改編自《腦風暴：揭開帕金森病之謎的競賽》，作者：Jon Palfreman，經大眾科學/Farrar, Straus and Giroux, LLC (美國), HarperCollins (加拿大), Rider (英國), Uitgeverij Balans (荷蘭) 和 Beltz Verlagsgruppe (德國) 安排出版。版權 © 2015 Jon Palfreman。
一切都始於一次例行的辦公室就診。1986年春，神經科醫生拉里·戈爾貝對一位48歲的新澤西州消防隊長大衛進行了臨床檢查。戈爾貝觀察到，這位病人的動作緩慢而拘謹。在手指敲擊練習中——一種常見的檢測異常運動的方法——這位隊長很快就耗盡了精力。當他站起來時，這個曾經運動健壯的男人現在向前彎腰，步履蹣跚。當他走路時，他沒有擺動手臂，而是邁著小步拖著腳走。當戈爾貝試圖彎曲大衛的手臂和腿部的肘部和膝部時，他遇到了阻力。大衛的表情呆滯，從不眨眼。
戈爾貝當時在羅格斯大學羅伯特·伍德·約翰遜醫學院工作，他翻閱了病人的病史。十年前，大衛被診斷出患有帕金森病。最初，他接受了西內麥特的治療，這是一種常用於補充疾病過程中大腦中多巴胺消耗的藥物。隨著帕金森病的進展，患者會失去產生這種關鍵神經遞質的神經元，尤其是在黑質中——黑質是大腦中腦的一個微小結構，因其深色色素而得名。隨著多巴胺細胞的死亡，那裡的顏色會消失。然後，越來越少的多巴胺會傳遞到鄰近的紋狀體，大腦和肌肉之間精細的協調就在那裡發生。隨著這種溝通的瓦解，就會導致該疾病的經典運動症狀——所有這些症狀現在都在大衛身上表現出來。
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有一段時間，這位隊長對西內麥特有反應。但隨著時間的推移，藥物變得不那麼有效，這通常是這種情況。戈爾貝招募大衛參加了他正在進行的司來吉蘭研究，這是一種較新的藥物，神經科學家希望透過阻止分解多巴胺的酶來提高患者的多巴胺水平。但到目前為止，大衛只報告了輕微的好處。戈爾貝——一位敬業、富有同情心的臨床醫生，他自己的父親也患上了帕金森病——不幸的是，他能提供的幫助很少。所以他花了些時間輔導大衛，並預約了三個月後的複診。那是戈爾貝最後一次見到他。在他們會面幾周後，大衛不幸溺死在游泳池裡。
葬禮結束後，大衛的兄弟弗蘭克來看望戈爾貝，擔心自己也可能患上帕金森病。他的確患上了——這個診斷引起了戈爾貝的興趣。他開始廣泛尋找他們家族中其他可能受影響的人，最終發現了總共有六位親屬患有典型的帕金森氏症症狀。戈爾貝回憶說，在他檢查這些家庭成員時，患者告訴他“這個家族起源於義大利的孔圖爾西”。當時他不知道這是否意義重大。但在大衛去世幾個月後，戈爾貝接待了一位來自斯塔頓島的婦女，名叫喬伊斯，她患有典型的帕金森病。她也是義大利後裔。她告訴戈爾貝，具體來說，她來自義大利南部的一個小村莊：薩萊諾省山區的一個村莊，名叫孔圖爾西。
正如路易斯·巴斯德的名言：“機遇垂青有準備的頭腦”，戈爾貝立即將大衛和喬伊斯聯絡起來。儘管帕金森病通常不會在家族中遺傳，但戈爾貝意識到他可能偶然發現了一個罕見的例外：一個“親族”家族，他們將這種疾病代代相傳。他打電話給他的老闆兼導師羅傑·杜沃辛——一位著名的神經科學家，他在 20 世紀 60 年代幫助開創了左旋多巴的使用，這是治療帕金森病的第一種突破性藥物。他們一起踏上了一段國際醫學偵探之旅。
致命的遺產
一年後，戈爾貝坐在孔圖爾西的薩爾瓦多·拉薩拉的小辦公室裡。拉薩拉在這個村莊長大，是村裡唯一的一位常駐初級保健醫生——並且還擔任牙醫。戈爾貝看著另一位義大利合作者，神經遺傳學家朱塞佩·迪·伊奧里奧（當時在那不勒斯費德里科二世大學）對一位名叫馬里奧的 40 歲男子進行了臨床檢查。拉薩拉不時說話，以澄清迪·伊奧里奧的要求並安撫他的孔圖爾西同胞。戈爾貝希望他能聽懂更多義大利語。迪·伊奧里奧的英語也很初級，但不知何故，他們設法有效地合作，最終破解了一個遺傳謎團。
