IB生物/選修F - 微生物與生物技術/朊病毒假說
蛋白質可能是朊病毒病的唯一感染因子的觀點最早是在43年前提出的。從那時起，這一話題一直存在爭議。儘管還沒有證據證明這種假說，但許多證據表明感染因子不是核酸。另一方面，也有一些證據支援蛋白質至少不是導致朊病毒病的唯一成分的觀點。仍然有很多懸而未決的問題等待解答，因此朊病毒假說仍未定論。
朊病毒病，以前也稱為亞急性海綿狀腦病、慢病毒病和傳染性痴呆，是人類和動物中發現的可傳播的神經退行性疾病。一些在動物中發現的朊病毒病被稱為海綿狀腦病（BSE）和羊瘙癢症。羊瘙癢症，常見於綿羊和山羊，是最著名的朊病毒病之一，在歐洲已得到認可超過200年，並且如今在許多國家存在。在人類中發現的朊病毒病型別可分為克雅氏病（CJD）、格斯特曼-施特勞斯勒綜合徵（GSS）和庫魯病。然而，這種疾病在人類中非常罕見，大約每百萬人口中有一人受到影響。然而，研究人員特別關注這種疾病，因為朊病毒病可能透過食用受感染組織而傳播到不同的物種。事實上，1986年，英國牛群中爆發的朊病毒病BSE引起了更多關注。英國大多數人口可能都食用了受感染的產品。當研究人員發現克雅氏病與BSE有關時，這種擔憂得到了證實。[1],
此外，大約70年前，發現羊瘙癢症可在綿羊之間傳播，後來傳到了小鼠身上。這種傳播的原因很可能是由於使用了源自患有羊瘙癢症動物的意外疫苗。研究人員假設病毒是感染因子。然而，某些證據與這種假說並不一致。由於未能直接識別這種病毒以及感染因子對預期滅活核酸的處理表現出抗性，因此對該假說提出了質疑。因此，提出了朊病毒假說作為朊病毒病傳播方式的另一種解釋。朊病毒假說，也稱為僅蛋白質假說，指出蛋白質而不是病毒或細菌是朊病毒病的感染因子。[2], [3],
蛋白質假說指出，錯誤摺疊的朊病毒蛋白而不是病毒或細菌是導致朊病毒病傳播的感染因子。[1]
即使從最初發現朊病毒病開始，也很清楚朊病毒病的感染因子不同於傳統的微生物（如病毒和細菌）。Alper進行的實驗支援了這一觀察結果。Alper用多種波長的紫外線照射受羊瘙癢症影響的小鼠大腦，這種條件會使所有核酸失活，以觀察紫外線對羊瘙癢症感染因子的影響。然而，感染因子的水平沒有變化。這一結果表明，感染因子很可能不是基於DNA或RNA的，因為接近吸收光譜峰值的紫外線輻射似乎對該因子沒有影響。Alper認為，即使是最有效的修復系統，如果感染因子是基於核酸的，也應該檢測到下降。然而，同樣的研究也沒有支援朊病毒假說。根據這項研究，如果感染因子是基於蛋白質的，那麼當用約280μm的紫外線照射時，應該會出現感染因子下降。然而，觀察到的下降不足以產生統計學差異。換句話說，這項研究的結果仍然沒有定論，即感染因子是否是基於蛋白質的。[4]
最近的研究似乎在識別感染因子方面取得了重大突破。根據文章“鑑定一種與羊瘙癢症朊病毒一起純化的蛋白質”，在感染羊瘙癢症的倉鼠大腦中發現了一種在健康倉鼠大腦中不存在的抗蛋白酶的朊病毒蛋白（PrPsc）。這種蛋白質在十二烷基硫酸鈉聚丙烯醯胺凝膠中的分子大小約為27,000至30,000道爾頓。研究人員能夠區分這種蛋白質和其他蛋白質，因為其對蛋白酶K具有抗性。初步結果表明，這種蛋白質的數量與感染因子的滴度相關。[5], 事實上，Gabizon R的“羊瘙癢症朊病毒感染力的免疫親和純化和中和”表明，在PrPsc純化過程中，感染力保持恆定。在這項研究中，從感染羊瘙癢症的倉鼠大腦中提取的PrPsc被置於去垢劑脂質蛋白複合物中，該複合物破壞了PrPsc蛋白質的結構，然後羊瘙癢症感染力降低了100倍。PrPsc與感染力之間的直接相關性表明，PrPsc很可能參與了感染過程。[6],
此外，研究表明，編碼PrP的基因在感染朊病毒的大腦和健康大腦中是相同的。這一結果表明，PrPsc和PrPc（正常的PrP蛋白）之間的差異是由於翻譯後活性造成的。[7], 支援朊病毒假說的另一個有力證據來自PrnP-/-基因的證明。具有這種基因的小鼠缺乏正常和突變型別的PrP蛋白，並且沒有表現出羊瘙癢症的跡象[8],, 這支援了PrP蛋白必須在朊病毒病期間存在的假說。此外，在2001年，Soto和他的團隊在體外成功地用極少量PrPsc將PrPc轉化為PrPsc樣結構。這種過程被稱為蛋白質錯誤摺疊迴圈放大（PMCA）。PMCA允許朊病毒以加速的速度產生，並且如今被廣泛用於研究朊病毒病。這一發現也是PrPsc觸發進一步錯誤摺疊並作為朊病毒複製催化劑的證據。[9],
儘管許多證據表明朊病毒病的感染因子很可能不是基於核酸的，但懷疑論者認為，沒有證據證明感染物質是蛋白質。他們認為朊病毒假說沒有得到證實，因為在體外產生的感染因子並非源自純的、正常的朊病毒蛋白。[10]關於朊病毒假說的另一個經常提出的問題是，朊病毒複製過程是否需要輔助因子？許多研究表明，從倉鼠中收集的純化的PrPc與純化的PrPsc混合時不會轉化為PrPsc。然而，當純化的PrPc與腦勻漿混合時，發生了轉化。[11],[12],[13], 這些結果表明，大腦中的其他因素可能有助於朊病毒轉化過程。事實上，研究人員對輔助因子的可能功能有幾個假設，列舉如下。[1]
- 為感染物質提供生物資訊
- 作為朊病毒複製的催化劑
- 幫助穩定PrPsc的構象
