传染性蛋白的“负面”和“正面”（二）

传染性蛋白引起的淀粉样变性病（Amyloidosis）

文章摘要

蛋白质是生命活动的执行者，除了催化数千种化学反应，蛋白质还在生物的身体结构、信息传递、生物防卫等方面起不可缺少的作用。不同的生理功能不仅需要不同的蛋白质，还需要蛋白质分子形成各自的结构和形状。而蛋白质分子是由不分支的肽链组成的，从新合成的肽链到具有特定三维结构和有生理功能的蛋白质，需要复杂精细的肽链折叠过程。由于各种折叠方式之间的能量差别甚小，许多因素，包括自身浓度的变化、分子中一部分肽链缺失或者延长、基因突变引起的氨基酸残基改变、环境中酸碱度改变、离子浓度变化、周围的分子环境变化等，都能够使肽链的折叠方式发生改变。肽链折叠方式改变的后果之一，就是形成特殊的b-折叠：肽链中彼此平行而又方向相反的区段以氢键联系，形成片状结构，多个分子的这种片状结构还能逐层叠加，形成纤维状的聚合物。不仅如此，这样的结构还会使“正常”的蛋白也改变折叠方式，变成和自己一样的结构，因此这些结构的蛋白质具有“传染性”，也就是能够复制自己的结构，统称“传染性蛋白”，从英文的Prion一词意译而来。在许多情况下，这种“折叠错误”的蛋白会丧失原有的生理功能，而且其聚合物对细胞有害，引起疾病，包括疯牛病、痒羊病、人类的克-雅氏病、老年痴呆、帕金森氏症、杭廷顿氏症等中枢神经系统病症。除了这些疾病，折叠错误的蛋白还可以沉积在身体各处，引起各式各样的“淀粉样变性病”（Amyloidosis）。另一方面，Prion型的蛋白由于其稳定性和特殊结构，又可以获得新的生理功能，在生物材料的建造，物质储存、作为黑色素和牙釉合成时的模板、动物的长期记忆、以及免疫系统的信息传输中发挥重要作用，即一些传染性蛋白也能够发挥正常的，甚至不可替代的生理功能。本文以三个部分分别介绍传染性蛋白被发现的历史和形成机制、传染性蛋白所引起的疾病（负面），以及传染性蛋白执行的正常生理功能（正面）。

      人的淀粉样变性病早就为医生所知。早在1639年，一位叫Nicolaus Fontanus的医生在解剖一个有黄疸和腹水的年轻人的尸体时，发现他的脾脏里面有许多“白色的石头”，这也许是对淀粉变性病中淀粉样脾脏最早的描述。随后，淀粉样的白色物质在人体的多个组织中都有发现，包括脾脏、肝脏、肾脏、动脉壁、肠壁和脑组织。1854年，德国病理学家Rudolph Virchow用碘来染含有淀粉样物质的脑组织，错误地认为这些物质是淀粉性质的，因而使用了“淀粉样”（amyloid）这个词来形容这类物质。尽管其他研究者发现这类物质含有13-14%的氮，所以很可能是蛋白质，但是由于Rudolph Virchow的名声，amyloid这个词被一直沿用到今天，由它们引起的疾病仍然叫做“淀粉样变性病”（amyloidosis），即使现在大家都知道这类物质其实是由蛋白质组成的。在本文中，我们也沿用这个名称，因为它一直被科学文献所普遍使用，我们只要记得其实际意义是由传染性蛋白引起的“蛋白变性病”就行了。

      虽然这些疾病只限于患者本身，并不传染给他人，但是致病机制却与疯牛病和痒羊病一样，都是由动物体内“正常”的蛋白改变折叠形式造成的。这些引起疾病的蛋白都增加b-折叠的结构，都能够自我复制，都能够形成小纤维那样的聚合物，都能够被刚果红（Congo red）染色并且在被偏振光照射时发生双折射，在偏振光显微镜下呈苹果绿色，都能够被硫黄素T（ThioflavinT，ThT）染色而导致荧光增加和发射峰值红移（见本文第一部分）。这些共同点说明致病的蛋白质虽然各式各样，但是都形成类似的横向b-折叠，由此复制自己和聚合成为小纤维，而且都以聚合状态的形式发生作用。

      虽然有这些共同点，这些蛋白形成的b-折叠还是有一些区别的。即使是同一个蛋白，在不同的情况下也可以有不同的b-折叠形式，引起的疾病症状也有所区别。有的是全身性的，有的只影响某个组织，疾病的潜伏期也变化很大。

      下面我们具体介绍人类的淀粉样变性病，先介绍比较为大家熟悉的疾病，例如阿茨海默病和帕金森病，再介绍那些比较不为人知晓的淀粉样变性病。

阿茨海默症

      阿茨海默症（Alzheimer'sdisease，AD）是德国病理学家Alois Alzheimer于1936年最早报告的。和克-雅氏病类似，阿茨海默病也是一种中枢神经系统变性病，患者记忆发生问题，容易迷路，语言障碍，情绪不稳，生活不能自理，在中国俗称“老年痴呆症”。2015年，全世界约有3000万阿茨海默症患者，主要影响65岁以上的人。

      在显微镜下检查患者的脑组织，发现细胞外有淀粉样的沉积斑块。这些斑块由蛋白质组成，主要含有由36-43个氨基酸残基组成的蛋白质，叫做淀粉样b（Amyloid beta，Ab）。Ab蛋白质是一个大得多的前体蛋白（amyloid precursor protein，APP）的一部分。APP是神经细胞表面的一个跨膜蛋白，有一个很大的细胞外部分，包括其氨基端。大部分的细胞外部分先被b-分泌酶（b-secretase）除去，膜内的g-分泌酶再从膜内将肽链切断，就会产生淀粉样b片段Ab。这个片段可以改变折叠方式，形成b-折叠，即prion型的结构，并且将其它的Ab片段也转变为这种结构。Prion形式的Ab能够聚合成为小纤维，里面b-折叠的方向也和引起疯牛病的Prion蛋白形成的小纤维中那样，是垂直于小纤维的长轴的，并且能够被刚果红染色，在偏振光下呈现苹果绿的双折射现象。这说明Ab小纤维的结构和PrP^sc的结构非常相似，也像PrP^sc那样能够引起神经细胞的病变。

      除了神经细胞外的Ab淀粉样沉积，神经细胞内还有另一类淀粉样沉积，那就是由Tau蛋白改变结构引起的。Tau表示希腊字母t，功能是在细胞中与“细胞骨架”之一的“微管”（microtubule）结合，稳定微管结构，所以其基因叫做“与微管相连的蛋白tau基因”（Microtubule associated protein tau gene，MAPT gene）。“正常”的Tau蛋白是高度溶于水的，但是Tau蛋白也能够改变结构，形成横向b-折叠，像Prion蛋白那样形成小纤维，而且能够被刚果红染色，在偏振光下呈现苹果绿的双折射现象，说明细胞内的Tau蛋白沉积和细胞外的Ab沉积具有相似的淀粉样结构。所以阿茨海默病也许是神经细胞被这两种蛋白“双重攻击”的结果。

以上事实说明，阿茨海默病是由传染性蛋白引起的，而且机制和疯牛病极为相似，虽然Ab和Tau蛋白与PrP^sc是不同的蛋白质。这说明prion型的结构，而不是氨基酸序列，是引起疾病的原因。

帕金森氏症

      帕金森氏症（Parkinson's disease，PD）也是中枢神经系统变性病，于1817年由英国医生James Parkinson首先描述。这种疾病主要影响运动神经系统，所以又被称为“运动神经元病”。患者中腦黑質（substantia nigra）分泌多巴胺的細胞死亡，使患者相關腦區的多巴胺不足。患者身体颤抖，身体僵硬，行动迟缓，行走困难，情绪抑郁焦虑，认知能力受到影响，严重的有失智即痴呆。帕金森氏症主要影响60岁以上的人，2015年，全球有620万人发病，其中11多万人死亡，所以也是一个严重影响老年人健康的疾病。

