朊病毒的发现与研究
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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朊病毒
生化抗性
病毒粒子的结构；经负染
后才见到聚集而成的 棒状 体，其大小约为 10-250 x 100-200纳米。 免疫抗性
通过研究还发现，朊病毒
对多种因素的灭活作用表 现出惊人的抗性
总体上说，凡能使蛋白质消化、变性、 修饰而失活的方法，均可能使朊病毒失 活；凡能作用于核酸并使之失活的方法， 均不能导致朊病毒失活。由此可见，朊 病毒本质上是具有感染性的蛋白质。
1997
当年春天“疯牛病”在英国以 至于全世界引起的一场空前的
发现水貂脑软化病，症状 与“羊搔痒症”相似。后 又陆续发现了马鹿和鹿的 慢性消瘦病、猫的海绵状 脑病
1996
恐慌，甚至引发了政治与经济 的动荡，一时间人们“谈牛色 变”
1947
1982
斯坦利 ·普鲁辛 纳发现了一种 新型的生物 — 人类在绵羊和 —朊病毒
通俗的说： DNA 制造 RNA ， RNA 制造蛋白 质，蛋白质反过来 协助前两项流程，
并协助DNA自我复制
朊病毒的生理增殖
中心法则
性质结构
致病机制
01
03
05
02
04
法则挑战 从理论上讲，“中心法则” 认为DNA复制是“自我复制”， 即DNA-DNA，而朊病毒蛋白是 “自他复制”。这对遗传学 理论有一定的补充作用。但 也有矛盾，即“DNA→蛋白质” 与“蛋白质→蛋白质”之间 朊病毒已经超出了经典病毒学 的生物学概念，研究表明，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蛋白 质颗粒，这一观点向传统观点 提出了强有力的挑战。
朊病毒的生理增殖
中心法则
性质结构
致病机制
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朊病毒简介
朊病毒简介朊病毒（Prion），又称“普里昂”或蛋白质侵染子，是一种可以引起同种或异种蛋白质构象改变而致病或功能改变的蛋白质。
最常见的是引起传染性海绵样脑病(疯牛病)的蛋白质。
“朊病毒”最早是由布鲁希纳等提出的，在此之前，它曾经有许多不同的名称，非寻常病毒、慢病毒，传染性大脑样变等。
早在300年前，人们已经注意到在绵羊和山羊身上患的“羊瘙痒症”。
20世纪60年代，生物学家阿尔卑斯破坏其DNA和RNA后，其仍具感染性。
1947年水貂脑软化病，其症状与“羊瘙痒病”相似。
最为震惊的是1996年“疯牛病”，在英国引起的一场空前的恐慌，一时间人们“谈牛色变”。
多年来人们一直认为它是一种不能查到任何核酸，对各种理化作用有很强抵抗力，传染性极强，分子量在2.7万~3万的蛋白质颗粒，但近来又有研究报道，朊病毒含有微量核酸。
它是能在人和动物中引起可传染性脑病（TSE）的一个特殊原因。
朊病毒与真病毒存在一些主要区别：阮病毒呈淀粉样颗粒状，无免疫原性，无核酸成分，由宿主细胞内的基因编码，抗逆性强、能耐杀菌剂和高温。
朊病毒的致病机理是1982年普鲁宰纳提出的朊病毒致病的“蛋白质构象致病假说”，以后魏斯曼等人对其逐步完善。
其要点如下：1.朊病毒蛋白有两种构象：细胞型（正常型PrPc）和瘙痒型（致病型PrPsc）。
两者的主要区别在于其空间构象上的差异。
PrPc仅存在a螺旋，而PrPsc有多个β折叠存在，后者溶解度低，且抗蛋白酶解；2.PrPsc可胁迫PrPc转化为PrPsc，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PrPsc型，并通过多米诺效应倍增致病。
朊病毒致病如此强，其传播途径也是多样的，主要通过以下几种途径传播：1.食用动物肉骨粉饲料、牛骨粉汤；2.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；3、朊病毒存在变异和跨种族感染，主要为牛、羊等反刍动物；4、朊病毒可感染多个器官，已知的主要为脑髓。
