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「分子機器」解密:染色質重塑複合物研究盤點

活躍星系核_96
・2019/03/16 ・3728字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 623 ・十年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

  • 解讀丨陳柱成、嚴麗娟(清華大學)
  • 責編丨迦漵

核小體是真核生物染色質的基本單位,其核心由~147 bp DNA纏繞組蛋白八聚體形成。染色質重塑複合物(Chromatin remodeling complexes,CRC) 利用 ATP 的能量移動核小體在基因組上的位置和組成成分,在控制染色質結構、調節基因轉錄等方面具有重大作用。根據結構和功能的特點,染色質重塑複合物可以分四大類:SWI/SNFCHDISWIINO801

這些分子機器的運行機理,即如何利用 ATP 水解的能量推動核小體移動和組蛋白交換,一直是一個未解的科學問題。利用冷凍電鏡技術,近年來對於這個問題的解答有了突飛猛進2-5

圖片引自:https://www.thoughtco.com/chromatin-373461

2018年10月12日,來自英國帝國理工學院的 Dale B. Wigley 課題組和 David S. Rueda 課題組合作在 Science 雜誌發表長文,解析了酵母 SWR1 染色質重塑複合物結合核小體的三維結構,並結合單分子FRET實驗,揭示了 SWR1 催化組蛋白變體替換的動力學過程6

SWR1屬於INO80染色質重塑家族,其主要功能是催化 H2A-H2B 與 H2A.Z-H2B 的替換。H2A.Z是H2A的變體,富集在啟動子區域,也能抑制異染色質向常染色質的延伸7。在染色質的特定位置或特定時期進行組蛋白變體的替換可以改變染色質結構或招募染色質調控因數,是維持不同染色質狀態所必需。與其它染色質重塑蛋白不同,SWR1不能移動核小體。因此,SWR1 如何利用 ATP 水解的能量催化 H2A-H2B 交換尤其讓人困惑。

為了研究 SWR1,Wigley 課題組沒有採用常規的提取內源蛋白的方案,而是利用昆蟲細胞,體外表達重構了十四個亞基的完整酵母 SWR1複合物。通過相同的方法,Wigley課題組今年初解析了INO80複合物的結構4

SWR1複合物全酶的核心催化亞基是Swr1,它的ATPase活性是組蛋白替換的關鍵。Swr1結合核小體的SHL2位置,這與Ino80 不同,但與其它的染色質重塑蛋白類似。更重要的是,Swr1的結合使DNASHL2處產生1 bp凸起bugle。為了形成這個凸起,1 bp DNA從進口端被抽進核小體內部。 由於1bp DNA的位移,Swr1的N端結構域和核小體的另一圈DNA之間相互作用加強,限制了核小體的進一步滑動,這是SWR1不具備催化核小體滑動的可能機制。需要特別指出的是,Swr1處於ADP-BeF3 (ATP類似物) 狀態。已知的其它染色質重塑蛋白沒有發現在ATP結合狀態下引起1 bp DNA位移3-5。這種異常的局部DNA移動也可能是SWR1沒有真正的核小體滑動活性的原因。

複合物全酶中另一個重要的核小體結合元件是Arp6-Swc6異源二聚體。它們通過全酶中的RuvBL亞基(六聚體)與Swr1 作用,穩定了整個複合物的構象。Arp6-Swc6結合進口端DNA,使得該DNA偏離了常規位置~65°,暴露大概2.5圈核小體DNA。突變和生化實驗(體外表達重構體系的一大優勢)表明Arp6-Swc6 是SWR1組蛋白替換活性的關鍵。與INO80一樣,因為失去了與進口端DNA的作用,H2A-H2B也相應地暴露。這也許是SWR1與INO80共同具有組蛋白替換活性的機理。

作者進一步採用單分子FRET手段監測了SWR1解開核小體末端DNA纏繞的過程。實驗表明在加入SWR1複合物和ATP後,末端DNA顯著偏離常規位置;而加入ATPγS ADPBeF3也捕捉到DNA解開的現象,這說明SWR1誘導的核小體DNA去纏繞依賴ATP的結合而不是水解。

