在显微镜下，一位病理学家正在检查一位死于阿尔茨海默病的患者的脑组织样本中受损的神经细胞，他可以辨认出奇怪的物质团块。它们由显然不属于那里的蛋白质组成。它们从何而来，为什么会有这么多？最重要的是，它们与这种破坏性的、无法治愈的疾病有什么关系？对答案的探寻带来了一个惊人的发现：阿尔茨海默病和其他主要神经退行性疾病中聚集的蛋白质的行为非常像朊病毒，朊病毒是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，最终消耗整个大脑区域。在过去的15年中，科学家们了解到，这种过程可能不仅发生在疯牛病和其他奇异疾病中，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的嫌疑对象，用于解释一系列破坏性的大脑疾病——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，或者启发新的药理学——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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新的思维方式归功于最初导致朊病毒发现的研究。它始于18世纪早期，当时有报告称绵羊患上了一种奇怪的致命疾病，称为羊瘙痒症，之所以这样命名，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，羊瘙痒症可以在绵羊之间传播，但传染源难以捉摸，行为也很奇怪：从暴露到症状出现之间的潜伏期比细菌或病毒等传统致病因子的潜伏期长得多，而且通常会启动以消除此类入侵者的免疫反应似乎也缺失了。
这些怪异之处暗示，通常的嫌疑对象不是病因，但在这些报告发表后约20年里，羊瘙痒症仍然只是一种默默无闻的兽医疾病。但在20世纪50年代，当时在英国农业研究委员会康普顿野外站工作的威廉·哈德洛注意到，羊瘙痒症和一种神秘的人类疾病库鲁病之间存在明显的脑病理学相似之处。库鲁病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稳步下降，最终必然导致死亡。最终发现弗雷人中的这种疾病是由于部落成员之间互相残食死于该疾病的人而造成的，这意味着某种传染性病原体是罪魁祸首，并以某种方式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·卡尔顿·盖杜谢克和他的同事证实，这种疾病是可传播的，他们表明，通过将疾病受害者的脑组织物质直接注射到非人灵长类动物的大脑中，可以传播库鲁病。盖杜谢克的研究小组还认识到库鲁病和另一种神经退行性脑疾病之间存在关键的脑病理学相似之处：克雅氏病（CJD），一种快速进展型痴呆症，全球约有百万分之一的人患病。盖杜谢克继续证明，CJD可以像库鲁病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，加州大学旧金山分校的斯坦利·B·普鲁西纳确定了导致羊瘙痒症和相关疾病的病原体，这些疾病统称为海绵状脑病，因为它们使大脑呈现出瑞士奶酪的外观。在一系列精彩的实验中，他和他的同事们积累了令人信服的证据，证明传染源完全由一种原本无害的蛋白质PrP的错误折叠版本组成。普鲁西纳当时还创造了术语“朊病毒”（发音为“pree-on”），即“蛋白质性传染性颗粒”，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。）普鲁西纳的观点在他提出蛋白质可以传播疾病时引起了巨大的争议，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，尽管这些疾病缺乏经典朊病毒疾病的传染性，但它们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。与导致羊瘙痒症及其同类疾病的朊病毒一样，蛋白质种子可以被释放，被细胞吸收和运输，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统一我们对看似不同的疾病如何产生和造成破坏的思考。
错误折叠是阿尔茨海默病背后的原因吗？
早在20世纪60年代，这种联系的第一个线索就出现了，当时研究人员努力理解朊病毒疾病的奥秘，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的最常见原因，它悄无声息地出现，并在多年内无情地发展，剥夺受害者的记忆力、个性和最终的生命。阿尔茨海默病的发病率在65岁之后每五年翻一番，直到85岁时，几乎每三个成年人中就有一人患病。
当时的研究人员也了解到蛋白质聚集参与其中。在1906年，以其名字命名的疾病阿尔茨海默病的阿洛伊斯·阿尔茨海默将痴呆症与大脑中的两种特殊的微观异常联系起来：老年斑（现在已知是由一种名为淀粉样蛋白-β或Aβ的错误折叠的蛋白质片段组成的团块），位于细胞外，以及神经原纤维缠结（由一种名为tau蛋白的聚集物组成的丝状物），位于细胞内。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集合体，这些集合体也会干扰神经元的正常功能。
