在顯微鏡下，一位病理學家正在檢查一位死於阿爾茨海默病的患者的腦組織樣本中受損的神經細胞，他可以辨認出奇怪的物質團塊。它們由顯然不屬於那裡的蛋白質組成。它們從何而來，為什麼會有這麼多？最重要的是，它們與這種破壞性的、無法治癒的疾病有什麼關係？對答案的探尋帶來了一個驚人的發現：阿爾茨海默病和其他主要神經退行性疾病中聚集的蛋白質的行為非常像朊病毒，朊病毒是瘋牛病中破壞大腦的有毒蛋白質。
朊病毒是神經細胞中正常存在的蛋白質的錯誤摺疊但持久的版本，它們會導致同類蛋白質錯誤摺疊並聚集在一起，引發連鎖反應，最終消耗整個大腦區域。在過去的15年中，科學家們瞭解到，這種過程可能不僅發生在瘋牛病和其他奇異疾病中，也可能發生在主要的神經退行性疾病中，包括阿爾茨海默病、帕金森病、肌萎縮側索硬化症（也稱為ALS或盧伽雷病）以及足球運動員和拳擊手的腦震盪相關性痴呆症。
所有證據表明，阿爾茨海默病和帕金森病不像瘋牛病或流感那樣具有傳染性。相反，這些最新發現的意義在於，它們為科學家們提供了一種主要的嫌疑物件，用於解釋一系列破壞性的大腦疾病——一個指向最終治療途徑的標誌。為阿爾茨海默病開發的藥物可以直接用於治療帕金森病、創傷性腦損傷或其他可怕的疾病，或者啟發新的藥理學——這對全球數千萬遭受神經退行性疾病折磨的人來說是個好訊息，這些疾病剝奪了個人的基本自我意識。
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新的思維方式歸功於最初導致朊病毒發現的研究。它始於18世紀早期，當時有報告稱綿羊患上了一種奇怪的致命疾病，稱為羊瘙癢症，之所以這樣命名，是因為受感染的動物會強迫性地摩擦皮膚上的羊毛。後來，隨著科學家開始研究這種疾病，他們在顯微鏡下注意到，神經系統佈滿了孔洞。在20世紀30年代，法國和英國的研究人員確定，羊瘙癢症可以在綿羊之間傳播，但傳染源難以捉摸，行為也很奇怪：從暴露到症狀出現之間的潛伏期比細菌或病毒等傳統致病因子的潛伏期長得多，而且通常會啟動以消除此類入侵者的免疫反應似乎也缺失了。
這些怪異之處暗示，通常的嫌疑物件不是病因，但在這些報告發表後約20年裡，羊瘙癢症仍然只是一種默默無聞的獸醫疾病。但在20世紀50年代，當時在英國農業研究委員會康普頓野外站工作的威廉·哈德洛注意到，羊瘙癢症和一種神秘的人類疾病庫魯病之間存在明顯的腦病理學相似之處。庫魯病是一種進行性神經退行性疾病，主要侷限於巴布亞紐幾內亞的弗雷人，其特徵是協調性和精神功能穩步下降，最終必然導致死亡。最終發現弗雷人中的這種疾病是由於部落成員之間互相殘食死於該疾病的人而造成的，這意味著某種傳染性病原體是罪魁禍首，並以某種方式從身體的其他部位到達大腦。
在20世紀60年代，美國國立衛生研究院的D·卡爾頓·蓋杜謝克和他的同事證實，這種疾病是可傳播的，他們表明，透過將疾病受害者的腦組織物質直接注射到非人靈長類動物的大腦中，可以傳播庫魯病。蓋杜謝克的研究小組還認識到庫魯病和另一種神經退行性腦疾病之間存在關鍵的腦病理學相似之處：克雅氏病（CJD），一種快速進展型痴呆症，全球約有百萬分之一的人患病。蓋杜謝克繼續證明，CJD可以像庫魯病一樣傳播給靈長類動物，儘管CJD最常在人群中自發產生。
在20世紀80年代，加州大學舊金山分校的斯坦利·B·普魯西納確定了導致羊瘙癢症和相關疾病的病原體，這些疾病統稱為海綿狀腦病，因為它們使大腦呈現出瑞士乳酪的外觀。在一系列精彩的實驗中，他和他的同事們積累了令人信服的證據，證明傳染源完全由一種原本無害的蛋白質PrP的錯誤摺疊版本組成。普魯西納當時還創造了術語“朊病毒”（發音為“pree-on”），即“蛋白質性傳染性顆粒”，以區分自身傳播疾病的蛋白質病原體與病毒、細菌、真菌和其他已知病原體。（今天，該術語正在擴充套件到包括其他蛋白質，這些蛋白質將其形狀強加於同類蛋白質，並且不一定暗示傳染性。）普魯西納的觀點在他提出蛋白質可以傳播疾病時引起了巨大的爭議，但在1997年，他的努力得到了回報，他因這項工作獲得了諾貝爾獎。
