在显微镜下，一位病理学家在一位死于阿尔茨海默病的患者的脑组织样本中寻找受损的神经细胞时，可以看到一些奇怪的物质团块。它们由显然不应存在于那里的蛋白质组成。它们从哪里来？为什么有这么多？最重要的是，它们与这种破坏性极强且无法治愈的疾病有什么关系？对答案的 खोज 产生了一个惊人的发现：阿尔茨海默病和其他主要神经退行性疾病中的团块蛋白质的行为非常像朊病毒，朊病毒是在疯牛病中破坏大脑的有毒蛋白质。
朊病毒是神经细胞中正常存在的蛋白质的错误折叠但持久的版本，它们会导致同类蛋白质错误折叠并聚集在一起，引发连锁反应，最终吞噬整个大脑区域。在过去的 10 年里，科学家们了解到，这种过程可能不仅发生在疯牛病和其他罕见疾病中，也可能发生在主要的神经退行性疾病中，包括阿尔茨海默病、帕金森病、肌萎缩侧索硬化症（也称为 ALS 或卢伽雷氏病）以及足球运动员和拳击手的脑震荡相关性痴呆症。
所有证据表明，阿尔茨海默病和帕金森病不像疯牛病或流感那样具有传染性。 相反，这些最新发现的意义在于，它们为科学家们提供了一种主要嫌疑对象，用于解释一系列破坏性极强的大脑疾病——一个指向最终治疗途径的标志。 为阿尔茨海默病开发的药物可以直接用于治疗帕金森病、创伤性脑损伤或其他可怕的疾病，或者启发针对这些疾病的新药理学——这对全球数千万遭受神经退行性疾病折磨的人来说是个好消息，这些疾病剥夺了个人的基本自我意识。
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这种新思路 owes a debt to 对朊病毒的首次发现的研究。 这始于 18 世纪早期，当时有报道称羊患上了一种奇怪的致命疾病，称为瘙痒症，之所以如此命名，是因为受感染的动物会强迫性地摩擦皮肤上的羊毛。 后来，随着科学家开始研究这种疾病，他们在显微镜下注意到神经系统布满了孔洞。 在 20 世纪 30 年代，法国和英国的研究人员确定瘙痒症可以在绵羊之间传播，但传染源难以捉摸且行为怪异：暴露和症状之间的潜伏期比细菌或病毒等传统致病原长得多，而且通常会启动以消除此类入侵者的免疫反应似乎不存在。
这些怪异之处暗示通常的嫌疑对象不是病因，但在这些报告发布后约 20 年里，瘙痒症仍然只是一种鲜为人知的兽医疾病。 然而，在 20 世纪 50 年代，当时在英国康普顿农业研究委员会田野站工作的 William Hadlow 注意到瘙痒症和一种神秘的人类疾病 kuru 之间的大脑病理学具有明显的相似之处。 Kuru 是一种进行性神经退行性疾病，主要局限于巴布亚新几内亚的弗雷人，其特征是协调性和精神功能的持续下降，最终必然导致死亡。 弗雷人中的这种疾病最终被发现是由于部落成员对死于该疾病的人进行仪式性同类相食造成的，这意味着某种传染源是罪魁祸首，并且不知何故从身体的其他部位到达大脑。
在 20 世纪 60 年代，美国国立卫生研究院的 D. Carleton Gajdusek 和他的同事证实了这种疾病具有传染性，表明 kuru 可以通过将疾病受害者的脑组织物质直接注射到非人类灵长类动物的大脑中来传播。 Gajdusek 的团队还认识到 kuru 与另一种神经退行性脑疾病之间的大脑病理学存在关键的相似之处：克雅氏病 (CJD)，一种快速进展型痴呆症，在全球范围内每百万人中约有一人患病。 Gajdusek 继而证明 CJD 可以像 kuru 一样传播给灵长类动物，尽管 CJD 最常在人群中自发产生。
在 20 世纪 80 年代，加利福尼亚大学旧金山分校的 Stanley B. Prusiner 确定了导致瘙痒症和相关疾病的病原体，这些疾病统称为海绵状脑病，因为它们会导致大脑呈现出瑞士奶酪的外观 [参见 Stanley B. Prusiner 的“朊病毒疾病”； 大众科学，1995 年 1 月]。 在一系列精彩的实验中，他和他的同事积累了令人信服的证据，证明传染源完全由一种名为 PrP 的原本无害蛋白质的错误折叠版本组成。 Prusiner 还当时创造了术语“朊病毒”（发音为“pree-on”），代表“蛋白质性传染颗粒”，以区分自身传播疾病的蛋白质病原体与病毒、细菌、真菌和其他已知病原体。 （今天，该术语正在扩展到包括其他蛋白质，这些蛋白质将其形状强加于同类蛋白质，并且不一定暗示传染性。） Prusiner 的想法在他提出蛋白质可以传播疾病时引发了巨大的争议，但在 1997 年，他的努力得到了回报，他因这项工作获得了诺贝尔奖。
