朊病毒分子生物学
朊病毒结构研究和致病机理分析
朊病毒结构研究和致病机理分析摘要朊病毒病是人和动物的一种退行性脑病，主要包括羊骚痒病，疯牛病，以及人的克雅氏综合症等。
其致病因子被认为是一种由正常细胞PrP蛋白经非正常折叠所形成的蛋白质（PrPsc）。
PrPsc和PrPc来自于同一基因具有相同的氨基酸序列，但在二级结构和三级结构上有很大的不同。
科学界认为朊蛋白是一种不含核酸和脂类的疏水性糖蛋白关键词：朊病毒 PrPc PrPsc 重组朊蛋白高级结构朊病毒（Prion Protein , PrP）是一种蛋白质亚病毒，是只有蛋白质而没有核酸的病毒，形态特征为小型蛋白质颗粒，大约有250个氨基酸组成，大小仅为最小病毒的1%。
它是由动物机体中高度保守的朊病毒蛋白基因编码的蛋白质并能在机体的多种细胞中表达，在中枢神经系统及神经元细胞中表达量最高。
朊病毒具有两种不同的分子构象：一种是存在于正常机体或感染动物的细胞中，没有致病作用，称为细胞朊蛋白（PrPc）,另一种是仅存在于感染动物的细胞中，称为朊病毒蛋白（PrPsc）。
两种蛋白的一级结构完全相同，但二极结构及高级结构则有着显著差异。
此种病毒可导致库鲁病（Ku-rmm）、克雅氏综合症（CJD）、格斯特曼综合症（GSS）、致死性家族失眠症（FFI）等常见人类疾病以及羊瘙痒病和疯牛病等动物疾病[1]。
朊病毒的传播途径包括：使用动物肉骨粉饲料、牛骨粉汤；医源性感染，如使用脑垂体生长激素、促性腺激素和硬脑膜移植、角膜移植、输血等。
朊病毒特点是耐受蛋白酶的消化和常规消毒作用，由于它不含核酸，用常规的PCR技术还无法检测出来。
朊病毒的复制并非以核酸为模板，而是以蛋白质为模板。
斯坦利由于发现PrPSC（一普里朊）和PrPC具有相同的一级结构而具有不同的二级和三级结构，打破了以往蛋白质的一级结构决定高级结构的定律，而获得了1997年诺贝尔生理学或医学奖[2]。
1982年普鲁宰纳提出了朊病毒致病的“蛋白质构象致病假说”，以后魏斯曼等人对其逐步完善。
朊病毒
个体
由于朊病毒病尚无有效的治疗方法，因此只能积极预防。其 方法主要有：
①消灭已知的感染牲口，对病人进行适当的隔离 ②禁止食用污染的食物，对神经外科的操作及器械进行消毒 要严格规范化，对角膜及硬脑膜的移植要排除供者患病的可 能 ③对有家庭性疾病的家属更应注意防止其接触该病。
国家
一是堵漏洞，严把海关进出口国门，严禁从疯牛病疫区进口 动物源性饲料、生物制品和与牛相关制品；二是查内源，加 强对本土羊瘙痒病的筛查，监测疯牛病，预防医源感染；三 是强基础，加强对朊病毒发病机理、传染途径、灭活消毒手 段的研究。如瘟疫爆发，国家应该封锁国境线、关闭机场与 港口，捕杀与其有关联的动物（中间宿主）。
朊病毒是一种只含有蛋白质而不含核酸的分子生物并且只能 在寄生宿主细胞内生存。因此，合成朊病毒所需的信息，有 可能是存在于寄主细胞之中的，而朊病毒的作用，仅在于激 活在寄主细胞中为朊病毒的编码的基因，使得朊病毒得以复 制繁殖。
朊病毒蛋白是人和动物正常细胞基因的编码产物（人的该 基因位于第20号染色体短臂）。
朊病毒对多种因素的灭活作用表现出惊人的抗性。对物理因 素，如紫外线照射、电离辐射、超声波以及80～100℃高温， 均有相当的耐受能力。对化学试剂与生化试剂，如甲醛、羟 胺、核酸酶类等表现出强抗性。能抵抗蛋白酶 K 的消化。在 生物学特性上，朊病毒能造成慢病毒性感染而不表现出免疫 原性（没有引起免疫系统察觉
感染器官
朊病毒可感染多个器官，已知的主要为脑髓，但在潜伏期内 除中枢神经系统外，各种组织器官均有感染，且感染多途径， 除消化道外，神经系统、血液均可感染，预防难度大，人畜 一旦发病，6个月至1年全部死亡，100%的死亡率。
朊病毒的基因及其蛋白质结构生物学的研究
朊病毒的基因及其蛋白质结构生物学的研究韩生成 田波(中国科学院微生物学研究所,北京100080)摘要 朊病毒是一种只含有蛋白质而不含有核酸的蛋白侵染颗粒,能造成哺乳动物的脑部病变.它是由正常形式的蛋白错误折叠成致病蛋白而组成的.两种结构异型的蛋白PrP C和PrP Sc来源于同一基因,具有相同的氨基酸序列和共价修饰,但是在三维结构有很大的差异.朊病毒的繁殖是通过正常形式蛋白转变为致病形式而完成的.朊病毒疾病的传播具有种属特异性和病毒株系特异性的特点,这是由于其一级结构的差异而在三维结构上形成不同的构象而引起的.关键词 朊病毒 基因 蛋白质结构 构象转变英国的疯牛病事件和美国的Prusiner博士因朊病毒的发现获得1997年诺贝尔生理和医学奖使朊病毒研究受到各方面的重视.朊病毒是一种新型的蛋白感染因子,能够引起人和动物的可转移性神经退化疾病,如人的震颤病,克雅氏病(C JD),吉斯综合征(GSS)和致死性家族失眠症(FFI)以及动物的羊瘙痒病,牛海绵脑病(俗称疯牛病)和鹿、猫、水貂等的海绵脑病.这些疾病的共同特征是使动物和人产生认知和运动功能的严重衰退直至死亡,其临床和病理特征表现为脑组织的海绵体化、空泡化、星形胶质细胞和微小胶质细胞的形成以及致病蛋白的积累.Prusiner等人的一系列实验证明这种疾病是由于正常细胞蛋白的错误折叠形成的致病蛋白———朊病毒(Prion)在脑中积累而引起的.国际病毒分类和命名委员会把朊病毒、类病毒和卫星病毒归入亚病毒,以示与病毒的区别.这也是我们[1]将Prion(或Virino)译为朊病毒的原因.1 蛋白质致病假设 朊病毒的早期认识多源于羊瘙痒病的研究.