醫學

變形蛋白 種下失智症

一些有毒蛋白質所產生的一連串連鎖反應,或許有助於解釋阿茲海默症、帕金森氏症和其他致命疾病的成因;進一步深入了解,可以帶領我們找到眾所渴望的新式治療方式。

撰文/華克(Lary C. Walker)、朱克(Mathias Jucker)
翻譯/王心瑩

醫學

變形蛋白 種下失智症

一些有毒蛋白質所產生的一連串連鎖反應,或許有助於解釋阿茲海默症、帕金森氏症和其他致命疾病的成因;進一步深入了解,可以帶領我們找到眾所渴望的新式治療方式。

撰文/華克(Lary C. Walker)、朱克(Mathias Jucker)
翻譯/王心瑩

重點提要
■狂牛症和其他相關傳染性疾病的起因,是由於「普恩蛋白」這種畸形蛋白質會使原本正常的蛋白質也變得畸形,結果造成大破壞。這個發現獲頒諾貝爾獎。
■類普恩蛋白疾病的發展過程,似乎也作用於一些重要的神經退化疾病,包括阿茲海默症、帕金森氏症和路蓋里格氏症,不過這些神經退化疾病並不會人傳人。
■了解這些蛋白質如何扭曲成錯誤形狀,又如何促使其他蛋白質也發生類似的變形,或許可為這些神經系統疾病找到預防和治療的新方法。


病理學家用顯微鏡觀察阿茲海默症過世病患的腦部組織樣本,搜尋其中受損的神經細胞,可以發現許多奇異的物質團塊。構成這些團塊的蛋白質顯然不該出現於此。它們從哪裡來?又為何聚集了這麼多?而最重要的是,它們與這種無法治療的毀滅性疾病有什麼關聯?為了得到答案所做的研究,最終得到了驚人發現:在阿茲海默症和其他主要神經退化疾病的患者腦中,這類蛋白質團塊的行為與普恩蛋白(prion)非常相似,普恩蛋白是摧毀狂牛症患畜大腦的有毒蛋白質。


普恩蛋白是神經細胞內原本正常的蛋白質摺疊錯誤的變體,不但耐久不變,又會促使與之相似的正常蛋白質也摺疊錯誤、聚集成團,這樣造成一連串連鎖反應,最終蔓延到整個大腦。10年來,科學家已知道這種過程不只出現於狂牛症和其他奇特疾病,一些主要的神經退化疾病也有這樣的現象,包括阿茲海默症、帕金森氏症、肌萎縮性偏側硬化症(ALS,也稱為路蓋里格氏症),以及常見於足球員和拳擊手的慢性創傷腦病變。


所有證據都顯示,阿茲海默症和帕金森氏症不像狂牛症或流感一樣會經由接觸而傳染。事實上,近期這些發現的重要性是為這許多可怕的腦部疾病揪出一名主要嫌犯;或可說提供一塊路標,為最終的治療方法指出一條明路。未來為阿茲海默症所研發的藥物,或許也可以直接用於治療帕金森氏症、腦部外傷,或者其他會奪走個人基本自我感覺的可怕疾病,甚至可以激發全新的藥理學方向,對全世界數千萬名飽受神經退化疾病折磨的患者來說,是個大好消息。


這種新想法要歸功於最初導致發現普恩蛋白的一連串研究。18世紀初,據報有一種發生在羊身上的古怪致命疾病,稱為羊搔癢症,這是因為受感染的羊會無法克制地摩擦搔癢而掉毛。後來科學家開始研究這種病症,透過顯微鏡,他們注意到神經系統彷彿被射穿出許多孔洞。1930年代,法國和英國研究者確定羊搔癢症會從一隻羊傳染給另一隻,不過致病因子難以捉摸,而且表現得很詭異:受感染到顯現症狀之間的潛伏期,遠比常見的細菌或病毒等致病原要久得多,且通常會消滅入侵者的免疫反應似乎不會出現。