最近对阿尔茨海默病和其他神经退行性疾病的深入研究表明，这些疾病虽然缺乏经典朊病毒疾病的传染性，但可能会以类似的方式在大脑中产生和扩增； 也就是说，通过我们称之为致病性蛋白质播种的过程。 就像导致瘙痒症及其同类疾病的朊病毒一样，蛋白质种子可以被细胞释放、摄取和运输，这可以解释疾病如何从一个地方传播到另一个地方。 这些共同点表明，朊病毒范式可能很快将我们对看似不同的疾病如何产生和造成破坏的思考统一起来。
错误折叠是阿尔茨海默病背后的原因吗？
这种联系的第一个暗示早在 20 世纪 60 年代就出现了，当时研究人员努力掌握朊病毒疾病的奥秘，开始注意到一些暗示性的相似之处，即其他神经退行性疾病（尤其是阿尔茨海默病）中发生的大脑变化。 阿尔茨海默病是老年人痴呆症最常见的原因，它悄无声息地出现，并在多年内无情地发展，剥夺受害者的记忆、个性和最终的生命。 阿尔茨海默病的发病率在 65 岁后每五年翻一番，直到 85 岁时，几乎三分之一的成年人患病。
当时的研究人员也了解到蛋白质团块的形成参与其中。 1906 年，以他的名字命名的疾病阿尔茨海默病的 Alois Alzheimer 将痴呆症与大脑中两种奇特的微观异常联系起来：老年斑（现在已知是淀粉样蛋白-β 或 Aβ 的错误折叠蛋白质片段的团块），位于细胞外部，以及神经原纤维缠结（由称为 tau 蛋白的蛋白质聚集体组成的丝状物），位于细胞内部。 当用电子显微镜高度放大这些团块时，可以看到蛋白质形成由 Aβ 或 tau 蛋白组成的长纤维。 此外，蛋白质形成称为寡聚物和原纤维的较小组件，这些组件也会干扰神经元的正常功能。
在 20 世纪 60 年代后期，Gajdusek 的团队开始测试阿尔茨海默病是否像瘙痒症、kuru 和克雅氏病一样具有传染性的假设——因此他们将来自阿尔茨海默病患者的加工脑物质注射到非人类灵长类动物的大脑中。 一个由 Rosalind Ridley 和 Harry Baker 领导的团队（当时在英国哈罗的临床研究中心）后来也独立进行了类似的实验。 Gajdusek 研究的结果是不确定的，两个小组都没有报告说他们引发了完全发展的阿尔茨海默病。 然而，英国研究人员发现了一个效果的暗示：在至少五年的潜伏期后，接受加工过的阿尔茨海默病脑物质的狨猴体内的 Aβ 斑块比对照组狨猴体内的更丰富。
在这一点上，我们的研究小组考虑启动研究，以查看错误折叠的 Aβ（以小聚集体的形式）是否充当种子，引发蛋白质错误折叠和团块形成的连锁反应，最终导致阿尔茨海默病大脑中蛋白质沉积物的类型。 但猴子中播种斑块形成需要大约五年或更长时间才能孵育，这让我们感到沮丧。
在 20 世纪 90 年代中期，随着“转基因”小鼠的出现，我们的前景发生了巨大变化，这些小鼠经过基因工程改造，可以产生人类 Aβ 片段的前体蛋白——APP（淀粉样前体蛋白）。 与一组才华横溢的同事和学生一起，我们开始了一系列实验，在这些小鼠中探索 Aβ 种子假说。 转基因动物并不体现阿尔茨海默病的所有特征（阿尔茨海默病似乎是人类独有的），但它们为我们的实验提供了相当大的优势：它们体型小、易于维护且寿命短，并且每只转基因小鼠都会在相对一致的年龄自发形成 Aβ 脑沉积物。
在我们的研究中，我们专注于 Aβ 而不是 tau 蛋白，因为即使斑块和缠结都会导致阿尔茨海默病痴呆症的神经退行性变，但许多证据表明错误折叠的 Aβ 是该疾病发展的关键催化剂。 事实上，阿尔茨海默病的许多危险因素都会影响与 Aβ 的产生、折叠、聚集或去除有关的细胞过程。 导致疾病在很小年龄发作的基因突变会改变 APP 或从该前体中剪接 Aβ 的酶 [参见 Michael S. Wolfe 的“关闭阿尔茨海默病”； 大众科学，2006 年 5 月]。 科学家们现在也知道，早在症状出现前十年或更长时间，大脑就开始显示出阿尔茨海默病的迹象——而且蛋白质的异常团块发生在疾病过程的早期 [参见 Gary Stix 的“阿尔茨海默病：阻止黑暗”； 大众科学，2010 年 6 月]。 意识到错误折叠的 Aβ 的积累对于阿尔茨海默病的发展至关重要，我们想知道是什么首先刺激了大脑中的蛋白质聚集。