朊病毒的结构与性质
严格意义上讲，病毒为非生物。
它们无细胞结构且个体积微小，其构成很特别，仅由核酸和蛋白质构成。
核酸（DNA或RNA）在病毒的遗传上起着重要作用，而蛋白质外壳只对核酸起保护作用，本身并没有遗传性。
这是人们对病毒的基本认识。
然而，随着人们对一些疾病的深入研究，科学家们发现，还有一类物质与一般病毒不一样，它只有蛋白质而无核酸，但却既有感染性，又有遗传性，并且具有和一切已知传统病原体不同的异常特性。
它就是朊病毒。
期但利·普鲁辛纳经过多年的研究，终于初步搞清了朊病毒的一些特点。
他发现朊病毒大小只有30一50纳米，电镜下见不到病毒粒子的结构；经负染后才见到聚集而成的棒状体，其大小约为10～250 x 100～200纳米。
通过研究还发现，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，巨噬细胞能降低甚至灭活朊病毒的感染性，但使用免疫学技术又不能检测出有特异性抗体存在，不诱发干扰素的产生，也不受干扰素作用。
总体上说，凡能使蛋白质消化、变性、修饰而失活的方法，均可能使朊病毒失活；凡能作用于核酸并使之失活的方法，均不能导致朊病毒失活。
由此可见，朊病毒本质上是具有感染性的蛋白质。
普鲁辛纳将此种蛋白质单体称为朊病毒蛋白（PrP）。
朊病毒已经超出了经典病毒学的生物学概念，研究表明，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蛋白质颗粒，这一观点向传统观点提出了强有力的挑战。
由朊病毒引起的疾病近年来不断被发现并相继被确认，不论在人群中还是在动物群中的发病率在全球范围内呈上升趋势，因而对朊病毒的研究不仅有重大的理论意义，同时还有迫切的现实意义。
它的理论意义在于开辟了生物医学研究的一个新领域，要求细胞生物学、分子生物学、分子遗传学、蛋白质化学、分子病毒学、神经病理学等多学科的紧密合作来回答朊病毒带来的一系列问题；它的现实意义在于发展准确可靠的诊断技术，全面监测、检测朊病毒病，特别是做到对疯牛病和医源性感染的早期预防除上文提到的几种由朊病毒引起的疾病均发生在动物身上外，人的朊病毒病已发现有4种：库鲁病（Ku-rmm）、克——雅氏综合症（CJD）、格斯特曼综合症（GSS）及致死性家庭性失眠症（FFI）。
初中生物朊病毒知识点总结
初中生物朊病毒知识点总结一、朊病毒的基本概念朊病毒（Prion）是一种特殊的传染性蛋白质，它不含有遗传物质如DNA或RNA，但却能够诱导正常的朊蛋白发生结构变化，从而引发一系列神经退行性疾病。
朊病毒的发现挑战了传统关于病原体必须含有遗传物质的观点，为生物学领域带来了新的研究课题。
二、朊病毒的结构与特性1. 结构特点- 朊病毒通常由一个或多个异常折叠的朊蛋白分子组成。
- 这些异常折叠的蛋白质具有高度的稳定性和抵抗蛋白酶消化的能力。
- 朊病毒的形态多样，可以在多种生物体内发现。
2. 传染性- 朊病毒能够通过直接或间接接触传播，例如通过受污染的手术器械、器官移植等途径。
- 它们能够在宿主体内诱导正常的朊蛋白发生结构变化，从而形成更多的朊病毒。
三、朊病毒引起的疾病1. 克雅氏病（Creutzfeldt-Jakob Disease, CJD）- 是人类中最常见的朊病毒疾病。
- 表现为进行性痴呆、肌阵挛、行为改变等症状。
- 通常在症状出现后1-2年内导致死亡。
2. 变异型克雅氏病（Variant Creutzfeldt-Jakob Disease, vCJD） - 主要影响年轻人群，平均发病年龄在30岁以下。
- 症状包括精神病性症状、严重头痛、肌肉僵硬等。
3. 格特瑞-斯特劳斯勒症候群（Gerstmann-Sträussler-Scheinker syndrome, GSS）- 表现为共济失调、眼肌麻痹、痴呆等症状。
4. 动物中的朊病毒疾病- 牛海绵状脑病（Bovine Spongiform Encephalopathy, BSE），俗称“疯牛病”。
- 羊瘙痒症（Scrapie）。
