朊毒體

在發現朊毒體蛋白之前，所有已知傳染病的病原體都是微生物，意即有可複製的遺傳物質（核酸），例如细菌、病毒、真菌、原生動物等。早期針對羊搔癢症的研究顯示它可能是由一種「濾過性病毒」造成[11]。於1960年和1967年，Tikvah Alper與John S. Griffith分别提出了羊騷癢症的感染因子可能僅僅由蛋白質所組成[12][13]，Griffith進一步提出十分重要的假設，認為這種病原體是由蛋白質本身的錯誤折疊所造成，但當時並未受到重視。

於1982年，美國加州大學舊金山分校的史坦利·布魯希納進一步從感染羊搔癢症的羊腦樣品純化感染因子。在將细菌、病毒和核酸等成分去除之后，他發現剩下的蛋白質仍具有感染性。在排除了病毒與类病毒（viroids）的可能後，他證明該病是由蛋白質所造成，並將這種新發現的病原體稱為朊毒體（prion），而組成的蛋白稱為朊毒體蛋白（prion protein, PrP）[14]。当时有许多质疑者认为传染源為于蛋白质中残留的病毒，但他们重复的实验证实了布魯希納的结论。布魯希納的後續研究表明，錯誤結構的朊毒體蛋白（PrP^Sc）和正常結構的PrP^C是由相同基因表現而來，有相同的一级结构（胺基酸序列），但三级结构（立體結構）不同[15]。這項發現打破了之前由克里斯琴·B·安芬森提出的“蛋白质的一級結構决定其立體结构”（一條序列一種結構）的理論[16]。

目前科學界已經普遍接受朊毒體蛋白的結構轉變（由PrP^C轉變為PrP^Sc）是造成朊毒體疾病和其傳染性的原因。在後續的研究中，有非常多的證據支持朊毒體僅由蛋白質所構成這一假設（Protein-only hypothesis）[17]。近十年來，通過對其它神经退行性疾病的研究，科學界認為這類疾病（如阿茲海默症與帕金森氏症）的致病機制都擁有類似朊毒體的性質，因此朊毒體已經成為這個領域中很重要的概念[18][19][20]。

由於發現朊毒體以及對於這種新傳染模式的研究，布魯希納獲得了1997年的諾貝爾生理學或醫學獎[21][22]。

正常結構的朊毒體蛋白（PrP^C）是一個有209個胺基酸殘基（以人類序列為例，下同）的醣蛋白 ，約33-35 kDa，由一個糖磷脂醯肌醇（GPI）固定在神經細胞膜的外表面[23]。蛋白質的N端 (序列23-134) 沒有特定構型，在轉譯後修飾後將頭尾兩個信号肽 (序列 1-22 及 231-254) 切除，擁有八個重複的胺基酸片段 (序列: PHGGGWGQ) 可結合Cu^2+[24]。而C端 (序列135-230) 主要以三個α螺旋構成，Cys179和214之間有雙硫鍵連結第二個和第三個α螺旋[24]。在Asn181和197的位置會因為醣化而形成無醣、一個多醣、兩個多醣等三種衍生型[25][26]。最近的研究顯示多醣的種類對朊毒體的複製速率和其感染性有重要影響[27]。

正常的朊毒體蛋白由PRNP基因所表現。它在中央神經系統的細胞膜外表面有大量表現，在免疫系统、骨髓、血液和周围神经系统中也有發現[28]。然而這個蛋白質的功能尚不清楚。小鼠研究初步顯示缺乏PRNP基因對整體表徵沒有影響[29]。許多研究推測朊毒體蛋白在細胞中扮演不同的角色，包括維持神經軸突上的髓磷脂[30]，或是與T细胞、巨噬细胞、樹突細胞分化，或是刺激幹細胞的功能分化[31]。

朊毒體疾病在18世紀已經有記述，最早觀察到的羊搔癢症在1759年由一篇德意志地區的文獻記載，"受感染的動物會跪下、用牠們的背去摩擦樁木，精神不佳且不進食，最後死亡"。文獻也記錄到牧羊人必須隔離這些受影響的羊隻，否則會造成其它羊群的嚴重傳染[45]。19世紀後，歐洲的獸醫開始研究羊騷癢症，Besnoit在1899年發現它在病理學上的主要病徵是腦神經組織的空洞化（Vacuolation）[45][46]。1936年，Cullѐ和Chelle藉由將受感染羊隻的腦及腦幹組織移入健康羊隻並使其感染，證明羊騷癢症具有感染性[45][46]。1961年，在實驗用小鼠上也證明同樣的致病因子會造成感染，這個實驗同時證明了致病因子（隨後由史坦利·布魯希納在1982年發現是朊毒體）具有跨物種傳染的能力[47]。在小鼠研究的成功也讓科學家從此可以不用綿羊或山羊，而是使用更容易操作的小鼠進行朊毒體的研究。

人類的朊毒體疾病最早由一位美國獸醫Hadlow在1959年發現。他在巴布亚新几内亚的一個食人部落發現他們參與過食人儀式後的人會產生類似羊騷癢症的不正常抽搐現象，並命名為庫魯病（英語：，源自當地語言的 kuria 或 guria，意即顫抖）。在1968年Klatzo根據對庫魯病人的腦部研究，認為早在1920年代發現的人類克雅氏病也有類似庫魯病的性質。隨後進一步的研究發現了更多種類的庫賈氏症，如致死性家族失眠症和家族性克-雅二氏病。最終他們都被歸類於傳染性海綿狀腦病之下[45][46]。

