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小小的 miRNA 如何調控基因表現?

研之有物│中央研究院_96
・2018/08/21 ・5100字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 574 ・九年級
  • 採訪編輯|林任遠 美術編輯|張語辰

miRNA 研究為何重要——影響癌症的小小螺絲釘

miRNA 可調控許多生物的基因表現,並影響人類癌症的發生機制,是現代醫療的關鍵分子。詹世鵬副教授以 miRNA 為主要研究領域,現職於臺大醫學院微生物學科暨研究所,曾在中研院鄭淑珍院士門下求學,並將研究成果發表於《Science》,迄今持續拓展 miRNA 的基礎知識。而他的研究生涯起點,是高中時來到中研院參與的輔導實驗計畫。

調控基因表現的 miRNA

人類體內有上千個 miRNA 已完成定序,它們可調控 60% 的人類基因表現。而詹世鵬實驗室的主要研究領域是微核糖核酸的基因調控機制 (microRNA-mediated gene regulation) 以及小干擾核醣核酸 (small interfering RNA) 生成與作用機制的基礎研究。

詹世鵬在碩、博士班時期,於中研院鄭淑珍院士門下研究訊息核醣核酸剪接 (pre-mRNA splicing) 反應中的重要蛋白複合體 PRP19-complex,成果於 2003 年發表於《Science》,至今學界的最新研究仍引用為理論基礎。他隨後加入耶魯大學 Frank Slack 博士的團隊進行博士後研究。Slack 是發現 let-7 miRNA 的重要研究團隊成員,他的研究也證實 let-7 可調控致癌基因 RAS,並發現 let-7 的表現與肺癌有高度相關性。

到了博士後時期的研究主題,詹世鵬則探討微核醣核酸 (miRNA) 調控線蟲基因表現的機制。miRNA 的功能是近十多年來的重要生命科學發現,它們經由核醣核酸序列的互補性,辨認並結合標的訊息核醣核酸 (mRNA),抑制其訊息的轉譯功能、並促使其降解。

miRNA 彷彿在幫 mRNA 踩剎車,暫停後續轉譯蛋白質,藉此調控基因表現。圖說設計/張語辰

RNA(核糖核酸)在生物體內不僅是基因傳訊者,更以其他形式調節著基因表現,扮演個體發育、細胞凋亡、細胞分化等機制的關鍵角色。

提到 RNA,多數人會直覺想到分子生物學的中心原則,在基因表現過程中,mRNA (信使核糖核酸)擔綱訊息傳遞功能,也可說是夾在 DNA 和蛋白質之間的傳訊者。當 DNA 序列轉錄 (transcription) 成 mRNA 之後,mRNA 會再擔任模板、轉譯 (translation) 出蛋白質,進而展現生物化學層面的功能,而 tRNA、rRNA 則輔助此機制運作。

此外,miRNA (微核糖核酸) 與 siRNA (小干擾核糖核酸)廣泛存在於細菌、植物、動物體中,它們的功能不同於 mRNA ,自身沒有最終的蛋白質產物,卻能決定其他基因的表現。

研究證實 miRNA 的功能與人類癌症、個體發育關係緊密。但是,miRNA 調節基因表現的方式,仍是一面空白遍布的複雜拼圖。

藉由「線蟲」了解 miRNA

miRNA 是線蟲各發育階段的主要調控分子,巧妙貫串整個生命史;同時也因為 miRNA 的基因保守性,在其他生物與人類體內有許多基因是以相同機制調控,因此科學家會研究線蟲來了解 miRNA 的奧秘。

史上第一個被發現的微核醣核酸是線蟲的 lin-4 miRNA ,來自線蟲發育早期被活化的 lin-4 基因,轉錄出的 RNA 僅有 22 個核苷酸;lin-4 miRNA 本身無法轉譯產生蛋白質,卻能影響另一基因 lin-14 的表現。lin-4 不抑制 lin-14 基因的轉錄功能,卻能壓抑下一步的轉譯階段,使 lin-14 的蛋白產物大幅減少。此機制在 1993 年開始揭露,當時被視為線蟲特有的發育調節機制,並未引起廣大注意。

直到 2000 年,Gary Ruvkun 的研究團隊發現 lin-14 可以調控下游基因 let-7 的表現,而線蟲晚期發育時被活化的 let-7 產生的 miRNA 可以抑制下游基因 lin-41 以及成蟲發育基因 lin-29。以 miRNA 貫穿線蟲生命史的基因調控機制開始得到矚目。

miRNAs lin-4 和 let-7 調控標靶基因的時間關係,貫穿線蟲的年幼時期到成蟲。資料來源│Vella, M.C., & Slack, F.J. (2005). C. elegans microRNAs. WormBook : the online review of C. elegans biology, 1-9.

