传染性蛋白的“负面”和“正面”（1）

朱钦士 （美国南加州大学医学院）

1 传染性蛋白的结构和形成机制

1958年，DNA 双螺旋结构的发现者之一的佛朗西斯·克里克（Francis Crick）提出了分子生物学中的“中心法则”（The central dogma of molecular biology）。按此法则，信息在生物大分子之间的流动是有方向性的：DNA 分子中储存的信息可以经过mRNA 流向蛋白质分子，RNA 中的信息也可以反向传递回DNA，但是储存在蛋白质分子中的信息却不能反向传回RNA 或者DNA，也不能传给其他蛋白分子。

由于RNA 和DNA 一样，都是核酸，化学结构极其相似，它们之间也可进行碱基配对，所以储存在RNA 分子中的信息可反向流回DNA，即以RNA 为模板合成DNA。此过程称为“反转录”（reverse transcription），意思是将以DNA模板合成RNA的转录过程反过来。同理，RNA 也可用自身作为模板合成RNA，使得含RNA 的病毒能复制自己的RNA。所以RNA 和DNA 一样，所含的信息是可以输出的。

但是蛋白质分子则不同。蛋白质分子中氨基酸的序列也含有信息，且与DNA 中编码部分的信息是等价的（因为二者有对应关系），但这样的信息不能被生物所读取而加以利用，即蛋白质分子中的信息不能被输出，例如不能将蛋白质分子中包含的信息反向转变为RNA 分子中的核苷酸序列，或者DNA 分子中的脱氧核苷酸序列。而且与DNA 和RNA 能以自身为模板复制自己不同，蛋白质分子也不能以自身为模板合成新的蛋白质。

从理论上讲，将蛋白质分子中的氨基酸序列变回DNA 中的脱氧核苷酸序列还是有用的，例如某个基因发生了突变，或者被删除，如果原先合成的蛋白质还在，编码基因的信息也就还在，原则上是可以从这些蛋白质的氨基酸序列，再“造出”mRNA 分子中的核苷酸序列，或DNA 分子中脱氧核苷酸的序列，这样受损的基因就有可能被修复。该过程相当于产品设计书丢失时，如果产品还在，是有可能从产品的结构再写出设计书的。具体步骤可以将核糖体中mRNA 分子指导合成蛋白质的步骤反过来，例如让能“认识”氨基酸的转移RNA（tRNA）用“反密码子”指导mRNA 的合成。但这样做会遇到大量的困难和问题，所带来的“麻烦”和“代价”多于“好处”，所以从“中心法则”被提出后的几十年中，信息从蛋白质分子流回mRNA分子或DNA 分子的机制还没有被发现，或许根本就不存在。同样，蛋白质分子用自己做模板，合成和自己相同的蛋白质（即蛋白质在没有DNA 和mRNA 的情况下自我复制）的机制也没有被发现，或者也根本不存在。所以克里克的“中心法则”仍然是基本正确的。

DNA 中的另一类信息不是为蛋白质编码，而是作为基因的“开关”，这些信息序列结合控制基因表达的蛋白分子，决定基因在什么时候、什么地方被“打开”，输出信息，合成RNA 和蛋白质。

DNA 分子储存的这2 种信息对于生命都是必需的。没有为蛋白质编码的信息，蛋白质无法被合成，没有基因的“开关”，就不能根据需要在不同的时间和环境条件下合成不同的蛋白质。这2种信息在生物繁殖时会输出并传给下一代，指导下一代生物的生命活动，因此DNA 中储存的信息又称为“遗传密码”。蛋白质分子中的信息既然不能再输出，蛋白质也就不能作为遗传物质，将生物的信息传给下一代。

因此，引起传染病的生物，无论是细菌、病毒、还是真核生物（例如疟原虫），都必须含有DNA 或RNA（对某些病毒而言），否则这些生物在寄主中就无法繁殖。蛋白质由于不能将自身的信息输出而合成DNA 或复制自己，在理论上是不可能引起传染病的。