      在显微镜下检查患者的脑组织，与阿茨海默症的情形相似，也发现了有蛋白聚合物。不过与阿茨海默症不同的是，这些蛋白聚合物不是细胞外，而是在细胞内，叫“路易氏体”（Lewy body）。路易氏体的主要成分是一种蛋白，叫做“a-突触核蛋白”（a-synuclein）。路易氏体可以被刚果红染色，并且在偏振光显微镜下呈现苹果绿色的双折射现象，说明它与痒羊病中的PrP^sc和阿茨海默症中的Ab具有类似的b-折叠结构。Ab还能够“诱导”a-突触核蛋白改变折叠方式，形成聚合物，因此帕金森氏症也是由传染性蛋白引起的疾病。

      路易氏体不是纤维状的，而是球形的，周围连有纤维状的细丝。这可能是由于路易氏体还含有其它蛋白（例如泛素）的缘故。路易氏体看来也不是杀死神经细胞的结构，而是变为Prion形式的a-突触核蛋白在低度聚集状态时对细胞的伤害。

杭廷顿氏症

      杭廷顿氏症（Huntington’s disease）也是中枢神经系统的病变，为美国医生George Huntington在1872年详细描述。其症状有些类似帕金森氏症，也是行动困难，最后发展为痴呆，但是发病年龄比帕金森氏症要早，30岁至50岁即可发病。早期的症状为无目的和突然的剧烈动作，扮鬼脸，耸肩，所以又叫做“杭廷顿舞蹈病”（Huntington’s Chorea）。

      杭廷顿氏症是遗传性的，起因是因为一个叫杭廷顿蛋白的基因（Huntingtin，HTT）序列发生改变，其中为连续多个谷氨酰胺残基编码的CAG重复序列被扩充。正常人的HTT基因含有6到35个CAG重复序列，而在引起疾病的HTT基因中，这个数量扩展为36个或以上，最多可以达到250个，这样细胞生产出来的杭廷顿蛋白（Huntingtin protein）就有36个或更多的谷氨酰胺连续序列。这种谷氨酰胺重复序列的扩展会使蛋白折叠的情形容易发生改变，形成Prion型的b-折叠，进而形成聚合物，在神经细胞内形成内含体（inclusion bodies）。这些内含物能够被刚果红染色并且在偏振光显微镜上呈现苹果绿色的双折射现象，说明它和上面谈到的Prion类型的蛋白质一样，具有横向b-折叠结构，因此其致病原理和上面提到的疾病是类似的，只是引起细胞伤害的沉积物（内含体），和帕金森氏症中神经细胞中的路易氏体一样，也是位于细胞内的，和多数位于细胞外的淀粉样沉积不同。

      迄今为止，我们介绍的淀粉样变性病，包括阿茨海默症、帕金森氏症、杭廷顿氏症，以及前面谈到的疯牛病、痒羊病、人类的克-雅氏病，库鲁病，影响的都是中枢神经系统，但是这并不意味着淀粉样变性病只影响中枢神经系统。这些疾病影响中枢神经系统，是因为致病的蛋白，Prion蛋白、淀粉样b蛋白（Ab）、以及杭廷顿蛋白，都主要表达在中枢神经系统中，它们的结构改变自然会“就近”影响它们所在的神经细胞。如果传染性蛋白不是表达在中枢神经系统中，它们引起的病变也就会发生在身体的其它组织和器官中。下面介绍的就是影响身体其它组织和器官的淀粉样变性病。

超氧化物歧化酶变异引起的外周神经疾病

      超氧化物歧化酶（superoxide dismutase SOD）是身体对抗超氧离子（O₂^-）破坏作用的酶，它能够把超氧离子变为氧和过氧化氢。人体内还有过氧化氢酶（Catalase），能够把过氧化氢变为氧和水，超氧离子的毒性就被完全除掉了。人体含有三种SOD：SOD1存在于细胞质中，SOD2存在于线粒体中，SOD3存在于细胞外。它们都含有金属离子作为辅基，其中SOD1和SOD3都含有铜和锌，而SOD2含有锰。SOD1和SOD2以同质二聚体的形式存在，而SOD3以同质四聚体的形式存在。这些SOD的分子形状都类似球形，都含有b-折叠。

      SOD1和SOD3的一些基因突变都能够改变蛋白中肽链的折叠方式，转变为Prion型的b-折叠结构，形成不溶于水的聚合物，引起周围神经的疾病。

      肌萎缩性脊髓侧索硬化症（amyotrophic lateral sclerosis, ALS）是一种渐进性的运动神经病变，运动神经元退化死亡，肌肉萎缩，最后大脑完全失去主动控制运动的能力。大部分病例的发病原因不明，少部分是遗传性的，SOD1蛋白第90位的氨基酸残基从天冬氨酸变为丙氨酸（Asp90Ala）引起的ALS约占遗传性ALS病例的约20%。神经细胞和星形胶质细胞（astrocyte）内出现沉积物，内中含有突变形式的SOD1蛋白，据信是引起这些细胞受损的原因。

SOD3蛋白第213位的精氨酸残基变为甘氨酸残基（Arg213Gly）会导致家族性淀粉样多发神经病变（familial amyloidotic polyneuropathy，FAP）。一名患者在25岁时发生周围神经病变，然后心脏、肾脏和自主神经受到损害，最后死亡。变异的SOD3蛋白在这些组织和器官内都有沉积，尸检还发现血管周围和小肠上也有淀粉样沉积。

抗体轻链型淀粉样变性病

      抗体轻链型淀粉样变性病（Amyloid light-chain amyloidosis，AL）是抗体轻链不正常产生而后变性引起的疾病。抗体是由浆细胞（plasma cell）产生的，用来结合外来分子的蛋白质，是人体免疫系统的重要成分。抗体由重链和轻链组成，这就要求重链和轻链在细胞中形成的数量必须匹配，如果其中一种产生的量超过另一种，就会使一些分子找不到“结合对象”，而这样的状态是不稳定的，容易改变折叠方式并且聚合，在身体各处沉积下来，引起病症。这些沉积能够被刚果红染色，并且在偏振光下呈现苹果绿的双折射现象，说明这些沉积是Prion型的。

由于多余的轻链存在于血液中，其聚合物可以随着血液循环到达身体各处，所以可以沉积在身体的许多组织和器官上，包括外周神经、骨骼、心脏、肝脏、肺脏、肾脏、肾上腺、脾脏、甲状腺、胃肠道和皮肤等，引起淋巴结和肝脾肿大、骨痛、骨折、心律不齐、呼吸困难、皮肤颜色改变等。其中肾脏是最常见的受影响的器官，半数以上患者表现为肾病综合征，伴有高血压和肾功能不全。当肾脏的功能被破坏到一定程度时，轻链蛋白会通过肾小管，进入尿中，这个现象为英国医生Henry Bence Jones 于1848年报告，因此尿中的轻链蛋白也叫做Bence Jones 蛋白。

      沉积物中的抗体轻链是由单克隆的浆细胞所产生的，也就是所有的轻链分子都具有同样的氨基酸序列。研究发现，所有能够引起AL 淀粉样变性病的抗体轻链都含有可变部分，即在正常情况下用于结合外来物质的部分。这部分序列是由抗体产生时通过所谓的VJ 重组（VJ recombination）所产生的。轻链中的可变段是由多个DNA片段编码的，这些片段随机地组合在一起，可以形成多种不同的可变段氨基酸序列。轻链的可变部分再和重链的可变部分结合在一起，就可以产生数量庞大的对外来物质的结合面，这正是抗体分子产生机制的巧妙之处。不过这个巧妙的机制也有它的缺点，就是偶尔会产生能够形成prion结构的轻链。

抗体重链淀粉样变性病

      抗体重链淀粉样变性病（Amyloid heavy-chain amyloidosis）远比轻链淀粉样变性病少见，但是也有确实的病例报告，说明抗体的重链也可以改变折叠方式，形成Prion型的结构。

      例如在1990年，美国就报告了这样一个病例。一位65岁的妇女来就诊时有黄疸，腹痛，持续性消瘦，肾功能也有问题，不久后死于肝衰竭和肾衰竭。对这位妇女的组织检查发现，她的肝脏、心脏、肾脏和脾脏中都有淀粉样沉积，这些沉积能够被刚果红染色，并且在偏振光显微镜下呈现苹果绿的双折射现象，说明她患的全身性的淀粉样变性病。

      她的淀粉样沉积所含的蛋白质主要是一种抗体的重链，其中可变部分完全保留，而不变部分有缺失。这说明和轻链淀粉样变性病类似，也是肽链的可变部分发生了折叠方式的变化，形成了Prion结构的聚合物。这种重链也是单克隆的，说明这也是只由一种抗体的重链变性而导致的疾病。

