息對于生命都是必需的。沒有為蛋白質編碼的信息，蛋白質無法被合成，沒有基因的“開關”，就不能根據需要在不同的時間和環境條件下合成不同的蛋白質。這2種信息在生物繁殖時會輸出并傳給下一代，指導下一代生物的生命活動，因此DNA 中儲存的信息又稱為“遺傳密碼”。蛋白質分子中的信息既然不能再輸出，蛋白質也就不能作為遺傳物質，將生物的信息傳給下一代。

因此，引起傳染病的生物，無論是細菌、病毒、還是真核生物（例如瘧原蟲），都必須含有DNA 或RNA（對某些病毒而言），否則這些生物在寄主中就無法繁殖。蛋白質由于不能將自身的信息輸出而合成DNA 或復制自己，在理論上是不可能引起傳染病的。

但是這樣的預期在20 世紀90年代被意外地打破了，這就是單純由蛋白質引起的傳染病“瘋牛病”和“癢羊病”（Scrapie）。

1.1 瘋牛病和癢羊病是通過蛋白質傳染的疾病1986年，英國報道了一種傳染病，叫牛海綿狀腦?。╞ovine spongiform encephalopathy，BSE），俗稱“瘋牛病”。十幾萬頭牛受到感染，被感染的牛中樞神經系統發生病變，腦中出現海綿樣空洞、病牛行為反常、步履不穩、對觸摸非常敏感、消瘦，最后死亡。追查瘋牛病傳染的途徑，發現是因為歐洲一些國家用牛屠宰后廢棄的組織和骨頭制成飼料再用于喂牛，叫做“肉骨粉”（meat and bone meal），瘋牛病得以通過肉骨粉傳染給健康的牛。

通過進食同類生物的組織而被傳染上疾病的情形也發生在人身上，這就是巴比亞新幾內亞（Papua New Guinea）的弗雷人（Fore people）所患的庫魯?。↘uru）?；颊呱眢w震顫（Kuru 在當地語言中就是震顫的意思），行動失調，腦退化癡呆，發音困難，情緒不穩，突然爆發笑聲，吞咽困難，常在癥狀出現后的數月之內死亡。調查發現，這種疾病與當地的一種習俗有關。弗雷人在葬禮儀式上會吃掉死者的身體，認為這樣可幫助死者的靈魂得以釋放。在20 世紀60年代，這種風俗被停止后，死于庫魯病的人數大幅下降，從1957年的200人死亡下降到2005年的零死亡，由此說明庫魯病的確是通過吃死者的身體傳染的。為了進一步證實這種機制，美國科學家Daniel Carleton Gajdusek從一個死于庫魯病的弗雷女孩身上取得腦組織，將其移放到黑猩猩的腦上，結果一只黑猩猩在不到2年的時間內就發展出了庫魯病，由此證明病人的腦組織中的確含有傳染源，而且還可以跨物種傳播。

與瘋牛病類似的神經系統病變是人類的克-雅氏?。–reutzfeldt-Jakob disease，CJD），由德國病理學家Hans Gerhard Creutzfeldt 和Alfons Maria Jakob 在1920年最早記述?；颊哂洃洺霈F問題，行為改變，運動失調，隨后出現癡呆，通常在癥狀出現后的1年內死亡。將克-雅病人的腦組織移放到黑猩猩的大腦上，黑猩猩也會患同樣的病，說明克-雅氏病和庫魯病一樣是可以跨物種傳播的。反之，人食用了受瘋牛病感染的牛的腦、內臟和肉也會患類似的海綿狀腦病，與已發現的人類克-雅氏病類似，叫做變異型克-雅氏?。╒ariant Creutzfeldt-Jakob disease，vCJD）。食用牛肉就可以被傳染上瘋牛病，且癥狀可怕，無藥可治，這在世界范圍內引起了廣泛的恐慌。為制止瘋牛病傳染，英國屠宰并焚燒了400 多萬頭牛，許多國家都禁止進口英國的牛肉，由此造成巨大的經濟損失。