四、朊病毒的检测与诊断1. 临床诊断- 根据病人的临床症状和体征进行初步诊断。
- 朊病毒疾病的症状与其他神经退行性疾病相似，需要通过实验室检测来确诊。
2. 实验室检测- 免疫组化染色：利用抗体特异性识别朊蛋白。
- 西方印迹（Western blot）：检测脑组织中的异常朊蛋白。
朊病毒
朊病毒简介朊病毒又称蛋白质侵染因子（又称毒阮）。
朊病毒是一类能侵染动物并在宿主细胞内复制的小分子无免疫性疏水蛋白质。
朊是蛋白质的旧称，朊病毒意思就是蛋白质病毒，是唯一不用DNA，RNA作遗传物质的病毒。
朊病毒是一类能引起哺乳动物和人的中枢神经系统病变的传染性的病变因子，美国生物学家斯垣利·普鲁辛纳（Prusiner）认为它是一种蛋白质侵染颗粒。
病毒概述严格意义上讲，病毒为非生物。
它们无细胞结构且个体积微小，其构成很特别，仅由核酸和蛋白质构成。
核酸（DNA或RNA）在病毒的遗传上起着重要作用，而蛋白质外壳只对核酸起保护作用，本身并没有遗传性。
这是人们对病毒的基本认识。
然而，随着人们对一些疾病的深入研究，科学家们发现，还有一类物质与一般病毒不一样，它只有蛋白质而无核酸，但却既有感染性，又有遗传性，并且具有和一切已知传统病原体不同的异常特性。
它就是朊病毒。
病毒研究用朊病毒命名朊粒（prion)不大恰当，朊粒的生物性状与病毒差异很大，它的发现，提示在传统的传染病病原微生物及寄生虫之外，又增加了一种全新类型的病原因子，其生物学位置还未确定。
朊病毒就是蛋白质病毒，是只有蛋白质而没有核酸的病毒。
1997年诺贝尔医学或生理学奖的获得者美国生物学家斯垣利·普鲁辛纳（S. B. Prusiner）就是由于研究朊病毒作出卓越贡献而获此殊荣的。
朊病毒不仅与人类健康、家畜饲养关系密切，而且可为研究与痴呆有关的其他疾病提供重要信息。
就生物理论而言，朊病毒的复制并非以核酸为模板，而是以蛋白质为模板，这必将对探索生命的起源与生命现象的本质产生重大的影响。
病毒特性朊病毒与常规病毒一样，有可滤过性、传染性、致病性、对宿主范围的特异性，但它比已知的最小的常规病毒还小得多（约30～50nm）。
电镜下观察不到病毒粒子的结构，且不呈现免疫效应，不诱发干扰素产生，也不受干扰作用。
朊病毒对人类最大的威胁是可以导致人类和家畜患中枢神经系统退化性病变，最终不治而亡。
朊病毒是一种结构异常的蛋白,能迫使
朊病毒是一种结构异常的蛋白,能迫使朊病毒，又称为朊蛋白病毒，是一种非常罕见且具有特殊结构的病毒，其主要特征是在其蛋白质结构上存在异常性。
朊病毒的发现引起了医学界的广泛关注，因其独特性质可能对传染病的治疗和预防带来新的挑战。
朊病毒的特征朊病毒的主要特征之一是其在蛋白质结构上的异常性。
与普通病毒相比，朊病毒的蛋白质具有更多的变异和缺陷，使其在宿主细胞内的复制和传播方式与常见病毒有所不同。
这种结构异常性可能导致朊病毒具有更强的侵袭性和破坏性，从而对宿主细胞和机体造成更大的伤害。
另外，朊病毒的感染范围也广泛，不同类型的细胞和组织都可能受到其侵害。
这使得朊病毒的传播速度更快，给传染病的控制和医疗工作带来了更大的困难。
朊病毒的危害由于朊病毒具有结构异常性，它对宿主细胞和机体的危害性也更大。
朊病毒感染后，可能引发严重的疾病症状，如高热、头痛、全身疼痛等，严重时甚至导致器官功能衰竭和死亡。
此外，朊病毒的传播速度快，且可能通过多种途径传播，如空气传播、飞沫传播等。
这使得医学工作者在防控朊病毒传播时面临更大的挑战，需要更加密切地监测、隔离和治疗患者，以阻止疫情的蔓延。
朊病毒的防治针对朊病毒的特殊性质，医学界需要密切关注病毒的结构特征和传播途径，寻找有效的防治方法。
目前，尚未有针对朊病毒的特效药物，因此防治工作主要侧重于加强个人防护和公共卫生措施。
个人防护包括佩戴口罩、勤洗手、避免接触患者等，以减少感染的风险；而公共卫生措施则包括加强病毒监测、尽早发现和隔离患者、消毒医疗环境等，以阻止疫情的扩散。
此外，开展相关疫苗研发和预防接种也是控制朊病毒传播的有效途径。