血清蛋白A引起的淀粉样变性病

      血清蛋白A由肝脏合成，由于可以引起淀粉样变性病又被称为血清淀粉样蛋白A（Serum Amyloidprotein A, SAA），在身体有炎症时在血液中的浓度可以增加1000倍以上，但是其生理功能还不完全清楚。当身体有慢性炎症时，例如类风湿性关节炎（rheumatoid arthritis）、胃肠道炎症（gastrointestinal inflammatory disease）、慢性感染例如肺结核、由艾滋病引起的感染等，血清淀粉样蛋白A的浓度持续升高，就有可能诱发全身淀粉样变性病

      血清蛋白A引起的淀粉样变性病（Serum protein A Amyloidosis，AA）是一种全身性的淀粉样病变，症状包括肾脏功能受损引起的蛋白尿、胃肠道功能受损引起的腹泻和吸收不良、肝脏、脾脏和甲状腺肿大、多发性神经病变等。这些沉积物能够被刚果红染色并且在偏振光显微镜下呈现苹果绿色双折射现象，说明这些沉积物也具有Prion蛋白小纤维那样的横向b-折叠结构。

      血清淀粉样蛋白A由104个氨基酸残基组成，其中氨基端的66-76个氨基酸残基长的片段有形成prion型b-折叠的能力，但是在完整的血清蛋白A中这种折叠不会发生，而是主要形成a-螺旋。当分子的羧基端被除去后，余下的氨基端就会改变折叠方式，形成淀粉样沉积。这个过程可能是在巨噬细胞中开始的。血清蛋白A通常是由巨噬细胞降解的，如果降解过程不完全，没有将它完全分解为氨基酸，而是只进行了部分水解，就会形成致病的氨基端。

      有趣的是，同样的现象也出现在小鼠身上。如果让小鼠处于持续发炎的状态3-4个星期，小鼠的脾脏中就会出现淀粉样沉淀。如果把这个沉淀注射给刚开始炎症的小鼠，则脾脏中出现淀粉样沉淀的时间就缩短为3天。不仅如此，患有轻链型淀粉样变性病（AL）小鼠的单核细胞（mononuclear cells）也有类似的效果，甚至患轻链型淀粉样变性病的人的单核细胞也能缩短炎症小鼠淀粉样沉积出现的时间，这说明轻链型淀粉样变性病的沉积（无论是人的还是小鼠的）和小鼠的血清蛋白A沉积有类似的b-折叠结构，以致前者可以作为后者形成的“种子”。这说明有些传染性蛋白不仅能够改变同种蛋白的结构，也能够改变其它传染性蛋白的结构，即一种传染性蛋白还能够“传染”另一种传染性蛋白。

长期肾透析引起的b-微球蛋白腕管综合征

      肾透析是用人工生产的半透膜来除去血液中多余的水分和小分子废物。“半透膜”的意思是这种膜只允许比较小的分子和离子通过，而红血球和大的蛋白分子是不能通过半透膜的。肾透析是维持肾功能受损的人的生命的一种重要和有效的手段，但是长期肾透析也会带来一些问题，其中包括一些蛋白质不能通过半透膜而在血液中积累，继而改变折叠方式，引起疾病，例如腕管综合征。

      人的第I型组织相容性抗原（classI major histocompatibility complex I，MHC I）是细胞表面向身体报告细胞中是否有病毒入侵的重要蛋白复合物。MHC I由两个蛋白质亚基组成，一个是a-蛋白，另一个是b-微球蛋白（b-microglobulin）。在正常情况下，b-微球蛋白是在肾脏中被代谢掉的。血液中的b-微球蛋白先在肾小球中被过滤出去，再在肾小管中被吸收回来并且就地降解。

      但是在透析过程中，b-微球蛋白却通不过透析膜。这个蛋白的分子量为11.8 kDa，对于透析膜上的孔来说是太大了。长期透析（例如5年以上）会造成滞留在血液中的b-微球蛋白改变折叠方式，变成Prion型的b-折叠，在身体各处形成沉积物，引起症状，特别是沉积在关节处，引起关节痛，以及在腕管滑液（Carpal tunnel synovia）中和筋腱上。由于腕神经是通过腕管进入手掌的，淀粉样沉积会压迫腕神经，造成麻和针刺的感觉，叫做腕管综合征（Carpal tunnel syndrome，CTS）。腕管综合症的发病率与透析时间成正相关，透析超过10年的患者约有10%会出现腕管综合征。

      这些沉积物能够被刚果红染色并且在偏振光显微镜下呈现苹果绿色双折射现象，说明b-微球蛋白形成的淀粉样沉淀和Prion蛋白的结构相似，它所引起的疾病也是淀粉样变性病。

甲状腺素和视黄醇转运蛋白引起的淀粉样变性病

      甲状腺素和视黄醇转运蛋白（transthyretin）是血液中转运甲状腺素（thyroxine）和在眼中转运视黄醇（retinol）的蛋白质，分别由肝脏和眼内的色素细胞层合成，所以其名称来自transports thyroxineand retinol，简称TTR。

      TTR蛋白以同质四聚体的形式执行其生理功能。TTR分子以b-折叠相互联系，形成二聚体，两个二聚体再聚合成四聚体。由于TTR分子自身就含有大量的b-折叠，所以比较容易将原先的b-折叠改变为Prion型的b-折叠，再进而形成小纤维那样的结构，在身体各处和眼睛中沉积下来，引起疾病。TTR沉积物也能够被刚果红染色并且在偏振光显微镜下呈现苹果绿的双折射现象，说明TTR沉积物也是以Prion型的结构引起疾病的。

基因突变能够改变TTR分子中的个别氨基酸，使得TTR更容易改变为Prion类型的结构。但无论是“正常”的（即没有氨基酸序列改变的）TTR和有基因突变的TTR（即有氨基酸序列改变的）都可以引起淀粉样变性病，但是影响的器官不同，症状也有所差别。由TTR蛋白引起的淀粉样变性病主要有三种:家族性多发神经淀粉样变性病、家族性心肌淀粉样变性病，以及老年全身性淀粉样变性病。前两种是基因突变引起的，有遗传性，在家族中常有多人受影响，而第三种不是基因突变引起的，也没有遗传性。

一个常见的TTR基因突变就是使蛋白中第30位的氨基酸从缬氨酸变为蛋氨酸（Val30Met），这个突变引起的淀粉样变性病主要影响周围感觉神经和自主性神经，所以叫做家族性多发神经淀粉样变性病（Familial Amyloid Polyneuropathy，FAP），全世界约有1万个病例报告。患者20多岁即可发病，一开始患者感觉脚趾发麻和疼痛，皮肤逐渐丧失触觉和对温度的感觉。症状逐渐向上蔓延，影响小腿、大腿，最后到上肢，患者感觉神经有火烧样的疼痛，行走困难，便秘和腹泻交替出现，恶心，呕吐，体重减轻，眼中可有玻璃体混浊。

其它一些TTR基因的突变，例如第60位的苏氨酸变为丙氨酸（Thr60Ala）、第68位的异亮氨酸变为亮氨酸（Ile68Leu）、第111位的亮氨酸变为蛋氨酸（Leu111Met），第122位的缬氨酸变为异亮氨酸（Val22Ile），则主要影响心脏，叫做家族性心肌淀粉样变性病（Familial Amyloid Cardiomyopathy，FAC）。它能够影响心脏的几乎所有组织，包括心脏跳动信号的传导系统、心室、心房、瓣膜、冠状动脉、大动脉等，引起气短（即使在轻微运动后）、心悸、心律不齐、运动后容易晕厥，心脏肿大，最后发展为心衰竭。其它症状包括下肢水肿、疲乏、体重减轻、胸痛等。

      TTR在没有氨基酸序列改变的情况下也可以改变折叠状况，变成Prion型的沉积物，引起疾病。由于它主要影响老年人，所以被称为老年全身性淀粉样变性病（senile systemic amyloidosis，SSA）。据估计，80岁以上的老人中，约有25%可能患这种疾病。由于这种疾病和FAC一样主要影响心脏，所以又叫做老年淀粉样心脏病变（senile cardiac amyloidosis，SCA），症状和FAC也非常相似。

