[Jul 02, 2005]
醫學：狂牛的復仇(下)
編輯 Wei-Chiao Chang 報導
1974年，Prusiner教授在美國加州大學舊金山分校(UCSF)開始進行他的研究。在研究的初期，他們希望從羊搔癢症的綿羊腦部組織中提煉出傳染病原，這是一項困難且危險的任務，Prusiner教授實驗室中的許多研究人員對於這項工作感到深深的挫折感，但他再三的堅持下，這項純化傳染病原的工作總算完成。
1982年， Prusiner教授於美國《科學》期刊上發表了一篇名為 『一個造成羊搔癢症的新穎傳染性蛋白質』(Novel proteinaceous infectious particles cause scrapie. Science. 216:136 (1982))的研究論文，文中提到了prion這個新名詞，它有別於我們所知道的其他病原。至於這個病原體中最主要的致病性蛋白質又被稱為prion蛋白，簡稱PrP (prion protein)。那重要的問題出現了，蛋白質是經由基因經過轉錄轉譯而來，PrP基因又在哪裡?
Prusiner教授經由與加州理工學院Leroy E. Hood等人的合作，他們定出PrP一端的其中十五個胺基酸序列，然後利用這段序列反推核酸序列並製作成分子探針(molecular probes)。有了這個探針，他們就可以進一步的探討哺乳動物細胞中是否帶有PrP基因。不久，瑞士科學家Charles Weissmann發現倉鼠細胞(hamster cells)中帶有PrP基因， 幾乎在同一時間，美國科學家Bruce Cheseboro也在小鼠(mouse)中發現PrP基因，接著許多哺乳類動物的細胞都被檢測，令人訝異的是許多哺乳類動物都帶有PrP基因，人類也不例外!!那為什麼這些帶有PrP基因的動物都沒有得到疾病呢?這個問題曾經讓當時的Prusiner研究團隊陷入困境，甚至懷疑PrP根本與疾病無關。
Prusiner教授進而大膽的推測細胞內可能有兩種不同的PrP，一種是會致病的，一種卻是正常的。這個假設讓他有如中了樂透獎般，因為他找到了PrP致病與否的關鍵因素。原來，一般蛋白質是很容易被細胞內一種名為Protease的酵素所分解，不過Prusiner研究團隊卻觀察到:從感染的腦部組織中萃取出來的PrP是相當不容易被分解破壞的，這種奇特的性質與正常蛋白質非常不同，所以他進一步把這個會造成羊搔癢症(Scrapie)且不易被分解的PrP命名為PrPsc (Scrapie PrP)，與正常且易被分解的PrPc (cellular PrP)已示區別。
要證明PrP就是致病因子的最重要證據就是能在小鼠腦內誘導發病。 Prusiner研究團隊在這方面的研究一直不太順利，所以他們將研究心力轉移到分析具有家族遺傳性Prion疾病(Gerstmann-Straussler-Scheinker syndrome)的病人PrP基因序列。結果發現:病人的PrP基因序列中有一個位置出現突變!這樣的發現也暗示著產生突變的PrP是危險的。 接著，他們回到小鼠身上進行實驗，利用轉基因技術改變小鼠的基因，讓小鼠帶有突變的PrP基因，這些突變的PrP基因會轉譯出許多突變的PrP蛋白質。如果突變的PrP與致病有關，那這些轉殖小鼠應該是會發病的，實驗結果與他們的預期相同--小鼠發病了，這項發現可謂是他們研究初期的一大進展。
既然PrPsc(Scrapie PrP)是致病的、不易被破壞的；PrPc(cellular PrP)是正常且易被分解的。那PrPsc與PrPc在蛋白質結構上又有什麼差異呢?經過分子模擬分析，Prusiner的研究團隊發現: PrPc(正常的蛋白質)是由alpha helices所組成，至於PrPsc(致病的蛋白質)則是完全不同的Beta-Sheet構造。蛋白質結構上的差異也造成了兩者完全不同的化學性質，相較於PrPc ，Beta-Sheet結構的PrPsc更為穩定，更不易被酵素所分解。此外，他們也認為PrPsc可以誘導腦中正常alpha helices構型的PrPc轉變成Beta-Sheet構型的PrPsc，但誘發機制方面的相關研究仍是相當模糊。
回到最初的發現，羊搔癢症是一種發生於綿羊身上的神經退化性疾病。在英國，因為餵食牛群的飼料出了問題而導致prions蛋白從羊群中跨過了藩籬感染了牛群。人類吃了生病的牛，於是prions又跨過了人與牛間的種族屏障(species barrier)感染了人類。其實早在1960年代，英國科學家Pattsion就已經發現:羊搔癢症是很難從羊隻身上傳染到齧齒類動物的。然而，Prusiner教授的研究團隊利用轉基因技術讓小鼠帶有倉鼠PrP基因後，他們發現種族屏障是可以被打破的。因為感染倉鼠的prion病原是不會感染正常小鼠，但插入倉鼠PrP基因後的小鼠(同時帶有小鼠與倉鼠之PrP基因)就會被倉鼠prion病原感染發病。
Prusiner的研究團隊也進一步發現:種族屏障的出現與PrP的胺基酸序列有關。也就是說Scrapie PrP 分子的蛋白質序列與宿主本身PrP序列越相近者，該宿主就越容易被感染。舉例來說:羊與牛的PrP序列非常的相似，所以造成羊搔癢症的PrPsc就很容易經由食物感染牛隻。 至於牛隻的PrP序列與人類則具有相當大的差異性，屏除一些特例的突變的PrP基因不說，PrPsc從牛隻跨越種族屏障傳染給人的機率是相對較低的。
PrPsc破壞細胞的機制至今仍是個謎?當然，要研發藥物更是難上加難。Charles Weissmann等人曾經將小鼠的PrP基因剔除，幸運地，小鼠的一切生理功能正常且從此PrPsc無法感染該小鼠。如果在人體中PrP基因也是那麼不重要，未來也許可以利用antisense或RNAi等治療方式，不過這是最理想的情況，相關研究未來應該還有一段很長的路要走。
對於愛滋病、癌症…等疾病，人們有計畫地一步步地展開預防工作、開發藥物甚至疫苗，但面對Prions、新型變種庫雅氏症(vCJD)…這種怪異的危險疾病，科學家們突然間變得無知或許該說無力吧! 一般的高溫高壓、紫外光、消毒藥劑等滅菌方式都無法消滅的病原、具傳染力、高致死率、沒有DNA或RNA卻能複製並攻擊神經細胞，這種超越傳統遺傳學概念的分子到底是什麼?我也是越寫越糊塗了。
參考文獻: The Prion Diseases. by Stanley B. Prusiner
參考來源：
- Scrapie Disease In Sheep. Herbert B. Parry. Edited by D. R. Oppenheimer. Academic Press, 1983.
- Molecular Biology Of Prion Diseases. S. B. Prusiner in
- Prion Diseases Of Humans And Animals. Edited by S. B. Prusiner, J. Collinge, J. Powell and B. Anderton. Ellis Horwood, 1992.
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