另外,於 2000 年,Pasquinelli 的研究團隊也指出 let-7 RNA 具有物種間的基因保守性 (Gene conservation),由於人類體內也含有 miRNA,miRNA 開始在發育學研究激起波瀾。

數年內,let-7 基因被發現與人類癌症關係緊密,例如,與肺癌病人術後存活率有直接關係、可以直接調控人類癌症基因 RAS。此後,許多研究團隊開始投入 miRNA 研究:包含尋找新種 miRNA,預測與鑑定其調控目標基因;研究 miRNA 在癌症中的角色,並測試相關療法。miRNA 成為分子生物學與基礎醫學領域的要角。

各種 miRNA 結合的輔助蛋白分子各異, 調控基因表現的機制也充滿複雜可能性。

miRNA 如何抑制基因表現仍存有爭論,某些研究支持 miRNA 抑制轉譯作用的起始 (initiation);同時也有學者發現,miRNA 抑制的是正在轉譯的核糖體 (post-initiation repression)。

miRNA 的作用途徑

【miRNA 和 siRNA 的生成與作用】 資料來源/詹世鵬,2010。〈小兵立大功─ 微小核醣核酸與小干擾核醣核酸〉,《化學》,68 (4),303 – 312。 圖說重製/林任遠、張語辰

【miRNA 和 siRNA 的生成與作用】
一般路徑 (圖片由上至下):
1. DNA 與 RNA 聚合酶轉錄出上百至上千核苷酸長的 Pri-miRNA,透過 Drosha 切割為 60~70 核苷酸長的 pre-miRNA。
2. pre-miRNA 經過輸送蛋白 Exportin-5 進入細胞質,由 Dicer 切割為約 22 核苷酸長度的 miRNA 和互補股 miRNA* (將被移除降解的一股)。
3. miRNA 和 AGO 蛋白結合成 RISC ,尋找並結合目標 mRNA。完美結合就可以迅速切斷、降解 mRNA。結合不完全,形成突起 (bulge) 的話,就會抑制核糖體轉錄功能,進而由來自 RISC 的去腺嘧啶酶 (deadenylase) 複合物降解 mRNA。
—–
較少見的 Mirtron 路徑 (圖片右上至右下):
1. 來自中介子 (intron) 的 miRNA 序列,不經過 Drosha,而是由 RNA 剪接反應形成 pre-miRNA。此後的步驟與一般路徑相同。
—–
siRNA 路徑 (圖片左側至左下):
1. 外來雙股 DNA 進入細胞質,由 Dicer 切割為數十核苷酸長度的雙股 RNA 。
2. 其中一股與 AGO 等蛋白組成 RISC,可以和目標 mRNA 完美結合,並將其切斷降解。

如上圖所示,miRNA 的生成包含兩種核醣核酸內切酶: Drosha 與 Dicer ,接著和 Argonaute 蛋白質組成「核醣核酸沉默複合體」 (RNA-induced silencing complex, RISC) 抑制 mRNA 的轉譯作用或促使其降解。siRNA 則來自生物體外的長段 DNA,經 Dicer 切割而來,siRNA 亦可組成 RISC 引發目標 mRNA 降解。

詹世鵬在博士後研究中,就發現線蟲的 let-7 miRNA 形成的核醣核酸─蛋白複合體具有序列特異性,某幾種蛋白質僅與 let-7 miRNA 的特定序列結合,顯示 miRNA 形成 RISC 的特異性與多樣性。

此外,當 mRNA 的轉譯作用被 miRNA 抑制後,來自 RISC 的去腺嘧啶酶 (deadenylase) 複合物會進一步引發 mRNA 降解 (degradation)。因此在 miRNA 作用時,可以觀察到蛋白質合成被抑制,也可以發現到 mRNA 減少。然而,不同 miRNA 引發 mRNA 減少的幅度與速率,也在各種研究中都出現差異。

