在顯微鏡下，一位病理學家在一位死於阿爾茨海默病的患者的腦組織樣本中尋找受損的神經細胞時，可以看到一些奇怪的物質團塊。它們由顯然不應存在於那裡的蛋白質組成。它們從哪裡來？為什麼有這麼多？最重要的是，它們與這種破壞性極強且無法治癒的疾病有什麼關係？對答案的 खोज 產生了一個驚人的發現：阿爾茨海默病和其他主要神經退行性疾病中的團塊蛋白質的行為非常像朊病毒，朊病毒是在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，最終吞噬整個大腦區域。在過去的 10 年裡，科學家們瞭解到，這種過程可能不僅發生在瘋牛病和其他罕見疾病中，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 或盧伽雷氏病）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嫌疑物件，用於解釋一系列破壞性極強的大腦疾病——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，或者啟發針對這些疾病的新藥理學——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。
關於支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。 透過購買訂閱，您將幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
這種新思路 owes a debt to 對朊病毒的首次發現的研究。 這始於 18 世紀早期，當時有報道稱羊患上了一種奇怪的致命疾病，稱為瘙癢症，之所以如此命名，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瘙癢症可以在綿羊之間傳播，但傳染源難以捉摸且行為怪異：暴露和症狀之間的潛伏期比細菌或病毒等傳統致病原長得多，而且通常會啟動以消除此類入侵者的免疫反應似乎不存在。
這些怪異之處暗示通常的嫌疑物件不是病因，但在這些報告發布後約 20 年裡，瘙癢症仍然只是一種鮮為人知的獸醫疾病。 然而，在 20 世紀 50 年代，當時在英國康普頓農業研究委員會田野站工作的 William Hadlow 注意到瘙癢症和一種神秘的人類疾病 kuru 之間的大腦病理學具有明顯的相似之處。 Kuru 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的持續下降，最終必然導致死亡。 弗雷人中的這種疾病最終被發現是由於部落成員對死於該疾病的人進行儀式性同類相食造成的，這意味著某種傳染源是罪魁禍首，並且不知何故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. Carleton Gajdusek 和他的同事證實了這種疾病具有傳染性，表明 kuru 可以透過將疾病受害者的腦組織物質直接注射到非人類靈長類動物的大腦中來傳播。 Gajdusek 的團隊還認識到 kuru 與另一種神經退行性腦疾病之間的大腦病理學存在關鍵的相似之處：克雅氏病 (CJD)，一種快速進展型痴呆症，在全球範圍內每百萬人中約有一人患病。 Gajdusek 繼而證明 CJD 可以像 kuru 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，加利福尼亞大學舊金山分校的 Stanley B. Prusiner 確定了導致瘙癢症和相關疾病的病原體，這些疾病統稱為海綿狀腦病，因為它們會導致大腦呈現出瑞士乳酪的外觀 [參見 Stanley B. Prusiner 的“朊病毒疾病”； 大眾科學，1995 年 1 月]。 在一系列精彩的實驗中，他和他的同事積累了令人信服的證據，證明傳染源完全由一種名為 PrP 的原本無害蛋白質的錯誤摺疊版本組成。 Prusiner 還當時創造了術語“朊病毒”（發音為“pree-on”），代表“蛋白質性傳染顆粒”，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。） Prusiner 的想法在他提出蛋白質可以傳播疾病時引發了巨大的爭議，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，這些疾病雖然缺乏經典朊病毒疾病的傳染性，但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。 就像導致瘙癢症及其同類疾病的朊病毒一樣，蛋白質種子可以被細胞釋放、攝取和運輸，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將我們對看似不同的疾病如何產生和造成破壞的思考統一起來。
錯誤摺疊是阿爾茨海默病背後的原因嗎？
這種聯絡的第一個暗示早在 20 世紀 60 年代就出現了，當時研究人員努力掌握朊病毒疾病的奧秘，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最常見的原因，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、個性和最終的生命。 阿爾茨海默病的發病率在 65 歲後每五年翻一番，直到 85 歲時，幾乎三分之一的成年人患病。
