传染性蛋白的“负面”和“正面”（3）

朱钦士 （美国南加州大学医学院）

（上接2018年第5 期第13 页）

2 传染性蛋白引起的淀粉样变性病（amyloidosis）

人的淀粉样变性病早就为医生所知。1639年，Nicolaus Fontanus 医生在解剖一位有黄疸和腹水的年轻人的尸体时，发现其脾脏内有许多“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 用碘对含有淀粉样物质的脑组织进行染色，错误地认为这些物质是淀粉性质的，因而使用“淀粉样”（amyloid）形容这类物质。尽管其他研究者发现这类物质含有4%～13%的氮，所以很可能是蛋白质，但由于Rudolph Virchow 的名声，amyloid 这个词一直被沿用至今，由它们引起的疾病仍然被称为“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，也沿用此名称，因为它一直被科学文献所普遍使用，只要记得其实际意义是由传染性蛋白引起的“蛋白变性病”即可。

虽然这些疾病仅限于患者本人，并不传染，但其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β-折叠的结构，能自我复制，形成小纤维样聚合物，能被刚果红（Congo red）染色并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，都能被硫黄素T（Thioflavin T，ThT）染色而导致荧光增加和发射峰值红移（见本文第1 部分）。这些共同点说明致病的蛋白质虽然各种各样，但都形成类似的横向β-折叠，由此复制并聚合成小纤维，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β-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β-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，疾病的潜伏期也不尽相同。

下面具体介绍人类的淀粉样变性病，先介绍大家较为熟悉的疾病，例如阿茨海默症和帕金森氏症，再介绍那些比较不为人知晓的淀粉样变性病。

2.1 阿茨海默症 阿茨海默症（Alzheimer′s disease，AD）是德国病理学家Alois Alzheimer 于1936年最早报告的。与克-雅氏病类似，阿茨海默症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，主要为65 岁以上的老人。

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，称为淀粉样β（Amyloid beta，Aβ）。Aβ 蛋白质是前体蛋白（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β-分泌酶（β-secretase）除去，膜内的γ-分泌酶再从膜内将肽链切断，就会产生淀粉样β 片段Aβ。该片段可以改变折叠方式，形成β-折叠，即Prion 型的结构，并将其他的Aβ 片段也转变为这种结构。Prion 形式的Aβ 能聚合成为小纤维，其内β－折叠的方向，也与引起疯牛病的Prion 蛋白形成的小纤维中的一样，垂直于小纤维的长轴，且能被刚果红染色，在偏振光下呈现苹果绿的双折射现象。这说明Aβ 小纤维的结构与PrPsc的结构非常相似，也像PrPsc那样能引起神经细胞的病变。

除了神经细胞外的Aβ 淀粉样沉积，神经细胞内还有另一类淀粉样沉积，即由Tau 蛋白改变结构引起的。Tau 表示希腊字母τ，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，所以其基因称为“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Tau 蛋白也能改变结构，形成横向β-折叠，像Prion 蛋白那样形成小纤维，且能被刚果红染色，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Aβ 沉积具有相似的淀粉样结构。所以阿茨海默症也许是神经细胞被这2 种蛋白“双重攻击”的结果。

以上事实说明，阿茨海默症是由传染性蛋白引起的，且其形成机制与疯牛病极为相似，尽管Aβ 和Tau 蛋白与PrPsc是不同的蛋白质。这说明Prion 型结构，而不是氨基酸序列，是引起疾病的原因。

2.2 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”。患者中脑黑质（substantia nigra）分泌多巴胺的细胞死亡，使患者相关脑区的多巴胺分泌不足。患者表现为身体颤抖、僵硬，行动迟缓，行走困难，情绪抑郁焦虑，认知能力受到影响，严重的会失智即痴呆。帕金森氏症主要影响60 岁以上的老人。2015年，全球有620 万人发病，其中11 万多人死亡，所以这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，发现与阿茨海默症的情形相似，也有蛋白聚合物。但与阿茨海默症不同的是，这些蛋白聚合物不是在细胞外，而是在细胞内，称为“路易氏体”（Lewy body）。路易氏体的主要成分是一种蛋白，即“α-突触核蛋白”（α-synuclein）。路易氏体可被刚果红染色，并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PrPsc和阿茨海默症中的Aβ 具有类似的β-折叠结构。Aβ 还能“诱导”α-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他蛋白（例如泛素）的缘故。路易氏体并不是杀死神经细胞的结构，而是变为Prion 形式的β-突触核蛋白在低度聚集状态时对细胞产生伤害。

