傳染性蛋白的“負面”和“正面”（3）

朱欽士 （美國南加州大學醫學院）

（上接2018年第5 期第13 頁）

2 傳染性蛋白引起的淀粉樣變性病（amyloidosis）

人的淀粉樣變性病早就為醫生所知。1639年，Nicolaus Fontanus 醫生在解剖一位有黃疸和腹水的年輕人的尸體時，發現其脾臟內有許多“白色的石頭”，這也許是對淀粉變性病中淀粉樣脾臟最早的描述。隨后，淀粉樣的白色物質在人體的多個組織中都有發現，包括脾臟、肝臟、腎臟、動脈壁、腸壁和腦組織。1854年，德國病理學家Rudolph Virchow 用碘對含有淀粉樣物質的腦組織進行染色，錯誤地認為這些物質是淀粉性質的，因而使用“淀粉樣”（amyloid）形容這類物質。盡管其他研究者發現這類物質含有4%～13%的氮，所以很可能是蛋白質，但由于Rudolph Virchow 的名聲，amyloid 這個詞一直被沿用至今，由它們引起的疾病仍然被稱為“淀粉樣變性病”（amyloidosis），即使現在大家都知道這類物質其實是由蛋白質組成的。在本文中，也沿用此名稱，因為它一直被科學文獻所普遍使用，只要記得其實際意義是由傳染性蛋白引起的“蛋白變性病”即可。

雖然這些疾病僅限于患者本人，并不傳染，但其致病機制卻與瘋牛病和癢羊病一樣，都是由動物體內“正常”的蛋白改變折疊形式造成的。這些引起疾病的蛋白都增加β-折疊的結構，能自我復制，形成小纖維樣聚合物，能被剛果紅（Congo red）染色并在被偏振光照射時發生雙折射，在偏振光顯微鏡下呈蘋果綠色，都能被硫黃素T（Thioflavin T，ThT）染色而導致熒光增加和發射峰值紅移（見本文第1 部分）。這些共同點說明致病的蛋白質雖然各種各樣，但都形成類似的橫向β-折疊，由此復制并聚合成小纖維，且都以聚合狀態的形式發生作用。

雖然有這些共同點，這些蛋白形成的β-折疊還是有一些區別的。即使是同一個蛋白，在不同的情況下也可以有不同的β-折疊形式，引起的疾病癥狀也有所區別。有的是全身性的，有的只影響某個組織，疾病的潛伏期也不盡相同。

下面具體介紹人類的淀粉樣變性病，先介紹大家較為熟悉的疾病，例如阿茨海默癥和帕金森氏癥，再介紹那些比較不為人知曉的淀粉樣變性病。

2.1 阿茨海默癥 阿茨海默癥（Alzheimer′s disease，AD）是德國病理學家Alois Alzheimer 于1936年最早報告的。與克-雅氏病類似，阿茨海默癥也是一種中樞神經系統變性病。患者記憶發生問題，容易迷路，語言障礙，情緒不穩，生活不能自理，在中國俗稱“老年癡呆癥”。2015年，全世界約有3000 萬阿茨海默癥患者，主要為65 歲以上的老人。

在顯微鏡下檢查患者的腦組織，發現細胞外有淀粉樣的沉積斑塊。這些斑塊由蛋白質組成，主要含有由36～43 個氨基酸殘基組成的蛋白質，稱為淀粉樣β（Amyloid beta，Aβ）。Aβ 蛋白質是前體蛋白（amyloid precursor protein ，APP）的 一部分。APP 是神經細胞表面的一個跨膜蛋白，有一個很大的細胞外部分，包括其氨基端。大部分的細胞外部分先被β-分泌酶（β-secretase）除去，膜內的γ-分泌酶再從膜內將肽鏈切斷，就會產生淀粉樣β 片段Aβ。該片段可以改變折疊方式，形成β-折疊，即Prion 型的結構，并將其他的Aβ 片段也轉變為這種結構。Prion 形式的Aβ 能聚合成為小纖維，其內β－折疊的方向，也與引起瘋牛病的Prion 蛋白形成的小纖維中的一樣，垂直于小纖維的長軸，且能被剛果紅染色，在偏振光下呈現蘋果綠的雙折射現象。這說明Aβ 小纖維的結構與PrPsc的結構非常相似，也像PrPsc那樣能引起神經細胞的病變。

