马继延 巧妙破解“朊病毒”40年谜题

【字体: 时间:2010年03月08日 来源:生物通

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  编者按:300多年前,人类发现羊“瘙痒症”,其后漫长的岁月里,瘙痒病背后的罪魁祸首“阮病毒”一直没有被发现,200年过去了,直到上个世纪80年代,美国神经学与生物学家Stanley B.P Prusiner经过8年的探索,提出了“阮病毒”,一种非核酸的变构蛋白才是真正的致病元凶的假说,然而,这仅仅是理论的提出,由于缺乏确凿的实验证据, 科学界对这个假说始终存在着极大的争议。时间又过去了近30年,值得庆幸的是,这个假说终于得到了证明,马继延教授首次用确凿的证据证实了这一假说。

  

编者按:300多年前,人类发现羊“瘙痒症”,其后漫长的岁月里,瘙痒病背后的罪魁祸首“阮病毒”一直没有被发现,200年过去了,直到上个世纪80年代,美国神经学与生物学家Stanley B.P Prusiner经过8年的探索,提出了“阮病毒”,一种非核酸的变构蛋白才是真正的致病元凶的假说,然而,这仅仅是理论的提出,由于缺乏确凿的实验证据, 科学界对这个假说始终存在着极大的争议。时间又过去了近30年,值得庆幸的是,这个假说得到了证明,马继延教授首次用确凿的证据证实了这一假说。

马继延教授,从事朊蛋白研究十多年,他与众多朊蛋白研究者有着共同的希望,期盼着某一天在自己的实验室里用“事实”证明“朊病毒假说”。2010年,他做到了,他在他的实验室里证实了这一假说,首次获得有传染性和致病性的朊病毒,这篇研究性论文同时也发表在3月最新一期的Science上,同期Science来自Dartmouth医学院的Surachai Supattapone教授撰写了一篇评论文章(What Makes a Prion Infectious?, DOI: 10.1126/science.1187790)。
 
朊病毒的前世今生
早在300年前,人们已经注意到在绵羊和山羊身上患的“羊瘙痒症”。其症状表现为:丧失协调性、站立不稳、烦躁不安、奇痒难熬,直至瘫痪死亡。20世纪60年代(1967年),英国生物学家阿尔卑斯用放射处理破坏DNA和RNA后,其组织仍具感染性,因而认为“羊瘙痒症”的致病因子并非核酸,而可能是蛋白质(当时,这一研究论文发表在Nature杂志上)。由于这种推断不符合当时的一般认识(以“核酸”为中心的观念),也缺乏有力的实验支持,因而没有得到认同,甚至被视为异端邪说。

直到1982年,美国神经学与生物化学家Stanley B.P Prusiner经过各种实验证实,用灭活核酸的方式无法消除“瘙痒病”的致病性,而用蛋白变性的方式却可以使致病力消失。因此,他提出了著名的“朊病毒”假说,他认为,引起羊瘙痒病、牛疯牛病的并不是核酸病毒,而是一种变构的蛋白,这种变构的蛋白可以诱导其他正常朊蛋白相继发生结构变化,变成具有致病性和传染性的“朊病毒”。

马继延教授解释道,英文中的prion被翻译成中文的朊病毒并不代表这些朊蛋白是一种病毒,仅仅代表这些变构蛋白能像病毒一样具有传染性。

Stanley B.P Prusine因为朊病毒假说的提出而获得1997年的诺贝尔奖,其后的几十年里,科学家们尝试用实验证实这一假说。直到2003年,一个实验室将朊蛋白重组后经过诱导转变为淀粉样蛋白聚合体,在朊蛋白高表达的转基因小鼠体内复制了“疯牛病”,遗憾的是,还原疾病的潜伏期长,且不能诱发正常小鼠发病。他们的实验离真相还是差一步,原因在于他们并没有从根本上证实阮病毒是由正常朊蛋白变构而来。

另辟蹊径 巧破难题
真相只有一个,近30年来,科学家们争相破解这一难题,却始终没有用对方法。科学家们一次又一次地徘徊在真相的门外。从事朊蛋白研究多年的马继延教授也在努力,希望能打开这道门。

马继延教授注意到了一个细节,位于细胞膜上的正常朊蛋白可以被磷脂酶C (Phospholipase C)从膜上切除下来,而致病性朊蛋白却无法被切除,科学家们曾猜测,构象的改变使得朊蛋白与脂膜发生了新的相互作用,从而使磷脂酶C无法将其从膜上切除,另外一种说法认为变构的朊蛋白聚集在一起阻碍酶工作。

马继延教授猜测,也许细胞膜上的脂具有改变朊蛋白的作用,于是,他们另辟蹊径,尝试在体外诱导时加入细胞膜中的脂成分,结果成功地诱导出具有致病性和感染性的阮病毒。

 
如图:左为传统的诱导方式,右为马继延教授改良版的诱导方式

首次证实“阮病毒”假说 同时首次构建重组朊蛋白动物模型
一把钥匙打开一把锁,当马教授找到恰当的方法时,问题迎刃而解。在动物模型上,将重组的朊蛋白注入小鼠脑内可快速导致小鼠致病,潜伏期短,病症明显。与其他科学家相比,只要将重组蛋白注入正常小鼠体内,即能诱发小鼠脑内更多朊蛋白变构,成为具有传染性和致病性的朊病毒。