1980年代末期英國爆發了嚴重的狂牛症疫情，當時許多牛隻因為吃入含有受感染的牛骨粉飼料導致大量群聚感染。之後許多人再攝入感染的牛肉類製品也因此染病，這種新型的人類庫賈氏症被稱為变异型克-雅二氏病（vCJD），同時也是第一次發現朊毒體疾病能夠跨物種傳染[46]。至2011年沒有出現新病例為止，全世界有228例变异型克-雅二氏病患者，其中有176例為英國居民[48]。

感染牛海綿狀腦病（BSE）的牛隻產生腦組織空洞化現象，或稱神經退化。原因是由錯誤摺疊的朊毒體蛋白聚集，造成神經細胞死亡。

人類克-雅二氏病的症状包括逐漸喪失腦部功能與行動能力、不正常的抽搐、痴呆、口齒不清、共济失调（平衡和协调功能障碍）、行为或人格改变[49]。神經病理學上主要的特徵是在發病過程中的腦神經細胞會逐漸死亡，因此在組織中形成微小的“空洞”看起來猶如海綿一般。由免疫組織染色法可以發現由朊毒體蛋白聚集而成的類澱粉蛋白堆積在腦部神經细胞外，並形成可觀察到的斑塊[50]。其他改變還包括星形胶质细胞與小神經膠質細胞被激發而造成神經發炎反應[51]。

变异型克-雅二氏病的平均潜伏期在中是16.7年[52]，而由食人部落所發現的庫魯病平均潛伏期是10.3-13.2年，但有極少數會超過40年[53]。值得注意的是，由於對於变异型克-雅二氏病的研究較多（源於1990年代英國爆發狂牛症），擁有特別基因突變的人可能會因為有更長的潛伏期而尚未發病。一旦出现不适症状後，病情會快速進展，导致脑损伤和死亡。人類朊毒體疾病的传染途径包括：未知的散發型發病（sCJD, 佔80-90%）、攝食受狂牛症感染的牛隻食品（vCJD）、医源性传染（iCJD），还有大约有15%的患者为家族遗传（fCJD）；極少數是由於儀式中的食人行為傳染（庫魯病）[2][54][55][56]。多數人在發病後一年內會死亡，但是許多病人的死因是發病导致的其它呼吸道或全身感染[57][58]。

1965年，布萊恩·科克斯（英語：）在酵母菌发现了一種奇怪的遗传，並稱為[PSI⁺]因子（[PSI⁺] element）。1994年，里德·維克納（英語：）經由研究釀酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) 提出假说，认为[PSI⁺]和另一个遗传因子[URE3]是分别由Sup35p和Ure2p蛋白引起，並具有類似朊毒體能夠自我複製的特性，因此稱為酵母朊毒體（yeast prions）[64]。很快地，Susan Lindquist注意到一種热休克蛋白（heat shock protein，可以帮助其它蛋白质正确折叠的蛋白质），Hsp 104可以减少[PSI⁺]的影響[65]。她隨後的研究顯示[PSI⁺]在酵母菌中不具有毒性，而且藉由改變特定的胺基酸序列能夠幫助Sup35p蛋白在正常的[PSI^-]結構，和有類似朊毒體性質 (意指可自我複製) 的[PSI⁺] 結構之間轉變[66]。她進一步認為某些具有類似朊毒體性質的蛋白質可能在某些情况下是有利的，因而使得這種性質在演化中得以保留[67]。

除了朊毒體疾病以外，其它的神經退化性疾病的致病因子: 阿茲海默症的Aβ胜肽、帕金森氏症的 α-synuclein、肌萎缩性脊髓侧索硬化症 (ALS)的superoxide dismutase 1、亨丁頓舞蹈症的huntingtin蛋白片段、家族性澱粉樣物多發性神經病變 (FAP) 的transthyretin ，和非神經疾病的第二型糖尿病的胰岛素，都有類似朊毒體的自我複製機制，由蛋白質錯誤折疊和聚集反應造成組織細胞死亡[34][35]。

但不是所有類似朊毒體性質的蛋白質都是危險的。事实上，它们存在于很多植物和动物中。正因为如此，科学家认为这些变形的蛋白质一定为它们的宿主带来了一些好处。这个假设在对一种特定的藓类植物进行研究的时候被证实。正常情况下，当一个地方的藓与另一个地方的藓长得足够它们的外层细胞相接触时，病毒会从一个受感染的藓的部分传播到另一个没有受感染的藓的部分。但是，普利昂蛋白似乎会绕到被感染的藓的边缘部分。这可以引起藓边缘部分的细胞死亡，从而形成一个屏障，阻止病毒穿过，从而避免受到感染。

此外，蛋白質聚集反應也存在於一些正常折疊的蛋白質中，而且是它們正常功能的一部份。常見的例子包括細胞骨架和絲蛋白。

通过对朊毒體蛋白的研究，科学家发现了一些具有β折叠结构的多肽具有自聚集的性质，可以自聚集形成纤维，为纳米材料提供了新的研究思路。多肽的β片层之间可以形成氢键，将一个一个多肽单体按照特定的结构连接在一起，形成纤维。世界上许多实验室正在人工合成一些可以自聚集形成纤维的多肽，希望能够控制纤维的生长，找到新的功能材料。