挑戰“中心法則”的微生物 朊病毒

2021-10-25 03:01:58 字數 3481 閱讀 1790

1996年春天,英國飼養的大約15萬頭牛感染了一種新的神經疾病,病牛從發病到死亡僅數週到數月的時間。在英國家畜的身上引起了全世界的恐慌,甚至引起了英國政治與經濟的動盪。一時間人們“談牛色變”。罪魁禍首就是“朊病毒”。

一、朊病毒的發現

早在300年前,人們已經注意到在綿羊和山羊身上患的“羊瘙癢症”。其症狀表現為:喪失協調性、站立不穩、煩躁不安、奇癢難熬,直至癱瘓死亡。20世紀50年代初,居住在大洋洲巴布亞紐幾內亞高原的一個叫fore的部落還處在原始社會,他們一直沿襲著一種宗教性食屍習慣,若干年後(一般5~30年)食屍者中不少人會出現震顫病最終發展成失語直至完全不能運動,不出一年被染者全部死亡。20世紀60年代,英國生物學家阿爾卑斯用放射處理破壞dna和rna後,其組織仍具感染性,因而認為“羊瘙癢症”的致**子並非核酸,而可能是蛋白質。由於這種推斷不符合當時的一般認識,也缺乏有力的實驗支援,因而沒有得到認同。1947年發現水貂腦軟化病,其症狀與“羊搔癢症”相似。1997年,諾貝爾生理醫學獎授予了美國生物化學家斯坦利·普魯辛納(stanley b.p prusiner),因為他發現了一種新型的生物——朊病毒(prion)

二、朊病毒的性質與結構

朊病毒大小隻有30一50奈米,電鏡下見不到病毒粒子的結構;經負染後才見到聚集而成的棒狀體,其大小約為10~250 x 100~200奈米。通過研究還發現,朊病毒對多種因素的滅活作用表現出驚人的抗性。對物理因素,如紫外線照射、電離輻射、超聲波以及80~100℃高溫,均有相當的耐受能力。對化學試劑與生化試劑,如甲醛、羥胺、核酸酶類等表現出強抗性。 對蛋白酶k、尿素、苯酚、氯仿等不具抗性。在生物學特性上,朊病毒能造成慢病毒**染而不表現出免疫原性,巨噬細胞能降低甚至滅活朊病毒的感染性,但使用免疫學技術又不能檢測出有特異性抗體存在,不誘發干擾素的產生,也不受干擾素作用。

總體上說,凡能使蛋白質消化、變性、修飾而失活的方法,均可能使朊病毒失活;凡能作用於核酸並使之失活的方法,均不能導致朊病毒失活。由此可見,朊病毒本質上是具有感染性的蛋白質。

朊病毒已經超出了經典病毒學的生物學概念,研究表明,蛋白質在特定條件下發生突變或構型上的變化,由良性變為惡性,即變為具有傳染性的蛋白質顆粒,這一觀點向傳統觀點提出了強有力的挑戰。

三、朊病毒認識過程

朊毒體最早由美國加利福尼亞大學的斯坦利·b·布魯辛納(stanley b. prusiner)於1982年發現的。推測朊毒體僅由蛋白質組成,沒有核酸。這種具有感染性的因子主要由被稱為prp的蛋白質組成的。這種蛋白質可以在細胞的質膜上找到(具體功能還不瞭解),但是與具有感染性的因子prpsc與正常因子prpc在形狀上有一點不同。科學家推測這種變形的蛋白質會引起正常的prpc轉變成具有感染性的蛋白質,這種連鎖反應使得正常的蛋白質和致病的蛋白質因子都成為新病毒的材料。

朊毒體似乎在直接與受感染的組織接觸時感染性很強。例如,人們可能會因為注射直接**於人類腦下垂體的生長激素而感染creutzfeldt-jakob疾病或變異性克雅氏病(nvcjd),或通過腦部外科手術的儀器傳染(朊毒體可以倖存於通常為外科器械消毒的高壓滅菌器)。通常也認為,食用受感染的動物可以通過積累緩慢地引起疾病,特別是可以引起朊毒體在世代間積累的同類相食或類似的行為,例如太平洋一個小島上發生的庫魯病。

朊毒體沒有引起免疫系統察覺的原因是,它們的「安全形式」從個體出生的一刻起就存在於體內。 「危險」朊毒體與之的差別只是它們的摺疊結構有差別。朊毒體通過不斷聚合,形成自聚集纖維,然後在中樞神經細胞中堆積,最終破壞神經細胞。