在戈爾貝繪製了該家族的美國分支族譜後，他建議迪·伊奧里奧去村裡的教堂檢視孔圖爾西的洗禮和婚姻記錄，追溯到 12 代人。當他們在巨大的圖表上擴充套件族譜時，多代“譜系”顯示，戈爾貝的病人大衛和喬伊斯是七代表親——大約 1700 年結婚的一對夫婦的 574 名後裔中的兩位。其他人現在居住在義大利、德國、阿根廷、加拿大和美國。調查中真正引人注目的發現是，最近的後裔中有 61 人患上了帕金森病。譜系分析表明，男性和女性受影響的程度相同，後代有 50% 的機會遺傳到不良基因，並隨之患上帕金森病。
儘管戈爾貝的義大利語有限，但他還是很容易跟上迪·伊奧里奧對馬里奧的檢查。根據他的臨床體徵，馬里奧遺傳了帕金森病。有趣的是，拉薩拉也是這個家族的成員，但沒有遺傳到突變。他在科學家和家族之間起到了關鍵的調解作用，例如，解釋了團隊為什麼需要採集血樣帶回新澤西進行 DNA 分析。這種分子調查可能確定導致該疾病的特定基因突變。
與此同時，在新澤西州，杜沃辛部門的其他成員發現了一個關鍵的缺失環節：他們能夠確認該親族成員患有真正的帕金森病。由於其他神經退行性疾病也會產生類似於帕金森病的震顫和步態問題，因此在患者去世後，病理學家在腦組織樣本中尋找稱為路易小體的奇怪血細胞大小的腫塊之前，很難確定明確的診斷。
新澤西州的研究小組獲得了兩名已故家族成員——消防隊長大衛和他的舅舅——的屍檢材料並進行了檢查。他們的大腦顯示黑質廣泛受損，一些倖存的多巴胺神經元包含明顯的路易小體。正如杜沃辛所說，“這是典型的帕金森病理學”——第一個“有屍檢證實是帕金森病”的家族親族。
下一步是找到導致該家族平均每兩個孩子中就有一個患上帕金森病的突變基因，因為該基因可能掌握著該疾病之謎的關鍵。新澤西州的科學家們進行了七年多的不成功的搜尋。然後在 1995 年，當時擔任美國國家神經疾病與卒中研究所 (NINDS) 所長的扎克·霍爾要求他們與其他研究人員分享他們的孔圖爾西血樣，這些研究人員可能更能夠完成必要的分子魔法。新澤西州的研究人員和當時在美國國立衛生研究院 (NIH) 的兩位科學家之間建立了合作關係：鮑勃·努斯鮑姆，一位接受過高階分子生物學培訓的臨床遺傳學家，以及努斯鮑姆的同事米哈伊爾·波利梅羅普洛斯。
正如霍爾所希望的那樣，努斯鮑姆和波利梅羅普洛斯很快取得了一些驚人的進展。雖然孔圖爾西突變可能位於我們人類擁有的 22 條非性染色體中的任何一條上，但事實證明它位於 4 號染色體上。非常幸運的是，波利梅羅普洛斯非常熟悉 4 號染色體，他最近將另外兩種遺傳疾病與 4 號染色體聯絡起來。這項工作生成了沿染色體的許多生化標記，這些標記在他們工作時為他們提供了指導。因此，在短短九天內，他們就將對孔圖爾西突變的 खोज 範圍縮小到 4 號染色體所謂長臂上的一小段 DNA。
啊哈！時刻
努斯鮑姆和波利梅羅普洛斯又花了九個月的艱苦工作，才對他們認為是實際突變的基因進行了測序。然後，努斯鮑姆說，他們非常幸運地取得了一個突破。他們將他們的序列與 GenBank 進行了比對，GenBank 是 NIH 執行的一個巨大的開放訪問計算機基因和蛋白質序列資料庫，並得到了一個匹配結果：突變基因是一個已知的實體，一個名為 SNCA 的基因，它編碼一種名為 α-突觸核蛋白的蛋白質。
