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解構隆蛋白酶——台灣本土溫泉菌立大功

文/張瓊方    

電腦繪製的C型隆蛋白酶晶體結構模型。(圖/張崇毅提供)
從新北市烏來溫泉分離出的本土中度嗜熱性溫泉菌(Meiothermus taiwanensis),最近躍上國際知名的結晶學期刊封面,原因是其中的新型隆蛋白酶,被中研院生物化學研究所副研究員張崇毅、研究員吳世雄團隊成功解構,一舉突破生化界三十多年來的困境,為新藥研發開啟新契機。
美國知名《晶體學刊D卷:生物結晶學》8月號封面刊出台灣烏來溫泉菌C型隆蛋白酶構造圖,這個美麗的六角形、中空構造圖得來不易;是中研院生化所研究團隊埋首顯微鏡下多年辛苦的「結晶」,不但解開了隆蛋白酶的神秘面紗,也打開了後續研發的大門。

隆蛋白酶是什麼?何以如此吸引科學家?

隆(Lon)是很長的意思,隆蛋白酶是一種特殊的大型蛋白質複合體。三十多年前科學家發現某一基因失效後細菌細胞會變長,隆蛋白酶首先在大腸桿菌中被找到,後來發現它存在於所有細菌和高等生物的細胞中,如人類粒線體。

隆蛋白酶具有將細胞內受損壞且不具特定構型的蛋白質送到它中空室內分解成碎片;以及需要細胞能量(ATP)才能作用的生物特性。張崇毅指出,特別是抗癌標靶藥物多以抑制受器(蛋白質)為主,因此找到隆蛋白酶結合刺激物的位置非常重要。

細胞中的清道夫

隆蛋白酶能使細胞得以在受壓的環境下維持正常功能,像烏來溫泉菌就能在攝氏五、六十度的高溫下存活,許多致病性細胞或癌細胞在人體存活時也都需要它;原因是隆蛋白酶在其中扮演非常重要的清除垃圾功能。


埋首烏來溫泉菌蛋白質研究的吳世雄(左),與學生正進行蛋白質純化步驟。(攝影/金宏澔)
吳世雄指出,隆蛋白酶在生物體中扮演修復與分解的角色。「可修復的就修復,無法修復的即分解,」吳世雄說,分解垃圾是很重要的功能,阿茲海默症就是太多沒有用的蛋白質堆疊腦部所導致的結果。
一般而言,瞭解蛋白質構造最常使用的方法即是X射線繞射,但先決條件是必須先產生蛋白質結晶。張崇毅解釋,晶體是規則的三度空間排列,最少要產生0.05公釐的結晶,才能經由X射線繞射現形。

不識廬山真面目

問題是,並非所有蛋白質都能被誘導成為固態結晶狀態。30年來,以大腸桿菌中隆蛋白酶為模型的研究,就因為始終無法成功結晶,而停滯不前。即便1990年代在人類粒線體中發現隆蛋白酶,也依然卡在無法成功結晶的問題上。

中研院研究團隊以台灣烏來溫泉分離出的中度嗜熱菌 Meiothermus taiwanensis 為模型,其中的新型「C型隆蛋白酶」穩定性比過去從大腸桿菌裡的A型隆蛋白酶高。研究團隊幸運地完成結晶,解出構造,首次讓隆蛋白酶的廬山真面目現形。

「這是科學研究中最不科學的弔詭,」張崇毅指出,蛋白質結晶就像藝術品一樣,它在自然界中是不存在的,是人做出來的;「做不做得出來也是宿命,成功、失敗都要靠老天爺安排。」


(攝影/金宏澔)
該團隊以「蛋白結晶─X射線繞射」技術,解構出來的C型隆蛋白酶構造,有一些先前意想不到的構型特徵─由一個甕型的中空內室及外部6個像觸角的受質辨識區組成,這6個活化區域像剪刀一樣,會把進入的蛋白質切碎。
美人湯裡乾坤大

話說這株揚名國際的烏來溫泉菌,是2002年台大植物系退休教授蔡珊珊實驗室從烏來溫泉裡分離出的台灣特有新型中度嗜熱菌,她以台灣為種名,將此菌命名為 Meiothermus taiwanensis。