朊病毒疾病的传染性和滤过性特点曾被认为是由慢病毒引起的.但同大多数病毒不同,福尔马林溶液并不能完全消除其传染性.Alper等人[2]也观察到一定剂量的254nm紫外线不能使其失活,相反它对237nm紫外线却非常敏感,这些特征使作者认为感染因子可能是一种不含有核酸的蛋白质.随后Griffith等人[3]提出蛋白质致病假设,认为感染因子是由正常细胞蛋白经修饰后形成的.1982年Prusiner和他的同事[4,5]利用生化手段从感染羊瘙痒病的金黄地鼠中纯化出此类感染因子,并分别经过核酸酶和蛋白酶消化、紫外线以及其他化学试剂的处理,认为羊瘙痒病的感染因子可能是一种不含有核酸的蛋白质,并取名为朊病毒蛋白(Prion Protein),简称PrP.致病的朊病毒蛋白(PrP Sc)具有抗蛋白酶K有限水解的能力,它特异地出现在被感染的动物脑组织中,呈淀粉样形式存在.经有限酶解后,聚丙烯酰胺凝胶电泳显示其分子量为27～30ku(称PrP27～30),PrP27～30仍保留其感染活性.基于此蛋白质的部分氨基酸序列,对其基因和正常细胞蛋白(PrP C)的基因进行了克隆和序列分析.结果表明这两种蛋白基因的核苷酸序列完全一致,它们来源于同一个基因[6].这使得人们认识到PrP具有两种形式,即PrP C和PrP Sc.PrP C分子量33～35ku,含有1对二硫键和2个N型复合寡糖链,二硫键和糖基化的7102残基都在PrP的C端.N端含有由22个氨基酸残基组成的信号肽序列,C端含有由23个氨基酸组成的糖基磷酸肌醇锚受体结合位点(GPI)[7].说明PrP C是一种膜蛋白,已证明它是定位于细胞膜的穴样内陷类结构域(CLDs)[8].PrP Sc同PrP C具有下列不同的生化特性:(1)在非变性去污剂中PrP Sc是不溶的[9];(2)PrP Sc具有相对的抗蛋白酶水解特性[10];(3)PrP C和PrP Sc都依赖GPI附着在细胞膜表面,经磷酸肌醇磷脂酶C(PIPLC)酶解后PrP C从膜上释放出来而PrP Sc不释放,用TritonX-114进行相分配后,PrP C处于水相而PrP Sc处于TritonX-114相中[11];(4)特异的抗体只与PrP Sc有血清反应,而与PrP C无反应,证明两者含有不同的构象表位[12].这些实验为蛋白质致病假设提供了有力支持.2 朊病毒基因的结构和转录调控 朊病毒蛋白是由宿主染色体基因编码的.人的PrP基因定位于20号染色体的短臂上,鼠的PrP基因也定位于第2号染色体的短臂上.PrP基因是单拷贝的,这意味着PrP基因在哺乳动物物种分化时已经存在[13,14].朊病毒蛋白mRNA并不是由一个外显子组成,但整个开放阅读框包含在一个单一的外显子中,这消除了各种结构异型体的PrP是由于RNA的拼接形成的.但并不排除存在像RNA 编辑及蛋白质的拼接等机理的存在[14].鼠、牛和羊的PrP基因是由3个外显子和2个内含子组成,而人的PrP基因是由2个外显子和1个内含子组成.以前认为地鼠PrP基因是由2个外显子组成,Li等人[15]发现在地鼠基因组中还存在1个新的外显子,它的序列同鼠的外显子2有83%同源性,而与牛和羊的外显子2具有76%同源性.此外显子在调节细胞表达PrP方面起作用.大鼠的完整PrP基因为16kb,其中外显子1,2,3分别由19～47,98bp和2kb组成,间隔2个2.2和11kb的内含子.外显子1和2是非编码区,而外显子3编码5′非翻译区、PrP基因完整开放阅读框以及3′非翻译区[16].在大鼠5′端启动子区可能含有富含G+C区以及Sp1,Ap-1和Ap-2结合位点,但没有TA TA box位点.这说明PrP基因可能是一个持家基因[16].最初有人认为PrP在成年动物脑组织中是组成型表达的,而在发育过程中可能是受调控表达.对其cDNA5′端进行分析发现其mRNA在不同位点起始,Nouthern杂交也说明鼠的不同组织中PrP mRNA水平各不相同,最高表达量在脑部和胎盘[16].原位杂交实验进一步证明,在鼠脑组织中PrP mRNA主要存在于海马组织的锥形细胞、丘脑和新大脑皮层的大神经元以及蒲肯野氏细胞;在胎盘组织中,高水平PrP mRNA不只定位于蜕膜细胞,同时也在卵黄囊的羊膜和中胚层中表达.而且PrP mRNA也在子宫肌层和精巢的精细管中表达,但在肺、脾以及肝和其他胎儿组织中没有检测到,这说明PrP的表达是组织依赖型的[17].3 朊病毒蛋白的一级结构 经克隆和序列分析,目前已获得了近40个物种的PrP核苷酸序列及由此推断出的氨基酸序列.整个开放阅读框的氨基酸序列同源性为70%,而成熟的蛋白质PrP23～231序列同源性为76%.在患病的人中,已发现在PrP序列中有12个残基位置发生点突变而在3个位置发生氨基酸残基的多态性变化.另外在53～90位的八肽重复区发现有2～9个八肽插入及1个八肽重复的缺失突变(图1).这些突变都是非保守性替代,它们同人的散发性、遗传性及传染性朊病毒疾病相关.8102大多数C JD和一部分GSS以散发形式存在.在这些病人中,PrP基因没有发生突变.目前也不知道在人体中致病的蛋白怎样以散发形式出现,有人曾推测可能是由于患病的动物和人的水平传播、PrP基因的自身突变以及PrP C向PrP Sc的自发转变造成的.现在已经证明这些疾病与PrP序列中某些位置的氨基酸残基如M129V,N171S和E219K等的多态性有关.