當沃格斯坦在巴爾的摩的實驗室中忙碌時,往北 270 公里的紐約,普利斯恰巧有了 p53 活動上的重大發現。一位名為喬.巴格那堤(Jo Bargonetti)的年輕博士後研究員,在實驗中有了新發現。巴格那堤那時剛加入普利斯的實驗室,她對 p53 究竟是如何避免大 T 抗原開啟猿猴病毒感染細胞中的 DNA 複製機制,表現出想要深入了解的興趣。「我們跟她嚴正聲明:別做那個,那很無趣,我們已經知道結果,去做其他的研究,」普利斯笑著說。但巴格那堤卻堅持說,她要做個「足跡」(footprint)實驗。
足跡實驗示意圖。圖/By Cwhanna (talk) – Own work, Public Domain, wikimedia commons.
「足跡實驗是一種非常講究的實驗,一般不常做。」普利斯解釋道。這種實驗必須在監控下在試管中混合純化蛋白與 DNA,並在其中加入酶。酶的作用就如同化學剪刀,將 DNA 剪成小段。不過,如果蛋白與 DNA 結合,「剪刀」就無法剪斷此點的條狀遺傳物質。混合物最後會在凝膠中進行電泳,將 DNA 的片段排入「階梯」之中。若是蛋白與 DNA 沒有結合,階梯就跟原來一樣,若是蛋白與 DNA 結合了,階梯裡就會有空隙。「如果你知道要怎麼讀取序列,觀察凝膠就可以知道蛋白確切嵌在 DNA 的哪個位置上。」普利斯說。
這裡必須解釋一下,才能了解巴格那堤發現的東西具有何種重要性。一般而言,與 DNA 結合的蛋白(蛋白將自己附著在基因雙股螺旋的某個點上)的功能就是控制該區域的基因表現,適時開啟及關閉基因。具有此種功能的蛋白稱為「轉錄因子」(transcription factors),事實上也就是細胞內活動的總指揮。當時已經知道大 T 抗原是種轉錄因子,因為它會在感染 SV40 病毒的細胞內啟動 DNA 複製機制。巴格那堤混合大 T 抗原及 p53 蛋白進行足跡實驗,就是想實際從中了解 p53 如何阻礙大 T 抗原與 DNA 結合,讓它們無法開啟機制。「我們跟她說:『好吧!如果妳堅持的話,那就去做吧!』」普利斯說,她什麼也沒多想,留下這位年輕科學家跟她自己的器材就離開了。
p53在 DNA 階梯出現清楚且意料之外的足跡,這即是抑癌基因如何運作的第一個線索,因為它也是個轉錄因子。我們現在知道它是個非常強大的轉錄因子,坐鎮在我們身體內每個細胞中、掌管生死訊號的網絡中心。
沃格斯坦也透過另外一個途徑發現到 p53 是個轉錄因子。他的實驗室觀察到 p53 蛋白是在細胞核中活動,而非在細胞質中——細胞核是細胞儲存 DNA 的發電廠。轉錄只發生在細胞核中,而許多在此活動的蛋白都與基因表現的控制有直接或間接的關係。因此,沃格斯坦團隊開始進行實驗,以了解 p53 是否會與 DNA 結合(這是轉錄因子的特性),也發現確實是這樣。
在 p53 研究中的重要一角——約翰霍金斯癌症中心癌症學家貝爾特.沃格斯坦(Bert Vogelstein)。圖/By Raymond MacDougall – National Institutes of Health, Public Domain, wikimedia commons.