這些怪事提供了線索,顯示一般的病原並非病因,但這些報告出現後過了約20年,羊搔癢症依然是撲朔迷離的獸醫怪病。不過到了1950年代,當時任職於英國農業研究委員會康普頓實地研究站的哈德洛(William Hadlow),注意到羊搔癢症和另一種神秘人類疾病「庫魯病」的腦部病變竟有明顯的相似處。庫魯病是一種會持續惡化的神經退化疾病,主要局限於巴布亞新幾內亞的弗瑞族,患者的動作協調和心智功能會逐漸變差,最後死亡。後來發現弗瑞族會得到庫魯病,是因為他們有吃屍儀式,因此會吃下死於此症的族人,這就表示有某種致病因子居中搞鬼,以某種方式由身體的其他地方進入腦部。


1960年代,任職於美國國家衛生研究院的賈久斯克(D. Carleton Gajdusek)和同事確認這種疾病有傳染力,他們把庫魯病患者的腦部物質直接注射到非人類靈長類的腦部,顯示庫魯病確實可以傳染。賈久斯克的團隊也確認,庫魯病的腦部病變與另一種神經退化腦疾庫賈氏症有重要的相似處。庫賈氏症是一種進展快速的失智症,全世界每100萬人約有一人罹病。賈久斯克進一步證實,儘管庫賈氏症多半是自發出現於人類身上,但透過如同庫魯病的實驗方法,庫賈氏症也可以把病傳染給靈長類。


到了1980年代,美國加州大學舊金山分校的普魯希納(Stanley Prusiner)鑑定出羊搔癢症和其他相關疾病的致病原,這些疾病統稱為海綿狀腦病,因為患者腦部會變得像充滿孔洞的瑞士乳酪。透過一系列漂亮的實驗,他和同事累積了很有說服力的證據,顯示PrP這種原本無害的蛋白質竟因摺疊錯誤而形成變體,成為致病因子。當時普魯希納並創造出「普恩蛋白」(prion)這個名詞,意為「蛋白感染性粒子」(proteinaceous infectious particle),好把這種自己就能散播造成疾病的蛋白質和其他病毒、細菌、黴菌等已知病原體區隔開來。(時至今日,這個名稱意指會讓同類蛋白質改變成和自己相同形狀的蛋白質,但不必然有傳染性。)普魯希納提出有一種蛋白質可能傳播疾病,這個看法掀起了巨大爭議,不過他的成果受到肯定,他也於1997年獲頒諾貝爾獎。


近來針對阿茲海默症和其他神經退化疾病的深入研究顯示,這些疾病雖然不像典型的普恩蛋白疾病一樣會傳染,但在腦中發病和擴展的方式卻很相似,也就是透過我們所稱的「致病蛋白質播種」。如同普恩蛋白在羊搔癢症和同類疾病中的角色,細胞可以釋出、納入和傳遞蛋白質種子,這可解釋這些疾病如何擴散。有了這樣的共通性,也表示普恩蛋白的範例可以很快把我們的想法統整起來,得知這些看似殊異的各種疾病究竟如何發病並造成大破壞。


摺疊錯誤引發失智?

這種共通性的第一個線索要回溯到1960年代,當時研究者努力想理解神秘的普恩蛋白疾病,開始注意到,其中的腦部變化竟與其他神經退化疾病有著充滿暗示的相似性,特別是阿茲海默症。阿茲海默症是最常見的老年人失智原因,它往往暗地裡出現,病程經過多年的無情發展,侵蝕病患的記憶與性格,最後奪走生命。超過65歲以後,阿茲海默症的發生率是每隔五年增加兩倍,到了85歲,幾乎每三個人就有一位罹病。


當時的研究者也知道患者腦中會有蛋白質聚集成團。1906年,阿茲海默(Alois Alzheimer,此病便是以他為名)把腦中的兩種微小異常現象與失智症聯結在一起:一是老化斑塊,位於細胞外面,如今知道那是類澱粉β(amyloid-beta,Aβ)錯誤摺疊後聚集成團;另一是神經纖維纏結,這是由τ蛋白聚集所構成的絲狀物,位於細胞內部。以極高放大倍率的電子顯微鏡觀察這些團塊,可看到由這些蛋白質構成的長條纖維。此外,這些蛋白質也可組合成較小聚集物,如寡聚合物(oligomer)和基原纖維(protofibril),同樣會干擾神經元的正常功能。