當時的研究人員也瞭解到蛋白質團塊的形成參與其中。 1906 年，以他的名字命名的疾病阿爾茨海默病的 Alois Alzheimer 將痴呆症與大腦中兩種奇特的微觀異常聯絡起來：老年斑（現在已知是澱粉樣蛋白-β 或 Aβ 的錯誤摺疊蛋白質片段的團塊），位於細胞外部，以及神經原纖維纏結（由稱為 tau 蛋白的蛋白質聚集體組成的絲狀物），位於細胞內部。 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 蛋白組成的長纖維。 此外，蛋白質形成稱為寡聚物和原纖維的較小元件，這些元件也會干擾神經元的正常功能。
在 20 世紀 60 年代後期，Gajdusek 的團隊開始測試阿爾茨海默病是否像瘙癢症、kuru 和克雅氏病一樣具有傳染性的假設——因此他們將來自阿爾茨海默病患者的加工腦物質注射到非人類靈長類動物的大腦中。 一個由 Rosalind Ridley 和 Harry Baker 領導的團隊（當時在英國哈羅的臨床研究中心）後來也獨立進行了類似的實驗。 Gajdusek 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，接受加工過的阿爾茨海默病腦物質的狨猴體內的 Aβ 斑塊比對照組狨猴體內的更豐富。
在這一點上，我們的研究小組考慮啟動研究，以檢視錯誤摺疊的 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團塊形成的連鎖反應，最終導致阿爾茨海默病大腦中蛋白質沉積物的型別。 但猴子中播種斑塊形成需要大約五年或更長時間才能孵育，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，我們的前景發生了巨大變化，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）。 與一組才華橫溢的同事和學生一起，我們開始了一系列實驗，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獨有的），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，並且每隻轉基因小鼠都會在相對一致的年齡自發形成 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會導致阿爾茨海默病痴呆症的神經退行性變，但許多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，阿爾茨海默病的許多危險因素都會影響與 Aβ 的產生、摺疊、聚集或去除有關的細胞過程。 導致疾病在很小年齡發作的基因突變會改變 APP 或從該前體中剪接 Aβ 的酶 [參見 Michael S. Wolfe 的“關閉阿爾茨海默病”； 大眾科學，2006 年 5 月]。 科學家們現在也知道，早在症狀出現前十年或更長時間，大腦就開始顯示出阿爾茨海默病的跡象——而且蛋白質的異常團塊發生在疾病過程的早期 [參見 Gary Stix 的“阿爾茨海默病：阻止黑暗”； 大眾科學，2010 年 6 月]。 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，我們開始確定來自死於阿爾茨海默病患者的腦組織提取物是否會啟動 APP 轉基因小鼠大腦中的 Aβ 聚集。 換句話說，我們能否以與朊病毒在海綿狀腦病中觸發 PrP 聚集相同的方式誘導和傳播 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組織樣本。 我們將組織研磨，並在離心機中短暫離心樣品以去除較大的碎片。 然後，我們將少量提取物注射到幼年轉基因小鼠的大腦中。
結果是肯定的。 三到五個月後，在小鼠通常開始產生自己的 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性 Aβ。 Aβ 斑塊形成的程度與供體腦提取物中 Aβ 的量以及孵育時間的長短成正比——如果您期望提取物導致斑塊，您會看到這種模式。 最關鍵的是，缺乏聚集性 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 沉積物可以由阿爾茨海默病腦提取物啟動，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，我們詢問我們在小鼠中看到的 Aβ 沉積物是否僅僅是被注射的物質。 這裡的答案是否定的：一週後，在大腦中沒有發現聚集性 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些成分（Aβ 以外）刺激的，也許是人類病毒。 我們透過證實來自老年但無病原體的 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，只要樣品包含足夠的聚集性 Aβ，就排除了這種可能性。 此外，由於來自非阿爾茨海默病大腦的提取物不會引起 Aβ 團塊，我們可以排除斑塊只是對提取物遞送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專門清除 Aβ 的抗體從腦提取物中選擇性地去除 Aβ。 這種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，腦提取物無法誘導斑塊形成。 因此，我們證實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。