儘管SWR1ADP狀態下與核小體的作用方式目前仍不清楚,Wigley這個工作的發表使我們理解SWR1催化組蛋白替換的機制又前進了一大步。Dale Wigley是研究DNA解旋酶、滑移酶的大師,早在 1999 年通過研究PcrA, 提出了 DNA滑移酶的教科書級的inchworm(尺蠖,下圖)運動模型8。這個模型為理解染色質重塑蛋白的工作機理提供了基礎。

inchworm,尺蠖

相對於INO80 和 SWR1 複合物,人們對 SWI/SNF 的研究,尤其是哺乳類動物SWI/SNF (mSWI/SNF),有點滯後。mSWI/SNF 是細胞生長、發育和分化等過程所必需的生物大分子,約 20%的人類癌症中發現mSWI/SNF 的突變9

近日,美國哈佛大學Cigall Kadoch課題組在Cell上發表了題為Modular Organization and Assembly of SWI/SNF Family Chromatin Remodeling Complexes的研究長文,揭示了mSWI/SNF複合物的模組組織和組裝通路,並分析了人類疾病相關的突變影響mSWI/SNF的分子機制

人源 SWI/SNF 複合物由超過 20 個基因編碼,基於特定的人體組織和發育時期,複合物採用不同的蛋白亞基(paralogs和variants)和組裝形式,其結構組成紛繁複雜,難於一一辨認。早在 2013 年,Kadoch還是博士生的時候,她通過生化和質譜手段,鑒定了不同細胞系的mSWI/SNF組成10

在當前的研究中,Kadoch課題組進行了更全面系統的工作,優化了一套穩定的mSWI/SNF複合物純化策略。他們利用CRISPR-Cas9HEK293T細胞系中mSWI/SNF相關亞基上導入HA標籤,通過一系列蛋白純化手段,得到了野生型和多種突變體mSWI/SNF複合物。通過分析不同的複合物組成和交聯質譜資訊,他們鑒定出HEK293T細胞系中三種mSWI/SNF複合物,分別是BAF(BRG1/BRM-associated factor)、PBAF(polybromo-associated BAF)和 ncBAF(non-canonical BAF,一種新發現的複合物)(下圖)。

為了更細緻地分析各亞基之間的相互作用以及 mSWI/SNF複合物組裝的過程,作者敲除不同的亞基,純化得到不同的複合物,進行交聯質譜和網路模組分析。最後,作者提出了mSWI/SNF的組裝通路:SMARCC1/SMARCC2和SMARCD1是mSWI/SNF複合物的初始平臺(initial core);initial core、SMARCB1和SMARCE1構成的亞複合物定義為BAF複合物的核心模組(BAF core module)。ARID1和BAF core module形成亞複合物(ARID1/BAF core),然後與DPF2結合,加上ATPase module(含SS18)完成BAF組裝;而ARID2與BAF core 形成亞複合物(ARID2/PBAF core),結合BRD7 和PHF10之後招募ATPase module(不含SS18),最後結合 PBRM1完成組裝過程。另一方面,GLTSCAR1/1L BRD9和BAF core 結合, 形成ncBAF core module,合併BRD9和ATPase module(含SS18)形成ncBAF複合物。

這個BAF複合物的構成與較早報道略有不同。其中,BRD9在較早研究中是BAF複合物的一個亞基,現在劃歸到ncBAF中;另外,BCL11似乎在HEK293T細胞系的BAF複合物中沒有被發現,而在T-細胞的BAF複合物中存在【10】。這些差異正好體現了mSWI/SNF研究的挑戰性。

作者結合含突變位點的BAF複合物的細胞和生化分析,根據勾勒出的mSWI/SNF複合物的組織輪廓,解釋了一些高頻錯義或無義突變影響mSWI/SNF複合物的組裝通路和各亞基之間的穩定性進而導致人類癌症及其他相關疾病的可能機理。總之這項研究對於後續 mSWI/SNF複合物的結構和功能研究提供了很有參考價值的框架。

Cigall Kadoch,圖片來自:http://www.kadochlab.org/gallery/

Cigall Kadoch是一個非常出色的科學家,一直致力於研究哺乳動物 SWI/SNF 的功能與人類癌症的關聯。據說,她在哈佛大學尋找博士後工作時,因為實在太優秀了,沒有給她博士後崗位,而是直接讓她當獨立PI。2015 年,Cigall Kadoch當選MIT技術評論Innovator Under 35。

注:清華大學生命科學學院陳柱成課題組主要運用結構生物學的方法從事染色質生物學相關研究,近年來連續在Nature上發表兩篇研究論文闡述染色質重塑的機理11,12

BioArt補記

就在英國帝國理工學院的 Dale B. Wigley 課題組和 David S. Rueda 課題組合作在 Science 雜誌發表長文,解析了酵母SWR1染色質重塑複合物結合核小體的三維結構之後一周左右,來自復旦大學生物醫學研究院徐彥輝課題組在 Cell Research 雜誌上發表了題為 Cryo-EM structure of human SRCAP complex的研究論文13,首次解析了 4埃解析度的人源 SRCAP 複合物(對應酵母中 INO80 染色質重塑複合物)冷凍電鏡結構,為後續深入研究核小體置換機制奠定了基礎。