除了神經細胞外的Aβ 淀粉樣沉積，神經細胞內還有另一類淀粉樣沉積，即由Tau 蛋白改變結構引起的。Tau 表示希臘字母τ，功能是在細胞中與“細胞骨架”之一的“微管”（microtubule）結合，穩定微管結構，所以其基因稱為“與微管相連的蛋白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 蛋白也能改變結構，形成橫向β-折疊，像Prion 蛋白那樣形成小纖維，且能被剛果紅染色，在偏振光下呈現蘋果綠的雙折射現象，說明細胞內的Tau 蛋白沉積和細胞外的Aβ 沉積具有相似的淀粉樣結構。所以阿茨海默癥也許是神經細胞被這2 種蛋白“雙重攻擊”的結果。

以上事實說明，阿茨海默癥是由傳染性蛋白引起的，且其形成機制與瘋牛病極為相似，盡管Aβ 和Tau 蛋白與PrPsc是不同的蛋白質。這說明Prion 型結構，而不是氨基酸序列，是引起疾病的原因。

2.2 帕金森氏癥 帕金森氏癥 （Parkinson′s disease，PD）也是中樞神經系統變性病，于1817年由英國醫生James Parkinson 首先描述。這種疾病主要影響運動神經系統，所以又被稱為“運動神經元病”。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分泌不足。患者表現為身體顫抖、僵硬，行動遲緩，行走困難，情緒抑郁焦慮，認知能力受到影響，嚴重的會失智即癡呆。帕金森氏癥主要影響60 歲以上的老人。2015年，全球有620 萬人發病，其中11 萬多人死亡，所以這也是一個嚴重影響老年人健康的疾病。

在顯微鏡下檢查患者的腦組織，發現與阿茨海默癥的情形相似，也有蛋白聚合物。但與阿茨海默癥不同的是，這些蛋白聚合物不是在細胞外，而是在細胞內，稱為“路易氏體”（Lewy body）。路易氏體的主要成分是一種蛋白，即“α-突觸核蛋白”（α-synuclein）。路易氏體可被剛果紅染色，并在偏振光顯微鏡下呈現蘋果綠色的雙折射現象，說明它與癢羊病中的PrPsc和阿茨海默癥中的Aβ 具有類似的β-折疊結構。Aβ 還能“誘導”α-突觸核蛋白改變折疊方式，形成聚合物，因此，帕金森氏癥也是由傳染性蛋白引起的疾病。

路易氏體不是纖維狀的，而是球形的，周圍連有纖維狀的細絲。這可能是由于路易氏體還含有其他蛋白（例如泛素）的緣故。路易氏體并不是殺死神經細胞的結構，而是變為Prion 形式的β-突觸核蛋白在低度聚集狀態時對細胞產生傷害。

2.3 杭廷頓氏癥 杭廷頓氏癥（Huntington′s disease）也是中樞神經系統的病變，為美國醫生George Huntington 在1872年詳細描述。其癥狀有些類似帕金森氏癥，也表現為行動困難，最后發展為癡呆，但發病年齡要早于帕金森氏癥，30～50 歲即可發病。患者早期的癥狀為無目的和突然的劇烈動作，扮鬼臉，聳肩，所以又稱為“杭廷頓舞蹈病”（Huntington′s Chorea）。