蔡珊珊的學生、中研院生物化學所研究員吳世雄投入後續研究,將這個絲狀形台灣特有細菌的基因定序解碼,因而發現C型隆蛋白酶的存在。

60歲的吳世雄從台大植物系、生化科學研究所畢業後,到美國威斯康辛大學攻讀藥學博士。返國後耗費十餘年的心力,研究烏來中度嗜熱菌的蛋白質外套上的脂質構成,他指出,台灣中度嗜熱菌共有300萬個鹼基(人有30億個鹼基),三千多種酵素,隆蛋白酶只是其中之一而已。但因其與先前發現的隆蛋白酶不同,它不需要能量就能讓不具特定構型的蛋白質進入它的蛋白質分解室。中研院研究團隊將此發現的新型隆蛋白酶命名為C型,去年在國際期刊《公共科學圖書館》(PLOS ONE)發表。


電腦運算出來的電子密度圖,圖中黃色的線條即是隆蛋白酶結構。(圖/張崇毅提供)
醉心於溫泉菌蛋白質研究的吳世雄指出,溫泉菌裡的蛋白質具有較高的熱穩定性,其酵素中的耐熱、耐酸特性深具產業應用價值。例如,其中有一種酵素吸收、分解蛋白的能力很強,若加入雞和豬飼料中,可加強雞與豬的消化吸收能力,對產值很有幫助;還有一種角蛋白,可以分解羽毛,現在已有國外廠商前來接洽技轉合作。
「微生物的力量無限,」吳世雄說,只要運用得宜,可以叫細菌幫人做工,解構隆蛋白酶只是開始而已,有了3D結構圖,很多現象就能解釋了。

抗癌藥物新契機

在癌症研究當道的今日,隆蛋白酶的生物特性,理所當然被視為抗癌藥物的新標靶。

張崇毅表示,部分標靶藥物目前仍無法完全對準癌細胞,於是研究人員思考也許能從後端下手,抑制癌細胞的垃圾處理機制,或許是一條可行之路。

理論上,只要藥物可與隆蛋白酶內室6個活化區鍵結,抑制隆蛋白酶活性,使中空室裡的「焚化爐」停擺,失去清除回收功能,癌細胞就無法增生。

事實上,許多藥物作用都在抑制蛋白質,特別是抗癌的標靶藥物。目前研究顯示,隆蛋白酶對部分癌細胞的生存很重要,例如淋巴癌;某些致病細菌在宿主身上存活也需要隆蛋白酶,例如傷寒菌。依此特性,可以設計相對應的小分子藥物,破壞隆蛋白酶的水解區,使其失效。


蛋白質晶體在偏極光折射下呈現出美麗的圖案。(圖/張崇毅提供)
目前醫學界已經使用中的部分藥物,儘管具有療效,但其實我們並不瞭解它產生作用的原因。解構C型隆蛋白酶之後,不但可以確認其與小分子藥物的結合模式,也提供了藥物設計與改良方向,有助於開發出更專一、更有效的藥物。
張崇毅以臨床使用中的抗癌(骨髓瘤)標靶藥物「萬科」(Velcade)為例指出,萬科原為蛋白質解體抑制劑,現在發現它也可以抑制粒線體中的隆蛋白酶。因此開始展開兩個研究新方向,一是改良萬科,移除它對粒線體中隆蛋白酶的抑制作用,使其更具專一性,減輕目前嚴重的副作用;其二是以此為基礎,設計針對隆蛋白酶的抑制劑。

2009年由美國藥廠返台加入中研院的張崇毅興奮地表示,科學好玩的地方就在於一個研究後續會引出更多研究。例如,烏來溫泉菌裡的C型隆蛋白酶與人類粒線體、酵母菌裡的A型隆蛋白酶不同,兩者最大的差異在於,A型需要動能,C型不需要。

何以如此?

張崇毅指出,猜測可能A型洞口很小,需要能量將蛋白質吸入;C型洞口較大,剛好可以讓壞掉的蛋白質進入。但他強調:「真正的機轉有待未來研究證實。」

烏來美人湯除了人們嚮往的活血、美容功效外,細菌中更有許多看不到的秘密等待科學家一一解開,而台灣科學家已經踏出第一步。


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