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生物学 1982

新型蛋白质性感染颗粒引发羊瘙痒症

斯坦利·普鲁西纳

一种纯由蛋白质构成的传染因子——一个错误的形状,复制出更多错误的形状。

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In depth · the introduction

如果一种病可以没有细菌、没有病毒、连一点 DNA 都没有就传播开来呢——只靠一个折叠成错误形状的蛋白质?

核心想法

我们所知的每一种感染——感冒、流感、细菌感染的伤口——都由某种携带遗传指令(DNA 或 RNA)的东西引起,它靠复制这些指令来制造更多的自己。这曾被当作生物学的一条定律:要复制,就得有基因组。

普鲁西纳论证说,有一种古怪的脑病打破了这条定律。他发现,元凶是一种蛋白质——而蛋白质里并没有基因。它究竟如何能复制自己?他的回答既优雅又令人不安:这个作恶的蛋白质,本是你自己身体里的一种正常蛋白质,只是折叠成了一个错误的形状,而那个错误的形状,会传染给它的邻居。一个错误折叠的分子抓住一个正常的,把它掰成同样的错误形状;现在变成两个;接着四个。这种病与其说是某个东西侵入你,不如说是一个形状,在你本就拥有的蛋白质里蔓延。他把这种因子叫作朊病毒。

它是如何诞生的

这条线索始于一些恐怖的故事:羊瘙痒症,让绵羊把自己挠到皮破、走路踉跄;库鲁病,巴布亚新几内亚福雷人中一种与丧葬仪式有关的、颤抖着走向死亡的病;以及人类的克雅氏病。它们都可传播,可不管是什么引起的,都对足以撕碎任何病毒的辐射不屑一顾。1960 年代,蒂克瓦·阿尔珀的实验暗示,这因子也许根本没有遗传物质;而 J·S·格里菲斯,则勾勒了一个蛋白质在理论上如何能复制一个形状。

斯坦利·普鲁西纳,旧金山一位年轻的医师科学家,花了多年研磨受感染的仓鼠脑、提纯其活性组分,检验什么能摧毁它、什么不能。1982 年,他发表了答案,也给出了那个名字。它遭到了激烈的抵制——许多人确信他不过是没能找到一个藏起来的病毒——这场论战持续了十多年,蛋白质单独致病的图像才最终胜出。他于 1997 年获诺贝尔奖。

它为何重要

普鲁西纳逼着生物学承认,遗传信息有第二种方式。基因是一种——一串 DNA 字母。蛋白质的形状是另一种:一种能靠掰弯邻居来复制自己的折叠,不需要任何基因组。这重塑了我们对一整族疾病的看法,而它进入公众生活,是经由一场灾难——1980–90 年代英国的「疯牛病」疫情,那时朊病毒从牛跳到了人身上。最要紧的是,这同一个「形状会自我蔓延」的想法,如今也帮助解释了远为常见的祸患:阿尔茨海默病与帕金森病,在那里,错误折叠的蛋白质悄悄爬过大脑。

一个可以想象的画面

想想一排立着的多米诺骨牌。一个蛋白质,就像一条长长的丝带,折叠成某个特定的形状来干活——想象它叠得整整齐齐,像一张铺好的床。朊病毒,是同一条丝带,却被揉成了一个坏的折法。诡异之处在于,这个坏折法是会「推人」的:当一个被揉皱的蛋白质碰到一个整齐的,它会逼着那个整齐的,皱成一模一样的样子。一个推倒下一个,下一个再推倒下一个——一场错误折叠的连锁反应,像多米诺骨牌一样在你的蛋白质里跑过去。这正是为什么一小粒看不见的坏形状,假以时日,能把相当于一整个大脑的蛋白质都转化掉。用下面的工具,放进一颗小小的种子,看它如何全面接管。

一幅可交互的图:错误折叠蛋白质的比例随时间上升成一条 S 形曲线——从微小的 2% 种子起,先是缓慢的滞后,再陡然全面攻陷,最后在几乎全部被转化时趋平。一个滑块改变蛋白质转化的快慢;另一个把时间向前滑。下方一排符号显示正常蛋白质(空心圆)翻转成错误折叠的(实心菱形)。

它在知识谱系里的位置

朊病毒,是本馆生物学核心故事的一个古怪表亲。沃森与克里克(1953)证明,生命的指令写在 DNA 里;克里克的「中心法则」(1958)让信息从基因流向蛋白质。朊病毒则是那个令人不安的脚注:在这里,信息乘坐在蛋白质的形状上,不碰一个基因便复制了自己。它与其说打破了中心法则,不如说从旁绕过了它。它也回连到安芬森的发现——一个蛋白质的序列,通常决定了它的折叠——而朊病毒,正是当一个蛋白质找到了第二个、会传染的、它本不该采取的折叠时,所发生的事。

The original document
Original source text
Stanley B. Prusiner · Science, vol. 216, no. 4542, pp. 136–144 · 9 April 1982
The problem: an agent that breaks the rules
Scrapie — a fatal degenerative disease of the sheep brain, related to kuru and Creutzfeldt–Jakob disease in humans — is transmissible, yet its causative agent had defied two decades of effort to classify it. It is astonishingly resistant to ultraviolet and ionising radiation at doses that destroy any known virus, and to many treatments that damage nucleic acids. Prusiner sets out to determine, by purification and inactivation studies, what the agent is actually made of.
The evidence: a protein is required; nucleic acid is not found
Prusiner reports several converging lines of evidence. Procedures and enzymes that attack protein — and treatments such as alkali — reduce or abolish the infectivity, showing that a protein is required for the agent to infect. By contrast, five separate procedures aimed specifically at modifying or destroying nucleic acids fail to inactivate it. Across the purification, infectivity tracks with a protein fraction, while no nucleic acid large enough to encode that protein can be detected.
The proposal: a new word for a new thing
Because these properties set the agent apart from viruses, plasmids and viroids, Prusiner proposes a new term — "prion," for proteinaceous infectious particle — to name a small infectious agent that is resistant to the procedures that modify nucleic acids. The paper is careful and hedged: it lays out the protein hypothesis as the best account of the data, while noting that a small, well-shielded nucleic acid had not been absolutely excluded.
[ … ]
How a protein with no genome could possibly replicate is left open here. The mechanism that answered it — a misfolded protein templating the conversion of the normal form of the same protein — and the identification of that protein (PrP) and its gene came over the following years, and turned a contested proposal into the founding paper of an entire field. The complete article is available at the source below.
Stanley B. Prusiner · San Francisco · 1982