最近對阿爾茨海默病和其他神經退行性疾病的深入研究表明，儘管這些疾病缺乏經典朊病毒疾病的傳染性，但它們可能會以類似的方式在大腦中產生和擴增；也就是說，透過我們稱之為致病性蛋白質播種的過程。與導致羊瘙癢症及其同類疾病的朊病毒一樣，蛋白質種子可以被釋放，被細胞吸收和運輸，這可以解釋疾病如何從一個地方傳播到另一個地方。這些共同點表明，朊病毒正規化可能很快統一我們對看似不同的疾病如何產生和造成破壞的思考。
錯誤摺疊是阿爾茨海默病背後的原因嗎？
早在20世紀60年代，這種聯絡的第一個線索就出現了，當時研究人員努力理解朊病毒疾病的奧秘，開始注意到一些暗示性的相似之處，即其他神經退行性疾病（尤其是阿爾茨海默病）中發生的大腦變化。阿爾茨海默病是老年人痴呆症的最常見原因，它悄無聲息地出現，並在多年內無情地發展，剝奪受害者的記憶力、個性和最終的生命。阿爾茨海默病的發病率在65歲之後每五年翻一番，直到85歲時，幾乎每三個成年人中就有一人患病。
當時的研究人員也瞭解到蛋白質聚集參與其中。在1906年，以其名字命名的疾病阿爾茨海默病的阿洛伊斯·阿爾茨海默將痴呆症與大腦中的兩種特殊的微觀異常聯絡起來：老年斑（現在已知是由一種名為澱粉樣蛋白-β或Aβ的錯誤摺疊的蛋白質片段組成的團塊），位於細胞外，以及神經原纖維纏結（由一種名為tau蛋白的聚集物組成的絲狀物），位於細胞內。當用電子顯微鏡高度放大這些團塊時，可以看到蛋白質形成由Aβ或tau組成的長纖維。此外，蛋白質形成稱為寡聚物和原纖維的較小集合體，這些集合體也會干擾神經元的正常功能。
在20世紀60年代後期，蓋杜謝克的研究小組開始檢驗阿爾茨海默病是否像羊瘙癢症、庫魯病和克雅氏病一樣具有傳染性的假設——因此他們將阿爾茨海默病患者的加工腦物質注射到非人靈長類動物的大腦中。後來，由當時在英國哈羅臨床研究中心的羅莎琳德·裡德利和哈里·貝克領導的一個研究小組也獨立進行了類似的實驗。蓋杜謝克研究的結果是不確定的，兩個小組都沒有報告說他們引發了完全發展的阿爾茨海默病。然而，英國研究人員發現了一個效果的暗示：在至少五年的潛伏期後，接受過加工的阿爾茨海默病腦物質的狨猴的Aβ斑塊比對照組狨猴的Aβ斑塊更豐富。
在這一點上，我們的研究小組考慮啟動研究，以觀察錯誤摺疊的Aβ（以小聚集體的形式）是否充當種子，引發蛋白質錯誤摺疊和聚集的連鎖反應，最終導致在阿爾茨海默病中淹沒大腦的那種蛋白質沉積物。但猴子中播種斑塊形成需要大約五年或更長時間的潛伏期，這讓我們感到沮喪。
在20世紀90年代中期，隨著“轉基因”小鼠的出現，我們的前景發生了很大變化，這些小鼠經過基因工程改造，可以產生人類Aβ片段的前體蛋白——APP（澱粉樣前體蛋白的縮寫）。我們與一群才華橫溢的同事和學生一起，開始了一系列實驗，在這些小鼠中探索Aβ種子假說。轉基因動物並不體現阿爾茨海默病的所有特徵（阿爾茨海默病似乎是人類特有的），但它們為我們的實驗提供了相當大的優勢：它們體型小、易於維護且壽命短，而且每隻轉基因小鼠都會在相對一致的年齡自發地產生Aβ腦沉積物。
在我們的研究中，我們專注於Aβ而不是tau蛋白，因為即使斑塊和纏結都有助於導致阿爾茨海默病痴呆症的神經退行性變，但大量證據表明，錯誤摺疊的Aβ是該疾病發展的關鍵催化劑。事實上，許多阿爾茨海默病的風險因素都會影響與Aβ的產生、摺疊、聚集或清除有關的細胞過程。導致疾病在很小年齡發病的基因突變會改變APP或從該前體中剪接Aβ的酶。科學家們現在也知道，大腦在症狀出現前十年或更長時間就開始顯示阿爾茨海默病的跡象——並且蛋白質的異常聚集發生在疾病過程的早期 [參見加里·斯蒂克斯撰寫的“阿爾茨海默病：阻止黑暗”，第66頁]。意識到錯誤摺疊的Aβ的積累對於阿爾茨海默病的發展至關重要，我們想知道是什麼首先刺激了大腦中的蛋白質聚集。