2.3 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，也表现为行动困难，最后发展为痴呆，但发病年龄要早于帕金森氏症，30～50 岁即可发病。患者早期的症状为无目的和突然的剧烈动作，扮鬼脸，耸肩，所以又称为“杭廷顿舞蹈病”（Huntington′s Chorea）。

杭廷顿氏症是遗传性的，起因是因为一个被称为杭廷顿蛋白的基因（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6～35 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，最多可达250 个。这样，细胞生产的杭廷顿蛋白（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β-折叠，进而形成聚合物，在神经细胞内形成内含体（inclusion bodies）。这些内含物能被刚果红染色，并在偏振光显微镜上呈现苹果绿色的双折射现象，说明它与Prion 类型的蛋白质一样，具有横向β－折叠结构，因此其致病原理与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），与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，与多数位于细胞外的淀粉样沉积不同。

迄今为止，本文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，以及前文所述疯牛病、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β 蛋白（Aβ），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他组织和器官中。下面介绍的就是影响身体其他组织和器官的淀粉样变性病。

2.4 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。它能将超氧离子变为氧和过氧化氢。人体内含有过氧化氢酶（Catalase），能将过氧化氢变为氧和水，由此，超氧离子的毒性就被完全去除。人体含有3 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β-折叠。

SOD1 和SOD3 的一些基因突变都能改变蛋白中肽链的折叠方式，转变为Prion 型的β-折叠结构，形成不溶于水的聚合物，从而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。由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20%。神经细胞和星形胶质细胞（astrocyte）内出现沉积物，其中含有突变形式的SOD1 蛋白，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。

2.5 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，用于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聚合，在身体各处沉积下来，从而引起病症。这些沉积能被刚果红染色，并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，其聚合物随着血液循环到达身体各处，所以可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，尿中的轻链蛋白也称为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，即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，可形成多种不同的可变段氨基酸序列。轻链的可变部分再与重链的可变部分结合，就可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。然而这个巧妙的机制也有其缺点，即偶尔会产生能形成Prion 结构的轻链。

2.6 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1990年，美国就报告了这样一个病例。一位65 岁的妇女就诊时有黄疸，腹痛，持续性消瘦，肾功能也有问题，不久后死于肝、肾衰竭。对这位妇女的组织检查发现，其肝脏、心脏、肾脏和脾脏中都有淀粉样沉积。这些沉积能被刚果红染色，并在偏振光显微镜下呈现苹果绿的双折射现象，说明她患的是全身性的淀粉样变性病。患者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。这说明与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，由此说明这也是只由一种抗体的重链变性而导致的疾病。

2.7 血清蛋白A 引起的淀粉样变性病 血清蛋白A 由肝脏合成，由于可引起淀粉样变性病又被称为血清淀粉样蛋白A（Serum Amyloid protein A，SAA），当身体有炎症时其在血液中的浓度可增加1 000 倍以上，但其生理功能尚不完全清楚。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，以及多发性神经病变等。这些沉积物能被刚果红染色，并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β-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β-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α-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。此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 周，小鼠的脾脏中就会出现淀粉样沉淀。如果将此沉淀注射给刚开始患炎症的小鼠，则其脾脏中出现淀粉样沉淀的时间就缩短为3 d。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）与小鼠的血清蛋白A 沉积有类似的β-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改变同种蛋白的结构，也能改变其他传染性蛋白的结构，即一种传染性蛋白还能“传染”另一种传染性蛋白。

2.8 长期肾透析引起的β-微球蛋白腕管综合征

肾透析是用人工生产的半透膜去除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不能通过。肾透析是维持肾功能受损患者生命的一种重要和有效的手段，但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Ⅰ型组织相容性抗原（class Ⅰmajor histocompatibility complex Ⅰ，MHCⅠ）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2 个蛋白质亚基组成，一个是α-蛋白，另一个是β-微球蛋白（β-microglobulin）。在正常情况下，β-微球蛋白在肾脏中被代谢掉。血液中的β-微球蛋白先在肾小球中被过滤出去，再在肾小管中被重吸收并就地降解。

但是在透析过程中，β-微球蛋白却无法通过透析膜。该蛋白的分子量为11.8 kDa，对于透析膜上的孔来说太大了。长期透析（例如5年以上）会造成滞留在血液中的β-微球蛋白改变折叠方式，变成Prion 型的β-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，造成麻木和针刺的感觉，称为腕管综合征（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。

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

（待续）