通过疫苗接种，可以提高人群的免疫力，降低感染风险，从而有效控制朊病毒的传播。
结语朊病毒作为一种结构异常的病毒，给公共卫生和医学工作者带来了新的挑战。
面对这种新型病毒，我们需要加强病毒研究和防控工作，提高综合防治的能力，共同应对疫情的蔓延。
希望在医学科研人员的共同努力下，早日找到有效的防治策略，保护人民的健康和生命安全。
解说“朊病毒”
解说“朊病毒”【1】什么是朊病毒？朊即是指蛋白质，因此朊病毒就是蛋白质病毒，是只有蛋白质而没有核酸的病毒。
1997年诺贝尔医学/生理学奖的获得者美国生物学家斯垣利·普鲁辛纳（ S. B. Prusiner）就是由于研究朊病毒作出卓越贡献而获此殊荣的。
朊病毒不仅与人类健康、家畜饲养关系密切，而且可为研究与痴呆有关的其他疾病提供重要信息。
就生物理论而言，朊病毒的复制并非以核酸为模板，而是以蛋白质为模板，这必将对探索生命的起源与生命现象的本质产生重大的影响。
朊病毒与常规病毒一样，有可滤过性、传染性、致病性、对宿主范围的特异性，但它比已知的最小的常规病毒还小的多（约30～50nm）。
电镜下观察不到病毒粒子的结构，且不呈现免疫效应，不诱发干扰素产生，也不受干扰作用。
朊病毒对人类最大的威胁是可以导致人类和家畜患中枢神经系统退化性病变，最终不治而亡。
因此世界卫生组织将朊病毒病和爱滋病并立为世纪之交危害人体健康的顽疾。
【2】患病动物的主要特征早在三百年前，人类在绵羊和小山羊中首次发现了感染朊病毒病的患病动物。
因患病动物的奇痒难熬，常在粗糙的树干和石头表面不停摩擦，以致身上的毛都被磨脱，而被称为“羊搔痒症”。
该病广泛传播于欧洲和澳洲，潜伏期为18到26个月，患病动物兴奋、搔痒、瘫痪直至死亡。
后来又相继发现了传染性水貂脑软化病、马鹿和鹿的慢性消瘦病、猫的海绵状脑病等等。
经病理性研究表明，这些病都侵犯动物中枢神经系统，随病程进展，在神经元树突和细胞本身，特别是在小脑区星形细胞和树枝状细胞内发生进行性空泡化，星形细胞胶质增生，灰质中出现海绵状病变。
这些病均以潜伏期长、病程缓慢、进行性脑功能紊乱、无缓解康复、终至死亡为主要特征。
【3】危害成为人类关注焦点的家畜朊病毒病当推1996年春天英国蔓延的“疯牛病”，它不仅引起英国一场空前的经济和政治动荡，而且也波及了整个欧洲，加上法国克罗伊茨菲尔德—雅各布氏症（简称克雅氏综合症，人类的一种朊病毒病）患者增多，人们很自然与食用来自英国的进口牛肉相联系，因而引起极大恐慌。
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四.朊病毒的感染，预防以及治疗
人或动物感染PrPsc ↓ 由淋巴细胞进入中枢神经系统或直接 进入中枢神经系统 ↓ 与神经元表面正常的PrPc作用 ↓
PrPc → PrPsc→导致神经元细胞凋亡裂解
•
人类朊蛋白病的起病方式有散发行， 遗传性，传染性等。80%的病例不是传 染的结果，而是散发的，有或者没有遗 传易感性。
丹尼尔 ·伽杜塞克 （D.Gajdusek)
由于查明库鲁病的病因，认为是一种 潜伏期极长的进行性病毒 获得1976年诺贝尔生理学或医学奖
三.朊病毒的发现
1997年，为肯定斯坦利· 普 鲁希纳在研究克雅氏病（ Creutzfeldt-Jakob disease ，CJD）病原体的过程中发 现了朊蛋白（Prion），并 在其致病机理的研究方面的 贡献。授予其诺贝尔生理学 或医学奖
• 普鲁西纳1972年遇见一列克雅氏病人，病人6星期后 死去 • 1974年普鲁西纳正式开始对羊搔痒病开始研究， 1982年发表第一篇文章 • 1975年起，普鲁西纳得到并用于研究的经费共5000 多万美元
普鲁西纳的研究工作
目标： 分离，纯化病原物，并加以鉴定，每步
都离不开检测方法
把瘙痒病从羊转至小鼠
发病潜伏期
3-5年
4-5个月
得到难以相信的实验结果
原来预期得到一种小型病毒 结果所有实验数据表明：病原物不是小型病毒，不含核酸， 而是蛋白质粒子 经过八年的实验反复论证（1974-1982）发表第一篇文章: 提出羊瘙痒病病原物是一种蛋白质粒子 蛋白质类的感染颗粒 （Proteinoceous Infectious Particle，Prion）
