朊病毒的致病机理及其检测(14页).doc
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1、-朊病毒的致病机理及其检测-第 12 页食品微生物学进展课程论文题 目:朊病毒的致病机理及其检测姓 名:费鹏学 号专 业:粮食、油脂和植物蛋白工程指导教师:陈福生职 称教授中国武汉二一二 年 一 月朊病毒的致病机理及其检测摘 要:朊病毒病是人和动物的一种致死性的神经系统退行性疾病,主要包括羊骚痒病,疯牛病,以及人的克雅氏综合症。其致病因子被认为是一种由正常细胞PrP蛋白经非正常折叠所形成的蛋白质(PrPsc)。本文对其理化性状、致病机理以及检测方法加以综述。关键词:朊病毒;羊骚痒病;疯牛病;克雅氏综合症;致病机理;Abstract:Prion diseases is a family of f
2、atal neurodegenerative disorders in both huma -ns and animals,including scrapie in sheep,Bovine Spongiform Encephalopathy (BSE) in cattle and Creutzfeld-Jakob Disease(CJD) in human.The pathogenic factor of these diseases is thought to be a abnormal isoform protein(PrPSc) of a normal cellular protei
3、-n-PrPC. In this review the present knowledge concerning the physico-chemical featur -es of prion, prion pathogenesis as well as detection method is presented.Keywords: prion; scrapie; BSE; CJD; pathogenesis; 朊病毒,也称为朊粒,是一种只有蛋白质而没有核酸的传染因子。它是动物和人传染性海绵状脑病(Transmissible Spongiform Encephloathy, TSE)的主要致
4、病因子。1982年Prusiner提出“唯蛋白”假说,以后Weismann等人对其逐步完善,并成为目前的主流学说。该假说认为:TSE是哺乳动物细胞中普遍存在的正常细胞PrP(Cellular Isoform of Prion Protein,PrPC)转变为致病性的异常痒病型PrP(Scrapie Isoform Of Prion Protein,PrPSc)所致。PrPSc在感染动物脑内形成不溶性的、抗蛋白酶的积聚物而引起动物发病,1985年英国爆发疯牛病后,朊病毒引起了人们的极大关注。而且随着时间的推移和科研水平的提高,朊病毒蛋白的结构特征、生化特性及致病机理的研究取得了显著进展(刁小龙,
5、2007)。由朊病毒引起的传染性海绵状脑病有在动物中有羊瘙痒病(scrapie of sheep and goat)、水貂传染性脑病(Transmissible Mink Encephalopathy,TME)、鹿慢性退行性变(Chronic Wasting Disease of Deer,CWD)、牛海绵状脑病(Bovine Spongiform Encephalopathy,BSE)以及猫海绵状脑病(Feline Spongiform Encephalopathy,FSE)等。在人类中的疾病主要有库鲁病(Kuru disease)、克-雅病(Creutzfeld-Jakob Disease
