尋找阿爾茨海默病的基因

【編者按】

自20世紀(jì)初阿爾茨海默病被命名以來，圍繞它的發(fā)病根源出現(xiàn)了各種理論與假說：遺傳說、β-淀粉樣蛋白斑塊說、3型糖尿病說、tau蛋白說、炎癥說，相應(yīng)的藥物與療法也層出不窮。到底哪個才是對的？《偷走心智的賊：阿爾茨海默病的故事》一書講述了阿爾茨海默病被發(fā)現(xiàn)的源頭，循著醫(yī)學(xué)界峰回路轉(zhuǎn)的研究過程，一直談到今天的前沿現(xiàn)狀，本文摘編自該書第四章《尋找阿爾茨海默病的基因》。

染色體存在于細胞核內(nèi)。在顯微鏡下，它們就像一根根由纏繞的棉線組成的小棒子。那些棉線是長長的脫氧核糖核酸（DNA）鏈，所以簡單地說，染色體就是緊密排列的DNA。DNA的完整定義可以寫上好幾頁，但眼下知道一點就夠了：DNA是一種分子，它指導(dǎo)蛋白質(zhì)的生產(chǎn)，并由此決定生命形成和運行的方式。

每個人都有23對染色體——23對，共46條。在這23對染色體中，有1對是性染色體：X和Y。這對染色體決定了我們的性別：XX是女性，XY是男性。早發(fā)性阿爾茨海默病不只在一種性別中出現(xiàn)，說明這種“被詛咒”的遺傳并不是由性染色體傳播的。

其余22對染色體稱為“常染色體”，在男性和女性體內(nèi)是一樣的。它們的編號從1到22。其中1號染色體是最大的一條，有著最長的DNA鏈。其余的編號越大體積越小。

孩子從母親那里繼承半數(shù)染色體，另外半數(shù)來自父親。以1號染色體對為例，其中一條來自母親，另一條來自父親。如果一條染色體的缺陷就足以導(dǎo)致疾病，我們就說這種疾病是“常染色體顯性”的；還有的疾病需要兩條染色體都有缺陷才會發(fā)生，我們說這種疾病是“常染色體隱性”的。

根據(jù)其穩(wěn)定的遺傳模式判斷，早發(fā)性阿爾茨海默病是常染色體顯性的。對于出生在帶病家庭的孩子來說，這是一個殘酷的事實，因為他們得病的概率是穩(wěn)定的50%。假設(shè)這種疾病存在于21號染色體對上，且一位母親擁有一條有缺陷的21號染色體和一條健康的21號染色體，因為孩子必定會從母親那里繼承一條21號染色體，所以他有50%的可能會繼承有缺陷的那條，從而遺傳該病。如果有病的是他父親，這個概率也是一樣的。

多生孩子也不能改變這個概率。每孕育一個孩子，都是以同樣50%的概率拋出了一枚硬幣。每次的賭局都從頭開始，多賭幾輪并不能增加運氣。而且早發(fā)性阿爾茨海默病的遺傳是完全外顯（fully penetrant）的，也就是說，只要一個孩子繼承了缺陷，他就必然會發(fā)病。他的命運在出生的那一刻就注定了。由于這些原因，在一個人丁興旺的家族中，只要有一個病人就能對子孫后代造成深遠的漣漪效應(yīng)。如果這些子孫還在一個聯(lián)系緊密的社區(qū)內(nèi)通婚，就像伏爾加德意志人那樣，他們就會繁衍出龐大的疾病部落。

DNA可以寫成一個由A、T、C、G四個字母組成的字符串，四個字母各表示一種堿基——腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）和鳥嘌呤（G），它們隨機排列，形成一條DNA鏈。人類DNA的長度是30億個堿基，任何兩個人的堿基序列都不會完全相同，因此研究者先要排除許多無關(guān)的差異，然后才能指出真正的缺陷。要讓這項任務(wù)具備可行性，他們必須挑選一名可能的“嫌犯”入手，不能光憑運氣從染色體1號一直找到22號。