但是这样的预期在20 世纪90年代被意外地打破了，这就是单纯由蛋白质引起的传染病“疯牛病”和“痒羊病”（Scrapie）。

1.1 疯牛病和痒羊病是通过蛋白质传染的疾病1986年，英国报道了一种传染病，叫牛海绵状脑病（bovine spongiform encephalopathy，BSE），俗称“疯牛病”。十几万头牛受到感染，被感染的牛中枢神经系统发生病变，脑中出现海绵样空洞、病牛行为反常、步履不稳、对触摸非常敏感、消瘦，最后死亡。追查疯牛病传染的途径，发现是因为欧洲一些国家用牛屠宰后废弃的组织和骨头制成饲料再用于喂牛，叫做“肉骨粉”（meat and bone meal），疯牛病得以通过肉骨粉传染给健康的牛。

通过进食同类生物的组织而被传染上疾病的情形也发生在人身上，这就是巴比亚新几内亚（Papua New Guinea）的弗雷人（Fore people）所患的库鲁病（Kuru）。患者身体震颤（Kuru 在当地语言中就是震颤的意思），行动失调，脑退化痴呆，发音困难，情绪不稳，突然爆发笑声，吞咽困难，常在症状出现后的数月之内死亡。调查发现，这种疾病与当地的一种习俗有关。弗雷人在葬礼仪式上会吃掉死者的身体，认为这样可帮助死者的灵魂得以释放。在20 世纪60年代，这种风俗被停止后，死于库鲁病的人数大幅下降，从1957年的200人死亡下降到2005年的零死亡，由此说明库鲁病的确是通过吃死者的身体传染的。为了进一步证实这种机制，美国科学家Daniel Carleton Gajdusek从一个死于库鲁病的弗雷女孩身上取得脑组织，将其移放到黑猩猩的脑上，结果一只黑猩猩在不到2年的时间内就发展出了库鲁病，由此证明病人的脑组织中的确含有传染源，而且还可以跨物种传播。

与疯牛病类似的神经系统病变是人类的克-雅氏病（Creutzfeldt-Jakob disease，CJD），由德国病理学家Hans Gerhard Creutzfeldt 和Alfons Maria Jakob 在1920年最早记述。患者记忆出现问题，行为改变，运动失调，随后出现痴呆，通常在症状出现后的1年内死亡。将克-雅病人的脑组织移放到黑猩猩的大脑上，黑猩猩也会患同样的病，说明克-雅氏病和库鲁病一样是可以跨物种传播的。反之，人食用了受疯牛病感染的牛的脑、内脏和肉也会患类似的海绵状脑病，与已发现的人类克-雅氏病类似，叫做变异型克-雅氏病（Variant Creutzfeldt-Jakob disease，vCJD）。食用牛肉就可以被传染上疯牛病，且症状可怕，无药可治，这在世界范围内引起了广泛的恐慌。为制止疯牛病传染，英国屠宰并焚烧了400 多万头牛，许多国家都禁止进口英国的牛肉，由此造成巨大的经济损失。

这类疾病的传染途径找到了，但鉴定致病原却绝非易事。致病原性质的线索不是来自疯牛病的病牛，而是来自对类似于疯牛病的羊神经系统疾病，叫做“痒羊病”的研究。痒羊病早在1732年就被发现，以病羊在树上、石头上或羊栏上摩擦身体，以至于毛都被磨掉而得名，scrape 在英文中就是“刮擦”的意思。与感染疯牛病的牛类似，感染痒羊病的羊也会步履不稳、行动困难、消瘦，最后死亡。由于羊比牛体型小很多，痒羊病引起的损失相对较小，也还没有传染给人的报道，所以自发现以来并没有像疯牛病那样引起广泛的恐慌，也不如疯牛病那么“有名”。由于发现的时间较早，科学家反而可以比较从容地对其致病原进行研究。