- 參與PrPsc聚合物的斷裂
- 提高朊病毒的生物穩定性
朊病毒假說的有效性仍然存在爭議。以下是Soto在“朊病毒假說：爭議的終結”中提出的關於朊病毒假說的未解之謎。[1]
- PrPSc是感染性朊病毒顆粒的唯一成分嗎？
- 朊病毒複製中細胞輔助因子的性質和作用是什麼？
- PrPSc的三維結構是什麼？
- PrPC的正常功能是什麼？它與蛋白質的構象靈活性有關嗎？
- PrPSc是如何誘導腦退化的？
- 朊病毒原理在其他蛋白質錯誤摺疊疾病中發揮作用的程度如何？
- 朊病毒現象在自然界中有多普遍？
- 哺乳動物中是否存在類似朊病毒的蛋白質，這些蛋白質賦予其感染宿主有利的特性？
- ↑ a b c d [1], Soto C. Prion Hypothesis: The End of the Controversy.http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=11283320 [PubMed: 11283320]
- ↑ [2], Collinge J. Prion diseases of humans and animals: their causes and molecular basis. Annu Rev Neurosci 2001; 24: 519-550. [PubMed: 11283320] .
- ↑ [3], Bradley R. Rovine Spongiform encephalopathy (BSE): the current situation and research. Eur J Epidemiol 1991; 532-544[PubMed: 1761112].
- ↑ [4], Alper T, et al. Does the agent of scrapie relicate without nuceic acid? Nature 1967: 214: 764-766.[PubMed: 4963878].
- ↑ [5], Bolton DC, et al. Identification of a protein that purifies with the scrapie prion. Science 1982: 218: 1309-1311[PubMed: 6815801].
- ↑ [6], Gabizon R et al. Immunoaffinity purification and neutralization of scrapie prion infectivity. Proc Natl Acad Sci USA 1988;85: 6617-6621[PubMed: 3137571].
- ↑ [7],Stahl N, et al. Structural studies of the scrapie prion protein using mass spectrometry and amino acid sequencing. Biochemistry 1933;32:1991-2002[PubMed: 8448158].
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- ↑ [9],Saborio GP, et al. Sensitive detection of pathological prion protein y cyclin amplification of protein misfolding. Nature 2001: 411:810-813[PubMed: 11459061].
- ↑ [10], Soto C,castilla J. et al. The Controversial protein only hypothesis of prion propagation. Nat Med 2004; 10;s63-S67[PubMed: 15272271].
- ↑ [11],Saborio GP, et al. Cell lysate conversion of prion protein into its protease-resistant isoform suggests the participation of a cellular chaperone. Biochem Biophys Res Commun 1999; 258:470-475[PubMed: 10329411].
- ↑ [12], Deleault NR, et al. Protease resistant prion protein amplification reconstituted with partially purified substrates and synthetic polyanions. J Biol Chem 2005; 280: 26873-26879[PubMed: 15917229].
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