在我們的第一個實驗中，我們著手確定來自死於阿爾茨海默病患者的腦組織提取物是否會在APP轉基因小鼠的大腦中引發Aβ聚集。換句話說，我們能否像朊病毒在海綿狀腦病中觸發PrP聚集一樣，誘導和傳播Aβ聚集？使用為研究這些朊病毒而開發的方法，我們首先從阿爾茨海默病患者或死於阿爾茨海默病以外原因的對照患者身上提取少量腦樣本。我們研磨組織，並在離心機中短暫旋轉樣本以去除較大的碎片。然後，我們將少量提取物注射到幼年轉基因小鼠的大腦中。
結果是積極的。三到五個月後，在小鼠正常開始產生自己的Aβ斑塊之前，接受阿爾茨海默病腦提取物的小鼠的大腦中出現了大量的聚集Aβ。Aβ斑塊形成的程度與供體腦提取物中Aβ的量以及其潛伏時間成正比——如果您期望提取物引起斑塊，您就會看到這些模式。最關鍵的是，缺乏聚集Aβ的供體大腦不會在轉基因小鼠中播種斑塊形成。
定義Aβ種子
儘管這些實驗表明Aβ沉積可以透過阿爾茨海默病腦提取物引發，但它們並沒有明確表明提取物中的Aβ導致了斑塊。這種不確定性迫使我們解決幾個額外的問題。首先，我們詢問在小鼠中看到的Aβ沉積物是否僅僅是注射的物質。這裡的答案是否定的：一週後，在大腦中沒有發現聚集的Aβ的證據。相反，斑塊僅在一個月或更長時間的滯後之後才變得明顯。
其次，我們考慮了斑塊形成是否是由人類腦提取物的某種成分（Aβ除外）刺激的，也許是人類病毒。我們排除了這種可能性，因為我們證實，只要樣本包含充足的聚集Aβ，來自老年但無病原體APP轉基因小鼠的腦提取物可以像人類腦提取物一樣有效地播種。此外，由於來自非阿爾茨海默病大腦的提取物不會引起Aβ聚集，我們可以排除斑塊只是對遞送提取物過程中造成的大腦損傷的反應的可能性。
儘管現在的證據強烈指向Aβ是罪魁禍首，但我們想要更直接的證據。我們的第三步是使用選擇性地清除Aβ的抗體從腦提取物中去除Aβ。這個簡單的程式消除了阿爾茨海默病腦樣本誘導斑塊形成的能力。最後，當我們使用強酸使錯誤摺疊的蛋白質展開時，腦提取物未能誘導斑塊形成。因此，我們證實了蛋白質的形狀決定了其誘導其他Aβ分子錯誤摺疊和聚集的能力。
我們現在相當確定錯誤摺疊的Aβ是腦樣本中的活性播種劑，但拼圖的關鍵部分仍然難以捉摸。如果僅聚集的Aβ是種子，則應該可以使用在試管中合成並使其聚集的Aβ來誘導斑塊，而無需大腦中的許多其他物質。我們知道，用合成蛋白質播種可能具有挑戰性，因為對朊病毒的研究表明，實驗室材料可能在細微但顯然重要的方式上與直接從大腦中提取的材料不同。
考慮到這個警告，我們將各種形式的合成聚集Aβ注射到APP轉基因小鼠中，然後等待通常的三到五個月的潛伏期。結果令人失望；在這個時間範圍內沒有明顯的斑塊形成啟動。但是，普魯西納、簡·斯托爾、庫爾特·吉爾斯和他們在加州大學舊金山分校的合作者將合成的Aβ纖維注射到APP轉基因小鼠的大腦中，在超過六個月的延長潛伏期後，小鼠顯示出明顯的大腦播種Aβ沉積的證據。儘管合成種子的效力不如天然產生的Aβ種子，但這些發現提供了令人信服的證明，即純的聚集Aβ本身，在沒有其他因素的情況下，也能夠刺激大腦中Aβ沉積物的形成。
在最近的實驗中，我們開始研究Aβ種子的特徵，這些特徵使其能夠促進大腦中的蛋白質聚集。由於播種提取物中的大部分Aβ蛋白質都包含在長而不溶性纖維中，我們預計這些纖維將是最有效的種子。結果讓我們感到驚訝。透過在高速離心機中高速旋轉腦提取物，我們將富含Aβ的腦提取物分為兩個組分：一個不溶性沉澱物，主要包含離心管底部的Aβ纖維，以及沉澱物上方的澄清液體，其中包含非常小的可溶性形式的Aβ蛋白質。正如預期的那樣，絕大多數Aβ沉澱到沉澱物中，當將其破碎並注射到轉基因小鼠的大腦中時，其誘導Aβ聚集的效果與全腦提取物一樣有效。然而，出乎意料的是，可溶性部分也強烈誘導Aβ聚集和斑塊形成，儘管其包含的Aβ不到沉澱物組分的千分之一。更重要的是，可溶性種子很容易被蛋白酶K（一種酶）破壞，而不溶性種子則不然。