在人類的22對常染色體中，21號染色體嫌疑最大。這條染色體本來就與唐氏綜合癥有牽連，這是另一種遺傳障礙，以智力殘障、發(fā)育遲緩為特征，在美國每700名嬰兒中就有1個病人。唐氏綜合癥的病因是出生時多出了一條21號染色體：常人只有兩條，病人有三條。說它和阿爾茨海默病有關(guān)，是因為唐氏綜合癥患兒到中年時，幾乎總會出現(xiàn)類似阿爾茨海默病的腦部病變（也就是斑塊和原纖維）。他們中的許多人最終也會出現(xiàn)明顯的類阿爾茨海默病癥狀，包括身體機能和性格的改變?？梢?，21號染色體上的某些缺陷也可能是造成阿爾茨海默病的元兇。20世紀(jì)80年代，這個假說吸引了全世界研究者的興趣，他們仔細研究了這條小小的染色體，在其中尋找遺傳的模式。

要明白他們找的是什么，我們先要了解一點關(guān)于性的知識。在有性生殖中，我們的身體會天然地追求最大程度的遺傳多樣性。染色體在由父母傳給子女之前，會先經(jīng)過一番混合與重組。母親體內(nèi)那些成對的染色體（比如1號染色體對的兩條）是從她自己的父母那里分別繼承來的，它們會相互交叉并交換DNA片段。這樣混合之后，母親再將一條染色體遺傳給子女，因此子女實際上繼承了外祖父和外祖母雙方的染色體。父親那邊也是一樣的情況。

不妨把這種基因重組想象成洗牌。我們洗牌、切牌之后，原先非常接近的牌更容易在同一疊上。DNA也是如此。原本在一條染色體上相互接近的DNA片段，在重組時也較容易待在一起，并一同遺傳給子女。利用這個機制，研究者就能將已知的DNA作為標(biāo)記，用它們在一條染色體上尋找未知的缺陷DNA了。如果患病者總會繼承某個標(biāo)記，那就說明缺陷DNA很可能就在附近。這種方法稱為“連鎖分析”（linkage analysis）。

雖然聽上去合理，但其實連鎖分析如同買彩票，是一種漫無方向的搜索，能找到什么全憑運氣，它不是有目的地去尋找特定的對象。雖然21號染色體體積較小，卻仍包含了4800萬個堿基，并含有眾多已知的標(biāo)記。如果你不知道自己要找什么，就會耗費許多時間。幸運的是，就在許多研究者因為21號染色束手無策之時，其他人卻在另外的方向上悄悄取得了進展。

當(dāng)愛羅斯·阿爾茨海默初次在奧古斯特·德特爾的腦中看到斑塊時，他也不知道自己在尋找什么，他將這些斑塊稱為“特殊物質(zhì)的堆積”。20年后，比利時精神病學(xué)家保羅·迪夫里（Paul Divry）弄清了這些物質(zhì)是什么：那是一種名叫“淀粉樣蛋白”（amyloid）的蛋白。說老實話，這東西其實并不特殊。早在19世紀(jì)30年代，在植物中就發(fā)現(xiàn)了淀粉樣蛋白，到19世紀(jì)50年代，人類的神經(jīng)系統(tǒng)中也發(fā)現(xiàn)了它們。這個名稱來自拉丁文的“amylum”，意為“淀粉”，因為淀粉樣蛋白有著和淀粉一樣的蒼白如凝膠的外表。它還會在接觸特定染料時被染成彩色，迪夫里就是靠這個特點來鑒別它的。