6、,CJD)、格斯特曼综合征(Gretmann-Straussler Syndrome,GSS)、致死性家庭失眠症(Fatal Familial Insomnia,FFI)、克-雅病变种(variant CJD,v-CJD)(侯佩强,2003)。一、朊病毒的发现及其特性1 朊病毒的发现早在200多年以前,英国的牧人就注意到羊的一种致死性疾病,即羊瘙痒病,但病因并不清楚(杨正,2011)。随着技术的发展,这种病越来越被人们所注意。这种为了探究这种致病原的性质,研究人员检测了羊瘙痒病病脑匀浆对动物的致病能力。发现感染因子可以通过滤器,有点象病毒,但与病毒不同,用福尔马林处理不能使之完全失活。1966
7、年,英国放射生物学家Alper发现,这种物质对254nm的紫外线照射不敏感,而对237nm的紫外线敏感。1972年,由于Prusiner的一位病人死于克雅氏病,促使他开始研究这类疾病。经过10年努力,Prusiner与其同事终于在1982年从仓鼠脑中浓缩了羊搔痒病病原成分。这是一种直径25nm长约100200nm其浓缩成分的活性可被蛋白酶K,二乙酰焦碳酸、尿素、酚和SDS等破坏,但不能被核酸酶E或紫外线照射破坏。所以Prusiner称之为Prion,意为蛋白性感染颗粒(Proteinaceous infectious particle)。这个成份中只含一种蛋白质,称为朊病毒蛋白(prion p
8、rotein,PrP),并命名为朊病毒(Virino)。 Prusiner因此获1997年诺贝尔医学和生理学奖。2 PrPC与PrPSc与细菌、真菌及病毒等病原体不同,prion是一种不含核酸的蛋白质,普遍存在于人和动物细胞内并由宿主自身基因编码。正常的细胞型构象PrPC没有致病性, 但在一定的条件下可以转化成瘙痒型PrPSc这种异常构象,从而引起传染 性海绵状脑病的发生。PrPC和 PrPSc虽然具有完全相同的一级序列,但因构象上的差异导致生化性质显著不同:PrPC是可溶的单体,以螺旋为主,易被蛋白水解酶K降解;PrPSc高度不溶,折叠含量高,极易形成抗蛋白酶K水解的多聚体(林东海,2011
9、)。PrP的构象变化造成了其理化和生化性质的显著变化。3 PrPSc理化性质及生化特性3.1 PrPSc独特的理化性质 高压蒸汽灭菌(134138)18 分钟不能使其完全灭活。 对紫外线(波长 254nm)照射的抵抗力比一般的病毒高 40200 倍,但是对 237nm的紫外线敏感(白丽荣,1999)。 对一般的离子辐射和超声波抵抗力很强。 对许多微生物有致死作用的一般化学消毒剂对朊病毒却无法起到坡坏作用,如37的20%的福尔马林溶液中可存活28个月。 对多种核酸酶(RNA 酶和 DNA 酶)有抵抗作用,但可以被胰蛋白酶降解。这一点也证明了朊蛋白中不含有核酸。 一些蛋白质变性剂或氨基酸化学修饰剂
10、对其具有灭活或抑制作用,如尿素、SDS 等处理则使其失去活性。3.2 PrPSc独特的生化特性 不形成包涵体,不含非宿主蛋白,不诱生干扰素,对干扰素也不敏感,不干扰其他病毒诱生干扰素,也不受普通病毒干扰。 不破坏宿主B细胞和T细胞的免疫功能,也不引起宿主的免疫反应。 在电镜下见不到其病原颗粒,但可检测出痒病相关纤维(Sceapre Associate Fibrils,SAF) 朊蛋白病毒一旦致病,免疫增强剂和免疫抑制剂均不能改变致病过程。 朊蛋白病毒(PrPSc)在温和的清洁提取物中大量聚合成痒病相关纤维(SAF)或短杆结构,即在非变性去污剂中不溶,而细胞朊蛋白(PrPC)则可以完全溶于其中,