与疯牛病和库鲁病需要进食同类动物的组织才能被传染不同，羊并不会吃其他羊的组织，所以感染源也许是羊的尿液、唾沫或者胎盘，这些物质在掉入土壤后，致病因子会长期存留在土壤中。由于羊有吃土的习惯，也许是从土壤中吃进了致病因子，羊也由此感染上疾病。

鉴定痒羊病的感染源是一个漫长而困难的过程。在过去多年的研究中，对痒羊病致病因子的假说有十几种之多，包括各种病毒、 类病毒（viroids）、螺原体（spiroplasma，一种致病的原核生物）、肉孢子虫（Sarcosporidia，一种寄生虫）、裸露的DNA、 被多糖包裹的DNA、 结合在细胞膜上的DNA、多糖等。研究的突破是由美国科学家Stanley B. Prusiner 于1982年做出的。他通过大量的实验，证明致病因子并非许多人预期的那样含有DNA 或RNA，而仅仅是蛋白质。

例如能使核酸分解的各种核酸酶，包括多种能水解DNA 和RNA 的酶，都对致病因子的效能没有影响。能破坏DNA 和RNA 的紫外辐射也没有效果。为了进一步证明致病因子不含核酸或病毒，Prusiner 还使用了硝酸锌（能使DNA 和RNA 水解）、补骨脂灵（psoralens，在光照时会与DNA 形成共价连接，破坏DNA 的功能）、 羟胺（hydroxylamine，能杀死绝大多数病毒），这些物质都不能使致病因子的致病性消失。

相反，凡能使蛋白结构受到破坏的处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）、能破坏蛋白质结构的十二烷基磺酸钠（SDS）、硫氰酸胍（guanidinium thiocyanate）、苯酚（phenol）、尿素、焦碳酸二乙脂（diethyl pyrocarbonate，使蛋白质侧链被乙脂基化而失去功能）。

在这些实验结果的基础上，Prusiner 构建了“prion”这个词，意思是“传染性蛋白颗粒”（proteinaceous infectious particles）。也许是Prusiner 不喜欢这样组成的Proin 的发音，他将其中的字母o与i 对调，变成“prion”。由于它像病毒一样可以传染疾病，国内将其译为“朊病毒”，其中“朊”就是蛋白质的意思。

在没有DNA 或RNA 这样的遗传物质存在的情况下，仅凭蛋白质就可以传染疾病，是一个破天荒的发现，也明显与克里克提出的“中心法则”相抵触，因为它表示储存在蛋白分子上的信息也是可以被输出的。在prion 蛋白还没有被提纯鉴定并证明其功能之前，Prusiner 也没有十足把握，所以他在1982年的文章中将蛋白传播疾病的现象称为“异端”的（heretical），也没有排除致病因子是由蛋白紧紧包裹的核酸组成的可能性，也许是这层蛋白包膜保护了里面的核酸，以免被外来物质处理降解。尽管如此，Prusiner 还是第1 个明确提出致病因子为蛋白质并用大量实验支持其观点的人，在随后的研究中Prusiner 继续在这个问题上做出贡献，最终改变了人们的思想观念，他也因此获得了1997年的诺贝尔生理学或医学奖。

1984年，Prusiner 用他提取的源自痒羊病的致病原，成功地在兔子身上诱导出抗体。使用这个抗体，他在1985年证明引起人类克-雅氏病的致病原是同一种蛋白，也是Prion。使用同样的抗体，科学家在1989年证明引起疯牛病的也是Prion 蛋白。这样，在牛、羊、人身上发现的传染性神经系统疾病，都是由同一种蛋白引起的。

1985年，科学家从提取的致病因子，测定了其中蛋白质的部分氨基酸序列，进而找到了为这个蛋白编码的基因，将其命名为Prn-p（Prion Protein，斜体小写表示是基因的名称），说明具有传染性的蛋白质是由动物自己的基因编码的。将小鼠的这个基因敲除，小鼠就不再被致病因子感染，表明这个基因与疾病直接有关。