      由于TTR主要是由肝脏生产的，治疗遗传性TTR淀粉样变性病（即由TTR基因突变引起的疾病）的一个办法就是实行肝移植。肝移植不能改变全身的TTR基因，却可以在移植的肝脏中获得正常的TTR基因，生产出正常的TTR蛋白。这不会改变眼中TTR基因突变引起的后果，例如玻璃体混浊，也不能消除患者到老年时患老年全身性淀粉样变性病的危险，但是至少可以治疗已经出现的其它全身性症状。

胰岛淀粉样蛋白引起的胰岛细胞死亡

      胰岛的b-细胞除了分泌胰岛素，调节血糖外，还同时分泌一种蛋白，叫做胰岛淀粉样多肽（islet amyloid polypeptide，IAPP）。由于它能转变为Prion型的淀粉样沉积，这种蛋白也叫做Amylin，其生理作用是在脑中产生饱足感，促使人停止进食，同时延缓胃排空时间，总的效果就是避免进食后血糖水平爆发性的增加。

Amylin是和胰岛素一起分泌到血流中的，和胰岛素的分子数量比约为100:1，也就是每分泌一个胰岛素分子，就要同时分泌100个Amylin分子。而且Amylin基因和胰岛素基因使用同一个启动子，胰岛素分泌增多时，Amylin的分泌也相应增加。在II型糖尿病中，身体对胰岛素的敏感度下降，促使身体分泌更多的胰岛素，这会同时使得Amylin的分泌增加，这两个因素加起来，就会使Amylin在血液中的浓度大大增加，容易形成淀粉样沉淀，引起疾病。Amylin分子形成的淀粉样沉淀可以被刚果红染色并且在偏振光显微镜上呈现苹果绿色的双折射现象，说明Amylin形成的沉积物也Prion蛋白具有相似的横向b-折叠结构。

      Amylin基因为89个氨基酸残基编码，但是最后起生理作用的蛋白只含有37个氨基酸残基。从最初合成的蛋白质到Amylin，要经过多个修饰步骤。首先由22个氨基酸残基组成的信号肽链被切除掉，形成有67个氨基酸残基的前体蛋白（proIAPP）。然后11个氨基酸残基从前体蛋白的氨基端去掉，16个氨基酸残基从前体蛋白的羧基端去掉，羧基肽酶再除去羧基端的两个氨基酸残基，暴露出羧基末端的甘氨酸氨基。另一个酶把这个甘氨酸残基中的羧基和中心碳原子除去，只留下其氨基与肽链相连，形成肽链两端都是氨基的情形。IAPP分子第2位和第7位的半胱氨酸残基之间形成二硫键，Amylin分子才最后完成。这个二硫键和羧基端的氨基对于Amylin的生理活性都是必要的。

      在胰岛素分泌大量增加时，前体蛋白也大量形成，可是加工前体蛋白的活性，特别是除去氨基端11个氨基酸残基的活性跟不上，使得前体蛋白大量淤积，于是前体蛋白的折叠状况发生变化，转变为Prion型的结构。形成Prion型结构的前体蛋白又可以作为“种子”，使分泌出去的Amylin分子也改变折叠方式，形成淀粉样沉积，引起胰岛b-细胞的死亡。在II型糖尿病患者的胰岛可以发现Amylin的淀粉样沉淀，是II型糖尿病的特征之一。

溶菌酶变异引起的淀粉样变性病

      溶菌酶（lysozyme）是人体分泌的用于对抗细菌的蛋白质。溶菌酶可以分解构成细菌细胞壁的糖蛋白，使细菌失去细胞壁的机械支撑而破裂死亡。溶菌酶主要由肝脏、消化道和巨噬细胞生产，在眼泪、唾液、黏膜、和母奶中都大量存在，是人体对抗细菌感染的重要手段之一。

      溶菌酶是球形的分子，含有大量的a-螺旋结构，而没有b-折叠。但是基因突变可以改变溶菌酶中某些氨基酸，使得溶菌酶原来的结构变得不稳定，容易转变成为b-折叠，形成prion型的结构，在身体内形成沉积，引起淀粉样变性病。这些沉积的性质可以用刚果红染色和在偏振光显微镜下苹果绿的双折射现象得到确认。已经报道的基因突变有：第56位的异亮氨酸变为苏氨酸（Ile56Thr）、第57位的苯丙氨酸变为异亮氨酸（Phe57Ile）、第64位的氨基酸从色氨酸变为精氨酸（Trp64Arg）、和第67位的天冬氨酸变为组氨酸（Asp67His）。

溶菌酶引起的淀粉样变性病主要影响唾液腺和泪腺、消化道、以及维管系统（包括血管和淋巴系统），分别引起干燥综合症（sicca syndrome）、腹泻和腹痛、肾损伤和淋巴结出血，但是不侵犯神经系统。不同的基因突变造成的氨基酸残基的改变彼此有所差别，形成的淀粉样沉淀彼此不同，侵犯的器官和组织不同，所引起的症状也不完全一样。轻的只有腹泻、腹痛和营养不良，而严重的会有肾损伤，需要肾透析或肾移植；以及肝脏破裂，需要手术修复。

纤维蛋白原变异引起的家族性肾病

      纤维蛋白原（fibrinogen）是由肝细胞生产的，用于凝血的蛋白质，目的是防止血管损伤时过度出血。纤维蛋白原由两个部分组成，每个部分含有三个不同的肽链，分别叫做a、b、g，所以每个纤维蛋白原总共含有6根肽链。在有组织损伤时，纤维蛋白原中的a链和b链的氨基端被纤维蛋白酶（thrombin）水解而被除去，余下的部分叫做纤维蛋白（fibrin）。纤维蛋白能够聚合成长纤维，并且彼此交联，将血细胞包裹其中，形成凝血块，堵塞血管破裂处，防止继续出血。

      纤维蛋白原是溶于水的，主要由a-螺旋组成。但是如果纤维蛋白原的基因，例如为a-链编码的基因发生突变，改变a-链中的一个氨基酸，就会使得纤维蛋白原结构不再稳定，折叠状况改变，形成b-折叠，像prion蛋白那样聚集成为不溶于水的沉积物，引起疾病。已经报道的能够引起纤维蛋白原淀粉样沉积的基因突变都发生在为a-链编码的基因上，包括第526位的谷氨酸变为缬氨酸（Glu526Val）、第543位的苯丙氨酸变为赖氨酸（Phe543Lys）、第545位的谷氨酸变为赖氨酸（Glu545Lys）、第554位的精氨酸变为亮氨酸（Arg554Leu）、第573位的苯丙氨酸变为组氨酸（Phe573His）、第574位的甘氨酸变为苯丙氨酸（Gly574Phe），以及第1611位的丙氨酸被删除（1611delA）。除了第1611的丙氨酸被删除外，其余5种突变都发生在一个窄小的区域内（从526位到574位），说明这个区域内的氨基酸残基对肽链的折叠方式非常重要，稍有改变就会使a-螺旋变为b-折叠。

      纤维蛋白原引起的淀粉样变性病不影响神经系统，而主要影响肾功能，症状包括蛋白尿、高血压和氮血症（azotemia），即由于肾脏清除废物的功能降低，血液中含氮废物的浓度升高，包括尿素、肌酐（creatinine），以及其它含氮废物。症状有时还会很严重，例如在一个秘鲁裔的家族中，就有三位成员由于纤维蛋白原淀粉样变性病而死亡。

胱抑素蛋白变异引起的脑部疾病

      半胱氨酸蛋白酶抑制蛋白（cystatin C，简称胱抑素）是一种蛋白酶抑制蛋白，能够抑制细胞溶酶体中的半胱氨酸蛋白酶（在催化反应中心使用半胱氨酸残基的蛋白酶）的活性。人体所有具有细胞核的细胞都会生产胱抑素，所有的体液也都含有胱抑素，所以胱抑素是身体防止细胞受损时释放出的溶酶体蛋白酶破坏身体组织的防线。

      胱抑素是一个小蛋白，只含有120个氨基酸残基，含有a-螺旋和b-折叠。如果胱抑素的基因发生突变，改变其中的一个氨基酸残基，就有可能改变胱抑素肽链的折叠情形，形成prion蛋白那样的横向b-折叠结构，形成淀粉样沉积物，引起疾病。