11、只以单体或是二聚体形式存在,故用核磁共振(NMR)和X光谱分析就可以检测到PrPC的三维构象,却不能辨别PrPSc的构象。 PrPSc具有相对的抗蛋白酶水解特性,如在用蛋白酶K进行水解时,PrPSc只被水解掉其N-端的67个氨基酸残基,形成PrP2730,成为其致病的“无敌先锋”。而PrPC则可被完全水解掉,故PrPSc的半衰期特别长,而PrPC的半衰期短(杨建民,2004)。 PrPSc和PrPC都依赖于磷酸肌醇磷脂酶结合位点(GPI)附着在细胞表面,经过磷酸肌醇磷脂酶C(PUPLC)酶解后,PrPSc不能从膜上释放,而PrPC则可以。用Trion X-114进行相分离后,PrPC处于水相。
12、而PrPSc则处于Trion X-114 相中。 用特异的抗体与朊蛋白反应,PrPSc有血清反应,而PrPC则没有反应。说明两者的高级结构是不同的。二、PrPSc的致病机理和转化1 阮病毒的致病机理关于朊病毒的致病机理,主要有两种观点。一个是由于PrPC正常功能的缺失,另一个是由于PrPSc的过度增殖而产生神经毒性。除此之外,还有拟病毒假说与联合假说等等。1.1 PrPC正常功能的缺失 PrPC的编码基因在小鼠中位于2号染色体,在人类位于20号染色体。PrPC在神经元、神经胶质细胞、小胶质细胞、肌细胞、白细胞等多种细胞中表达。关于PrPC生理功能的研究进展较为缓慢,目前发现其可能在神经系统、T
13、细胞信号转导及核酸代谢等方面发挥一定作用(王小凡,2005)。 PrPSc的神经毒性 PrPSc具有潜在的神经毒性,其中PrP106-126称为神经肽,单独这一段小肽也能使在体外培养的神经细胞发生凋亡。而大量PrPSc在CNS尤其是在脑内的积累可抑制Cu2+与SOD或其它酶的结合,从而使神经细胞的抗氧化作用下降,PrPSc还可抑制星形细胞摄入能诱导其增殖的Glu。此外,细胞内的PrPSc可能还抑制tau调节的微管蛋白的聚合,导致L-型钙通道发生改变,进而使细胞骨架失去稳定性,最终都可使神经细胞发生凋亡并形成空泡状结构,进而使各种信号传导发生紊乱。外在表现为自主运动失调、恐惧、生物钟紊乱等症状(
14、乔俊文,2006)。1.3 酵母菌朊病毒假说 Cox(1965)发现在某些酵母菌株内存在一种引起终止密码抑制的成分,表现为显性,且不遵守孟德尔遗传规律,故命名为PSI+。Lacrout发现某些酿酒酵母菌中存在另外一种非孟德尔成分,与PSI+具有相似的遗传特性,该成分被命名为URE3。Wickner提出用酵母菌朊病毒假说来解释PSI+和URE3的遗传行为。认为PSI+和URE3可能和朊病毒一样,是由细胞内正常成分Sup35和Ure2P经构型改变而来,因为蛋白质的C端失去其正常功能,所以能产生Sup35和Ure2P突变相同的表现型;失去正常结构和功能的Sup35和Ure2P又可与新的Sup35和U
15、re2P相互作用,诱导他们发生同样的构型改变,从而使PSI+和URE3表现出显性且不遵守孟德尔遗传规律。因此,将PSI+和URE3称为酵母菌朊病毒(yeast prion)。与哺乳动物朊病毒不同的是:PSI+和URE3不在细胞间传播,而是由细胞母代传给子代;也不会导致其存在的细胞发生死亡,而是使其产生新的细胞代谢型。因此,对于哺乳动物和人类,朊病毒是一种致病因子,对于酵母菌,则可视作一类可遗传的代谢表现型决定因子。1.4 拟病毒假说 Dickinson和Outran首次提出,后由Kimberlin阐述。拟病毒假说即核蛋白论,认为TSEs病原因子是拟病毒,由蛋白质和核酸组成。核酸由宿主酶催化复制
16、,不编码病原因子的蛋白质,但其必需成分与宿主成分(如PrPSc)紧密结合,并受其保护。病原因子蛋白质由宿主基因组编码,并形成核酸的外被,但至今未能证实TSEs病原因子有特异性核酸(Bruce,1997)。1.5 联合学说 Weissmann认为感染因子是完全朊病毒(holoprion),它由2种成分组成:一种是分离朊病毒(apoprion),即PrPSc,由宿主基因组复制,本身就可致病;另一种是协同朊病毒(coprion),即核酸,它决定毒株的株特异性。这种核酸可能连结于PrPSc上,也存在于正常宿主细胞中。PrPSc单独侵入细胞后,可激活某种细胞核酸,使其呈现协同朊病毒的作用。协同朊病毒借助