杭廷頓氏癥是遺傳性的，起因是因為一個被稱為杭廷頓蛋白的基因（Huntingtin，HTT）序列發生改變，其中為連續多個谷氨酰胺殘基編碼的CAG 重復序列被擴充。正常人的HTT 基因含有6～35 個CAG 重復序列，而在引起疾病的HTT 基因中，這個數量擴展為36 個或以上，最多可達250 個。這樣，細胞生產的杭廷頓蛋白（Huntingtin protein）就有36 個或更多的谷氨酰胺連續序列。這種谷氨酰胺重復序列的擴展會使蛋白折疊的情形容易發生改變，形成Prion 型的β-折疊，進而形成聚合物，在神經細胞內形成內含體（inclusion bodies）。這些內含物能被剛果紅染色，并在偏振光顯微鏡上呈現蘋果綠色的雙折射現象，說明它與Prion 類型的蛋白質一樣，具有橫向β－折疊結構，因此其致病原理與上面提到的疾病是類似的，只是引起細胞傷害的沉積物（內含體），與帕金森氏癥中神經細胞中的路易氏體一樣，也是位于細胞內的，與多數位于細胞外的淀粉樣沉積不同。

迄今為止，本文介紹的淀粉樣變性病，包括阿茨海默癥、帕金森氏癥、杭廷頓氏癥，以及前文所述瘋牛病、癢羊病、人類的克-雅氏病、庫魯病，影響的都是中樞神經系統，但這并不意味著淀粉樣變性病只影響中樞神經系統。這些疾病影響中樞神經系統，是因為致病的蛋白，Prion 蛋白、淀粉樣β 蛋白（Aβ），以及杭廷頓蛋白，都主要表達在中樞神經系統中，它們的結構改變自然會“就近”影響它們所在的神經細胞。如果傳染性蛋白不是表達在中樞神經系統中，它們引起的病變也就會發生在身體的其他組織和器官中。下面介紹的就是影響身體其他組織和器官的淀粉樣變性病。

2.4 超氧化物歧化酶變異引起的外周神經疾病

超氧化物歧化酶（superoxide dismutase SOD）是身體對抗超氧離子（O2-）破壞作用的酶。它能將超氧離子變為氧和過氧化氫。人體內含有過氧化氫酶（Catalase），能將過氧化氫變為氧和水，由此，超氧離子的毒性就被完全去除。人體含有3 種SOD：SOD1 存在于細胞質中，SOD2 存在于線粒體中，SOD3 存在于細胞外。它們都含有金屬離子作為輔基，其中SOD1 和SOD3 都含有銅和鋅，而SOD2 含有錳。SOD1 和SOD2 以同質二聚體的形式存在，而SOD3 以同質四聚體的形式存在。這些SOD 的分子形狀都類似球形，都含有β-折疊。

SOD1 和SOD3 的一些基因突變都能改變蛋白中肽鏈的折疊方式，轉變為Prion 型的β-折疊結構，形成不溶于水的聚合物，從而引起周圍神經的疾病。

肌萎縮性脊髓側索硬化癥（amyotrophic lateral sclerosis，ALS） 是一種漸進性的運動神經病變，運動神經元退化死亡，肌肉萎縮，最后大腦完全失去主動控制運動的能力。大部分病例的發病原因不明，少部分是遺傳性的。由SOD1 蛋白第90 位的氨基酸殘基從天冬氨酸變為丙氨酸（Asp90Ala）引起的ALS 約占遺傳性ALS 病例的20%。神經細胞和星形膠質細胞（astrocyte）內出現沉積物，其中含有突變形式的SOD1 蛋白，是引起這些細胞受損的原因。

SOD3 蛋白第213 位的精氨酸殘基變為甘氨酸殘基（Arg213Gly）會導致家族性淀粉樣多發神經病變（familial amyloidotic polyneuropathy，FAP）。一名患者在25 歲時發生周圍神經病變，然后心臟、腎臟和自主神經受到損害，最后死亡。變異的SOD3 蛋白在這些組織和器官內都有沉積，尸檢還發現血管周圍和小腸上也有淀粉樣沉積。

2.5 抗體輕鏈型淀粉樣變性病 抗體輕鏈型淀粉樣變性病（Amyloid light-chain amyloidosis，AL）是抗體輕鏈不正常產生而后變性引起的疾病。抗體是由漿細胞（plasma cell）產生的，用于結合外來分子的蛋白質，是人體免疫系統的重要成分。抗體由重鏈和輕鏈組成，這就要求重鏈和輕鏈在細胞中形成的數量必須匹配，如果其中一種產生的量超過另一種，就會使一些分子找不到“結合對象”，而這樣的狀態是不穩定的，容易改變折疊方式并聚合，在身體各處沉積下來，從而引起病癥。這些沉積能被剛果紅染色，并在偏振光下呈現蘋果綠的雙折射現象，說明這些沉積是Prion 型的。