四、朊病毒與人類

人類朊病毒現已發現以下四種,即庫魯病、克雅氏綜合症、格斯特曼綜合症和致死性的家族失眠症,其病症與病理變化的主要特證與患病動物十分相似。其中庫魯病的研究最早。庫魯病(kuru病)是20世紀上半世紀大西洋的巴布亞—新幾內亞東部福雷族高地居民中的一種區域性流行病,其主要症狀為震顫、共濟失調、腦退化痴呆,漸至完全喪失運動能力,3~6個月內因衰竭而死亡。

對於人類而言,朊病毒病的傳染有兩種方式。其一為遺傳性的,即人家族性朊病毒傳染;其二為醫源性的,如角膜移植、腦電圖電極的植入、不慎使用汙染的外科器械以及注射取自人垂體的生長激素等。至於人和動物問是否有傳染,目前尚無定論。但有訊息說,英國已有兩位擁有“瘋牛病”牛的農場主死於克—雅氏綜合症,預示著人和動物間有相互傳染的可能性,這有待於科學家的進一步研究證實。由於朊病毒病目前尚無有效的**方法,因此只能積極預防。其方法主要有:

①消滅已知的感染牲口,對病人進行適當的隔離;

②禁止食用汙染的食物,對神經外科的操作及器械進行消毒要嚴格規範化,對角膜及硬腦膜的移植要排除供者患病的可能;

③對有家庭性疾病的家屬更應注意防止其接觸該病。

五、朊病毒致病假說

1982年普魯宰納提出的朊病毒致病的“蛋白質構象致病假說”: ①朊病毒蛋白有兩種構象:細胞型(正常型prpc)和搔癢型(致病型prpsc)。兩者的主要區別在於其空間構象上的差異。prpc僅存在α螺旋,而prpsc有多個β摺疊存在,後者溶解度低,且抗蛋白酶解;②prpsc可脅迫prpc轉化為prpsc,實現自我複製,併產生病理效應;③基因突變可導致細胞型prpc中的α螺旋結構不穩定,至一定量時產生自發性轉化,β片層增加,最終變為prpsc型,並通過多米諾效應倍增致病。 從這一假說我們可以知道:1、朊病毒是蛋白質,沒有通常我們認為是遺傳物質的dna、rna等成分;2、與朊病毒相對應的是具有正常功能的蛋白質,即朊病毒是正常功能的蛋白質空間結構變異所形成。

從“朊病毒”的本質來看,即它是空間構型改變的正常蛋白質,是正常蛋白質變性所致;我們就能知道,除非用人工注射等方法,朊病毒不可能在個體間傳播,也不可能在人與動物間傳播。如果從食用角度來看,由朊病毒致死的動物的肉製品含有朊病毒,在這些變性蛋白質進入人體後,它要完好的穿越消化系統各種蛋白質分解酶的作用,然後進入血液系統,進入同樣含有它的正常構型的蛋白質的組織內,才能形成“朊病毒”的傳播,導致疾病的爆發。可以看出,這一傳播途徑非常的艱難,很難形成大量的傳播和爆發。

六、朊病毒發現的意義

從理論上講,“中心法則”認為dna複製是“自我複製”,即dna~dna,而朊病毒蛋白是prp→prp,是為“自他複製”。這對遺傳學理論有一定的補充作用。但也有矛盾,即”dna→蛋白質”與“蛋白質→蛋白質”之間的矛盾。對這一問題的研究會豐富生物學有關領域的內容;對病理學、分子生物學、分子病毒學、分子遺傳學等學科的發展至關重要,對探索生命起源與生命現象的本質有重要意義。從實踐上講,其對人畜健康;為揭示與痴呆有關的疾病(如老年性痴呆症、帕金森病)的生物學機制、診斷與防治提供了資訊,併為今後的藥物開發和新的**方法的研究奠定了基礎。

七、小結

有關朊病毒的研究在過去的諾貝爾獎百年中曾分別於1976年和1997年兩次獲得諾貝爾生理學和醫學獎。當今社會,隨著生物學的發展,各種病毒等微生物也不斷突變著,進化著。這給人類帶來新的契機,新的挑戰。自然界在不斷的推陳出新,人類也不能停下探索的步伐。