Aβ種子的大小和脆弱性可變，其中既有好訊息也有壞訊息。壞訊息是，與較大的纖維相比，可以更容易地穿過大腦的小型可溶性集合體是特別有效的種子。另一方面，它們對蛋白酶K的敏感性暗示可溶性種子可能特別容易接受旨在將其從大腦中消除的治療方法。此外，由於可溶性，小種子可能很容易在體液中檢測到，因此可以作為早期診斷阿爾茨海默病的分子哨兵，可能在痴呆症發作之前很久。由於蛋白質播種似乎在疾病的最早期階段開始，因此擁有檢測和中和這些種子的方法可能在預防腦損傷和痴呆症方面大有幫助。
超越阿爾茨海默病
大自然很少錯過利用一種機制實現多種用途的機會，而種子蛋白質聚集也不例外。它不僅出現在疾病中，而且還可以在有益的過程中傳遞生物資訊。例如，在20世紀90年代，美國國立衛生研究院的裡德·威克納提出，一些真菌蛋白質使用這種策略來幫助細胞生存，這一假設現在已在許多實驗室中得到證實。此外，麻省理工學院的蘇珊·林奎斯特和哥倫比亞大學的埃裡克·R·坎德爾也倡導了一個有趣的假設，即特定蛋白質的朊病毒樣傳播有助於穩定大腦回路，從而起到保護長期記憶的作用。
然而，到目前為止，絕大多數研究都指向種子蛋白質聚集在疾病中的作用。與大腦疾病相關的種子聚集蛋白質包括α-突觸核蛋白（在帕金森病中）、超氧化物歧化酶-1（在ALS中）、TDP-43（在ALS和額顳葉痴呆症中）、亨廷頓蛋白（在亨廷頓舞蹈病中）和tau蛋白（在許多神經退行性疾病中）。許多其他神經退行性疾病都涉及蛋白質聚集，重要的是要看看播種原理是否也適用於這些疾病。
在其他進展中，研究人員發現，一些參與基因功能調控的蛋白質包含一個朊病毒樣結構域——也就是說，一段氨基酸序列，使蛋白質能夠在其同類分子中誘導相同的結構。就其性質而言，這些蛋白質傾向於聚集，某些突變會增強這種傾向。由聖裘德兒童研究醫院的J·保羅·泰勒和賓夕法尼亞大學的詹姆斯·肖特領導的一個研究小組報告說，核酸結合蛋白hnRNPA2B1和hnRNPA1的朊病毒樣結構域中的突變會導致多系統蛋白病，這是一種影響神經系統、肌肉和骨骼的複雜疾病。此外，實驗已證明，播種聚集適用於導致神經系統外疾病的其他蛋白質，例如某些澱粉樣變性和某些形式的癌症——並且涉及蛋白質朊病毒樣傳播的疾病譜可能繼續擴大。
如果治療方法要從我們對播種概念日益增長的理解中出現，我們必須確定錯誤摺疊的蛋白質如何損害細胞和組織；即使阻止不需要的蛋白質聚集本身被證明是困難的，這些資訊也可能有助於阻止損害。研究表明，聚集的蛋白質可以透過多種方式使細胞失效，包括引起聚集體與細胞成分的毒性相互作用或破壞生物分子的正常功能。與此同時，我們必須更充分地瞭解致病性蛋白質是如何產生和分解的，以及它們在什麼條件下會錯誤摺疊並形成種子。對疾病進展的進一步見解也肯定會來自闡明細胞如何吸收、運輸和釋放蛋白質種子。最後，一個關鍵的未決問題是為什麼衰老如此強烈地增加神經退行性疾病的風險。對這些問題的解答可能會為消除致病性蛋白質毒性提供新的方法。
越來越多的證據支援曾經非正統的觀點，即簡單的形狀變化可以將蛋白質從朋友變成敵人。普魯西納在他的描述朊病毒發現的諾貝爾獎演講中預測，瘋牛病和相關疾病中涉及的朊病毒將其毒性特徵強加於正常蛋白質的基本過程將被發現在其他退行性疾病中也起作用。21世紀的曙光見證了這一預測的實驗證實。事實上，朊病毒樣種子蛋白質聚集可能解釋了一些最令人恐懼的老年疾病的起源——並提供了一個引人注目的概念框架，該框架可能有一天會轉化為改變神經退行性疾病無情進展的治療方法。