图1 人的成熟朊病毒蛋白(PrP23-232)的氨基酸序列序列上面的残基指此处的氨基酸发生突变,序列下面的残基指此处的氨基酸发生多态性变化,序列中划线处残基指八肽重复区研究者最早观察到GSS以常染色体遗传的方式发病,而后发现羊瘙痒因子侵染鼠后发病的潜育期长短与PrP基因在108和187位密码子处氨基酸之间存在遗传连锁.这使得他们认为PrP基因发生突变可能是造成遗传性朊病毒疾病的原因.约10%C JD是家族性发生,这也说明C JD具有一定的遗传基础.人的PrP基因102位残基的点突变P102L的发生被证明同GSS存在遗传连锁,后来发现所有的GSS病人都含有此突变.现已证明人类遗传性朊病毒疾病的分子基础是PrP基因的突变.转基因研究也证明PrP基因的突变能引起神经退化性疾病.GSS P102L突变基因导入鼠中,表达出大量突变蛋白,结果使5个株系的鼠表现出中枢神经系统退化性疾病.这也说明朊病毒可由PrP基因突变后从头(de novo)产生.进一步在PrP 基因中引入点突变A113V,A115V和A117V,也造成病变.而且经脑内接种可以将此病传染给表达地鼠———鼠嵌合基因的转基因鼠.已发现在PrP序列的53～90位密码子区插入一段144bp的八肽重复序列同4个家族的C JD病人相连锁,而且这些家族起源于一个共同的祖先.有人也证明在53位残基处插入2～9个八肽重复序列都可引发朊病毒疾病.4 朊病毒蛋白的三维结构 PrP Sc与PrP C都由同一基因编码,其氨基酸序列完全相同.因此PrP Sc的形成是一种转录后修饰的过程[18].通过对PrP Sc与PrP C的比较研究发现两者并无共价修饰的区别[19].利用Fourier转换红外光谱(F TIR)和圆二色(CD)对两者结构进行比较,发现它们在二级结构上有很大区别:PrP C含40%的α-螺旋,而含有很少或几乎不含β-折叠,相反PrP Sc则含有43%的β-折叠及30%的α-螺旋[20,21].采用分子模式对PrP Sc与PrP C的三维结构进行预测,认为PrP C 是一个含有4个α-螺旋(H1-H4)的球形蛋白.在PrP Sc中有2个螺旋H1和H2形成4个β-折叠链.一个二硫键将H3和H4连接在一起,稳定PrP Sc和PrP C的结构(表1)[22].利用CD对50～89位氨基酸残基的八肽区重复片段的研究表明八肽区采用一种无规则9102的延伸型构象,此结构类似于多聚L-脯氨酸形成的左手螺旋结构[23].通过对一段包括90～145位氨基酸残基的合成肽段进行核磁共振(NMR)研究,发现这段肽段能以α-螺旋形式存在,但是受环境影响后可以形成分子间β-折叠结构.在疏水环境中检测到H1螺旋区有α-螺旋存在,在H2中则只有形成螺旋的倾向性.在所有已知的PrP氨基酸序列中,113-128位残基是最保守的.有人认为这段残基是在新生PrP Sc产生过程中PrP Sc和PrP C结合的中心结构域[24].利用多维异核NMR对大肠杆菌表达的地鼠朊病毒蛋白片段PrP90～231和鼠的朊病毒片段PrP121～231进行研究发现两者都呈现螺旋形式的结构,类似于PrP C(表1)[25,26].地鼠PrP90～231和鼠PrP121～231都含有3个α-螺旋(HA-HC),螺旋的残基所处的位置区别不大,而且HB与HC同预测的PrP C结构中H3和H4的位置相当.但是在地鼠PrP中参与螺旋形成的残基更多,地鼠PrPα-螺旋相对鼠PrP更长.鼠PrP121～231中含有2个包括4残基的反平行β-折叠片层,而地鼠PrP只发现一个类似的反平行β-折叠.在另一位置的残基构象表现出有形成β-折叠的倾向性,却没有表现出标准的β-折叠构型.在S2和HB之间环区(Loop165～171)在地鼠PrP的NMR结构中表现出有序性,在鼠PrP中却呈无序性,而此段环区据认为含有两种不同的构象,它同HC一起在稳定PrP C结构方面起着一定的作用.同鼠PrP121～231相比地鼠PrP90～231多出90～120段残基.在NMR谱中这段残基表现出一定的α-螺旋谱峰性质,同时又表现出无规则卷曲的谱峰特征.因此认为它可能含有瞬间结构的特征,能进行构象之间的快速转变.113～125段疏水残基聚集区表现出能选择多种构象的特征,因此这段残基在PrP C向PrP Sc转变的构象变化中可能起关键作用.这与前面的合成肽段90～145的NMR谱结果相符合. 对大肠杆菌表达的完整朊病毒蛋白的NMR研究表明整个朊病毒三维结构呈很长的舒展状态,可以分为2个结构域,其中N端含有23～120位残基,处于舒展的无规则卷曲状态,缺少确定的二级结构,具有很高的柔韧性.而C端包括121～231位残基,是一个球形结构域,由一个二硫键相连接的2个α-螺旋组成V形骨架,另一个α-螺旋和2条β-折叠链附着在此骨架上构成[27,28].对于致病形式的PrP Sc的三维结构,由于其在非变性溶液中的不溶性,很难得到它在溶液中的构象.因此这有待于固相NMR技术的发展,或利用其他方法来对其结构进行解析.