在我们的第一个实验中，我们开始确定来自死于阿尔茨海默病患者的脑组织提取物是否会启动 APP 转基因小鼠大脑中的 Aβ 聚集。 换句话说，我们能否以与朊病毒在海绵状脑病中触发 PrP 聚集相同的方式诱导和传播 Aβ 聚集？ 使用为研究这些朊病毒而开发的方法，我们首先从阿尔茨海默病患者或死于阿尔茨海默病以外原因的对照患者身上提取少量脑组织样本。 我们将组织研磨，并在离心机中短暂离心样品以去除较大的碎片。 然后，我们将少量提取物注射到幼年转基因小鼠的大脑中。
结果是肯定的。 三到五个月后，在小鼠通常开始产生自己的 Aβ 斑块之前，接受阿尔茨海默病脑提取物的小鼠的大脑中出现了大量的聚集性 Aβ。 Aβ 斑块形成的程度与供体脑提取物中 Aβ 的量以及孵育时间的长短成正比——如果您期望提取物导致斑块，您会看到这种模式。 最关键的是，缺乏聚集性 Aβ 的供体大脑不会在转基因小鼠中播种斑块形成。
定义 Aβ 种子
尽管这些实验表明 Aβ 沉积物可以由阿尔茨海默病脑提取物启动，但它们并没有明确表明提取物中的 Aβ 导致了斑块。 这种不确定性迫使我们解决几个额外的问题。 首先，我们询问我们在小鼠中看到的 Aβ 沉积物是否仅仅是被注射的物质。 这里的答案是否定的：一周后，在大脑中没有发现聚集性 Aβ 的证据。 相反，斑块仅在一个月或更长时间的滞后之后才变得明显。
其次，我们考虑了斑块形成是否是由人类脑提取物的某些成分（Aβ 以外）刺激的，也许是人类病毒。 我们通过证实来自老年但无病原体的 APP 转基因小鼠的脑提取物可以像人类脑提取物一样有效地播种，只要样品包含足够的聚集性 Aβ，就排除了这种可能性。 此外，由于来自非阿尔茨海默病大脑的提取物不会引起 Aβ 团块，我们可以排除斑块只是对提取物递送过程中造成的大脑损伤的反应的可能性。
尽管现在的证据强烈指向 Aβ 是罪魁祸首，但我们想要更直接的证据。 我们的第三步是使用专门清除 Aβ 的抗体从脑提取物中选择性地去除 Aβ。 这种简单的程序消除了阿尔茨海默病脑样本诱导斑块形成的能力。 最后，当我们使用强酸使错误折叠的蛋白质展开时，脑提取物无法诱导斑块形成。 因此，我们证实蛋白质的形状决定了其诱导其他 Aβ 分子错误折叠和聚集的能力。
我们现在相当肯定错误折叠的 Aβ 是脑样本中的活性播种剂，但一个关键的谜题仍然难以捉摸。 如果仅聚集的 Aβ 是种子，那么应该可以使用在试管中合成并使其聚集的 Aβ 来诱导斑块，而无需大脑中的许多其他物质。 我们知道用合成蛋白质播种可能具有挑战性，因为对朊病毒的研究表明，实验室材料在细微但显然重要的方面可能与直接从大脑中提取的物质不同。
考虑到这一警告，我们将各种形式的合成聚集性 Aβ 注射到 APP 转基因小鼠中，然后等待通常的三到五个月的潜伏期。 结果令人失望； 在这段时间内，没有明显的斑块形成启动。 然而，最近，Prusiner、Jan Stöhr、Kurt Giles 和他们在 U.C.S.F. 的合作者将合成 Aβ 纤维注射到 APP 转基因小鼠的大脑中。 在超过六个月的延长潜伏期后，小鼠的大脑中显示出明显的播种 Aβ 沉积物的证据。 尽管合成种子被证明不如天然产生的 Aβ 种子有效，但这些发现提供了令人信服的证明，即仅纯的聚集性 Aβ，在没有其他因素的情况下，能够刺激大脑中 Aβ 沉积物的形成。