（2）朊蛋白在正常动物脑中的功能是什么 剔除PrP基因的遗传工程小鼠，看不出病症，看起来一 切正常，亦能正常生育 （3）PrP%小鼠做出贡献 把染病小鼠的脑提取物接种给PrP%小鼠，不染病， 接种给普通小鼠却染病 由此得出：PrPc蛋白的存在是染病的必要条件
（4）PrPc蛋白的一些性质
• 由208个氨基酸残基组成，分子量33-35kd（大小仅为最小 病毒的1%） • 含有一对二硫键和2个N型复合糖链，二硫键和糖基化位点 都在C端 • N端有22个氨基酸残基组成的信号肽序列 • C端有由23个氨基酸残基组成的糖基磷酸肌醇锚（GPI)受 体结合位点。说明PrPc是一种膜结合糖蛋白
朊病毒的发现与研究
一.朊病毒的定义
朊病毒又称蛋白质侵染因子、毒朊或感染性
蛋白质，是一类能侵染动物并在宿主细胞内复制 的小分子无免疫性疏水蛋白质。
二.朊病毒引起的疾病
• 18世纪
• 1920s • 1950s • 1980s
冰岛
H.Creutzfieldt A.Jacob
羊瘙痒病
人克雅氏病
巴布亚-新几内亚（G.ajdusek） 库鲁病 英国 疯牛病
研究困难
人们对这类疾病的研究，困难较大，主要表现在： 发病率 低 病程 慢 传染病/遗传病 不清楚 病因/病原物 找不到 共同特征： 病程慢，都有神经系统退行性症状，脑部出现淀粉样沉淀，形成海绵状空斑 人们猜想： 这是一种“慢病毒”在起作用
1.改进检测方法
目标：分离，纯化病原物，并加以鉴定
艰巨的研究历程
质疑？？？
没有核酸，这个病原物如何增殖？如何复制本身的遗传信息 是不是存在核酸，只是未能检测出来
随着研究深入，得到更多打破传统观念的结果
（1）寻找Prn-p基因 编码朊蛋白的基因，不但在染病动物脑中存在，在正 常动物脑中也有，而且表达的一样多 正常小鼠（PrPc) 得病小鼠（PrPsc） 结论：PrPsc的出现可能不是调节基因起作用的
（6）PrPc和PrPsc在高级结构上的差别，在细胞内蛋白质的 行为和代谢特征上也反应出来 PrPc PrPsc 胞内定位 蛋白酶水解 细胞表面 水解完全 胞质内 局部水解ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（7）综合以上结果，提出理论假设：
羊瘙痒病的发生是因为PrPsc的入侵，把脑细胞中原来 就有的PrPc“带坏”，使正常的PrPc重新折叠，形成新的高级 结构PrPsc 增多的PrPsc形成淀粉样沉淀，造成脑细胞破坏，形成 空斑
• （5）PrPc与PrPsc的一级结构
• 都由同一基因编码，氨基酸序列完全相同 • 两者并无共价修饰的区别 • 利用傅里叶转换红外光谱对两者结构进行比较，发现两者 的二级结构有很大区别
• PrPc和PrPsc的立体结构比较
PrPc： 有4个α-螺旋 极少 β折叠
PrPsc: 有2个α-螺旋 有4个β-折叠
thanks
抗性
• 抵抗蛋白酶K的消化作用 • 标准的高压蒸汽灭菌（121.3℃，20min），不 能破坏朊病毒，需要高压蒸汽灭菌134℃，≥2h， 才能使其失去传染性 • 对辐射，紫外线，及常用消毒剂有很强抗性
预防
• 消灭已知的感染牲口，对病人进行适当的隔离 • 加强肉品检验，不许病牛羊肉上市，禁止其产品与人接触 • 禁止使用污染的食物，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 • 对有家庭型疾病的家属更应注意防止其接触该病
治疗
• 化学治疗 • 特异性抗体治疗：单克隆抗体免疫被动 疗法 • RNA干扰 • 免疫治疗
五，朊病毒的研究进展
• 发现朊蛋白变形产生毒性的原因：毒性开关假说 • 朊蛋白的致病机理：两种观点（1）PrPC正常功能的缺失； （2）PrPSc的过度增殖而产生神经毒性 • 酵母菌朊病毒假说 • PrPsc的形成和积累：两个模型（1）重折叠模型（2）种 子模型 • 阿兹海默症或通过朊病毒传染