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朊病毒特性与致病机理研究进展
刁小龙，徐志良，边静静，施福明， 杨飞宇，胡鹏年，陈扶香
甘肃农业大学生命科学技术学院，甘肃兰州（730070）
E-mail：dxl841016@163.com
摘 要:朊病毒病是人和动物的一种退行性脑病，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
）。PrPsc
和PrPc
来自于同一基因具有相同的氨基酸序列，但在二级结构和三级结构
上有很大的不同。因为PrPsc
是一种不含有核酸的蛋白质感染因子，所以关于朊病毒的致病机
理至今还没有完全弄清楚。但有关研究表明该病是由于PrPsc
或ctm
PrP在大脑中积累所致。
关键词；朊病毒，PrP，PrPsc
引言
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）的主要致病因子。Prusiner的“唯
蛋白”假说认为：TSE是哺乳动物细胞中普遍存在的正常细胞型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。
1 朊病毒病
1.1羊搔痒病（Scrapie）
早在1730年就有了关于羊搔痒病的记载。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。但直到1936年，Cuill和Celle才通过试验证实其具有传
染性。20世纪60年代，英国生物学家，阿尔卑斯用放射性物质处理破坏DNA和RNA后，
其病变组织仍具有传染性，因而他认为羊搔痒病的致病因子并非核酸，而可能是蛋白质。由
于这种推断不符合当时的一般认识，也缺乏有力的室验支持，因此没有得到认同。
1.2克—雅氏病（Creutzfeldt-jakob Disease,CJD）
1920年，发现克—雅氏病。由Creutzfeldt 和jakob 两位神经病理学家首先描述报道，
因而被命名为克—雅氏病（CJD）。其经典病例特征是：脑组织出现明显海绵样病变，星状
细胞增生及淀粉斑块，与羊搔痒病病理特征相似。
1.3库鲁病（Kuru）
19世纪50年代，在大洋洲巴布亚新几内亚东部海拔1000-2000米高地土著Fore居民
中流行着原因不明的库鲁病。临床症状为：战栗性震颤并发展成为发音障碍，失语直至完全
不能运动，一年内即死亡。此病受到人们的极大重视，后经检测发现库鲁病病理变化、临床
经过、流行病学与痒病相似。
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1.4疯牛病（Mad Cow Diease）
牛海绵样脑病（Bvine Sopngiform Encephal,BSE）俗称疯牛病（Mad Cow Diease），
是成年牛的一种亚急性、进行性、神经系统疾病。TSE病例均有神经组织空泡化、没有疫苗
预防，潜伏期最短数月，一般最终导致死亡。经调查研究，BSE可通过使用病牛的脑、脊
髓、血液、骨骼制成的饲料和药品而感染。
1947年发现水貂脑软病，以后又陆续发现鹿的慢性消耗病（萎缩病），猫的海绵状脑
病。所有的这些疾病都是神经系统疾病，不仅临床表现、神经病理学相似，而且都可以人工
感染实验动物。被感染动物和自然病理一样潜伏期都很长，为同一类型疾病。根据它们的可
传染性和特征性病理变化把它们命名为传染性海绵状脑病（TSE）。
2 朊病毒的结构特征
朊病毒（Prion Protein , PrP）是由动物机体中高度保守的朊病毒蛋白基因编码的蛋白
质。能在机体的多种细胞中表达，在中枢神经系统及神经元细胞中表达量最高。它具有两种
不同的分子构象：一种是存在于正常机体或感染动物的细胞中，没有致病作用,称为细胞朊
蛋白（Cellular PrP, PrPc
）,另一种是仅存在于感染动物的细胞中，称为朊病毒蛋白（Scrapre
PrP, PrPsc
）[1]
。两种蛋白的一级结构完全相同，但二极结构及高级结构则有着显著差异。
2.1朊病毒的一级结构（图1）
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图1 朊病毒的一级结构示意图[18]
PrP前体全长为253个（人）～264个（牛）氨基酸，分子质量为33～35KD[2]
。 PrP前
体的N-端的22个疏水氨基酸残基为信号肽序列。C-端的23个（人为22个）疏水氨基酸残
基是糖基磷酸肌醇结合位点（GPI）。这两部分将通过翻译后修饰水解除去，因此人的成熟
PrP仅为中间的第23位～第231位氨基酸共209个残基组成的序列。N-端的23～95位氨基
酸残基之间有一个富含组氨酸和甘氨酸的八肽重复区（PHGGGWGO）（51～91位氨基酸），
第96～112位氨基酸序列是PrP的结构控制区，113～135位有一段跨膜区，135～231位之间
是3个束状螺旋区域[3]
。
成熟的PrP分子有两个N型糖基化位点，分别为第181位和第197位的两个天冬酰胺
（Asn）残基，在第179位和第214位的两个半胱氨酸（Cys）残基之间有一个二硫键，第
183位和第192位的2个苏氨酸（Thr）磷酸化序列一致，第145位的酪氨酸（Tyr）被硫化，
第155位的酪氨酸是其磷酸化位点之一（除灵长类及啮齿类动物之外），第147位～第163
位的氨基酸之间有一芳烃回文序列。
PrP含有3组不同的短肽重复，第一组为6肽重复结构；第二组为8肽重复结构
（PHGGGWGQ）（其中第一个重复是9肽：PQGGGGWGQ）；第三组是2个肽的串联重复，
与前面所提到的芳烃回文序列部分重合[4]
，所有这些重复似乎为PrP独有。
PrP的核酸序列及其氨基酸序列高度保守，其不同物种间的同源性也很高（表1）。[18]