「這件事另外有個同樣重要的部分,」沃格斯坦解釋,「我們不只看到它結合的 DNA 序列,也發現它除了結合到這些序列外,還活化了『下游』基因——也比較所有情況下的野生型(也就是正常基因,可發揮天生的功用)與突變型(行為異常的基因) p53。」讓我們覺得滿意且認定自己是朝正確方向邁進的是,我們觀察到每個突變型 p53 都缺乏與 DNA 結合的能力。我們已經能夠複製它們了,記得吧?這讓我們可以明確測試突變是否會干擾這項功能——結果無一例外,每個突變型 p53 都無法與 DNA 結合。這讓我們相信結果是正確的—我認為世界上其他人也會這麼認為。」
巴格那堤也使用沃格斯坦的突變型 p53 蛋白,做為自己野生型 p53 實驗的對照組來進行足跡實驗。「巴格那堤說:『你知道嗎?只有野生型有這樣的模式,突變型並沒有,』」普利斯接著說,並將手放在胸口表現出對此發現興奮到無法呼吸的模樣。「我簡直是,啊啊啊……像死了上天堂那樣!我的意思是,這真是完美啊!……巴格那堤的足跡實驗並不完美,結果不是非常明顯,但它的確明白顯示野生型辨識 DNA 的模式,而突變型則無法辨識。這是絕對清楚明白的。」普利斯停下來思索一會,然後說:「你知道嗎?我從事科學這麼多年,從不認為自己有做出什麼,直到出現些有意義的東西為止。」
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普利斯實驗室也經由檢測放置在實驗室培養皿中的細胞,來驗證足跡實驗的發現。他們發現野生型 p53 確實如同轉錄因子般作用,而突變型不會。同時,沃格斯坦實驗室也顯示他們在生物體內也有同樣的發現。這兩間實驗室在那時經常交流,並於 1991 年以共同作者的身分,在深具影響力的期刊《科學與致癌基因》(Science and Oncogene)中發表論文。
1990 年,融合蛋白 CD4 免疫黏附素(CD4 immunoadhesin)誕生。這項設計,是為了對付令人類聞風喪膽的 HIV 病毒。
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我們知道 T 細胞是人體中一種非常重要的白血球。在這些 T 細胞中,大約有六到七成表面帶有一個叫做「CD4」的輔助受體。CD4 會和另一個受體 TCR 一起合作,幫助 T 細胞辨識其他細胞表面的抗原片段,等於是 T 細胞用來辨認壞人的「探測器」。表面擁有 CD4 受體的淋巴球,就稱為 CD4 淋巴球。
麻煩的來了。 HIV 病毒反將一軍,竟然把 T 細胞的 CD4 探測器,當成了自己辨識獵物的「標記」。沒錯,對 HIV 病毒來說,免疫細胞就是它的獵物。HIV 的表面有一種叫做 gp120 的蛋白,會主動去抓住 T 細胞上的 CD4 受體。
而另一端的 Fc 區域則有兩個重要作用:一是延長融合蛋白在體內的存活時間;二是理論上能掛上「這裡有敵人!」的標籤,這種機制稱為抗體依賴性細胞毒殺(ADCC)或免疫吞噬作用(ADCP)。當免疫細胞的 Fc 受體與 Fc 區域結合,就能促使免疫細胞清除被黏住的病毒顆粒。
不過,這裡有個關鍵細節。
在實際設計中,CD4免疫黏附素的 Fc 片段通常會關閉「吸引免疫細胞」的這個技能。原因是:HIV 專門攻擊的就是免疫細胞本身,許多病毒甚至已經藏在 CD4 細胞裡。若 Fc 區域過於活躍,反而可能引發強烈的發炎反應,甚至讓免疫系統錯把帶有病毒碎片的健康細胞也一併攻擊,這樣副作用太大。因此,CD4 免疫黏附素的 Fc 區域會加入特定突變,讓它只保留延長藥物壽命的功能,而不會與淋巴球的 Fc 受體結合,以避免誘發免疫反應。
從 DNA 藍圖到生物積木:融合蛋白的設計巧思
融合蛋白雖然潛力強大,但要製造出來可一點都不簡單。它並不是用膠水把兩段蛋白質黏在一起就好。「融合」這件事,得從最根本的設計圖,也就是 DNA 序列就開始規劃。
我們體內的大部分蛋白質,都是細胞照著 DNA 上的指令一步步合成的。所以,如果科學家想把蛋白 A 和蛋白 B 接在一起,就得先把這兩段基因找出來,然後再「拼」成一段新的 DNA。