詹世鵬說,因為這些特點,miRNA 很可能因為「序列差異」,以及不同的「輔助蛋白分子」組合, 決定目標 mRNA 的命運。他在研究中發現,核糖體上的特定蛋白質會影響 let-7 miRNA 功能,該蛋白質所在的核糖體區域很可能是 miRNA 發揮抑制作用之處。

至今,詹世鵬仍然常常做實驗到三更半夜,致力將這些複雜且精微的反應,研究地更加透徹;為的是好奇心,也為了有朝一日能立基於這些知識發展醫藥應用。這樣的他,是怎麼踏上研究之路的呢?

踏入實驗室的契機

詹世鵬認為:研究這些小分子的作用機制,除了滿足純學術好奇心,更是將 miRNA 與 siRNA 應用在治療人類疾病的重要基礎。攝影/張語辰

與實驗室一門之隔的辦公室中,詹世鵬檢查著待送檢的基因序列,一面回憶 33 年前加入第二屆「北區高中生物學習成就優異學生輔導實驗計畫」,從最基礎的生物學實驗雜務開始,踏上今天在臺大醫學院的分子生物學研究之路。「高一時,隔週日去中研院,上午聽課、下午做實驗,這樣的假日很棒!」詹世鵬回想。

但當時離開實驗計畫的同學,不是因為沒興趣做研究或想要玩樂,是因為他們去準備考醫學系了。

少年詹世鵬參與的是今日中研院「高中生命科學資優生培育計畫」之前身,當時由植物所協同動物所主持。由實驗計畫改組為今日的規模,共有 80 多位研究員參與指導,超過 2000 名高中生得以接受優秀的生物學家當面傳道解惑。而 30 多年來,能夠全程參與培育計畫的高中生大約是十分之一。

因為參與計畫,詹世鵬得到諾貝爾獎得主 Sanger 之門生──周德源博士、水稻基因定序計畫共同主持人──鄔宏潘博士指導。度過三分之一世紀,他還依稀記得師長們的風格,他笑著坦承:「上課內容當然已經忘了,有些老師也僅記得面貌。印象中有位老師很豪邁、有江湖味,但是名字卻遺失在腦海裡。」

Q:研究基礎生物學,有得到家人的支持嗎?

我當年成績也可以考上醫學系,但我用輔導實驗計畫的資格,甄選進臺大植物系。這算是比較非主流的選擇,我爸就在潮州老家跟鄰居埋怨我:「醫生不當,跑去讀個種花種草的科系。」當年輔導實驗計畫第一名的同學,最後的確是成為醫師了。

Q:在鄭淑珍院士門下學習將近十年,印象最深刻的是什麼事情?

鄭老師很嚴謹,不接受任何實驗沒有控制組的圖;會仔細確認每個學生的實驗結果能否重複再現,同時記得所有學生實驗的細節。這種治學風格下,每張實驗圖表都要重複操作改進,累積相當紮實的技術與研究成果。我的博論口試花了三個小時,愈講聽眾愈多,很多其他實驗室的學生中途加入。

鄭老師很重視學生的成長,希望我這種「土博士」能出國磨練。而且不會因為我們很熟,就幫學生打理各種推薦門路,她希望我們培養一切自理的能力。

Q:是否也在自己的實驗室中,再現了鄭老師的風格?

我從鄭老師那邊繼承的,大概就是經常和學生說:「實驗,沒有什麼到時候再做。」平常我們相處很輕鬆、沒有禁忌。但是我不接受學生對實驗說:「做到這樣就好了」、「到時候再做」、「如果要做的話…」這類不踏實的話。

我常和他們說:「做實驗,要就現在。沒有什麼到時候!」

Q:相對於其他職業,研究工作的特點是什麼?

做研究的好處,就是時間可以自理。有自由與資源可以去探索自己好奇的事情,這樣非常棒。當然,每個人的屬性不同,有些人的性格適合坐下來追根究柢;有些人比較坐不住,就未必能享受研究工作。像我是每天在實驗室跑膠也十分快樂的那種人。

Q:對有志於投入生物學研究的學生,有什麼建議?