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表1 人和仓鼠等5种动物PrP氨基酸序列相似性比较（%） 人 仓鼠 小鼠 绵羊 牛 水貂
人 - 87 89 90 88 88
仓鼠 - 93 88 86 85
小鼠 - 87 84 84
绵羊 - 94 94
牛 - 93
水貂 -
研究发现PrP序列中的糖基化位点，形成二硫键的Cys位点和疏水的跨膜区最为保守。
其次为N-端的信号肽水解位点，C-端的糖基磷酸肌醇结合位点（GPI）和α-螺旋结构区域的
序列，八肽重复序列极为保守，均为P（H/Q）GGG（G/-）WGQ，但不同物种之间的重复
拷贝数有所不同。
PrP经过蛋白酶K水解后，其正常的PrPc
被完全水解掉，而有侵染特性的PrPsc
则被水解掉
N-端的67个氨基酸残基和C-端的25个氨基酸，变为分子质量只有27～30KD的PrP27～30。
据研究推测蛋白酶K的N-端切点位于富含G的八肽重复区域，在89～90位点的G-W间的肽键
断裂。这种具有抗蛋白酶K功能的PrP27-30（PrP-res）的出现被认为是朊蛋白病毒致病的关
键[5]
。
2.2 朊蛋白的高级结构
2.2.1. PrPc
的高级结构
在已有的一级结构的基础之上，人们采取了各种各样的方法，结合先进的科技手段，以
牛、小鼠、金黄仓鼠及人等的PrP为对象，研究了PrP的二级结构及其三级结构，但至今还未
能完全阐明其精确的高级结构。目前已经公开并得到认可的几种结构模型有HuPrP23-231的
核磁共振（NMR）结构模型、BoPrP23～230NMR结构模型、MoPrP121-231模型和ShaPrP90～
231结构模型等。[6]
分子模型研究预测PrPc
是一种含有4个螺旋的蛋白。通过红外光谱（fourier transform
infrared specscopy，FTIR）和圆二色散（cirular dichroism，CD）研究显示，PrPc
含有约40%
的α-螺旋和很少的（3%）或不含β-折叠。早些时候的“X-bundle”模型中，认为遗传性朊蛋白
病毒中的11个点突变中的5个分布在疏水核心附近。其中的4个α-螺旋的位置及作用位点
分布见下表：（表2）[20]
表2 PrPcα-螺旋的位置及作用位点分布表
螺旋 对应氨基酸 螺旋-螺旋作用位点
1 109-122 MKH MAGAAAAGAVV
2 129-141 MLGSAMSRPIIHF
3 178-191 DCVN ITIKQHTVTT
4 202-218 DVKMMERVVEQMCITQY
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近些年在重组PrPc
的核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）的研究基础之上，
瑞士的Kurt Wuthrich实验室提出了MoPrP121-231模型，包括3个α-螺旋和2个反向平行的β-
折叠，且第二个α-螺旋与第三个α-螺旋之间有一个单二硫键[7]
。随后相继提出的ShaPrP90-231
结构模型基本上与MoPrP121-231相似。
最近提出的BoPrP23-230NMR结构模型和HuPrP23-230NMR结构模型是成熟PrP的较
为完整的结构模型，除了含有上述基本的α-螺旋和β-折叠结构之外，还发现BoPrP23-230
模型中的第一个α-螺旋，第166位～第172位的环，第二个 α-螺旋末端和其后的环及第三
个α-螺旋的最后一个拐角处表现出无序性和迁移性，且第一个α-螺旋，第166位～第172
位的环和第三个α-螺旋构成了分子间相互作用位点。BoPrP23-230NMR结构模型与
HuPrP23-230NMR结构模型高度相似，也说明了朊蛋白病的代表—疯牛病从牛传染给人的可
能。
一般认为，PrPc
的N-端约在第95位～第170位氨基酸残基区域形成与 PrPsc
的结合界面，
从而引起PrPc
向PrPsc
构象的转变（详见下文的致病机理部分），C-端含有与蛋白质X（一种分
子伴侣蛋白，在PrPsc
侵染细胞过程中起协助作用，下文即将详述）的结合位点，具体是在第
165位～第171位氨基酸形成的环内，位于第二个螺旋末端（Gln168和Gln172），另一些位
于第三个螺旋表面（Thr215和Thr219）[8]
综合以上分析，认为PrPc
三维结构形似“风筝”，其N-端存在着缺乏有序结构的片段，这
一结构片段高度柔顺，可以在溶液中随意摆动，犹如风筝的“尾巴”，在其C-端则含有3个α-
螺旋，2个反向平行的β-折叠及一个二硫键，有多处被糖基化、磷酸化、硫基化等化学修饰
的氨基酸位点，结构严密，形态固定，构成一个球状结构区域，是一个自折叠单位，整体看
来形似风筝的头和躯干。
2.2.2. PrPsc的高级结构
PrPsc
及其经过蛋白酶水解后形成的PrP27～30极为难溶，以往的变换红外光谱（FTIR）
和核磁共振（NMR）等方法已不可能研究及预测出其较为准确的三维模型。因此在以上研
究出的PrPc
的结构模型基础上，人们试将其中的部分α-螺旋改为β-折叠，进而探索其新的PrPsc
结构模型。
根据“唯蛋白”假说，PrPsc
是由PrPc
的构象发生改变所致（如图2所示），转变使得结构
中的α-螺旋减少，最终使得含有大量的β-折叠PrPsc
溶解度降低，抗蛋白酶水解能力增强。光
谱研究证明PrPsc
种含有43%的β-折叠和30%的α-螺旋，且在转变过程中，唯一的二硫键仍保
持完好，主要转变部位在第90～112位的氨基酸残基之间[8]
。
图2 PrPsc与PrPc的分子结构模式图
但是，研究显示这样的结构模型中，被假设在蛋白酶K的水解作用下仍保持不变的第2
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