這類疾病的傳染途徑找到了，但鑒定致病原卻絕非易事。致病原性質的線索不是來自瘋牛病的病牛，而是來自對類似于瘋牛病的羊神經系統疾病，叫做“癢羊病”的研究。癢羊病早在1732年就被發現，以病羊在樹上、石頭上或羊欄上摩擦身體，以至于毛都被磨掉而得名，scrape 在英文中就是“刮擦”的意思。與感染瘋牛病的牛類似，感染癢羊病的羊也會步履不穩、行動困難、消瘦，最后死亡。由于羊比牛體型小很多，癢羊病引起的損失相對較小，也還沒有傳染給人的報道，所以自發現以來并沒有像瘋牛病那樣引起廣泛的恐慌，也不如瘋牛病那么“有名”。由于發現的時間較早，科學家反而可以比較從容地對其致病原進行研究。

與瘋牛病和庫魯病需要進食同類動物的組織才能被傳染不同，羊并不會吃其他羊的組織，所以感染源也許是羊的尿液、唾沫或者胎盤，這些物質在掉入土壤后，致病因子會長期存留在土壤中。由于羊有吃土的習慣，也許是從土壤中吃進了致病因子，羊也由此感染上疾病。

鑒定癢羊病的感染源是一個漫長而困難的過程。在過去多年的研究中，對癢羊病致病因子的假說有十幾種之多，包括各種病毒、 類病毒（viroids）、螺原體（spiroplasma，一種致病的原核生物）、肉孢子蟲（Sarcosporidia，一種寄生蟲）、裸露的DNA、 被多糖包裹的DNA、 結合在細胞膜上的DNA、多糖等。研究的突破是由美國科學家Stanley B. Prusiner 于1982年做出的。他通過大量的實驗，證明致病因子并非許多人預期的那樣含有DNA 或RNA，而僅僅是蛋白質。

例如能使核酸分解的各種核酸酶，包括多種能水解DNA 和RNA 的酶，都對致病因子的效能沒有影響。能破壞DNA 和RNA 的紫外輻射也沒有效果。為了進一步證明致病因子不含核酸或病毒，Prusiner 還使用了硝酸鋅（能使DNA 和RNA 水解）、補骨脂靈（psoralens，在光照時會與DNA 形成共價連接，破壞DNA 的功能）、 羥胺（hydroxylamine，能殺死絕大多數病毒），這些物質都不能使致病因子的致病性消失。

相反，凡能使蛋白結構受到破壞的處理都能使致病因子的效能消失，包括水解蛋白的蛋白酶（蛋白酶K 和胰蛋白酶）、能破壞蛋白質結構的十二烷基磺酸鈉（SDS）、硫氰酸胍（guanidinium thiocyanate）、苯酚（phenol）、尿素、焦碳酸二乙脂（diethyl pyrocarbonate，使蛋白質側鏈被乙脂基化而失去功能）。

在這些實驗結果的基礎上，Prusiner 構建了“prion”這個詞，意思是“傳染性蛋白顆?！保╬roteinaceous infectious particles）。也許是Prusiner 不喜歡這樣組成的Proin 的發音，他將其中的字母o與i 對調，變成“prion”。由于它像病毒一樣可以傳染疾病，國內將其譯為“朊病毒”，其中“朊”就是蛋白質的意思。

在沒有DNA 或RNA 這樣的遺傳物質存在的情況下，僅憑蛋白質就可以傳染疾病，是一個破天荒的發現，也明顯與克里克提出的“中心法則”相抵觸，因為它表示儲存在蛋白分子上的信息也是可以被輸出的。在prion 蛋白還沒有被提純鑒定并證明其功能之前，Prusiner 也沒有十足把握，所以他在1982年的文章中將蛋白傳播疾病的現象稱為“異端”的（heretical），也沒有排除致病因子是由蛋白緊緊包裹的核酸組成的可能性，也許是這層蛋白包膜保護了里面的核酸，以免被外來物質處理降解。盡管如此，Prusiner 還是第1 個明確提出致病因子為蛋白質并用大量實驗支持其觀點的人，在隨后的研究中Prusiner 繼續在這個問題上做出貢獻，最終改變了人們的思想觀念，他也因此獲得了1997年的諾貝爾生理學或醫學獎。

1984年，Prusiner 用他提取的源自癢羊病的致病原，成功地在兔子身上誘導出抗體。使用這個抗體，他在1985年證明引起人類克-雅氏病的致病原是同一種蛋白，也是Prion。使用同樣的抗體，科學家在1989年證明引起瘋牛病的也是Prion 蛋白。這樣，在牛、羊、人身上發現的傳染性神經系統疾病，都是由同一種蛋白引起的。