      在冰岛发现了一种疾病，患者脑部血管病变，造成脑溢血或者中风，使患者在40岁以前死亡。这些患者的脑组织中并没有阿茨海默症患者的脑组织那样有淀粉样的斑块沉积，而是在脑血管中有淀粉样沉积，可以用刚果红染色和偏振光下的双折射现象确认。对受影响的8个家族的128位患者的研究发现，这些沉积物含有一种变异的胱抑素蛋白，其氨基端的10个氨基酸残基缺失，而且在第68位上亮氨酸被谷氨酸代替（Leu68Glu）。这两个改变看来使脑中胱抑素改变了肽链的折叠方式，成为致病蛋白。

凝溶胶蛋白变异引起的角膜病变

      凝溶胶蛋白（gelsolin）是影响肌动蛋白（actin）聚合和解聚的蛋白质，使得含有肌动蛋白的液体在凝胶（gel）状态和溶胶（sol）状态之间转换，因而得名。肌动蛋白是重要的“细胞骨架”之一，它们聚集成长丝，成为支撑细胞形状的“骨架”，同时还作为“轨道”，使肌球蛋白（myosin）沿着其长丝滑动，在细胞运动、肌肉收缩、细胞内的“货物运输”中发挥重要作用，而这些活动都离不开凝溶胶蛋白的作用。凝溶胶蛋白在细胞内（细胞质和线粒体）和细胞外（血浆）中都存在。

      基因突变导致的凝溶胶蛋白中个别氨基酸残基变化，能够改变凝溶胶蛋白的折叠方式，使它变为Prion型的蛋白质，在体内沉积，引起疾病。根据突变引起的氨基酸残基改变的不同，聚合物沉积的地方不同，引起的症状也不同。

      一种基因的突变使得凝溶胶蛋白第187位的天冬氨酸变为天冬酰胺（Asp187Asn）。这个突变首先在一些芬兰家族中发现，所引起的疾病也叫做芬兰型全身性淀粉样变性病（Familial Amyloidosis，Finnish type）。患者角膜中出现淀粉样沉淀，引起角膜网络病变症（Lattice corneal dystrophy），使角膜变得浑浊，影响视力。除了角膜，在皮肤中也有淀粉样沉积，包括沉积在皮肤的血管、神经和弹性纤维上，使皮肤失去弹性，导致皮肤松弛症（cutis laxa）和皮肤内出血。淀粉样沉积还会造成神经纤维的退化，导致面部皮肤瘫痪。如果运动神经受到影响，还会引起运动失调和全身瘫痪。

      相反，如果基因突变造成的氨基酸残基改变不是发生在第187位，而是第184位，氨基酸残基从天冬酰胺变为赖氨酸（Asn184Lys），或者第167位的氨基酸残基从甘氨酸变为精氨酸（Gly167Arg），凝溶胶蛋白就不是沉积在角膜和皮肤中，而是只影响肾功能，症状从蛋白尿到肾功能衰竭。

载脂蛋白A-I引起的淀粉样变性病

      载脂蛋白（apolipoproteins）能够结合脂性分子如甘油三脂和胆固醇，形成脂蛋白（lipoproteins），在血液运输脂肪的过程中起重要作用。载脂蛋白有多种，其中的载脂蛋白A-I（Apolipoprotein A-I，ApoA-I）是血浆中高密度脂蛋白（high density lipoprotein，HDL）的主要蛋白成分（约占70%），在胆固醇的运输中起重要作用。

      ApoA-I由肝脏和肠道细胞合成，由243个氨基酸残基组成。在血液中，大约95%的ApoA-I结合在高密度脂蛋白中，分子构造80%为a-螺旋，没有b-折叠。其余的5%以不结合脂肪分子的形式存在，分子中也有大约60%的肽链部分在a-螺旋中，没有b-折叠。这部分游离的ApoA-I分子，特别是其中氨基端的100个左右的肽链部分，容易改变折叠情况。基因突变也会改变ApoA-I的折叠状况，形成b-折叠，像Prion蛋白那样形成分子聚合物，在身体各处沉积，引起淀粉样变性病。

从患者身上的淀粉样沉积提取到的ApoA-I一般不是完整的蛋白分子，而只是氨基端的几十个氨基酸残基组成的肽链，长度从83到100个氨基酸残基。有些这样的片段并不含有氨基酸序列的变化，但也有许多含有个别氨基酸残基的变化。根据有无氨基酸序列的变化和变化的具体情形，症状的差别也很大。有的是全身性的，有的只限于某个器官（通常是肾脏）；有的影响神经系统，有的与神经系统无关，说明沉积的地点和致病性与片段的性质有关。ApoA-I的例子在这方面很有代表性，因此在下面比较详细地加以介绍。

第26位的甘氨酸变为精氨酸（Gly26Arg）能够引起全身性的淀粉样变性病，包括影响外周神经的多发性神经病变（polyneuropathy）。从一位死于这种病的患者的肝脏和脾脏提取的淀粉样沉积物，发现其主要成分为ApoA-I蛋白的氨基端部分（残基1-83），其中含有第26位变化了的氨基酸，从甘氨酸变为精氨酸，肽链会增加一个正电荷。

第50位的氨基酸残基从色氨酸变为精氨酸（Trp50Arg），肽链也会增加一个正电荷，但是这样的改变并不影响神经系统，而主要影响肾脏。从患者的肾脏提取的淀粉样沉积物含有ApoA-I的氨基端部分（残基1-86、1-92、1-93），自然也含有第50位变化了的氨基酸。患者肾病综合症日益严重，最后不得不进行肾移植。

第60位的亮氨酸残基变为精氨酸（Leu60Arg），肽链也增加一个正电荷。这个变化不影响神经系统，也对肾脏影响不大，而主要影响肝脏和脾脏，在患者的肝脏和脾脏中都发现大量的ApoA-I淀粉样沉积，其中的ApoA-I也不是全长，而是氨基端部分（残基1-88、1-92、1-93、1-94），而且都含有第60位的氨基酸变化。

第64位的氨基酸残基从亮氨酸变为脯氨酸（Leu64Pro），不引起肽链电荷变化。这个突变只影响肾脏，其淀粉样沉积物中的ApoA-I含有蛋白的氨基端部分（残基1-96）。

第75位的氨基酸残基从亮氨酸变为脯氨酸（Leu75Pro）也不引起肽链的电荷变化。这个变化主要影响肝脏和肾脏。患者肝脏指标（碱性磷酸酶和γ-谷氨酰转肽酶）持续升高。一些患者发展出肾衰竭。

第90位的亮氨酸变为脯氨酸（Leu90Pro）会引起心肌和皮肤的淀粉样病变。患者在54岁时死于心脏衰竭。生前心功能受损，稍作活动即呼吸困难（excertional dyspnea）。皮肤出现溃疡，从前额开始，逐渐扩散到脸部、颈部、肩部和上臂。心脏中的淀粉样沉积可以用刚果红染色，其中蛋白为ApoA-I蛋白的氨基端（最长为残基1-94）。这个肽链部分也含有第90位的氨基酸残基改变，这个改变不造成ApoA-I蛋白的电荷变化。

在一些情况下，基因突变不限于单个核苷酸的变化，而是若干碱基的缺失。例如在英国就发现了这样一个家族，三代人中都有人患肾病，有人因此死亡，也有人在做肾移植后存活。检查受影响的成员的DNA，发现有肾病的成员在ApoA-I基因中有9个碱基缺失，造成ApoA-I蛋白中三个氨基酸残基的缺失，即第70位的谷氨酸、第71位的苯丙氨酸和第72位的色氨酸（Glu70Phe71Trp72del）。这个变化也使得ApoA-I蛋白减少了一个正负电荷。

另一种碱基缺失同时又有碱基插入的例子是在一个西班牙家族中发现的。受影响的成员常常在50多岁就死于肝脏衰竭。患者肾脏中的淀粉样沉积含有ApoA-I蛋白的氨基端部分（残基1-83/92）。检查患者的ApoA-I基因，发现ApoA-I蛋白中第60到第71的12个氨基酸残基缺失（Leu60Arg61Glu62Gln63Leu64Gly65Pro66Val67Thr68Gln69Glu70Phe71del），同时又在缺失的地方添加了另外两个氨基酸残基缬氨酸/苏氨酸。这个变化也减少一个负电荷。

以上所列举的氨基酸残基变化都发生在ApoA-I蛋白氨基端的100个残基内。但是在这100氨基端残基外的氨基酸残基变化，虽然不包含在沉积物中的ApoA-I氨基端肽链内，也能够引起淀粉样变性病。