淀粉樣蛋白雖然外表像淀粉一樣無害，卻很會搗亂。它能在心臟、腎臟、肝臟和脾臟等各個器官中堆積并造成破壞。在心臟中，淀粉樣蛋白會僵化心肌，降低它的搏動能力，這可能會造成致命后果。由于它的這個陰暗本性，當(dāng)?shù)戏蚶镌诎柎暮Ｄ∪四X中找到淀粉樣蛋白時，他恍然大悟：想來這個搗亂分子也破壞了正常的腦組織，而這可能就是引起阿爾茨海默病的原因。

當(dāng)然，除了淀粉樣蛋白的壞名聲之外，我們還需要其他證據(jù)來給它定罪，因為確切地說，“淀粉樣蛋白”只是一個籠統(tǒng)的名詞，用來稱呼一類有褶皺的蛋白結(jié)構(gòu)，并不是單指某種蛋白。許多蛋白都能形成淀粉樣結(jié)構(gòu)，而要更接近阿爾茨海默病斑塊的本質(zhì)，我們就需要確定這些蛋白的具體身份——這項任務(wù)又耗費了半個世紀(jì)的時光。淀粉樣蛋白是相當(dāng)頑固的，它不會輕易溶解，也很難提純，要研究它并不容易。一直到1984年，加州大學(xué)圣迭戈分校的兩位研究者才終于揭開了它的面紗。

這兩位研究者是喬治·格列納（George Glenner）和凱恩·王（Caine Wong），他們之所以能成功，和他們的攻堅計劃大有關(guān)系。他們沒有將目光放在阿爾茨海默病人腦神經(jīng)元周圍的斑塊上，而是瞄準(zhǔn)了腦血管里的斑塊，這些斑塊更易溶解，也更好分析。他們從這些斑塊中分離出了兩種蛋白，第一種取名為α，第二種取名為β。他們發(fā)現(xiàn)α是一種無關(guān)物質(zhì)，于是在阿爾茨海默病人腦中堆積的那種惡名昭彰的物質(zhì)，就被稱作“β-淀粉樣蛋白”。

應(yīng)該指出，β-淀粉樣蛋白并非外來入侵者。它會在腦中自然地產(chǎn)生，并發(fā)揮一些我們目前尚不理解的功能。正常情況下，它會被酶降解，或被送出腦進入血液循環(huán)。但要是得了阿爾茨海默病，它就會以某種方式留在腦中并結(jié)成斑塊。

在分離出β-淀粉樣蛋白之后，格列納和王又邁進一步，開始確定構(gòu)成它的氨基酸。氨基酸就像一粒粒細小的珠子，可以串在一起形成一根鏈條。如果氨基酸鏈變長（一般超過50粒珠子）并能保持穩(wěn)定，就會形成一個蛋白。我們的身體使用 20種常見的氨基酸，將它們以不同的方式串聯(lián)，從而形成身體所需的多種蛋白。

確定β-淀粉樣蛋白的氨基酸構(gòu)成很重要，因為氨基酸是由特定的DNA堿基生成或者說編碼的。一旦確定氨基酸的種類，我們就能推出給β-淀粉樣蛋白編碼的DNA序列了。這段具有功能的DNA，就是人們通常所說的“基因”。找到這個基因，我們就可以進一步檢測它是否在阿爾茨海默病人的腦中發(fā)生了突變。如果確實如此，那這個突變或許就是β-淀粉樣蛋白在病人腦中堆積的原因，也就是他們患病的根源了！

然而，格列納和王的發(fā)現(xiàn)卻有些令人失望：原來β—淀粉樣蛋白只是很短的一根鏈條，僅含有24個氨基酸，這個長度還不足以稱為一個蛋白。因此，給它編碼的DNA也不是一個“真正”的功能基因。不過這個發(fā)現(xiàn)也讓研究者明白，β-淀粉樣蛋白可能只是一個蛋白片段，是從某個更長的前體蛋白上切割下來的。