表1 朊病毒蛋白PrP C和PrP Sc的二级结构的比较朊病毒蛋白α-螺旋β-折叠推测的正常蛋白PrP C结构H1109～122H2129～141H3178～191H4202～218推测的致病蛋白PrP Sc结构H3178～191H4202～218S1108～113 116～122S2128～135 138～144鼠PrP121～231的NMR结构HA144～154HB179～193HC200～217S1128～231S2161～164地鼠PrP90～231的NMR结构HA144～156HB172～193HC200～227S2161～1635 朊病毒蛋白的构象转变 对PrP基因的序列分析表明PrP C和PrP Sc具有相同的氨基酸序列和共价修饰,而利用F TIR和CD对其二级结构的研究又证明两者之间存在构象上的差别,那么PrP C是如何转变成PrP Sc的呢?研究者提出两种不同的机理(图2)[29]:一种转换模式认为PrP Sc的形成是一种0202图2 PrP C 向PrP Sc 转变的模式(a )“重折叠”模式,(b )“种子”模式核依赖的聚合过程,即“种子”模型,PrP Sc 低级聚合物充当种子.在没有“种子”存在时,PrP C 和PrP Sc 单体之间发生快速的可逆性构象变化,但PrP C 单体构象比PrP Sc 稳定.当PrP Sc “种子”存在时,它可通过与PrP Sc 单体的结合稳定PrP Sc 构象,加速PrP C 向PrP Sc的转变.对于这种稳定转换过程的障碍就是起始的核形成过程.低级聚合物的形成在热力学上并不是有利的,因为依靠分子间相互作用所获得的自由能不足以抵消结合所带来的熵增加,直到一个最小规模的核形成后这种状况才得到改观.这种模式表现出聚合反应的一些特征,如需要超过临界浓度的蛋白质浓度以及动力学反应是一个拖后的相变化.此模式能够解释经脑内潜育后才发病的朊病毒疾病.另一种转换模式是模板介导的转换过程,即重折叠模式.这种模式认为PrP Sc 构象比PrP C 更稳定,这种转换在热力学上有利但在动力学上却进行得十分缓慢,两者之间存在能量屏障.在这种模式中,PrP Sc 依靠催化PrP C 或一个不稳定的中间体的重排来提高转换,以形成更稳定的PrP Sc 构象.感染性将依赖于PrP Sc 结合和催化中间分子转换的能力.这种模式能够解释由于点突变而引起的遗传性朊病毒疾病.点突变的发生增加了不稳定的中间分子的数量同时加快它转换成PrP Sc 的速率.然而这两种模式并不是相互排斥的,在朊病毒繁殖过程中有可能是这两种模式共同作用.在体外实验中Caughey 和他的同事[30,31]利用预先存在的PrP Sc 把PrP C 转变成一种类似PrP Sc 的抗蛋白酶水解的结构异型体,这种异型体经蛋白酶K 消化后类似于PrP 27～30.因为只有很少数量的PrP C 发生转变,还存在大量预先加入的PrP Sc ,因此检测新生PrP Sc 是否具有感染性在技术上是不可能的.比较有意思的发现是利用3mol/L 盐酸胍对PrP Sc 进行预处理,造成PrP Sc 不可逆折叠,增加了新生的PrP Sc 的转换,这可能意味着PrP Sc 本身也需要一个构象的改变以适应转换过程.在体外条件下不同p H 、温度及缓冲液成分都影响PrP C 向PrP Sc 转换.有实验表明,在还原条件下特别是p H >7.0后,纯化的PrP 表现出高β-折叠含量,溶解度降低,类似于PrP Sc .而在氧化条件下表现出高的α-螺旋含量,类似于PrP C[32].体外转变实验不能证明PrP C 能够变成有感染性的结构异型体,这使人们更加怀疑是否在体内有别的因子参与PrP C 向PrP Sc 的转变.利用培养的细胞研究PrP 蛋白的合成和转变过程可以得知PrP C 向PrP Sc 的转变可能发生在细胞内吞过程.GPI 锚点蛋白一般定位于富含胆固醇的质膜表面.曾证明抑制胆固醇的合成,同时也抑制PrP C 向PrP Sc 的转变.进一步研究表明PrP C 和PrP Sc 共同定位于膜的穴样内陷类的结构域中,而且lovastatin 能够抑制PrP Sc 的形成.这些实验表明CLDs 可能是朊病毒合成的地方[33].Prusiner 和他的同事[34,35]利用转基因鼠研究朊病毒繁殖过程发现除PrP 外可能还有别的蛋白分子参与PrP Sc 的形成,此蛋白分子被命名为蛋白质X.突变分析发现在PrP C 分子结构表面有同蛋白质X 相互作用的不连续表1202位,它们是第167,171,214和218位氨基酸残基.从已知的PrP C三维结构得知这些残基位于PrP C的HB和HC形成的V型结构的开口处,214位和218位氨基酸残基侧链从螺旋的表面突出与环区的167位和171位残基形成一个不连续的表位,是蛋白质X结合的位置.Eden2 hofer等人[36]利用双杂交显示法(two-hybrid screen)证明地鼠PrP C同分子伴侣Hsp60之间存在特异的相互作用,其作用位点在PrP C的180～210位的残基.其他实验也表明PrP C和Hsp60存在于相同的亚细胞部位.由此可以推测Hsp60可能就是蛋白质X.一般情况下,在新生肽链的折叠和成熟过程中,糖基化起着非常重要的作用.PrP含2个N型寡糖链,由此推测这2个糖链在PrP Sc生成的构象转变过程中可能起着一定的作用[37].实验表明糖基化位点的残基发生突变后PrP C仍可转变为PrP Sc,并且在糖基化抑制剂突尼卡霉素(tunicamycin)存在的情况下,PrP Sc仍可合成.这些结果说明N型糖链对PrP Sc的形成并不是必需的.但有实验表明糖链的存在可以改变PrP Sc形成的效率.Taraboule等人发现经突尼卡霉素处理羊瘙痒因子感染的细胞后,导致潜育期缩短和PrP Sc的更快产生.体外实验也证明了这一点.