1960年代末,賈久斯克的團隊開始檢驗一項假說,即阿茲海默症是否像羊搔癢症、庫魯病和庫賈氏症一樣會傳染。他們把阿茲海默症病患的腦部物質注射到非人類靈長類腦內。當時英國的臨床研究中心由瑞德里(Rosalind Ridley)和貝克(Harry Baker)所領導的另一個團隊,也獨立做了類似實驗。賈久斯克的研究結果不是很確定,兩個團隊也都沒有提出這樣做可真正引發阿茲海默症的報告,然而英國的研究團隊發現了一個值得深究的現象:經過至少五年的潛伏期後,與控制組相較,接受阿茲海默症患者腦部物質的狨猴,確實有比較多的Aβ斑塊。

到了此時,我們的研究團隊打算展開一些研究,看看摺疊錯誤而聚集成小團塊的Aβ是否可做為種子,引發一連串蛋白質摺疊錯誤、聚集成團的連鎖反應,最後導致阿茲海默症患者腦中隨處可見的蛋白質堆積形式。不過,在猴子腦內播種形成斑塊要歷經五年左右的潛伏期,這令我們十分沮喪。

1990年代中期,我們的看法有了重大的轉變,當時出現了基因轉殖小鼠,經過遺傳工程改造,使小鼠可以製造人類Aβ片段的前驅蛋白質「類澱粉前驅蛋白」(amyloid precursor protein, APP)。我們集合了優秀的同事和學生,展開一系列實驗,以這些小鼠深入探究Aβ種子假說。基因轉殖小鼠並不會顯現出阿茲海默症的所有特徵(只有人類才會),但仍可為我們的實驗提供相當多優點:體型小、容易照顧、生命週期短,而且每隻基因轉殖小鼠都能在相當一致的年紀時自發在腦部長出Aβ堆積物。

我們的研究焦點主要放在Aβ而非τ,因為即使斑塊和纏結都能造成神經退化、導致阿茲海默症患者失智,但多數證據指出,摺疊錯誤的Aβ才是主導疾病發展的催化劑。事實上,阿茲海默症會影響細胞功用的許多危險因素中,就包括了Aβ的產生、摺疊、聚集或移除;而導致發病的最早期遺傳突變,便是使APP突變或把這前驅物切出Aβ的酵素突變(參見2006年6月號〈留住最後一片記憶──細說阿茲海默症〉)。如今科學家也得知,早在阿茲海默症相關症狀開始出現的10年前或更早,腦部就已顯現一些徵兆,而且蛋白質的異常聚集也發生在病程的非常早期(參見2010年8月號〈能預防嗎?阿茲海默症〉)。摺疊錯誤的Aβ不斷聚集,對阿茲海默症的發展至為重要,意識到這點後,我們很想知道,最初是什麼刺激腦中的蛋白質開始聚集。

在初步的實驗中,我們想要確定,從死於阿茲海默症的患者腦部取出的組織,是否能在APP基因轉殖小鼠腦中引發Aβ聚集?換句話說,能否像普恩蛋白引發海綿狀腦病的PrP開始聚集那樣,也引發Aβ聚集並持續擴展?運用研究普恩蛋白時發展出的方法,我們從阿茲海默症患者或控制組病患(非死於阿茲海默症的人)取得小塊腦部樣本並磨碎,再把樣本置於離心機內稍加離心,移除較大的碎片,接著取少量的萃取物注入年輕基因轉殖小鼠的腦中。

結果是正面的。3~5個月後,早在小鼠會正常開始自行產生Aβ斑塊之前,接受阿茲海默症腦部萃取物的小鼠腦中便聚集了相當多的Aβ。Aβ斑塊形成的多寡,會與接受腦部萃取物的量和潛伏時間的長度成正比;如果斑塊是由萃取物所造成,就會觀察到這樣的模式。最重要的是,如果注入的腦部萃取物不含Aβ聚集物,就不會促使基因轉殖小鼠形成斑塊。

【欲閱讀完整內容,請參閱科學人2013年第136期6月號】



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