第172位的谷氨酰胺变为脯氨酸（Gln172Pro）会引起心肌病变，而第173位的精氨酸变为脯氨酸（Arg173Pro）除了造成心肌病变，也会造成皮肤病变。从心肌提取的淀粉样沉积发现沉积物为ApoA-I蛋白的氨基端部分（1-90/100）。同样是在173位上的氨基酸残基改变，但是精氨酸不是变为脯氨酸，而是变为半胱氨酸（Arg173Cys），不但不引起疾病，反而会增加人的寿命。这个变化是在意大利的Milano地方发现的，所以又叫做Milano型变异（apolipoproteinA-1 Milano）。

第174位上的亮氨酸变为丝氨酸（Leu174Ser）会造成心肌病变。从心脏提取的淀粉样沉积物含有ApoA-I蛋白的氨基端（残基1-93）。从ApoA-I蛋白结构的3D模型来看，残基174的位置靠近第93位的缬氨酸残基，也许是这个氨基酸残基的变化使得ApoA-I蛋白容易从第93位被切断。

第178位的亮氨酸变为组氨酸（Leu78His）会造成心肌、咽喉和皮肤病变。有趣的是，从皮肤提取到的淀粉样沉积不仅含有ApoA-I蛋白的氨基端，还含有完整的甲状腺素和视黄醇转运蛋白（transthyretin，TTR）。TTR蛋白自身就可以引起淀粉样变性病（见上文），TTR蛋白在ApoA-I蛋白沉积物中说明引起淀粉样变性病的蛋白之间可以相互作用，促进沉积物的形成。

即使没有ApoA-I的基因突变，其蛋白的氨基端仍然可以引起淀粉样变性病，说明其氨基端本身就有变为Prion型结构的倾向。

例如一种ApoA-I基团突变，在第107位上形成的一个转译终止信号，结果只合成氨基端的106个氨基酸残基。这个片段就能够形成淀粉样沉淀，沉积于主动脉（aorta）的内壁。ApoA-I蛋白沉积或者单独存在，或者存在于动脉粥样硬化的斑块中。

膝盖淀粉样病变也可以由没有突变的ApoA-I蛋白的氨基端沉积引起。从患者膝盖半月板（meniscus）提取的沉积物含有ApoA-I蛋白的氨基端（残基1-60/77），可以被刚果红染色并且在偏振光显微镜上呈现双折射现象。

无变异的ApoA-I蛋白也发现于有神经淀粉样病变的患者中。患者腿部皮肤失去感觉，睡觉时小腿肌肉发生痉挛，后来发生站立困难。神经周围的单核细胞（mononuclear cell）和巨噬细胞（macrophage）内含有淀粉样沉积。这些沉积中的蛋白为没有变异的ApoA-I蛋白，能够被刚果红染色并且在偏振光显微镜上呈现双折射现象，说明是ApoA-I蛋白形成的淀粉样沉积。

这些例子说明，即使是同一种蛋白，是否有氨基酸残基的变化，变化的位置和情形，都会影响Prion型结构的细微特征以及在身体中沉淀的位置，对蛋白致病的情形有很大的影响。

载脂蛋白A-II引起的淀粉样变性病

另一个载脂蛋白，ApoA-II，也能够引起淀粉样变性病。ApoA-II是高密度脂蛋白中第二多的蛋白（约占20%），分子量比ApoA-I小得多，只含有77个氨基酸残基，大小和ApoA-I形成淀粉样沉积的氨基端部分的大小差不多。然而ApoA-II很少引起淀粉样变性病，原因也许是ApoA-II分子高度亲脂，不容易从高密度脂蛋白上解离，也就是不容易形成游离的ApoA-II分子，也就很少有改变分子结构的机会。

但是有一种基因突变改变了这种情形。在为ApoA-II蛋白最后一个氨基酸残基（谷氨酰胺）编码的DNA序列后面，是一个转译终止码TGA。在这里，一个G到T的突变使得TGA变成了TTA，变为为亮氨酸编码的三联码，原来的终止码却消失了。这样，ApoA-II的转译就不在这里终止，而是再多合成21个氨基酸残基，直到遇到后面的转译终止码为止（称为78Leuext21）。这多出来的21个氨基酸残基会改变ApoA-II的折叠状况，从几乎全部为a-螺旋变为b-折叠。这个形状改变也会影响ApoA-II分子组入高密度脂蛋白的情形，使它变成聚积物，在身体器官中沉积下来，引起疾病。

有这个基因变化的患者为一位45岁的女性，血液中肌酐（creatinine）水平升高，有蛋白尿，高血压，双腿肿胀，很快就需要肾透析。为了控制病情，医生切除了她的左肾，在换肾之后又切除了她的右肾。肾脏中的淀粉样沉积能够被刚果红染色并在偏振光显微镜下呈现双折射现象。抗体实验证明淀粉样沉积是由ApoA-II蛋白组成的。淀粉样沉积只在肾脏中发现，其它所有检查或的组织和器官都没有发现ApoA-II蛋白沉积。

即使没有基因突变，随着年龄的增加，蛋白合成和代谢途径发生变化，ApoA-II也能够引起疾病。一位68岁的日本男性就被发现有ApoA-II蛋白沉积引起的肾病。他没有肾病家族史，说明这不是经由遗传获得的疾病，而是后天的。他尿中的蛋白量逐渐增加。肾脏活检发现有ApoA-II蛋白沉积，但是没有其它更常见的引起肾病的蛋白如抗体轻链等。

有趣的是，ApoA-II蛋白在老年狗中引起淀粉样变性病的比例很高，而且不需要基因突变即可引起疾病。全长的ApoA-II蛋白沉积在狗的重要器官如肝脏、心脏、肾脏、肌肉中都有发现。

载脂蛋白A-IV也能够引起淀粉样变性病

      载脂蛋白A-IV（ApoA-IV）是结合在乳糜微粒（chylomicron）上的载脂蛋白。ApoA-IV在肠细胞中合成，由376个氨基酸残基组成，几乎全部肽链都在a-螺旋中。然而，从一位92岁死于淀粉样变性病的男性心脏中，却发现了ApoA-IV蛋白的氨基端片段（大约残基1-70）。检查患者的ApoA-IV基因，没有发现为蛋白编码的DNA序列有任何变化。这位患者的心脏中同时有甲状腺素和视黄醇转运蛋白（transthyretin，TTR，见上文）的沉积，但是这两种蛋白并不沉积在一起，而是各自形成自己的沉积。

      上面介绍的，只是迄今为止发现的淀粉样变性病的一部分，但是从这些病例，我们已经可以看到这类蛋白的致病机制：虽然它们的氨基酸序列不同，但是通过肽链折叠方式改变形成的结构却是高度相似的，都是横向的b-折叠重叠在一起，形成小纤维状的结构。正是这样的结构，或者这些结构形成的过程中的低度聚合物，对细胞和组织有伤害性。

      虽然这些小纤维的总体结构相似，但是根据蛋白原来的表达位置，具体的蛋白氨基酸序列，以及人体的状况，都能够影响这些聚合物沉积的地方，引起不同的疾病。例如Prion蛋白和Ab片段、a-突触核蛋白和Huntingtin蛋白本来就是在中枢神经系统中高度表达的，它们引起的淀粉样沉积也主要在中枢神经系统中，在那里引起疾病。而抗体轻链和重链、血浆A蛋白，b-微球蛋白、甲状腺素和视黄醇转运蛋白（TTR）、胰岛淀粉样蛋白Amylin、纤维蛋白原、胱抑素蛋白、载脂蛋白都是存在于血浆中的，它们也就可以沉积在身体内的各种组织和器官内，引起疾病。溶菌酶、超氧化物歧化酶中的SOD3存在于细胞外，它们也沉积于细胞外。

      从多种蛋白都能够改变折叠状况，形成致病性的Prion类型的蛋白沉积物来看，蛋白的结构，或者说肽链的折叠状况，是很容易受到扰乱而改变的。脱离原来结合的分子（例如抗体的轻链和重链、b-微球蛋白、载脂蛋白A）、有形成Prion型结构能力的肽链段从整体分子中脱离出来（例如Ab肽链、载脂蛋白和血清蛋白A的氨基端部分）、基因突变造成的氨基酸改变、肽链延长（例如ApoA-II蛋白）、肽链缩短（例如ApoA-I肽链的合成提前终止）、老年时肌体维持蛋白正确折叠的功能下降（例如ApoII在没有基因突变的情况下在老人身上引起淀粉样变性病）等，都能够改变肽链中电荷的相互作用情形，导致折叠方式改变。