在一种人的朊病毒疾病的患病个体中发现其PrP蛋白的183位残基发生突变使181位的糖基化失活,发生了遗传性海绵脑病.这些结果意味着PrP分子中糖链帮助维持正常的PrP C构象,它的缺失有利于PrP Sc的形成.6 朊病毒的种属特异性和株系特异性 体外实验证明PrP C能同预先加入的PrP Sc共同温育形成具有抗蛋白酶水解的结构异型体,这为PrP Sc的繁殖是通过PrP C向PrP Sc的直接转变的假设提供了证据.在PrP Sc的繁殖过程中存在朊病毒的种属特异性和株系特异性的现象.种属特异性是指一个物种对另一物种产生的朊病毒颗粒的侵染具有抗性的现象,其外在表现为潜育期的延长甚至不发病.例如正常的小鼠对由地鼠产生的朊病毒株具有抗感染的能力,但是转地鼠朊病毒基因的转基因小鼠却对地鼠产生的朊病毒株具有很高的感染性.而且当自身的PrP C缺失后,转基因小鼠对小鼠朊病毒株也表现出抗性.目前认为种属特异性的根本原因在于组成PrP的氨基酸一级结构的差异,造成三维构象上的不同所引起的.在完整PrP序列中鼠和地鼠共有14个氨基酸残基不同,而在构建成的鼠和地鼠嵌合基因中,鼠的112～180位残基代替相对应的地鼠基因.在这部分序列中有三个氨基酸残基不同:地鼠Met139→鼠Ile、地鼠Asn155→鼠Tyr和地鼠Asn170→鼠Ser.而这足以阻止地鼠的PrP Sc诱导嵌合的PrP产生抗蛋白酶K水解的蛋白结构异型体[38].从地鼠PrP三维结构上看出包含Met139,Asn155和Asn170三个残基的氨基酸片段形成的疏水区位于PrP C结构的表面,在转换过程中这段疏水区可能同PrP Sc发生相互作用.其他实验也表明96～167位氨基酸残基的不同对种属特异性的维持起关键作用[34].由此说明PrP一级结构决定其种属特异性.在朊病毒的繁殖过程中还存在株系的特异性,表现在潜育期长短不同、脑中受到损伤的部位不同和PrP Sc的蛋白酶K酶切位点不同形成不同分子量的蛋白几方面[39].这些特征即使是连续传代仍然保持.Teling等人[40]实验证明在FFI中特异的抗蛋白酶K水解片段去糖基后分子量为19ku,而在C JD中相应的片段为21ku.利用FFI和C JD病人脑中的提取物分别感染含嵌合人鼠基因的转基因鼠,特异地产生出19和21ku的PrP Sc.这些结果表明PrP Sc的2202构象是指导新生PrP Sc合成的模板.也就是说朊病毒繁殖的信息是贮存在致病蛋白的构象中,不同的株系代表不同的蛋白构象.7 PrP的功能 朊病毒疾病的发生表现在PrP Sc的积累,但是致病的根本原因是由于PrP C的缺乏,还是由于PrP Sc的积累,以及PrP C的生理功能是什么?这些还不清楚.Tobler等人[41]证实缺失PrP 的小鼠在昼夜节律和睡眠方式上发生了改变.这使人们想到至少存在一种人类遗传性朊病毒疾病FFI同PrP的正常功能有关.FFI病人中大多数丘脑核受到严重破坏,而丘脑回路的存在是维持正常睡眠节奏所必须的[42].还有实验报道缺失PrP的小鼠海马组织中G ABA介导的神经传递抑制受到干扰,而且长期记忆能力也减弱.Nishida等人[43]进一步证实PrP C蛋白对潜伏期学习和长期记忆的保持是必需的.C JD和GSS中痴呆的发生,可能是这些功能缺失的反应.上述结果意味着朊病毒病的发生可能是正常PrP C的缺失,而不是PrP Sc的积累所引起的.曾发现PrP C蛋白不仅限于中枢神经系统中,在鼠和羊的淋巴细胞中也表达,而且在患病羊的淋巴组织也发现PrP Sc的积累[44].PrP C是细胞膜蛋白,实验证明它参与T淋巴细胞的激活.研究还发现PrP八肽区与哺乳动物的RNP A1的核酸结合和链退火的八肽区有同源性,因此有可能同RNP一样具有NADH依赖的氧化还原酶活性[45].有实验发现,在PrP缺失的鼠中Cu/Zn超氧化物歧化酶活性降低,因此对细胞内氧化压力更敏感导致细胞更快死亡[46].还有实验表明朊病毒片段106～126能够调节小胶质细胞内的Ca2+浓度,从而激活小胶质细胞[47].这些实验是否意味着PrP C存在功能的多样性.参 考 文 献1 田波.亚病毒———病毒学的一个新分支.病毒学报,1985,1:190～1602 Alper T,Cramp W A,Haig D A,et 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with molecular chaperones of the Hsp60family.J Vi2 rol,1996,70:4724～47284202。
《朊病毒分子生物学》课件
2
疾病控制
预防措施包括隔离、消毒、接种、抗病毒药等。
3
公众卫生意义
研究病毒可以提高病毒感染的诊断、预防和治疗。
众人拾柴火焰高
希望通过学习《朊病毒分子生物学》，更多的人能够了解病毒，了解其对人 类健康的影响，更好的应对和控制疾病。
《朊病毒分子生物学》 PPT课件
本课件将介绍病毒结构、感染过程、分子生物学技术以及与人类健康相关的 内容。
病毒简介
病毒定义
一种依赖宿主细胞进行 复制的微生物体。
病毒结构
由遗传物质和蛋白质组 成的核酸壳体，可能还 有额外的酶或膜。
病毒分类
按照形态、遗传物质和 感染宿主的类型分为不 同的分类。
病毒感染过程
逆转录病毒
将RNA转录成DNA并插入宿 主细胞基因组内，例如HIV病 毒。
病毒分子生物学技术
1 病毒基因工程
2 病毒载体系统