另外幾支研究團隊以格列納和王的發(fā)現(xiàn)為線索，很快找到了那個完整的前體蛋白，它的長度約為700個氨基酸，這長度肯定是真蛋白了。而編碼它的基因，即淀粉樣前體蛋白（APP）基因，約有2100個用來編碼的DNA堿基，正位于21號染色體上。前面已經(jīng)說過，這條小小的染色體是阿爾茨海默病的最大嫌犯，因為唐氏綜合癥已經(jīng)牽連了它。案情開始浮出水面了！接下來只需要對阿爾茨海默病人做個檢測，看看他們的APP基因發(fā)生了怎樣的突變，然后就可以找到他們受苦的原因了。

但是正當(dāng)勝利就在眼前的時候，事情卻慢慢停了下來。幾年中，研究者檢測了他們能夠檢測的所有病人，但是一個接著一個，病人的APP基因都顯示正常。難道大費周章之后，這個基因竟不是元兇？！

幸好科學(xué)家是一群執(zhí)著的人。他們?nèi)詧猿盅芯?，終于迎來了突破。1991年2月，倫敦圣瑪麗醫(yī)院醫(yī)學(xué)院的約翰·哈迪（John Hardy）和他的團隊在兩個早發(fā)性阿爾茨海默病家族中發(fā)現(xiàn)了一個APP突變。這是一個微小的突變，在APP基因的2000多個堿基中，只有一個從C變成了T。一旦這個突變被發(fā)現(xiàn)，研究者一下就知道該去哪里尋找了，他們跟著又在其他患者家族中發(fā)現(xiàn)了另外幾個突變，有的就位于這個堿基上，還有的位于鄰近的堿基。

但這個發(fā)現(xiàn)并沒有引來人們的競相慶祝。其他的研究者大多仍覺得灰心而困惑。他們查看各自的患者樣本，還是沒有找到任何突變。他們的心情變得沉重而多疑，他們在學(xué)術(shù)會議上互致同情，不知道自己究竟做錯了什么。

終于，他們想明白了：既然這么多實驗室都找不到APP基因的突變，既然這么多早發(fā)性患者腦中似乎都沒有APP突變，那就說明APP或許不是致病的唯一基因。或許，還有另一個基因正等待著被發(fā)現(xiàn)，等待著另一個人來創(chuàng)造歷史。這樣的想法讓之前的絕望和多疑變回了狂熱，各支團隊匆忙開展了更多連鎖分析。這一次，21號染色體已不再是唯一的嫌犯了。這條短小的染色體已經(jīng)被研究者像用細齒梳一樣梳理了好幾遍，可供發(fā)掘之處不多了。至于剩下的20條常染色體中要去哪里尋找，只能靠猜測。這是一片浩瀚的水域，但大家認為，只要繼續(xù)垂釣，總有幸運兒會釣上大魚的。

真的有人撞了大運。1992年10月，經(jīng)過幾年“垂釣”之后，華盛頓大學(xué)的杰拉德·舍倫貝格（Gerald Schellenberg）在14號染色體上發(fā)現(xiàn)了一個可疑的標(biāo)記區(qū)域。舍倫貝格還沒有找到具體是哪個基因，但他已經(jīng)將九個早發(fā)性阿爾茨海默病家族關(guān)聯(lián)到了這個區(qū)域上。相比APP突變只在少量家族中出現(xiàn)，舍倫貝格的發(fā)現(xiàn)預(yù)示著更大更好的結(jié)果。

在這之后僅過了一個月，就有另外三支團隊公布了發(fā)現(xiàn)，他們都將早發(fā)性阿爾茨海默病關(guān)聯(lián)到了14號染色體的這個區(qū)域上。三篇論文竟刊登在同一期的《自然·遺傳學(xué)》（Nature Genetics）上，一篇緊挨著一篇。同樣的發(fā)現(xiàn)能夠重復(fù)，這顯然是一個好兆頭，說明這個發(fā)現(xiàn)是可靠的。但這也真夠怪的：三支隊伍分別出海，居然在同一時間捕到了同一條魚。