在20世纪60年代后期，盖杜谢克的研究小组开始检验阿尔茨海默病是否像羊瘙痒症、库鲁病和克雅氏病一样具有传染性的假设——因此他们将阿尔茨海默病患者的加工脑物质注射到非人灵长类动物的大脑中。后来，由当时在英国哈罗临床研究中心的罗莎琳德·里德利和哈里·贝克领导的一个研究小组也独立进行了类似的实验。盖杜谢克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，接受过加工的阿尔茨海默病脑物质的狨猴的Aβ斑块比对照组狨猴的Aβ斑块更丰富。
在这一点上，我们的研究小组考虑启动研究，以观察错误折叠的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聚集的连锁反应，最终导致在阿尔茨海默病中淹没大脑的那种蛋白质沉积物。但猴子中播种斑块形成需要大约五年或更长时间的潜伏期，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，我们的前景发生了很大变化，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（淀粉样前体蛋白的缩写）。我们与一群才华横溢的同事和学生一起，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特有的），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，而且每只转基因小鼠都会在相对一致的年龄自发地产生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有助于导致阿尔茨海默病痴呆症的神经退行性变，但大量证据表明，错误折叠的Aβ是该疾病发展的关键催化剂。事实上，许多阿尔茨海默病的风险因素都会影响与Aβ的产生、折叠、聚集或清除有关的细胞过程。导致疾病在很小年龄发病的基因突变会改变APP或从该前体中剪接Aβ的酶。科学家们现在也知道，大脑在症状出现前十年或更长时间就开始显示阿尔茨海默病的迹象——并且蛋白质的异常聚集发生在疾病过程的早期 [参见加里·斯蒂克斯撰写的“阿尔茨海默病：阻止黑暗”，第66页]。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，我们着手确定来自死于阿尔茨海默病患者的脑组织提取物是否会在APP转基因小鼠的大脑中引发Aβ聚集。换句话说，我们能否像朊病毒在海绵状脑病中触发PrP聚集一样，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样本。我们研磨组织，并在离心机中短暂旋转样本以去除较大的碎片。然后，我们将少量提取物注射到幼年转基因小鼠的大脑中。
结果是积极的。三到五个月后，在小鼠正常开始产生自己的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Aβ。Aβ斑块形成的程度与供体脑提取物中Aβ的量以及其潜伏时间成正比——如果您期望提取物引起斑块，您就会看到这些模式。最关键的是，缺乏聚集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沉积可以通过阿尔茨海默病脑提取物引发，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，我们询问在小鼠中看到的Aβ沉积物是否仅仅是注射的物质。这里的答案是否定的：一周后，在大脑中没有发现聚集的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种成分（Aβ除外）刺激的，也许是人类病毒。我们排除了这种可能性，因为我们证实，只要样本包含充足的聚集Aβ，来自老年但无病原体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。此外，由于来自非阿尔茨海默病大脑的提取物不会引起Aβ聚集，我们可以排除斑块只是对递送提取物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选择性地清除Aβ的抗体从脑提取物中去除Aβ。这个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，脑提取物未能诱导斑块形成。因此，我们证实了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。
我们现在相当确定错误折叠的Aβ是脑样本中的活性播种剂，但拼图的关键部分仍然难以捉摸。如果仅聚集的Aβ是种子，则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，实验室材料可能在细微但显然重要的方式上与直接从大脑中提取的材料不同。