      以上介绍的引起淀粉样变性病的蛋白都是存在于哺乳动物中，特别是人体中的。既然许多蛋白都有改变折叠方式的可能性，传染性蛋白就不应该只在高等动物中才出现，而应该在比较低等的生物中就已经存在。近年来的科学研究也证实了这一点。例如在酵母中，就有能够形成Prion结构的蛋白质，即传染性蛋白质。

酵母细胞中的传染性蛋白质

      酵母在一般情况下是单细胞的真核生物，与动物相比是相比较“原始”的，但是酵母中也存在传染性蛋白的线索在半个世纪前就被发现了，比疯牛病报道的年代（1986年）还早。1965年，英国科学家Brian Cox发现，出芽酵母（Saccharomyces cerevisiae）的一个“突变种”中，细胞对转译终止码的识别出了问题，也就是肽链合成到了mRNA上的转译终止码（UAG和UAA）时，转译过程并不停止，而是继续往下进行，好像核糖体对终止码“视而不见”。在与腺嘌呤的合成有关的一个基团发生突变（ade2-1基因突变），在编码序列中提前出现一个终止码时，在正常情况下突变型酵母是不能合成完整的酶的，因为合成过程提前终止。由于这个酶功能的缺失，腺嘌呤合成过程中的中间产物就会在细胞中聚集起来，使得菌斑成为红色，这个突变型酵母也必须从培养液中获得腺嘌呤才能生长。而有终止码识别问题的酵母会“忽略”这个终止码，生产出完整的酶来，腺嘌呤的合成正常进行，菌斑为白色（因为没有中间产物聚集），培养基里面也不用加腺嘌呤。

这个终止码识别缺失的特性还可以遗传，使得后代的所有酵母都有这个特性。按照分子生物学的经典理论，负责这个性状遗传的应该是某个问题基因，即通过DNA遗传，而且是“显性”（dominant）遗传，即两份基因中只要有一份基因突变，后代就可以获得突变引起的性状。Cox把酵母的这个性状用希腊字母y标记，读音为psi。然而对遗传方式的研究结果却与预期的不符。例如把变种与正常的酵母杂交，后代应该是一部分有终止码识别问题，一部分没有，但结果却是杂交的所有后代都没有终止码识别问题，好像这个突变基因又变成了“隐性”（recessive）的，即需要两份基因都发生突变才能表现出突变症状。也就是说，酵母这个性状的遗传方式与经典的孟德尔遗传方式不同，叫做“非孟德尔型遗传”（non-Mendelian heredity）。

这个现象使科学家困惑了几十年，即使Prusiner在1982年提出传染性蛋白的概念之后，科学家仍然没有想到酵母的异常遗传现象可以用传染性蛋白来解释。只有到了1994年，美国科学家ReedB. Wickner才从传染性蛋白致病的事实中得到启发，发现了酵母的另一个性状，即在氮源利用上的机制变化，也是由传染性蛋白控制和遗传的（见下文），由此开启了酵母传染性蛋白的研究。在这之后两年，即1996年，美国的Susan Lindquist等人才证明酵母的psi性状也是通过传染性蛋白遗传的。科学家用 [PST⁺] 来表示这个性状，其中的大写字母和加号表示“显性”，而括弧表示“非孟德尔型遗传”。没有这个psi性状的酵母则用小写字母和负号 [pst^-] 表示。

这个遗传不是通过DNA，而是通过细胞质完成的。起遗传作用的是一个叫做Sup35的蛋白质改变折叠方式，变成了Prion型的结构。在正常酵母细胞中，Sup35是水溶性的，并且和另一个蛋白Sup45一起，识别mRNA上的转译终止码并且将合成完成的肽链从核糖体上解离下来。类似ApoA-I蛋白能够改变折叠状况的氨基端，Sup35的氨基端也能够改变折叠方式，变成Prion蛋白那样的横向b-折叠，进而形成聚合物。这个聚合物能够结合刚果红，对聚合物的圆二色性（CD）测定表明其中富含b-折叠，说明其结构和Prion蛋白类似。这个改变了折叠方式的Sup35蛋白，像PrP^sc能够把PrP^c改变成自己的结构一样，也能够把水溶性的Sup35改变成不溶于水的聚合物，即具有“传染性”，最后使得酵母细胞中所有的Sup35都转变成为聚合物而失去功能，使细胞不再能够识别转译终止码，其作用和Sup35的基因突变使Sup35蛋白功能丧失的效果是一样的。

将提纯的Sup35蛋白在体外变为聚合物，再引入 [psi-] 型的酵母，可以把 [psi-] 型的酵母变为[PST+] 型的酵母。当 [PSI+] 型的酵母和[pst-] 型的酵母杂交时，[PSI+] 细胞中的Sup35聚合物还会把[psi-] 型酵母中的可溶性Sup35变为聚合物。不仅如此，酵母细胞中的热休克蛋白Hsp104还能够将这些聚合物分为小块，在细胞中均匀分布，在细胞繁殖时进入每一个后代细胞。因此在这里，Sup35蛋白的Prion形式不仅具有“传染性”（即以可溶性Sup35蛋白为原料自我复制），它还具有“遗传性”，在所有的后代细胞中出现，好像这个遗传是“显性”的。而Sup35基因突变的遗传方式则是孟德尔型的隐性遗传（需要两份基因突变才能使正常Sup35的功能消失）。

酵母的另一个传染性蛋白是调节细胞氮代谢的蛋白Ure2p。在有优质氮源（例如氨和谷氨酰胺）时，Ure2p能够抑制另一个蛋白Gln3p的作用，使得细胞在有优质氮源的情况下不能使用低质量的氮源（例如uredosuccinate，Ure2p的名称的由来）。当Ure2p变成Prion形式，即变为没有正常功能的蛋白时，对Gln3p的抑制解除，细胞就可以在有优质氮源的情况下也使用低质量的氮源。酵母的这种状态被称为 [URE3] 。

与Sup35蛋白和ApoA-I蛋白类似，Ure2p蛋白的氨基端也很容易改变折叠状况，形成Prion蛋白那样的b-折叠结构。提取的Ure2p片段（残基1-65）可以在试管中迅速形成小纤维。这些小纤维能够被刚果红染色，并且在偏振光显微镜下呈现苹果绿的双折射现象，说明和动物的传染性蛋白形成的小纤维有类似的结构。这样形成的小纤维也能够使全长的Ure2p蛋白改变折叠状况，形成更粗的小纤维，说明这个结构能够复制自己。[URE3] 的性状是遗传性的，即可以传递给下一代，这个遗传也需要Hsp104的参与。

酵母 [PSI+] 和[URE3] 性状的形成并不需要Sup35和Ure2p的基因突变，而是可以自然发生。5%的乙醇能够大大增加这两个蛋白变成Prion类型蛋白的几率。这些蛋白表达水平的升高也会使Prion型蛋白出现的几率增加。与动物的传染性蛋白对细胞有伤害性不同，[PSI+] 和[URE3]的性状能够遗传给后代，说明Sup35和Ure2p蛋白形成的Prion型聚合物对酵母细胞的害处不是那么大，甚至有人认为酵母中传染性蛋白的形成也许是酵母在不改变基因的DNA序列的情况下适应某些不利的生活条件的一种方法。

除了Sup35和Ure2p蛋白，酵母的其它一些蛋白也可以转变为Prion型的结构，所以也属于酵母的传染性蛋白，例如转录调节因子Mot3（modulator of transcription）可以形成[MOT3⁺]，修改酵母转移RNA（tRNA）的蛋白Mod5（tRNAmodification）可以形成 [MOD⁺]，改变酵母染色质的蛋白SwiI可以形成 [SWI⁺]等。这些蛋白折叠方式的改变也带来酵母性状的改变。

检查酵母传染性蛋白的氨基酸序列，发现容易形成Prion型结构的功能域含有比较多的谷氨酰胺和天冬酰胺残基，而少有带电的氨基酸侧链。将功能域中的氨基酸序列打乱，随机排列，功能域仍然具有形成Prion型结构的能力，说明不是具体的氨基酸序列，而是氨基酸的组成，是决定一段肽链是否容易（或者能够）形成Prion型结构的因素。造成人类杭廷顿氏症的Huntingtin基因，就是增加了很多CAG重复序列，相当于在蛋白中增加了许多谷氨酰胺残基，使其转变为Prion型结构的可能性大大增加。