用于研究病毒的特性， 或设计疫苗。
用于表达和生产重要 的分子、蛋白质或药 品。
3 病毒诊断技术
用于病毒感染的检测 和鉴定。
病毒与人类健康
1
病毒传播途径
接触、飞沫、性接触、输血或对或直接绑定到宿主细胞表面上。
2
病毒复制过程
寄生在宿主细胞内，利用宿主细胞的机器来进行复制。
3
病毒产生的影响
破坏宿主细胞，引起疾病。也可能导致进化和多样化。
病毒的遗传物质
DNA病毒
使用DNA作为基因信息的载 体，例如流感病毒。
RNA病毒
使用RNA作为基因信息的载 体，例如乙肝病毒。
朊病毒及朊病毒病的研究进展
朊病毒及朊病毒病的研究进展1982年，美国生理学家Prusiner及其同事，在大量实验的基础上，突破经典病毒学理论而提出朊病毒（prion）的概念，认为绵羊瘙痒病的病原体是一种尚未证实有核酸结构的蛋白质侵染颗粒（proteinaceous infectious particles），并将其称为朊病毒蛋白（Prion protein），简称为PrP。
朊病毒是医学生物学领域中至今尚未彻底弄清，与病毒和类病毒都很不相同的一种蛋白质传染病原体。
它是一组至今不能查到任何核酸、对各种理化作用具有很强抵抗力、传染性甚强、分子重量在27000～30000道尔顿的蛋白质颗粒，它们是在人和动物中引起可传递的海绵脑病的特殊病因。
朊病毒是一个超出经典病毒学和生物学的全新概念，蛋白质在特定条件下发生突变或构型上的变化由良性变为恶性，即变为具有传染性的侵染颗粒，可引起人和动物脑内神经元空泡变性（即海绵状变性），所以这类病毒引起的疾病被称为传染性海绵状脑病（ Transmissible Spongiform Encephalopathy，TSE），又称为朊病毒病。
一、朊病毒引起的相关疾病朊病毒都是致死性中枢神经系统的慢性退化性疾病，病理学上的特点是大脑皮层的神经元细胞退化、空泡变性、死亡、消失，最终被星状细胞取代，因而造成海绵状态。
患者具有痴呆、共济失调、震颤等症状。
已知人和动物朊病毒有以下几种：人的库鲁氏病，又称新几内亚震颤病（Kuru）；克－雅氏病（Creutzfeldt－Jakob disease，CJD），又称皮质－基底节－脊椎变性综合征，也有人称其为人类海绵状脑病和早老性痴呆症（Presenile Dementia）；致死性睡眠综合症（Fatal Familial Insomnia，FFI）；吉斯综合症，又称脑软化病（Gersrmann -Straussler-Scheikerg disease，Gss）;疯牛病（ Mad Cow Disease，MCD），即牛海绵状脑病（ Bovine Spongiform EncePhalopathy，BSE）；传染性紫貂脑病（TME）；猫海绵状脑病（ Feline Spongiform Encephalopathy， FSE）；羊瘙痒症（Sctapie），有绵羊瘙痒（Scrapie of sheep）和山羊瘙痒症（scrapie of gaats）两种；大耳鹿慢性消耗病（Chronic Wasting Disease of Mule Deer，CWD）；传染性雪貂白质脑病（Transmissible Mink Encepholopathy，TME）。
分子生物学整理
阮病毒是一类小型蛋白质颗粒，约由250个氨基酸组成。
朊病毒蛋白有两种构象：正常型和致病型。
两者的主要区别在于其空间构象上的差异。
正常型仅存在a螺旋，而致病型有多个β折叠存在，后者溶解度低，且抗蛋白酶解；②致病型可胁迫正常型转化为致病型，实现自我复制，并产生病理效应；③基因突变可导致细胞型PrPc中的α螺旋结构不稳定，至一定量时产生自发性转化，β片层增加，最终变为致病型。
因此，合成朊病毒所需的信息，存在于寄主细胞之中的，而朊病毒的作用，仅在于激活在寄主细胞中为朊病毒的编码的基因，使得朊病毒得以复制繁殖。
MicroRNAs（miRNAs）是在真核生物中发现的一类内源性的具有调控功能的非编码RNA，其大小长约20~25个核苷酸。
成熟的miRNAs是由较长的初级转录物经过一系列核酸酶的剪切加工而产生的，随后组装进RNA诱导的沉默复合体，通过碱基互补配对的方式识别靶mRNA，并根据互补程度的不同指导沉默复合体降解靶mRNA或者阻遏靶mRNA的翻译。
特点：1广泛存在于动物、植物、真菌及病毒的基因组中，miRNA 基因以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种形式存在于基因组中，而且绝大部分定位于基因间隔区。
2高度的保守性、时序性和组织特异性。
3成熟的miRNA 5′端有一磷酸基团, 3′端为羟基, 这一特点使它与大多数寡核苷酸和功能RNA 的降解片段区别开来。
产生和：miRNA基因通常是在核内由RNA聚合酶II(polII)转录的，最初产物为大的具有帽子结构(7MGpppG)和多聚腺苷酸尾巴(AAAAA)的pri-miRNA。
pri-miRNA在核酸酶Drosha和其辅助因子Pasha的作用下被处理成70个核苷酸组成的pre-miRNA。
RNA–GTP和exportin 5将pre-miRNA输送到细胞质中。
随后，另一个核酸酶Dicer 将其剪切产生约为22个核苷酸长度的miRNA:miRNA双链。
这种双链很快被引导进入沉默复合体(RISC)复合体中，其中一条成熟的单链miRNA保留在这一复合体中。