由于多余的輕鏈存在于血液中，其聚合物隨著血液循環到達身體各處，所以可沉積在身體的許多組織和器官上，包括外周神經、骨骼、心臟、肝臟、肺臟、腎臟、腎上腺、脾臟、甲狀腺、胃腸道和皮膚等，引起淋巴結和肝脾腫大、骨痛、骨折、心律不齊、呼吸困難、皮膚顏色改變等。其中腎臟是最常見受影響的器官，半數以上患者表現為腎病綜合征，伴有高血壓和腎功能不全。當腎臟的功能被破壞到一定程度時，輕鏈蛋白會通過腎小管進入尿中。這個現象為英國醫生Henry Bence Jones 于1848年報告，因此，尿中的輕鏈蛋白也稱為Bence Jones 蛋白。

沉積物中的抗體輕鏈是由單克隆的漿細胞所產生的，即所有的輕鏈分子都具有同樣的氨基酸序列。研究發現，所有能引起AL 淀粉樣變性病的抗體輕鏈都含有可變部分，即在正常情況下用于結合外來物質的部分。這部分序列是由抗體產生時通過所謂的VJ 重組（VJ recombination）所產生的。輕鏈中的可變段是由多個DNA 片段編碼的，這些片段隨機地組合在一起，可形成多種不同的可變段氨基酸序列。輕鏈的可變部分再與重鏈的可變部分結合，就可產生數量龐大的對外來物質的結合面，這正是抗體分子產生機制的巧妙之處。然而這個巧妙的機制也有其缺點，即偶爾會產生能形成Prion 結構的輕鏈。

2.6 抗體重鏈淀粉樣變性病 抗體重鏈淀粉樣變性病（Amyloid heavy-chain amyloidosis）遠比輕鏈淀粉樣變性病少見，但也有確實的病例報告，說明抗體的重鏈也可以改變折疊方式，形成Prion 型的結構。例如1990年，美國就報告了這樣一個病例。一位65 歲的婦女就診時有黃疸，腹痛，持續性消瘦，腎功能也有問題，不久后死于肝、腎衰竭。對這位婦女的組織檢查發現，其肝臟、心臟、腎臟和脾臟中都有淀粉樣沉積。這些沉積能被剛果紅染色，并在偏振光顯微鏡下呈現蘋果綠的雙折射現象，說明她患的是全身性的淀粉樣變性病。患者的淀粉樣沉積所含的蛋白質主要是一種抗體的重鏈，其中可變部分完全保留，而不變部分有缺失。這說明與輕鏈淀粉樣變性病類似，也是肽鏈的可變部分發生了折疊方式的變化，形成了Prion 結構的聚合物。這種重鏈也是單克隆的，由此說明這也是只由一種抗體的重鏈變性而導致的疾病。

2.7 血清蛋白A 引起的淀粉樣變性病 血清蛋白A 由肝臟合成，由于可引起淀粉樣變性病又被稱為血清淀粉樣蛋白A（Serum Amyloid protein A，SAA），當身體有炎癥時其在血液中的濃度可增加1 000 倍以上，但其生理功能尚不完全清楚。當身體有慢性炎癥時，例如類風濕性關節炎（rheumatoid arthritis）、胃 腸道炎癥（gastrointestinal inflammatory disease）、慢性感染例如肺結核、由艾滋病引起的感染等，血清淀粉樣蛋白A 的濃度持續升高，就有可能誘發全身淀粉樣變性病。