生物學工作當然也有現實面的壓力。我這個世代和職位的學者,也常會被上級或長輩認為「還不夠努力」或「不夠聰明」,論文發表數或研究成果不盡理想。但是真的想求知、想滿足好奇心的學生,我想他們不需要尋求建議,就趕快開始動手,馬上設法做實驗吧!

Q:研究基礎科學,設定研究問題時是否該回應特定的「社會需求」呢?

啊,非常難回答的問題。(從地板掃視到天花板,苦思)

從歷史的角度看,生物學的起點其實是依附在帝國主義與殖民活動之下的博物學工作。當時的生物學家目的很明確,就是為歐洲強權搜集海外珍禽異獸、奇花怪木、甚至是異國人類,作為展示或娛樂之用。

現代基礎生物學相對以「求知」為導向,不像過往為了帝國貴族或殖民商人的喜好而做。這樣看來,我會說不必為了任何人的目的,而純為求知而假設研究題目比較好。

不過我在國立大學工作,而且國內大多數研究經費來源都來自政府,確實是奠基在公共資源上進行研究。當然必須要考慮「回饋社會」,但哪一群人的需求可以代表「社會需求」?或是說生物學家應該優先在意誰的需求呢?這是每個學者自己必須拿捏的。

對我來說,在基礎科學領域,以自己的知識與好奇心出發,進行實驗設計就好。但是基礎科學研究者在挑選主題、進行實驗時,心中抱持著「以研究成果回饋社會」的期待與信念是非常重要、而且必要的。要放在心裡的是,違背科學倫理、甚至虛假的實驗就遠低於這個基本要求。

 

延伸閱讀:

本著作由研之有物製作,原文為《從「高中生」到「分子生物學家」 專訪詹世鵬》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

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為何新冠病毒突變之後傳染力更強?——關鍵在於變異株的棘蛋白結構

研之有物│中央研究院_96
・2022/01/25 ・5088字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文/寒波
  • 美術設計/林洵安

為何新冠病毒突變之後傳染力更強?

COVID-19 至今仍深深影響全人類,新冠病毒持續演化,例如曾經造成臺灣大規模社區感染的 Alpha 變異株、傳染力更強的 Delta 變異株,近期出現的 Omicron 變異株等,它們逃避免疫系統的能力都不一樣,關鍵就在不同的棘蛋白(spike protein)結構。「研之有物」專訪中央研究院生物化學研究所徐尚德副研究員,他的團隊陸續解析各種新冠病毒變異株的棘蛋白結構,不但能釐清新的突變帶來的威脅,後續也可作為研發人造抗體的指引。

徐尚德手上拿著新冠病毒的棘蛋白模型,顯示棘蛋白與兩種不同抗體結合的情況。圖/研之有物

解析新型冠狀病毒棘蛋白

COVID-19 的病原體是一種冠狀病毒,和 SARS 病毒是近親,正式命名為 SARS-CoV-2,中文常稱作新型冠狀病毒。為了知道病毒如何感染人體細胞,以及如何逃避免疫系統的辨識,我們需要進一步瞭解冠狀病毒表面的棘蛋白結構。

結構為什麼重要?因為結構會影響蛋白質功能。蛋白質是由不同的氨基酸所組成的長鏈,實際作用時會摺疊形成特別立體結構,而冠狀病毒的蛋白質中,又以棘蛋白最為關鍵。

徐尚德強調,棘蛋白是冠狀病毒暴露在表面的蛋白質之一,絕大多數被感染者的免疫系統所產生的抗體都是辨識棘蛋白。因此現今臨床使用的蛋白質次單元疫苗、腺病毒疫苗以及 mRNA 疫苗,都是以棘蛋白為基礎來研發。

Cryo-EM 讓蛋白質結構無所遁形

工欲善其事,必先利其器。解析蛋白質結構的方法很多,早期的 X 光晶體繞射(X-ray diffraction),就像將影片定格截圖,但不一定為蛋白質實際作用的狀態。

再來是核磁共振(Nuclear Magnetic Resonanc,簡稱 NMR),這是徐尚德留學深造時的專業,可以重現蛋白質在水溶液中的結構及動態,更接近實際作用的形態,可惜不適合分子量較大的分子。

目前結構生物學最具潛力的新技術是:冷凍電子顯微鏡(Cryogenic Electron Microscopy,簡稱 Cryo-EM),Cryo-EM 可以拍出原子尺度下高解析度的三維結構,此技術於 2017 年獲得諾貝爾化學獎。中研院則於 2018 年開始添購 Cryo-EM 設備,而 Cryo-EM 正是徐尚德用來解析棘蛋白結構的主要利器!