朊病毒分子生物学
一、朊病毒（virino）的发现
1982 年,美国的Pruisner 博士和他的同 事分离纯化出一种高度感染性的特殊糖蛋 白,称为抗蛋白酶蛋白( PrP) , 经实验认为羊 痒病的感染因子可能是一种不含核酸的蛋 白质,并取名为朊病毒蛋白。
二、朊病毒的来源
朊病毒一直存在于世界，是正常基因在 129位编码缬氨酸或甲硫氨酸位置发生突 变。
• Prion的结构模型，左PrPc，右PrPSc
朊病毒的核磁共振图谱
四、人和动物朊病毒病
人阮病毒病：
1：克雅氏综合症(CJD)
克雅氏病是罕见的早老性痴呆病，其潜伏期可长达十年， 发病后期人的大脑被毁损，最后昏迷死亡。在欧洲、美洲、 大洋洲等各地的发病率约为百万分之一。
2：库鲁病（Ku—rmm)
2、结晶假说
该假说认为PrP蛋白在有PrPSc分子的情 况下形成结晶时，晶格中的PrPc分子有α螺 旋构象转变成PrPSc的β折叠构象.由此可见 PrP蛋白的构象转变并无核酸活动的参与。
3、构型诱变假说
PrPSc可诱导正常的PrPc转变成PrPSc，这一转 变完全是翻译后过程，为蛋白质的二级结构发生 变异。正常的PrPc主要由4个α螺旋环组成，其氨 基端有15个氨基酸是PrPSc 的结合区域；当有 PrPSc 与之接触后，PrPc就会发生构象改变，α 螺旋减少，β折叠增多 ，继而转变成PrPSc。改 变前后在蛋白质特异性方面存在较大差异。
1、逆中心法则假说
Prion发现之前，我们认为所有的病原体都 是通过核酸进行复制的。
Protein hypothesis阐述，蛋白质结构也可 以不依赖核算进行复制，这一假设完全颠 覆了中心法则中遵循的核酸是复制信息的 中心
Central dogma of molecular biology
【预防医学专业知识】朊毒体病考点汇总
【预防医学专业知识】朊毒体病考点汇总医疗事业单位招聘考试中的预防医学专业, 笔试往往考查其专业知识较多, 今天给大家梳理下预防医学专业知识-朊毒体病考点汇总在笔试中的一些考点。
一、流行病学(一)传染源感染朊毒体的人和动物均可成为传染源。
(二)传播途径1.消化道传播人和动物都可迸食含有朊毒体的宿主组织或加工物而感染。
例如, 健康牛吃了含有朊毒体的病畜内脏饲料感染疯牛病;人进食库鲁病患者的内脏或脑组织感染库魯病;人因进食疯牛病牛肉而感染新型克雅病。
.2.医源性传播脑外科患者由于使用受克雅病患者污染的手术器械而感染克雅病;器官移植患者因接受克雅病患者的器官感染克雅病;其他还可使用受朊毒体污染的垂体激素、生长激素或促性腺激素而感染克雅病。
(三)人群易感性普遍易感, 感染朊毒体后不能产生保护性抗体。
.二、临床表现(一)库鲁病与其他朊毒体病不同, 库鲁病有较清晰的临床分期。
早期或行走期的特征症状有颤抖共济失调和姿势不稳。
随着颤抖和共济失调的进展, 患者逐渐失去行走能力, 进入久坐期。
非随意运动包括肌阵挛、舞蹈手足徐动症和肌束颤也在该期出现。
痴呆症状起初表现为思维减慢, 在疾病后期出现。
患者可能表现为对自己的疾病漠不关心。
前皮质释放症状、小脑型言语障碍和无法起床标志着疾病的终末期。
起病后9 24个月内患者通常因为合并肺炎而死亡。
(二)格斯特曼综合征特征是小脑退行性变症状伴有不同程度的痴呆。
一般5年左右发展至死亡。
小脑性症状包括动作笨拙动作失调和共济失调步态。
感觉迟钝反射减退下肢近端肌肉无力也常是早期症状。
GSS一般无肌阵挛表现。
由于家族和个体的差异, 患者是否出现痴呆及痴呆的程度也不一样。
(三)致死性家族性失眠症患者出现进行性的失眠, 失去正常生理节律的睡眠模式, 在清醒时可以表现为白日梦状态。
智力和行为改变包括注意力不集中记忆力下降神经错乱和幻觉。
明显的痴呆症状很少见。
随着病情进展, 患者可出现运动障碍如肌阵挛共济失调和强直。
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朊病毒可感染多个器官，已知的主要为 脑髓，但在潜伏期内除中枢神经系统外， 各种组织器官均有感染，且感染多途径， 除消化道外，神经系统、血液均可感染， 预防难度大，人畜一旦发病，6个月至1年 全部死亡，100%的死亡率。
七、朊病毒的致病机理
无论是病毒、细菌还是真菌，它们能够传 染并在新宿主体内繁殖的物质基础均是核 酸（DNA或RNA）。而Prions的传染性只 是通过蛋白质PrPSc来实现。如果将这一致 病蛋白注入健康动物体内，PrPSc可“繁 殖”，并致病。
八、预防措施
一是堵漏洞，严把海关进出口国门，严禁从 疯牛病疫区进口动物源性饲料、生物制品 和与牛相关制品 二是查内源，加强对本土羊瘙痒病的筛查， 监测疯牛病，预防医源感染 三是强基础，加强对朊病毒发病机理、传染 途径、灭活消毒手段的研究
朊病毒
一、朊病毒（virino）的发现
1982 年,美国的Pruisner 博士和他的同 事分离纯化出一种高度感染性的特殊糖蛋 白,称为抗蛋白酶蛋白( PrP) , 经实验认为羊 痒病的感染因子可能是一种不含核酸的蛋 白质,并取名为朊病毒蛋白。
二、朊病毒的来源
朊病毒一直存在于世界，是正常基因在 129位编码缬氨酸或甲硫氨酸位置发生突 变。
2、结晶假说 该假说认为PrP蛋白在有PrPSc分子的情 况下形成结晶时，晶格中的PrPc分子有α螺 旋构象转变成PrPSc的β折叠构象.由此可见 PrP蛋白的构象转变并无核酸活动的参与。