暗地里流言四起，有說泄密的，有說盜用的，甚至有蓄意搗亂的說法。卷入這起事件核心的有多倫多大學(xué)的彼得·圣喬治-希斯洛普（Peter St George-Hyslop），是其中一支團隊的負責(zé)人。

這場難分高下的競賽只涉及14號染色體上的可疑區(qū)域，而位于這個區(qū)域上的具體基因和確切變異還沒有找到。要想扳回一城，最好的辦法就是找到它們，而不是一味指控和自哀。兩年半后，圣喬治-希斯洛普做到了這一點。這一次，他的文章登上了《自然》主刊，并宣布了致病基因和它的突變——突變不止一個，而是有五個之多。這個基因被稱作“PSEN1”，是“早老性癡呆”（presenile dementia）的縮寫。

和研究APP突變時一樣，研究者一旦知道了目標(biāo)，就很快發(fā)現(xiàn)了其他PSEN1突變。到今天，他們發(fā)現(xiàn)的突變已超過150個。與APP突變相比，PSEN1突變要普遍得多。它們造成了70%的早發(fā)性阿爾茨海默病，而APP突變只造成了10%到15%。PSEN1突變還特別惡毒，它們會加快疾病進程，使患者在四五十歲就開始發(fā)病，有的甚至在30多歲。

就其本身而言，PSEN1基因的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)是一個勝利，但更令人鼓舞的是隨之而來的認識：這個基因和我們對β-淀粉樣蛋白的已有知識密切相關(guān)。回想一下之前說的：β-淀粉樣蛋白只是一個片段，是從更長的淀粉樣前體蛋白上切割下來的。這個切割并非自行發(fā)生，它需要酶來將前體蛋白剪短。在這里PSEN1基因就出場了：它參與編碼了一種切割酶，名為“γ-分泌酶”（gamma—secretase）。當(dāng)PSEN1基因發(fā)生突變時，γ-分泌酶也會跟著出錯。它會對前體蛋白進行不正確的切割，制造出有害或冗余的β-淀粉樣蛋白片段，這些片段又堆積成了阿爾茨海默病的斑塊。

至此，線索都拼起來了，幾近完美。

只是還缺了一塊：檢測發(fā)現(xiàn)，賴斯維希一家和他們的伏爾加德意志人同胞，并沒有APP突變和PSEN1突變。

顯然，還有一個基因未被捕獲。很快，這個已知引起早發(fā)性阿爾茨海默病的最后一個基因也找到了，時間距PSEN1的發(fā)現(xiàn)還不到兩個月。找到它的是我們的一個熟人：杰拉德·舍倫貝格，他之前曾在14號染色體上發(fā)現(xiàn)了可疑區(qū)域，但沒有在這片區(qū)域上找到PSEN1基因。這一次，舍倫貝格將研究推進到底，他不僅將伏爾加德意志人關(guān)聯(lián)到另一條染色體，即1號染色體上，還進一步鎖定了罪魁禍?zhǔn)椎幕颉?/p>

祝賀并感謝每一位將早發(fā)性阿爾茨海默病基因釣出水面的研究者！他們?nèi)〉昧爽F(xiàn)代科學(xué)史上的杰出成就，這和他們的奉獻與刻苦是分不開的。但是，當(dāng)他們的工作創(chuàng)造了夸口的機會、登上了媒體頭條，并成為了申請研究經(jīng)費的跳板，他們的那些研究對象的成就卻很少有人慶祝。我們只把那些對象看作病人、受害者和樣本。我們沒能認識到（至少是認識得不足）他們對于現(xiàn)代科學(xué)不可缺少的英勇努力。他們獻出了自己的性命和身軀，只為了將來能出現(xiàn)他們無法享受的進步，要是沒有這份勇氣和志愿，我們絕不會取得今天的成功。

《偷走心智的賊：阿爾茨海默病的故事》，于涵著，高天羽譯，廣西師范大學(xué)出版社2022年7月。