在 COVID-19 疫情爆發初期(2020 年 1 月),徐尚德就率先啟動新冠病毒的結構分析,當時他的研究團隊剛好已分析過感染貓科動物的冠狀病毒,對於解析棘蛋白結構有一定經驗,可說是贏得先機。

具體來說,如何用 Cryo-EM 解析新冠病毒的棘蛋白結構?

首先要大量培養新冠病毒、再分離、純化得到棘蛋白。接下來,將大量蛋白質樣本鋪成薄薄一層液體,之後以 -190℃ 急速冷凍,讓蛋白質分子保持凍結前的形態,最後用程式重建棘蛋白的三維影像。徐尚德譬喻,就像一匹馬在高速移動時,連續拍攝許多照片,再將照片疊加起來,重建馬的形狀。

棘蛋白的體積已經算大,假如又與其他蛋白質結合,體積將會更大。能解析如此龐大結構為 Cryo-EM 一大優點,但是也會創造很大的資料量。徐尚德強調,用 Cryo-EM 分析蛋白質結構不只做實驗,也要協調資料處理等疑難雜症。

冷凍電子顯微鏡可以紀錄同一時間下、不同狀態的蛋白質三維立體結構。圖/研之有物

關鍵 D614G 突變,讓新冠病毒棘蛋白穩定性大增

儘管已有貓冠狀病毒的經驗,徐尚德研究團隊初期仍經歷一陣摸索,一大困難在於,做實驗時發現不少棘蛋白壞掉,不再保持原本的結構。

這是因為一般取得蛋白質樣本後會置於 4°C 冷藏,但 4°C 其實不適合保存棘蛋白。接著徐尚德細心觀察到,具備 D614G 突變的棘蛋白,保存期限竟然比沒突變的棘蛋白要長,可以從 1 天增加到至少 1 週。

什麼是 D614G 突變呢?武漢爆發 COVID-19 疫情的初版新冠病毒,其棘蛋白全長超過 1200 個胺基酸,D614G 突變的意思就是:第 614 號氨基酸由天門冬胺酸(aspartic acid,縮寫為 D)變成甘胺酸(glycine,縮寫為 G)。

D614G 突變誕生後,存在感持續上升,2020 年 6 月時已經成為全世界的主流,隨後新冠病毒 Alpha、Delta 等變異株,皆建立於 D614G 的基礎上。

儘管序列僅有微小差異,許多證據指出 D614G 突變會增加新冠病毒的傳染力。有趣的是,它也能大幅增加棘蛋白在體外的穩定性。因此在研究用途上,變種病毒的棘蛋白反而容易保存,徐尚德更指出,對抗變種病毒的蛋白質次單元疫苗(subunit vaccine)穩定性也會增加。

圖片為徐尚德實驗室提供的新冠病毒模型與三種不同的棘蛋白模型,棘蛋白的主體為白色,棘蛋白的受器結合區域(receptor binding domain,RBD)為藍綠色。圖/研之有物

新冠病毒棘蛋白的「三隻爪子」:受器結合區域

徐尚德參與的一系列新冠病毒結構研究,除了棘蛋白本身,還包含棘蛋白與細胞受器 ACE2 的結合、棘蛋白和人造抗體的結合。

既然要解析結構,儀器「解析度」能看清楚多小的尺度就很重要!蛋白質結構學的常見單位是 Å(10-10 公尺),原子與原子間的距離約為 2 Å,Cryo-EM 的極限將近 1 Å,不過棘蛋白大約到 3 Å 便足以重建立體結構。