1985年，科學家從提取的致病因子，測定了其中蛋白質的部分氨基酸序列，進而找到了為這個蛋白編碼的基因，將其命名為Prn-p（Prion Protein，斜體小寫表示是基因的名稱），說明具有傳染性的蛋白質是由動物自己的基因編碼的。將小鼠的這個基因敲除，小鼠就不再被致病因子感染，表明這個基因與疾病直接有關。

即使是這樣，仍然有人對蛋白自身就能傳染疾病的說法心存疑慮： 致病原是從動物組織中提取的，怎么能擔保里面就絕對沒有病毒？ 2004年，Prusiner 在大腸桿菌中表達了小鼠的prion 蛋白片段（殘基89～230），在體外將Prion 蛋白片段形成小纖維后，再引入表達同樣Prion 蛋白片段的轉基因小鼠腦中，引起了小鼠的神經病變。2013年，中國科學家和美國華裔科學家合作，在大腸桿菌中表達小鼠的prion 蛋白片段（殘基23～230），將提純的蛋白用超聲處理后，再引入正常（非轉基因的）小鼠腦中，也成功地產生了與癢羊病類似的神經系統癥狀。由于大腸桿菌不含有任何動物組織，這些實驗令人信服地證明單一蛋白確實可引起傳染性疾病。

現在的問題是，既然prion 是由動物自己的基因編碼的，prion 也是動物自己的蛋白質，怎么會引起傳染??？ 答案就在蛋白質分子結構的改變。

1.2 蛋白質引起傳染性疾病的原因是因為分子結構發生改變 蛋白質分子能傳遞疾病的“異?！爆F象促使科學家對其機制進行研究。研究發現，引起疾病的prion 蛋白和動物體內“正?！钡膒rion 蛋白雖是同一種蛋白，氨基酸序列相同，但卻具有不同的結構。

“正?！钡膒rion 蛋白位于細胞膜的表面，通過糖脂與細胞膜相連，叫做PrPc（其中的“c”表示“cellular”），其生理功能尚不清楚。相反，引起疾病的Prion 蛋白形狀改變，叫做PrPsc（其中“sc”表示“scrapie”），即引起癢羊病的蛋白質。更重要的是，這種改變了形狀的prion 蛋白自身能作為模板，將“正?！钡膒rion 蛋白變成自己的形狀，即不斷地將PrPc變成PrPsc，使得體內的PrPsc越來越多，形成纖維狀的聚合物，再積累形成“淀粉樣”（amyloid）的斑塊，導致神經組織的損傷。

以自身的形狀為模板，將PrPc變成PrPsc，正是這種蛋白質輸出信息的手段，也是它“繁殖”自己的方式。它并不以自身的氨基酸序列為模板，合成新的prion 蛋白，而是復制自己的形狀，所以它輸出的并不是氨基酸序列的信息，而是分子形狀的信息。Prion 蛋白就是以這種方式，打破了“中心法則”中蛋白質分子中的信息不能被輸出的說法。

PrPsc的“繁殖”，需要PrPc作為“原料”，這就可以解釋為什么Prn-p基因被敲除的小鼠不會被傳染癢羊病，因為這些小鼠不能合成PrPc，沒有原料供致病的PrPsc“繁殖”。

隨后的研究發現，能引起疾病的蛋白質不只Prion 一種，而是有許多種，包括引起人類老年癡呆癥的淀粉樣前體蛋白（amyloid precursor protein，APP，見本文第2 部分）。這些蛋白也具有復制自己結構的能力，它們也具有傳染性。但與PrPsc可以傳染給其他動物不同，這些蛋白質只在動物體內復制自己，不傳染給其他動物，所以只是“體內傳染”，但是它們的致病原理與PrPsc是一樣的。

同時，類似Prion 的蛋白質也不一定會引起疾病，而且還可以執行重要的生理功能（見本文第3部分），因此，將Prion 翻譯為“傳染性蛋白”，意思是它們可以復制自己，這也符合Prusiner 創造Prion 這一詞時的原意，而且其功能可壞可好，這就避免了“朊病毒”只能是致病源的意思。在本文中，還將Prion 的意思擴大，包括所有能夠自我復制的蛋白質，即有傳染性的蛋白質，它們改變形狀后的結構也叫做Prion 型的結構。

在正常情況下，絕大多數蛋白都只有1 種基本結構，以適合自己的生理功能，為什么傳染性蛋白會有2 種不同的結構？ 這就需要分析蛋白質分子的結構是怎樣形成的。

（待續）