在最近的实验中，我们已经开始研究 Aβ 种子的特征，这些特征使它们能够促进大脑中的蛋白质团块形成。 因为播种提取物中的大多数 Aβ 蛋白都包含在长而不溶性纤维中，所以我们预计这些纤维将是最有效的种子。 结果让我们感到惊讶。 通过在离心机中高速旋转脑提取物，我们将富含 Aβ 的脑提取物分为两个部分：一个不溶性沉淀物，其中主要包含离心管底部的 Aβ 纤维，以及沉淀物上方的清澈液体，其中包含非常小的可溶性形式的 Aβ 蛋白。 正如预期的那样，绝大多数 Aβ 沉淀到沉淀物中，当将其破碎并注射到转基因小鼠的大脑中时，它与全脑提取物一样有效地诱导了 Aβ 聚集。 然而，出乎意料的是，可溶性部分也强烈诱导了 Aβ 聚集和斑块形成，尽管其 Aβ 含量不到沉淀物部分的千分之一。 更重要的是，可溶性种子很容易被酶蛋白酶 K 破坏，而不溶性种子则不会。
Aβ 种子的可变大小和脆弱性既有好消息也有坏消息。 坏消息是，与较大的纤维相比，可以更容易地穿过大脑的小型可溶性组件是特别有效的种子。 另一方面，它们对蛋白酶 K 的敏感性暗示可溶性种子可能特别容易接受旨在从大脑中消除它们的治疗。 此外，由于是可溶性的，小种子可能很容易在体液中检测到，因此可能充当阿尔茨海默病早期诊断的分子哨兵，可能远在痴呆症发作之前。 因为蛋白质播种似乎在疾病的最早期阶段就开始了，所以有一种检测和中和这些种子的方法可能有助于大大预防脑损伤和痴呆症。
超越阿尔茨海默病
大自然很少错过利用一种机制实现多种目的的机会，而播种蛋白质聚集也不例外。 它不仅出现在疾病中，也出现在有益的过程中。 例如，在 20 世纪 90 年代，nih 的 Reed Wickner 提出，一些真菌蛋白质使用这种策略来帮助细胞存活，这一假设现在已在许多实验室中得到证实。 此外，麻省理工学院的 Susan Lindquist 和哥伦比亚大学的 Eric R. Kandel 拥护一个有趣的假设，即特定蛋白质的朊病毒样传播有助于稳定大脑回路，从而起到保护长期记忆的作用。
然而，到目前为止，绝大多数研究都指向播种蛋白质聚集在疾病中的作用。 与大脑疾病相关的播种聚集蛋白质包括 α-突触核蛋白（在帕金森病中）、超氧化物歧化酶-1（在 ALS 中）、TDP-43（在 ALS 和额颞叶痴呆症中）、亨廷顿蛋白（在亨廷顿舞蹈病中）和 tau 蛋白（在多种神经退行性疾病中）。 许多其他神经退行性疾病涉及蛋白质聚集，看看播种原理是否也适用于这些疾病将非常重要。
在一项新的进展中，研究人员发现一些参与基因功能调控的蛋白质包含一个朊病毒样结构域——也就是说，一段氨基酸序列，使蛋白质能够在其同类分子中诱导相同的结构。 就其性质而言，这些蛋白质倾向于聚集，某些突变可能会增强这种倾向。 由圣犹大儿童研究医院的 J. Paul Taylor 和宾夕法尼亚大学的 James Shorter 领导的研究小组报告说，核酸结合蛋白 hnRNPA2B1 和 hnRNPA1 的朊病毒样结构域中的突变会导致多系统蛋白病，这是一种影响神经系统、肌肉和骨骼的复杂疾病。 此外，实验已证明，对于神经系统以外的疾病（例如某些淀粉样变性病），播种聚集也适用——并且涉及蛋白质朊病毒样传播的疾病谱可能会继续扩大。
如果要从我们对播种概念日益增长的理解中产生疗法，我们必须确定错误折叠的蛋白质如何损伤细胞和组织； 即使阻止不需要的蛋白质聚集本身被证明是困难的，这些信息也可能有助于阻止损伤。 研究表明，聚集的蛋白质可以通过多种方式使细胞失效，从聚集体与细胞成分的毒性相互作用到阻止正常蛋白质到达它们通常发挥作用的位点。 与此同时，我们必须更全面地了解致病蛋白质是如何产生和分解的，以及它们在什么条件下会错误折叠并形成种子的。 进一步了解疾病进展肯定也会来自阐明细胞如何摄取、运输和释放蛋白质种子。 最后，一个关键的悬而未决的问题是，为什么衰老如此强烈地增加了患神经退行性疾病的风险。 对这些问题的解答可能会为解除致病蛋白质的武装提供新的方法。
越来越多的证据倾向于曾经非正统的观点，即简单的形状变化可以将蛋白质从朋友变成敌人。 Prusiner 在描述朊病毒发现的诺贝尔奖演讲中预测，疯牛病和相关疾病中涉及的朊病毒将其毒性特征强加于正常蛋白质的基本过程将在其他退行性疾病中被发现。 过去十年见证了这一预测的实验证实。 事实上，朊病毒样播种蛋白质聚集可能解释了某些最令人恐惧的老年疾病的起源——并提供了一个引人注目的概念框架，有一天可能会转化为改变神经退行性疾病无情进展的治疗方法。