冠狀病毒如何感染宿主細胞,和結構又有什麼關係?棘蛋白位於冠狀病毒的表面,直接接觸宿主細胞受器 ACE2 的部分,稱為受器結合區域(receptor binding domain,簡稱 RBD),結構可能展現「向上」(RBD-up)或是「向下」(RBD-down)的狀態。向下,RBD 便不會接觸宿主細胞的受器,缺乏感染能力,;向上,RBD 方能結合受器,引發後續入侵。

徐尚德團隊透過冷凍電子顯微鏡,拍攝新冠病毒 Alpha 株的棘蛋白結構,其中有三類棘蛋白的 RBD 為 1 個向上(佔 73%),有一類(類別3)的棘蛋白 RBD 則是 2 個向上(佔 27%)。圖/Nature Structural & Molecular Biology

新冠病毒表面的棘蛋白有「三隻爪子」(3 RBD),RBD 有可能同時向上(3 RBD-up),也可能只有 1~2 個向上,結構會影響病毒的感染能力。更詳細地說,棘蛋白某些胺基酸位置的差異,會影響結構的開放與封閉程度。

棘蛋白向上或向下是動態的,假如能保持穩定性,延長向上的時間,也有助於新冠病毒的感染。這正是徐尚德一系列研究下來,實際觀察到不同品系的變化。

截至 2022 年 01 月 18 日的新冠病毒品系發展歷史,其中 Delta 變異株擁有最多品系,而 Omicron 變異株則開始興起。雖然 Omicron 的品系並不多,但已逐漸成為主流。圖/Nextstrain; GISAID

一網打盡所有高關注變異株的結構變化

和武漢最初的新冠病毒相比,D614G 突變帶來什麼改變呢?簡單說:棘蛋白向上的比例增加了,導致整個結構變得更加開放,增加新冠病毒對宿主受器的親合力(affinity)。

以 D614G 為基礎,接下來又獨立衍生出數款品系,皆具備多個突變,傳染力、抵抗力更強 。影響最大的是首先於英國現身的 Alpha(B.1.1.7)、南非的 Beta(B.1.351)、巴西的 Gamma(P.1),以及更晚幾個月後,於印度誕生的 Kappa(B.167.1)與 Delta(B.167.2)。Alpha 一度於世界廣傳,導致包括臺灣在內的嚴重疫情,不過隨後不敵優勢更大的 Delta。

對於上述品系,徐尚德率隊一網打盡。 Alpha 的棘蛋白結構解析已經發表於 《自然-結構與分子生物學》(Nature Structural & Molecular Biology)期刊,其餘新冠病毒變異株的論文仍在等待審查,目前能在預印網站 bioRxiv 看到,該研究一次報告 38 個 Cryo-EM 結構,刷新紀錄。

圖 a 顯示新冠病毒 Alpha 變異株棘蛋白的突變氨基酸序列,一共有 9 處突變, D614G 突變以紫色表示。
圖 b 顯示突變的氨基酸在立體結構中的位置。
圖/Nature Structural & Molecular Biology

Alpha 變異株的 RBD 向上結構穩定

一度入侵台灣造成社區大規模感染的 Alpha 株有何優勢?其棘蛋白除了 D614G,還多出 8 處胺基酸突變,徐尚德發現 N501Y(天門冬酰胺變成酪胺酸)、A570D(丙胺酸變成天門冬胺酸)的影響相當關鍵。

直覺地想,棘蛋白的外層結構才會與受器接觸影響傳染力,立體結構中第 570 號胺基酸的位置比較裡面,乍看並不要緊。但是徐尚德敏銳地捕捉到,A570D 突變會改變局部的空間關係,令「RBD 向上」的結構更加穩定。徐尚德形容為「腳踏板」(pedal-bin)── A570D 突變的效果就像踩著垃圾桶的腳踏板,讓桶蓋(也就是 RBD)穩定保持開啟。

事實上,棘蛋白總體向上的比例,Alpha 還比單純的 D614G 突變株更少,不過 A570D 增進的穩定性似乎優勢更大。研究團隊製作缺乏 A570D 突變的人造模擬病毒,嘗試體外感染人類細胞,發現感染力明顯減少,證實 A570D 突變頗有貢獻。

新冠病毒 Alpha 株棘蛋白的「A570D 突變」,會改變棘蛋白內部的空間,讓「RBD 向上」的結構更加穩定,就像踩著垃圾桶的腳踏板,讓桶蓋保持開啟。圖/研之有物(資料來源/徐尚德、Nature Structural & Molecular Biology

Alpha 變異株的棘蛋白親近宿主細胞,干擾抗體作用

另一個重要突變是 N501Y,不只 Alpha 有,Beta 等許多品系也有,Delta 則無。N501Y 在眾多品系獨立誕生,似乎為趨同演化所致。N501Y 能為病毒帶來哪些優勢?