我們現在相當肯定錯誤摺疊的 Aβ 是腦樣本中的活性播種劑，但一個關鍵的謎題仍然難以捉摸。 如果僅聚集的 Aβ 是種子，那麼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，實驗室材料在細微但顯然重要的方面可能與直接從大腦中提取的物質不同。
考慮到這一警告，我們將各種形式的合成聚集性 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； 在這段時間內，沒有明顯的斑塊形成啟動。 然而，最近，Prusiner、Jan Stöhr、Kurt Giles 和他們在 U.C.S.F. 的合作者將合成 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，小鼠的大腦中顯示出明顯的播種 Aβ 沉積物的證據。 儘管合成種子被證明不如天然產生的 Aβ 種子有效，但這些發現提供了令人信服的證明，即僅純的聚集性 Aβ，在沒有其他因素的情況下，能夠刺激大腦中 Aβ 沉積物的形成。
在最近的實驗中，我們已經開始研究 Aβ 種子的特徵，這些特徵使它們能夠促進大腦中的蛋白質團塊形成。 因為播種提取物中的大多數 Aβ 蛋白都包含在長而不溶性纖維中，所以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部分：一個不溶性沉澱物，其中主要包含離心管底部的 Aβ 纖維，以及沉澱物上方的清澈液體，其中包含非常小的可溶性形式的 Aβ 蛋白。 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，它與全腦提取物一樣有效地誘導了 Aβ 聚集。 然而，出乎意料的是，可溶性部分也強烈誘導了 Aβ 聚集和斑塊形成，儘管其 Aβ 含量不到沉澱物部分的千分之一。 更重要的是，可溶性種子很容易被酶蛋白酶 K 破壞，而不溶性種子則不會。
Aβ 種子的可變大小和脆弱性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元件是特別有效的種子。 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從大腦中消除它們的治療。 此外，由於是可溶性的，小種子可能很容易在體液中檢測到，因此可能充當阿爾茨海默病早期診斷的分子哨兵，可能遠在痴呆症發作之前。 因為蛋白質播種似乎在疾病的最早期階段就開始了，所以有一種檢測和中和這些種子的方法可能有助於大大預防腦損傷和痴呆症。
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目的的機會，而播種蛋白質聚集也不例外。 它不僅出現在疾病中，也出現在有益的過程中。 例如，在 20 世紀 90 年代，nih 的 Reed Wickner 提出，一些真菌蛋白質使用這種策略來幫助細胞存活，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 Susan Lindquist 和哥倫比亞大學的 Eric R. Kandel 擁護一個有趣的假設，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播種蛋白質聚集在疾病中的作用。 與大腦疾病相關的播種聚集蛋白質包括 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（在多種神經退行性疾病中）。 許多其他神經退行性疾病涉及蛋白質聚集，看看播種原理是否也適用於這些疾病將非常重要。
在一項新的進展中，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，某些突變可能會增強這種傾向。 由聖猶大兒童研究醫院的 J. Paul Taylor 和賓夕法尼亞大學的 James Shorter 領導的研究小組報告說，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，對於神經系統以外的疾病（例如某些澱粉樣變性病），播種聚集也適用——並且涉及蛋白質朊病毒樣傳播的疾病譜可能會繼續擴大。
如果要從我們對播種概念日益增長的理解中產生療法，我們必須確定錯誤摺疊的蛋白質如何損傷細胞和組織； 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傷。 研究表明，聚集的蛋白質可以透過多種方式使細胞失效，從聚集體與細胞成分的毒性相互作用到阻止正常蛋白質到達它們通常發揮作用的位點。 與此同時，我們必須更全面地瞭解致病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的。 進一步瞭解疾病進展肯定也會來自闡明細胞如何攝取、運輸和釋放蛋白質種子。 最後，一個關鍵的懸而未決的問題是，為什麼衰老如此強烈地增加了患神經退行性疾病的風險。 對這些問題的解答可能會為解除致病蛋白質的武裝提供新的方法。
越來越多的證據傾向於曾經非正統的觀點，即簡單的形狀變化可以將蛋白質從朋友變成敵人。 Prusiner 在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在其他退行性疾病中被發現。 過去十年見證了這一預測的實驗證實。 事實上，朊病毒樣播種蛋白質聚集可能解釋了某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，有一天可能會轉化為改變神經退行性疾病無情進展的治療方法。