考虑到这个警告，我们将各种形式的合成聚集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；在这个时间范围内没有明显的斑块形成启动。但是，普鲁西纳、简·斯托尔、库尔特·吉尔斯和他们在加州大学旧金山分校的合作者将合成的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，小鼠显示出明显的大脑播种Aβ沉积的证据。尽管合成种子的效力不如天然产生的Aβ种子，但这些发现提供了令人信服的证明，即纯的聚集Aβ本身，在没有其他因素的情况下，也能够刺激大脑中Aβ沉积物的形成。
在最近的实验中，我们开始研究Aβ种子的特征，这些特征使其能够促进大脑中的蛋白质聚集。由于播种提取物中的大部分Aβ蛋白质都包含在长而不溶性纤维中，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。通过在高速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组分：一个不溶性沉淀物，主要包含离心管底部的Aβ纤维，以及沉淀物上方的澄清液体，其中包含非常小的可溶性形式的Aβ蛋白质。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，其诱导Aβ聚集的效果与全脑提取物一样有效。然而，出乎意料的是，可溶性部分也强烈诱导Aβ聚集和斑块形成，尽管其包含的Aβ不到沉淀物组分的千分之一。更重要的是，可溶性种子很容易被蛋白酶K（一种酶）破坏，而不溶性种子则不然。
Aβ种子的大小和脆弱性可变，其中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集合体是特别有效的种子。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将其从大脑中消除的治疗方法。此外，由于可溶性，小种子可能很容易在体液中检测到，因此可以作为早期诊断阿尔茨海默病的分子哨兵，可能在痴呆症发作之前很久。由于蛋白质播种似乎在疾病的最早期阶段开始，因此拥有检测和中和这些种子的方法可能在预防脑损伤和痴呆症方面大有帮助。
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用途的机会，而种子蛋白质聚集也不例外。它不仅出现在疾病中，而且还可以在有益的过程中传递生物信息。例如，在20世纪90年代，美国国立卫生研究院的里德·威克纳提出，一些真菌蛋白质使用这种策略来帮助细胞生存，这一假设现在已在许多实验室中得到证实。此外，麻省理工学院的苏珊·林奎斯特和哥伦比亚大学的埃里克·R·坎德尔也倡导了一个有趣的假设，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种子蛋白质聚集在疾病中的作用。与大脑疾病相关的种子聚集蛋白质包括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（在许多神经退行性疾病中）。许多其他神经退行性疾病都涉及蛋白质聚集，重要的是要看看播种原理是否也适用于这些疾病。
在其他进展中，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，某些突变会增强这种倾向。由圣裘德儿童研究医院的J·保罗·泰勒和宾夕法尼亚大学的詹姆斯·肖特领导的一个研究小组报告说，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，播种聚集适用于导致神经系统外疾病的其他蛋白质，例如某些淀粉样变性和某些形式的癌症——并且涉及蛋白质朊病毒样传播的疾病谱可能继续扩大。
如果治疗方法要从我们对播种概念日益增长的理解中出现，我们必须确定错误折叠的蛋白质如何损害细胞和组织；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害。研究表明，聚集的蛋白质可以通过多种方式使细胞失效，包括引起聚集体与细胞成分的毒性相互作用或破坏生物分子的正常功能。与此同时，我们必须更充分地了解致病性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。对疾病进展的进一步见解也肯定会来自阐明细胞如何吸收、运输和释放蛋白质种子。最后，一个关键的未决问题是为什么衰老如此强烈地增加神经退行性疾病的风险。对这些问题的解答可能会为消除致病性蛋白质毒性提供新的方法。
越来越多的证据支持曾经非正统的观点，即简单的形状变化可以将蛋白质从朋友变成敌人。普鲁西纳在他的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被发现在其他退行性疾病中也起作用。21世纪的曙光见证了这一预测的实验证实。事实上，朊病毒样种子蛋白质聚集可能解释了一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，该框架可能有一天会转化为改变神经退行性疾病无情进展的治疗方法。