3、构型诱变假说
PrPSc可诱导正常的PrPc转变成PrPSc，这一转 变完全是翻译后过程，为蛋白质的二级结构发生 变异。正常的PrPc主要由4个α螺旋环组成，其氨 基端有15个氨基酸是PrPSc 的结合区域；当有 PrPSc 与之接触后，PrPc就会发生构象改变，α 螺旋减少，β折叠增多 ，继而转变成PrPSc。改 变前后在蛋白质特异性方面存在较大差异。
• Prion的结构模型，左PrPc，右PrPSc
朊病毒的核磁病毒病：
1：克雅氏综合症(CJD)
克雅氏病是罕见的早老性痴呆病，其潜伏期可长达十年， 发病后期人的大脑被毁损，最后昏迷死亡。在欧洲、美洲、 大洋洲等各地的发病率约为百万分之一。
2：库鲁病（Ku—rmm)
动物阮病毒病
1:羊瘙痒病(scrapie of sheep and goat) 2:水貂传染性脑病(transmissible mink
encephalopathy,TMM)
3:鹿慢性退行性变(chronic wasting disease of deer, CWD) 4：牛海绵状脑病(bovine spongiform encephalopathy,
（PrP转化为PrPSc)
（PrPSc的累积）
第二个模型 这种模型是假设PrPSc只是纤维,捆绑PrPC fibril结束,把它转化成PrPSc。如果是这样的 话,那么朊病毒数量会呈线性增长,形成更长 的纤维。但PrPSc和传染粒子的数量都会快 速增长，这一现象可在染病毒致病中观察 到。这也可以解释fibril的破碎，发现其指数 的增长会导致fibril 生长和fibril破碎
4：致死性家族失眠症(FFI) 一种遗传性疾病，病因为朊蛋白基因（PRNP基因） C178和C129突变，PRNP基因产物PrP^c结构不稳，易 转变为PrP^SC，启动连锁反应，结果PrP在CNS尤其在 丘脑大量沉积，病理表现为丘脑和CNS其他部位神经元 变性、空泡形成和胶质增生．临床失眠症状突出
五、朊病毒的复制模型
第一个模型 朊病毒复制是在protein-only heterodimer模 型下建立的. 该模型是假定一个单一的PrPSc分子与一个 单一的PrPC分子结合并催化其转化成 PrPSc。这两个PrPSc分子,可以继续转换成 PrPC。
（PrPc内生）
PrP与PrPSc之间反 应)
4、诱导假说 宿主细胞中含有PrPSc合成的遗传信息， 但受到高度调节，难以激活。PrPSc的侵染 其作用正是在于激活为其编码的细胞基因， 从而保证PrPSc大量增殖的顺利进行。
5、核酸参与假说
美国学者Deleault等认为正常的Prions蛋白 向其致病形式的有效转换需要寄主RNA分 子的参与，虽然Prions蛋白和RNA分子处于 不同的细胞位置，但是有理由相信RNA分 子起着胞内分子传导的作用。
库鲁病潜伏期长，自4—30年不等，起病隐匿，前驱期患 者仅感头痛及关节疼痛，继之出现共济失调、震颤、不自 主运动，后者包括舞蹈症、肌阵挛等，在病程晚期出现进 行性加重的痴呆，神经异常。
3：格斯特曼综合症(GSS)
GSS大部分病例是家族性的。GSS与CJD和库鲁病类似， 但不完全相同，其发病年龄为15～79 岁，平均约43 岁， 较CJD（克雅氏综合症） 年龄小。疾病发展慢，病程1～ 11 年，平均5 年，比CJD 和库鲁病长，平均死亡年龄约 为48 岁。
1、逆中心法则假说
Prion发现之前，我们认为所有的病原体都 是通过核酸进行复制的。
Protein hypothesis阐述，蛋白质结构也可 以不依赖核算进行复制，这一假设完全颠 覆了中心法则中遵循的核酸是复制信息的 中心
Central dogma of molecular biology
PrPSc为自己编码，即PrPSc指导PrPSc的合成， 蛋白质本身作为遗传物质；与中心法则相比，蛋白 质可以逆翻译为mRNA，然后逆转录DNA。
BSE)
5：猫海绵状脑病(feline spongiform encephalopathy, FSE)
人和动物朊病毒病的共同特点：
1、潜伏期长； 2、病理学特点： （1）神经原、神经轴索、星状细胞、树枝 细胞呈进行性空泡化； （2）神经胶质增生； （3）细胞外淀粉样变性蛋白沉积，形成光 镜下可见的病理学特征：羊搔痒病相关纤 丝，CJD表现为淀粉样蛋白斑。
（感染）
(伸长)
（构象变化)
(破碎成多个部分)
六、朊病毒的传播途径
朊病毒的传播途径包括：食用动物肉骨 粉饲料、牛骨粉汤；医源性感染，如使用 脑垂体生长激素、促性腺激素和硬脑膜移 植、角膜移植、输血等。朊病毒特点是耐 受蛋白酶的消化和常规消毒作用，由于它 不含核酸，用常规的PCR技术还无法检测 出来。朊病毒存在变异和跨种族感染，具 有大量的潜在感染来源，主要为牛、羊等 反刍动物，未知的潜在宿主可能很广，传 播的潜在危险性不明，很难预测和推断。
三、朊病毒的结构
朊病毒是由（PrP）蛋白构成，它发现于生物体， 甚至是健康的人和动物体上。正常形态的蛋白质 被称为PrPC,而传染的形式被称为PrPSc 这种疾 病最早发现在羊身上。 斯坦利由于发现PrpSC（一普里朊）和PrPC具 有相同的一级结构（氨基酸序列）而具有不同的 二级和三级结构（构象），打破了以往蛋白质的 一级结构决定高级结构（一条序列一种结构）的 定律，而获得了1997年的诺贝尔生理学或医学奖。