但不是所有的Prion型功能域都富含谷氨酰胺和天冬酰胺。例如引起阿茨海默症的Ab肽链就不富含这两种氨基酸，在42个氨基酸残基中只含有1个谷氨酰胺和1个天冬酰胺残基，而且不少氨基酸残基的侧链含有带电基团。即使酵母的传染性蛋白Mod5也没有富含这两种氨基酸的功能域，说明其它氨基酸组成的肽链区段也可能有形成Prion型结构的能力。但是富含谷氨酰胺和天冬酰胺的特点还是可以代表一部分传染性蛋白的功能域，可以用来搜寻其它蛋白中类似的功能域。在此思想指导下，Susan Lindquist 编写了用氨基酸组成预测肽链变为Prion型结构的程序，可以用来检测其它生物中的蛋白是否也含有类似的功能域。用这个程序，科学家在细菌中也发现了传染性蛋白。

肉毒杆菌中的传染性蛋白Rho（r）

      如上所说，许多传染性蛋白都有自己形成Prion型结构的功能域，其中一些（特别是酵母的传染性蛋白）富含谷氨酰胺和天冬酰胺。2017年，美国科学家Ann Hochschild用酵母的传染性蛋白为模板，去搜寻约6万个细菌的基因组，发现肉毒杆菌（Clostridium botulinum）的Rho（代表希腊字母r）蛋白含有这样的功能域（在残基74-141）。

      Rho蛋白，类似酵母的Sup35蛋白，也是负责终止基因表达的蛋白。不过Sup35的功能是和Sup45一起识别转译终止码，使核糖体停止肽链的合成过程，并且将新合成的肽链从核糖体释放出来；而Rho蛋白以六聚体的形式，结合在新合成mRNA分子上，停止转录并且释放新合成的mRNA分子。

      为了证明这个功能域确实能够形成Prion型的结构，Hochschild将Rho的74-141片段、1-248片段（其中包含74-141片段）、以及残基1-73被除去的Rho片段（也含有74-141片段）表达在大肠杆菌中，结构发现这三个片段都能够形成Prion型的聚合物。这些聚合物能够结合刚果红，并且在偏振光显微镜上呈现苹果绿色的双折射现象。相反，不含这个功能域的Rho蛋白片段（例如残基1-141被去掉）就不形成这样的聚合物。

      Rho蛋白变成Prion型的结构后，理论上它终止转录过程的功能也应该消失。为了证明这一点，Hochschild利用了在大肠杆菌中的基因表达系统，将Rho的Prion功能域与大肠杆菌Rho蛋白的羧基端连接在一起，再看对“报告基因”（受某个启动子操控，表达产物容易检测的基因）表达的影响。结果表明，大肠杆菌会有两种状态，报告基因高表达的状态和低表达状态，说明这样的杂合Rho蛋白有两种功能状态。从这两种大肠杆菌中提取的Rho蛋白表明，低表达细菌中的Rho处于聚合物的状态，而高表达的Rho蛋白处于可溶状态。

不仅如此，两种表达状态不同的大肠杆菌还能以低概率相互转化，说明Rho蛋白可以在聚合状态和可溶状态之间相互转化。聚集状态可以长期在大肠杆菌中维持，在传120代之后仍然保持聚集状态，说明细菌的Rho蛋白不仅具有传染性，而且和酵母一样有遗传性。

由于Rho蛋白是以酵母富含谷氨酰胺和天冬氨酸残基的功能域为模板搜寻到的，细菌很可能还含有其它氨基酸残基组成的功能域，例如像人类PrP蛋白的功能域和Ab肽链那样的功能域。

传染性蛋白在细菌中发现，说明形成Prion型结构的蛋白功能域出现的时间非常之早，在原核生物和真核生物分开之前就发生了。传染性蛋白改变折叠方式，进而聚合而丧失功能，也许是微生物适应严酷环境的一种方式。例如Sup35和Rho蛋白变成Prion形式后，原来转录和转译的功能消失，造成更长的mRNA和肽链的形成，在mRNA的稳定性和蛋白的功能上都会发生改变，在一些环境条件下对生物的生存可能是有利的。这种方式不需要基因发生突变，而又能够传递给后代，因此是对微生物有利的机制而得以保存。这种遗传方式不同于通过DNA的基因遗传，而是通过细胞质中蛋白质的遗传。从这些蛋白质的传染性（复制自己的结构）和遗传性（能够通过聚合物的形式传给后代）这两个方面来看，蛋白质里面储存的信息是可以被输出的。

植物中的传染性蛋白

      使用自己编写的搜寻Prion型功能域的程序，Lindquist搜寻了植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）的基因组，发现了474个拟南芥蛋白含有类似的Prion型的功能域。其中的三个蛋白与与拟南芥开花控制有关，分别是LD（luminidependens）、FPA（Flowering Locus PA）和FCA（Flowering Locus CA）。其中LD是一个转录因子，FPA和FCA是RNA结合蛋白。

      为了证明这些功能域的确能够形成Prion类型的结构，Lindquist将这些功能域与绿色荧光蛋白（Green fluorescence protein，GFP）融合在一起，在酵母中进行表达，发现这三个功能域都能够形成淀粉样聚合物。

      将这三个功能域与酵母Sup35蛋白的羧基端融合在一起，在有Ade基因突变（即在编码区中提前引入一个转译终止码）的酵母中表达，发现它们能够在部分酵母中使Sup35的羧基端丧失功能，使酵母能够忽略这个终止码，合成出完整的蛋白来，说明这些功能域的确能够发挥Prion结构的作用，即使可溶性的蛋白丧失功能。有些酵母仍然不能忽略终止码，说明有部分Sup35羧基端仍然处于功能状态，不因为与植物的Prion功能域融合就丧失功能，也就是植物蛋白的Prion功能域在酵母中也不完全形成Prion型的结构。

同样，由于这几个蛋白是以酵母富含谷氨酰胺和天冬氨酸残基的功能域为模板搜寻到的，植物很可能还含有其它氨基酸残基组成的功能域。目前对植物传染蛋白的研究还很少，估计随着研究的进展，会有更多的植物传染性蛋白被发现。

传染性蛋白有“光明面”吗？

从以上例子可以看出，蛋白肽链的折叠出现错误，形成Prion型的横向b-折叠结构，进而聚集形成淀粉样沉积，看来是肽链在折叠过程中不可避免地要出现的问题。生物既然选择了用氨基酸来组建蛋白质，就不能完全避免折叠状态出问题的可能性。Prion型的结构就像是一个“折叠陷阱”，一旦掉入这个结构，就很难再出来。不仅如此，开始形成的聚合物就像一个“黑洞”，不断把周围正常的蛋白“吸”入自己的结构，让自己长大，使得这种结构的蛋白具有传染性。

在形成Prion型的结构时，由于蛋白分子的结构改变，通常都会导致蛋白质原先正常的生理的功能丧失。不仅如此，在人和其它高等动物中，淀粉样的沉积物，无论的在细胞内还是在细胞外，几乎都是对细胞有害的，导致各式各样的淀粉样变性病。现在一提到传染性蛋白，人们想到的都是它造成的可怕后果，即蛋白折叠方式改变所造成的后果总是负面的。Prion被译为“朊病毒”，和疾病传染源划归一类，就反映了这种情况。即使在酵母中，[PSI+] 和[URE3] 也被一些科学家看作是传染性蛋白病。由于许多医院并不进行淀粉样病变的检测工作（例如对需要透析和换肾的患者并不进行淀粉样沉积的检查），淀粉样变性病的实际发生率估计要比已经报道的为多。不过总的说来，淀粉样变性病的发病率还是很低的，动物亿万年的演化，已经最大限度地减少了蛋白折叠错误及其带来的不良后果，我们现在看见的淀粉样变性病，是动物对肽链折叠错误的各种防御机制在一些情况下不可避免的失效所造成的结果。

现在的问题是，蛋白折叠错误的后果总是负面的，还是有其“光明面”？近年来的科学研究表明，蛋白形成淀粉样聚合物不仅有致病作用，也有正面的效果。在本文的第三部分中，我们将详细介绍淀粉样聚合物的“正面作用”，即它们的生理功能。