根據努斯鮑姆和波利梅羅普洛斯的說法，孔圖爾西親族背後的遺傳故事大致如下。SNCA 的正常作用是製造一種相對晦澀的大腦蛋白質，稱為 α-突觸核蛋白。順便說一句，之所以稱其為突觸核蛋白，是為了表明這種蛋白質既可以在突觸中找到——神經元透過突觸進行交流的間隙——也可以在神經元本身的細胞核中找到。然而，基因百萬個字母的遺傳密碼中的單個鹼基變化產生了一種突變形式的蛋白質，導致受影響的孔圖爾西親族成員患上帕金森病。1997 年 5 月 27 日，努斯鮑姆和波利梅羅普洛斯向《科學》雜誌提交了一篇論文，將杜沃辛的團隊列為共同作者，該論文將 α-突觸核蛋白基因中的一個小突變與一種侵襲性帕金森病聯絡起來。一個月後——對於醫學研究文章來說，速度快如閃電——它發表在印刷品上。
將近 20 年後，很明顯，這一發現具有變革意義。罕見的孔圖爾西突變不會出現在普通帕金森病患者的 DNA 中，但 α-突觸核蛋白的作用已被證明是更廣泛的疾病戰爭中的一個重要線索。
碰巧的是，大約在《科學》論文發表的同時，在劍橋大學工作的義大利阿爾茨海默病研究員瑪麗亞·格拉齊亞·斯皮蘭蒂尼開發了使用抗體在腦組織中視覺化 α-突觸核蛋白的特殊染色技術。斯皮蘭蒂尼憑直覺決定使用這種染色劑在普通帕金森病已故患者的腦標本中尋找 α-突觸核蛋白。有些令人驚訝的是，即使這些人缺乏孔圖爾西突變，她也發現了 α-突觸核蛋白——大量的 α-突觸核蛋白。她在路易小體中發現了它。
正如我們所見，路易小體存在於帕金森病患者倖存的神經元內部，並在死後用於確認診斷。值得注意的是，儘管路易小體具有病理學重要性，但在 1997 年，沒有人確定路易小體是由什麼組成的。斯皮蘭蒂尼找到了答案：它們部分由 α-突觸核蛋白組成。各地的研究人員都注意到了這一點，意識到這一發現可能極其重要。即使孔圖爾西突變不能解釋絕大多數帕金森病病例，但路易小體（患病和垂死神經元的標記物）中塞滿了 α-突觸核蛋白這一事實意味著，這種蛋白質可能是帕金森病的關鍵參與者。
帕金森病如何進展
在德國，傳奇神經解剖學家海科·布拉克（當時在法蘭克福歌德大學）注意到了斯皮蘭蒂尼 1997 年 8 月發表在《自然》雜誌上的論文。受到路易小體含有 α-突觸核蛋白這一發現的啟發，他啟動了一個大規模的帕金森病專案，檢查了不同生存時間患者的累積損傷。布拉克對 41 例帕金森病病例、69 例非帕金森病病例和 58 例與年齡相關的對照受試者進行了全身屍檢。他尋找路易小體和路易神經突，它們是投射到其他神經細胞的長軸突中的沉積物。他不僅在大腦中尋找，而且在身體的其他部位也尋找。布拉克使用斯皮蘭蒂尼強大的新型 α-突觸核蛋白染色劑和一種在顯微鏡下檢查特別厚的神經組織切片的新技術，清楚地看到了歷史上其他人只是暗示的東西——路易小體和路易神經突的分佈並不侷限於中腦的幾個區域。
他還辨別出了一些更深刻的東西：路易病理學的位置似乎隨著疾病的進展而變化。輕度受累病例（死於早期帕金森病的人）在鼻子的嗅球中顯示出路易病理學，嗅球將有關氣味的資訊傳遞到大腦，並在迷走神經的一部分中顯示出路易病理學，迷走神經是將腸道連線到大腦的長投射。在更晚期的病例中，他在腦幹中也發現了路易小體和路易神經突。更晚期的病例在黑質中發現了它們——標誌著多巴胺細胞受損。所有最晚期的病例都在前腦和新皮層中顯示出路易病理學。
布拉克認為，這是令人信服的證據，表明帕金森病可能在任何震顫或僵硬出現之前的幾十年就開始了。他認為，它始於腸道或鼻子——可能是由感染引起的——然後以隱蔽的方式在整個大腦中擴散，分為六個解剖階段。嗅覺喪失和便秘可能發生在所謂的布拉克階段 1。快速眼動睡眠行為障礙發生在布拉克階段 2。經典的帕金森病——震顫、僵硬、運動遲緩——出現在布拉克階段 3，平衡喪失出現在布拉克階段 4。在布拉克階段 5 和 6 中，病理學擴散到前腦和新皮層，導致痴呆。如果布拉克是對的，那麼，根據英國神經科學家克里斯托弗·H·霍克斯的說法，“當你去看神經科醫生時，你處於布拉克階段 3 到 4。粗略地說，大腦已經被完全醃製了。”