血清蛋白A 引起的淀粉樣變性病（Serum protein A Amyloidosis，AA） 是一種全身性的淀粉樣病變，癥狀包括腎臟功能受損引起的蛋白尿，胃腸道功能受損引起的腹瀉和吸收不良，肝臟、脾臟和甲狀腺腫大，以及多發性神經病變等。這些沉積物能被剛果紅染色，并在偏振光顯微鏡下呈現蘋果綠色雙折射現象，說明這些沉積物也具有Prion 蛋白小纖維那樣的橫向β-折疊結構。

血清淀粉樣蛋白A 由104 個氨基酸殘基組成，其中氨基端的66～76 個氨基酸殘基長的片段有形成Prion 型β-折疊的能力，但是在完整的血清蛋白A 中這種折疊不會發生，而是主要形成α-螺旋。當分子的羧基端被除去后，余下的氨基端就會改變折疊方式，形成淀粉樣沉積。此過程可能是在巨噬細胞中開始的。血清蛋白A 通常是由巨噬細胞降解的，如果降解過程不完全，沒有將它完全分解為氨基酸，而只進行了部分水解，就會形成致病的氨基端。

有趣的是，同樣的現象也出現在小鼠身上。如果讓小鼠處于持續發炎的狀態3～4 周，小鼠的脾臟中就會出現淀粉樣沉淀。如果將此沉淀注射給剛開始患炎癥的小鼠，則其脾臟中出現淀粉樣沉淀的時間就縮短為3 d。不僅如此，患有輕鏈型淀粉樣變性病（AL）小鼠的單核細胞（mononuclear cells）也有類似的效果，甚至患輕鏈型淀粉樣變性病的人的單核細胞，也能縮短炎癥小鼠淀粉樣沉積出現的時間。這說明輕鏈型淀粉樣變性病的沉積（無論是人的還是小鼠的）與小鼠的血清蛋白A 沉積有類似的β-折疊結構，以致前者可以作為后者形成的“種子”。這說明有些傳染性蛋白不僅能改變同種蛋白的結構，也能改變其他傳染性蛋白的結構，即一種傳染性蛋白還能“傳染”另一種傳染性蛋白。

2.8 長期腎透析引起的β-微球蛋白腕管綜合征

腎透析是用人工生產的半透膜去除血液中多余的水分和小分子廢物。“半透膜”的意思是這種膜只允許比較小的分子和離子通過，而紅血球和大的蛋白分子不能通過。腎透析是維持腎功能受損患者生命的一種重要和有效的手段，但長期腎透析也會帶來一些問題，其中包括一些蛋白質不能通過半透膜而在血液中積累，繼而改變折疊方式，引起疾病，例如腕管綜合征。

人的Ⅰ型組織相容性抗原（class Ⅰmajor histocompatibility complex Ⅰ，MHCⅠ）是細胞表面向身體報告細胞中是否有病毒入侵的重要蛋白復合物。MHC Ⅰ由2 個蛋白質亞基組成，一個是α-蛋白，另一個是β-微球蛋白（β-microglobulin）。在正常情況下，β-微球蛋白在腎臟中被代謝掉。血液中的β-微球蛋白先在腎小球中被過濾出去，再在腎小管中被重吸收并就地降解。

但是在透析過程中，β-微球蛋白卻無法通過透析膜。該蛋白的分子量為11.8 kDa，對于透析膜上的孔來說太大了。長期透析（例如5年以上）會造成滯留在血液中的β-微球蛋白改變折疊方式，變成Prion 型的β-折疊，在身體各處形成沉積物，引起癥狀，特別是沉積在關節處，引起關節痛，以及在腕管滑液（Carpal tunnel synovia）中和筋腱上。由于腕神經是通過腕管進入手掌的，淀粉樣沉積會壓迫腕神經，造成麻木和針刺的感覺，稱為腕管綜合征（Carpal tunnel syndrome，CTS）。腕管綜合癥的發病率與透析時間成正相關，透析超過10年的患者約有10%會出現腕管綜合征。

這些沉積物能被剛果紅染色，并在偏振光顯微鏡下呈現蘋果綠色雙折射現象，說明β-微球蛋白形成的淀粉樣沉淀與Prion 蛋白的結構相似，它所引起的疾病也是淀粉樣變性病。

（待續）