17、细胞正常的聚合酶复制,这一过程由PrPSc激发,且可能依赖于PrPSc的存在。这一假说实际上是朊病毒假说和拟病毒假说的综合,使该病原因子的结构理论更趋完善,颇具吸引力,但目前还没有可靠的试验证据(Hornemann,1997)。2 PrPSc的形成和蓄积无论PrPSc致病机理是什么,其致病的第一步都是PrPSc的形成过程和蓄积。PrPSc是由PrPC经过构象的转变形成的。关于这一过程目前主要有两种模型来解释:2.1 重折叠模型PrPC作为许多动物体的正常代谢的一部分,被不断的合成和降解。但因PrPC结构的随机不稳性,能产生极少数部分未折叠的单体结构,称为PrP*。PrP*是形成PrPSc的中间
18、体。它既能形成两种不同构象的PrP蛋白,即PrPC和PrPSc,也可能和PrPSc形成暂时性的复合物(PrP*PrPSc)(黄银霞,2006)。然后再转化为两分子的PrPSc。这个过程的发生会使PrPSc呈指数性增长。正常情况下PrP*的浓度很低,PrPSc的形成亦可以忽略不计,但当出现以下三种情况时,PrPSc便会大量地产生和积蓄: 在发生传染性朊病毒病时,外源的朊病毒进入细胞,并作为模板促使PrP*转变为PrPSc;在散发性朊病毒病中,外源的朊病毒参与,可能是由于PrP*积蓄至足以自发产生PrPSc的水平,再通过正反馈环道促使PrP*转变为PrPSc,但这种情况通常很少发生;另一方面,体细
19、胞突变也可使PrPC失稳促使PrP*转变为PrPSc;在发生遗传朊病毒时,突变的PrPC(PrPC)作为许多细胞正常代谢的一部分被合成和降解。PrPC的随机不稳定性比PrPC高,从而产生部分解折叠的单体结构PrPC,他和PrP*一样,能重新变为PrPC被降解,也可转变为PrPSc,PrPSc一旦形成即通过正反馈环道促使PrPC转变为PrPSc(史怀平,2004)。2.2 种子模型 低分子量的PrPSc聚合物充当种子。当没有种子时,PrPC和PrPSc单体间发生快速的可逆的构象变化。但PrPC单体构象比PrPSc稳定,因此占主要组分。当种子存在时它可以通过与PrPSc单体形成稳定PrPSc构象,
20、加速PrPC转变为PrPSc,而且此过程是不可逆的(马秀芳,2002)。这一模型能解释朊病毒潜伏期较长的现象。需要指出的是上述两种模型并不是相互排斥的,在朊病毒增殖过程中有可能是两种模型同时起作用。另外,Yelling等人在后来的研究中,通过实验发现,表达人PrP基因的小鼠不能感染人类的朊病毒,而表达人鼠嵌合PrP的转基因小鼠则能被感染,据此他们认为仅PrPSc本身还不足以诱导PrPC构象改变,还需要一种辅助因子,他们称之为“蛋白”(林海,2002)。Kaneko等人提供了新的证据, 表明在 PrPSc的增殖过程中, 需要 X 蛋白结合到 PrPC的一个不连续表位,包括残基167、171、21
21、4 和218四个位点, 否则 PrPSc的转化将受到抑制。“蛋白”是由小鼠非PrP基因编码的特异因子,可能是参与催化PrPC分子构象改变的“分子伴侣”,同PrPC和PrPSc形成三元复合物。“蛋白”的发现证明在PrPC向PrPSc转变的过程中还需要一些辅助因子参与。由于 X 蛋白可以通过与PrPC的结合来调控prion的构象转化, 所以许多实验室都在努力寻找X蛋白。目前,已经发现许多能与PrPC发生相互作用的蛋白质比如小鼠STLI、Synapsin、Grb 2、Pint 1、B-crystalline(Sun G,2005)和tetraspanin-7等。这些潜在的X蛋白是否真正具有转化因子的
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