布拉克的理論於 2003 年發表，最初受到了懷疑。但支援該理論和 α-突觸核蛋白作用的證據將會增加。同年，梅奧診所和 NIH 的一組遺傳學家宣佈在另一個家族（所謂的愛荷華州親族）中取得了一項里程碑式的發現，這加深了與 α-突觸核蛋白的聯絡。近一個世紀以來，該家族的分支一直受到一系列梅奧診所醫生的研究。遺傳學家卡特里娜·格溫（現任職於 NINDS）在 20 世紀 90 年代中期遇到了其中一位臨床醫生。她對這個親族產生了濃厚的興趣，並結識了他們中的一些人。格溫決定追蹤這個家族群體中帕金森病背後的基因，就像努斯鮑姆和他的同事對孔圖爾西親族所做的那樣。為了開始，她邀請了兩位英國遺傳學家的幫助：約翰·哈迪（以其阿爾茨海默病研究而聞名）和他當時的博士後馬修·法勒，他們當時都在梅奧診所的佛羅里達州分校工作。
更多家族，更多證據
該團隊首次嘗試定位突變失敗了——可能是因為樣本混淆。因此，研究人員決定重新開始。由於他們使用的過程（稱為遺傳連鎖分析）依賴於擁有大量的 DNA 樣本，因此法勒和格溫前往實地，並要求親族成員提供更多的血液。到 2001 年，該團隊已經有足夠的血液樣本來重新進行實驗室工作。當時在佛羅里達州梅奧診所的新團隊成員安德魯·辛格爾頓擔任了負責人。當他使用新材料追蹤遺傳標記時，他意識到該位置似乎包括在孔圖爾西親族中發現的 α-突觸核蛋白基因。這令人困惑：此前，他們已經對愛荷華州親族的所有已知形式的孔圖爾西突變進行了測試，但一無所獲。
但隨著辛格爾頓加大力度，他注意到了一些非常奇怪的訊號。然後他變得非常興奮。正如他回憶說，“我突然想到，可能導致這種疾病的原因是一個基因的額外副本。” 辛格爾頓繼續研究這個想法，證明愛荷華州親族的帕金森病不是由 DNA 序列本身的錯誤引起的，就像孔圖爾西家族的情況一樣。相反，受影響的成員具有遺傳學家所說的複製數變異：患有帕金森病的家庭成員在 4 號染色體的一個複製上具有三個正常 α-突觸核蛋白基因的複製——三倍體。在 4 號染色體的另一個複製上，他們具有通常的單個 α-突觸核蛋白基因。由於他們總共有四個基因複製，而不是通常的兩個，因此受影響的個體體內泵入的 α-突觸核蛋白蛋白質是兩倍。
科學家們意識到這一發現是多麼重要：α-突觸核蛋白的量與疾病之間存在直接聯絡。這表明你不需要突變來患上帕金森病，只需要過多的 α-突觸核蛋白。哈迪將這個訊息描述為“一個美麗的驚喜……極其出乎意料。但是一旦你得到結果，它會讓你理解一切。” 歐洲的其他研究人員報告了家族譜系，其中受影響的成員既有重複又有三倍體。具有三倍體的人比具有重複的人發病更早，疾病更具侵襲性。這也意義重大。α-突觸核蛋白的毒性取決於劑量。α-突觸核蛋白越多，帕金森病就越嚴重。
當我現在回想起這些突破時，奇怪的是，神經科學家曾經否定遺傳學在帕金森病中的作用。自 1997 年發現 α-突觸核蛋白突變以來，已經出現了大約 18 種潛在的帕金森病遺傳形式，涉及另外 10 個左右的基因。遺傳學家確信，其中六種是經典遺傳的，要麼是顯性遺傳，要麼是隱性遺傳。
當然，大多數帕金森病患者沒有已知的突變。但是，在我們的基因組中，可能存在一些序列，這些序列在某種程度上使我們易患該疾病。這種更高的易感性可能僅在某些感染後出現，正如布拉克提出的那樣，或者在暴露於特定毒素後出現，正如一些早期研究表明的那樣。遺傳學家使用特殊的基因晶片，篩選了帕金森病患者的 DNA，並將其與健康的對照組進行了比較。這些全基因組關聯研究發現，與 α-突觸核蛋白基因的變異以及與編碼 tau 蛋白的基因的變異（tau 蛋白參與阿爾茨海默病病理學）存在很強的相關性。理解這些序列可能會……嗯，沒有人知道這些知識會把我們引向何方。