第 501 號胺基酸位於棘蛋白表面,會直接與宿主受器 ACE2 結合。此一位置變成酪胺酸(tyrosine,縮寫為 Y)後,和受器的 Y41 兩個酪胺酸之間,容易形成苯環和苯環的「π–π stacking」鍵結,從而大幅提升棘蛋白對細胞的親合力。

新冠病毒 Alpha 株棘蛋白的「N501Y 突變」,讓 RBD 的胺基酸與宿主細胞受器 ACE2 形成「π–π stacking」鍵結,大幅提升棘蛋白對宿主細胞的親合力。圖/Nature Structural & Molecular Biology

另一方面,N501Y 突變也會干擾抗體的作用。中研院細胞與個體生物學研究所的吳漢忠特聘研究員,率隊研發一批針對棘蛋白的人造抗體,測試發現有一款抗體 chAb25 對 D614G 突變株相當有效,但是對 Alpha 株無能為力。徐尚德由結構分析發現:N501Y 改變了棘蛋白表面的形狀,讓抗體 chAb25 無法附著。

好消息是,另外有兩款抗體 chAb15、chAb45,依然能有效對抗 Alpha 病毒,不受 N501Y 影響。這兩款抗體會附著在棘蛋白 RBD 的邊緣,避免棘蛋白和宿主細胞接觸。而且抗體 chAb15、chAb45 會各占一方,可以同時使用,多面協同打擊病毒。

雖然新冠病毒 Alpha 株的棘蛋白表面讓某些抗體難以附著,還好仍有兩款抗體 chAb15(綠色)、chAb45(黃色)能有效「卡住」棘蛋白,干擾棘蛋白與宿主細胞結合。抗體 chAb15、chAb45 附著的位置,正好就是棘蛋白與宿主細胞結合的地方。圖/Nature Structural & Molecular Biology

棘蛋白結構不只胺基酸,還要注意表面的醣

有了 Alpha 的經驗,接下來分析 Beta、Gamma、Kappa、Delta 便順手很多。這批新冠病毒的棘蛋白變化多端,但是「RBD 向上」的整體比例皆超過 Alpha 和 D614G 突變株,可見適應上各有巧妙。徐尚德也發現,要釐清棘蛋白的結構,不能只關心蛋白質,還要考慮棘蛋白表面的醣基化(glycosylation)修飾。

蛋白質在完工後,某些胺基酸還能加上各種醣基。病毒蛋白質表面的醣基可以作為防護罩,干擾抗體和免疫系統的辨識。醣基化修飾就像替病毒訂作一套迷彩外衣,不同變異株的情況都不一樣,假如醣基化的位置和數量,由於突變而改變,便有可能影響立體結構,有助於它們閃躲抗體。例如和武漢原版新冠病毒相比,Delta 株棘蛋白少了一個醣化修飾,Gamma 株棘蛋白則多了兩處醣化。

還好從結構看來,並沒有任何突變組合能完美逃避抗體。例如由美國的雷傑納榮製藥公司(Regeneron)製作並通過緊急使用授權的抗體;以及中研院吳漢忠率隊研發,有望投入實用的多款人造抗體,對變異品系依然有效。這場人類與病毒的長期抗戰中,同時使用多款抗體的「雞尾酒」療法,仍然是可行的醫療方案。

回顧將近兩年來的研究之路,徐尚德表示:時間壓力真的非常大!COVID-19 疫情爆發後,全世界投入相關研究的專家眾多,只要稍有遲疑,便會落在競爭者後頭。但是即使跑在最前端的研究者,也只能苦苦追趕病毒演化的速度,一篇論文還在審查時,現實世界的疫情已經邁向全新局面。

人類要贏得勝利,必需全方面認識病毒,而結構無疑是相當重要的一環。


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