这是第一次从实验室证实“朊病毒”假说,首次成功重组朊病毒,也是第一次成功构建重组蛋白动物模型。

应用价值
疯牛病、瘙痒症、人传染性海绵状脑病目前尚无有效的治疗办法,唯一的方式是阻断传播。众所周知,羊瘙痒症可传播给牛,牛传染上后患上疯牛病,一旦为人食用,就有可能导致人的传染性海绵状脑病。

马继延教授告诉记者,成功获得重组朊病毒给检测和预防疯牛病的传播带来极大的便利,科学家们可以在实验室将这些重组蛋白与其他试剂或物质作用,筛选出可以与重组蛋白结合的物质,这样就有可能应用于疯牛病、瘙痒症或是传染性海绵状脑病的检测上。

只要阻断传播链就能有效地防止疯牛病的传播。

如果能找到一些好的试剂可以阻止朊病毒的传染性就更好了,当然,科学家们也正准备往这个方向走。

衍生出新领域
重组朊病毒的建立给蛋白变构致病学说开辟了新的视野。当年受到质疑,违背核酸核心的学说重新受到重视。

正常蛋白通过结构的改变会变成有传染性、致病性的类病毒,它改变了人们对蛋白的传统认识,也许存在其他的蛋白具有类似朊病毒的致病作用,只是暂时没有被人们发现。

也许这门新学科可以定义为:变构蛋白致病学说。

展望变构蛋白领域
展望未来,马继延教授认为,变构蛋白领域将被继续深挖,不仅对疯牛病的研究具有重要价值,还可能惠及其他退行性疾病的研究。

从学术上讲,马继延教授认为以下四个方面将是他继续研究的重点。
1. 不同脂(细胞膜上脂)可能产生不同的诱导变构作用,产生不同的朊病毒株,就如流感一样,存在不同的毒株。不过,与流感不同的是,朊病毒是基于结构的变化而分类。
2. 筛选可以变构朊蛋白结合的分子或化合物,用于临床检查和治疗。
3. 深入探讨朊蛋白变构机制,从结构上进行分析是什么原因导致朊病毒的传染性。
4. 研究变构蛋白的神经毒性,分析变构蛋白导致神经元死亡的机制。

(生物通 张欢)
后记:对于我这个门外汉而言,马老师深入浅出的解答让我可以很快地理解他做的研究工作,我也因此省略了很多背景资料的查询工作。与马老师交谈十分愉快,如沐春风,他健谈又风趣,对于一些专业的名词都会给我悉心解释,我想,做他的研究生应该很幸福!

马继延

职务/职称:教授,博士生导师

学科组: 生物医学
 
研究方向:
1. 蛋白质折叠与疾病研究
    蛋白质折叠与衰老,疾病的发生,以及遗传信息的传递密切相关。这一方向的研究主要内容包括老年痴呆症及帕金森病等神经退行性疾病发病机制及治疗策略;传染性海绵状脑病的发病机制;朊蛋白异构体的传染性,朊蛋白的生物学功能及其与肿瘤的关系。
 
2. 醌类物质的生物学效应及对人类健康的影响
       醌是一类活泼的化学物质,能产生过氧化物造成氧化损伤,并能与蛋白质共价结合形成醌蛋白。这一方向的研究重点在于醌蛋白的形成及其生物学效应,包括多巴胺醌在帕金森病发病机制中的作用,维生素E代谢产物的生物学效应,食物中的醌类化合物对人类健康的影响。
 
代表性的论文:
1) 蛋白质折叠与疾病研究
Ma. J. and Lindquist, S. (1999) De novo generation of a PrPSc-like conformation in living cells. Nat. Cell Biol. 1, 358-361.
Ma, J. and Lindquist, S. (2001) Wild-type and mutant PrP accumulate in the cytoplasm upon proteasome inhibition. PNAS, 98:14955-14960.
Ma, J., Wollmann, R., Lindquist, S. (2002) Neurotoxicity and neurodegeneration when PrP accumulates in the cytosol. Science, 298(5599):1781-5
Ma, J. and Lindquist, S. (2002) Conversion of PrP to a self-perpetuating PrPSc-like conformation in the cytosol. Science, 298(5599):1785-8
Wang X., Wang F., Arterburn L. Wollmann R., Ma J. (2006) The interaction between cytoplasmic PrP and the hydrophobic lipid core of membrane correlates with neurotoxicity. J. Biol. Chem. 281, 13478-13484.
Wang, F., Yang, F., Hu, Y., Wang, X., Wang, X., Jin, C., Ma, J. (2007) Lipid interaction converts prion protein to a PrPSc-like proteinase K resistant conformation under physiological conditions. Biochemistry. 46(23):7045-7053.
Wang, X., Bowers, S., Wang, F., Pu, X., Nelson, R. J., Ma, J. (2009) Cytoplasmic prion protein induces forebrain neurotoxicity. Biochimica et Biophysica Acta - Molecular Basis of Disease. 1792:555-563.
 
2) 醌类物质的生物学效应及对人类健康的影响
Wang X., Thomas B., Sachdeva R., Arterburn L., Frye L., Hatcher P. G., Cornwell D. G., Ma J. (2006) Mechanism of quinone toxicity involving arylation and induction of ER stress. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 103: 3604-3609.
Cornwell, D. G. and Ma, J. (2008) Nutritional benefit of olive oil: the biological effects of hydroxytyrosol and its arylating quinone adducts. J. Agric. Food Chem. 56: 8774-8786.
Cornwell, D. G. and Ma, J. (2007) Studies in vitamin E: biochemistry and molecular biology of tocopherol quinones. Vitam Horm. 76:99-134.
 
教学:
华东师范大学:生命科学导论(本科),主讲教师之一; 营养学(双语教学) 主讲教师.
 


 

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