即使是这样，仍然有人对蛋白自身就能传染疾病的说法心存疑虑： 致病原是从动物组织中提取的，怎么能担保里面就绝对没有病毒？ 2004年，Prusiner 在大肠杆菌中表达了小鼠的prion 蛋白片段（残基89～230），在体外将Prion 蛋白片段形成小纤维后，再引入表达同样Prion 蛋白片段的转基因小鼠脑中，引起了小鼠的神经病变。2013年，中国科学家和美国华裔科学家合作，在大肠杆菌中表达小鼠的prion 蛋白片段（残基23～230），将提纯的蛋白用超声处理后，再引入正常（非转基因的）小鼠脑中，也成功地产生了与痒羊病类似的神经系统症状。由于大肠杆菌不含有任何动物组织，这些实验令人信服地证明单一蛋白确实可引起传染性疾病。

现在的问题是，既然prion 是由动物自己的基因编码的，prion 也是动物自己的蛋白质，怎么会引起传染病？ 答案就在蛋白质分子结构的改变。

1.2 蛋白质引起传染性疾病的原因是因为分子结构发生改变 蛋白质分子能传递疾病的“异常”现象促使科学家对其机制进行研究。研究发现，引起疾病的prion 蛋白和动物体内“正常”的prion 蛋白虽是同一种蛋白，氨基酸序列相同，但却具有不同的结构。

“正常”的prion 蛋白位于细胞膜的表面，通过糖脂与细胞膜相连，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 蛋白形状改变，叫做PrPsc（其中“sc”表示“scrapie”），即引起痒羊病的蛋白质。更重要的是，这种改变了形状的prion 蛋白自身能作为模板，将“正常”的prion 蛋白变成自己的形状，即不断地将PrPc变成PrPsc，使得体内的PrPsc越来越多，形成纤维状的聚合物，再积累形成“淀粉样”（amyloid）的斑块，导致神经组织的损伤。

以自身的形状为模板，将PrPc变成PrPsc，正是这种蛋白质输出信息的手段，也是它“繁殖”自己的方式。它并不以自身的氨基酸序列为模板，合成新的prion 蛋白，而是复制自己的形状，所以它输出的并不是氨基酸序列的信息，而是分子形状的信息。Prion 蛋白就是以这种方式，打破了“中心法则”中蛋白质分子中的信息不能被输出的说法。

PrPsc的“繁殖”，需要PrPc作为“原料”，这就可以解释为什么Prn-p基因被敲除的小鼠不会被传染痒羊病，因为这些小鼠不能合成PrPc，没有原料供致病的PrPsc“繁殖”。

随后的研究发现，能引起疾病的蛋白质不只Prion 一种，而是有许多种，包括引起人类老年痴呆症的淀粉样前体蛋白（amyloid precursor protein，APP，见本文第2 部分）。这些蛋白也具有复制自己结构的能力，它们也具有传染性。但与PrPsc可以传染给其他动物不同，这些蛋白质只在动物体内复制自己，不传染给其他动物，所以只是“体内传染”，但是它们的致病原理与PrPsc是一样的。

同时，类似Prion 的蛋白质也不一定会引起疾病，而且还可以执行重要的生理功能（见本文第3部分），因此，将Prion 翻译为“传染性蛋白”，意思是它们可以复制自己，这也符合Prusiner 创造Prion 这一词时的原意，而且其功能可坏可好，这就避免了“朊病毒”只能是致病源的意思。在本文中，还将Prion 的意思扩大，包括所有能够自我复制的蛋白质，即有传染性的蛋白质，它们改变形状后的结构也叫做Prion 型的结构。

在正常情况下，绝大多数蛋白都只有1 种基本结构，以适合自己的生理功能，为什么传染性蛋白会有2 种不同的结构？ 这就需要分析蛋白质分子的结构是怎样形成的。

（待续）