SRCAP-C為超大複合物,分子量約為 1 MDa(1000KDa),包含10個組分(SRCAP, DMAP1, YL1, RUVBL1, RUVBL2, ACTL6A, ARP6, ACTIN, GAS41 and ZNHIT1)。結構和生化研究表明在SRCAP-C中SRCAP不僅具有ATP解旋酶酶活性,還作為支架蛋白幫助複合物組裝。其中間部分貫穿RUVBL1-RUVBL2六聚體,其N端和C端分別連接多個SRCAP複合物組成蛋白。 RUVBL1-RUVBL2形成的六聚體為穩定核心,從底部兩側延伸出來SRCAP解旋酶結構域及Actin相關蛋白等模組。這兩個相對應的模組具有DNA結合的表面特徵,很可能為核小體結合位點。研究工作根據SRCAP同家族蛋白INO80與核小體複合物的結構,類比了SRCAP與核小體相互作用方式,為後續深入研究核小體置換機制奠定了基礎。

參考文獻

  1. Clapier, C. R. & Cairns, B. R. The biology of chromatin remodeling complexes. Annu. Rev. Biochem. 78, 273-304 (2009).
  2. Liu, X., Li, M., Xia, X., Li, X. & Chen, Z. Mechanism of chromatin remodelling revealed by the Snf2-nucleosome structure. Nature 544, 440-445 (2017).
  3. Farnung, L., Vos, S. M., Wigge, C. & Cramer, P. Nucleosome-Chd1 structure and implications for chromatin remodelling. Nature 550, 539-542 (2017).
  4. Ayala, R. et al. Structure and regulation of the human INO80-nucleosome complex. Nature 556, 391-395 (2018).
  5. Eustermann, S. et al. Structural basis for ATP-dependent chromatin remodelling by the INO80 complex. Nature 556, 386-390 (2018).
  6. Willhoft, O. et al. Structure and dynamics of the yeast SWR1-nucleosome complex. Science 362(2018).
  7. Talbert, P. B. & Henikoff, S. Histone variants on the move: substrates for chromatin dynamics. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 18, 115-126 (2017).
  8. Velankar, S. S., Soultanas, P., Dillingham, M. S., Subramanya, H. S. & Wigley, D. B. Crystal structures of complexes of PcrA DNA helicase with a DNA substrate indicate an inchworm mechanism. Cell 97, 75-84 (1999).
  9. Hodges, C., Kirkland, J. G. & Crabtree, G. R. The Many Roles of BAF (mSWI/SNF) and PBAF Complexes in Cancer. Cold Spring Harb Perspect. Med. 6(2016).
  10. Kadoch, C. et al. Proteomic and bioinformatic analysis of mammalian SWI/SNF complexes identifies extensive roles in human malignancy. Nat. Genet. 45, 592-601 (2013).
  11. Yan, L., Wang, L., Tian, Y., Xia, X., & Chen, Z. (2016). Structure and regulation of the chromatin remodeller ISWI. Nature, 540(7633), 466.
  12. Liu, X., Li, M., Xia, X., Li, X., & Chen, Z. (2017). Mechanism of chromatin remodelling revealed by the Snf2-nucleosome structure. Nature, 544(7651), 440.
  13. Feng, Y., Tian, Y., Wu, Z., & Xu, Y. (2018). Cryo-EM structure of human SRCAP complex. Cell research, 1.

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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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為什麼大腦如此耗能?——淺談神經元的基本構造和功能
Heidi_96
・2022/04/13 ・4565字 ・閱讀時間約 9 分鐘

身為人體總司令,大腦每單位重量所消耗的能量,約為其他器官的 8 至 10 倍[1]。所以,即使大腦只佔據人體總重量的 2%,仍然得消耗人體高達 20% 的總能量才能保持運作,就連休息和睡覺時,消耗的能量也絲毫不減。

為什麼大腦這麼輕,卻得消耗如此多的能量呢?

以往,科學家認為這和「腦電活動」有關,也就是腦內神經元運作時,所產生的電活動。神經元是神經系統負責傳遞訊息的基本單位。這些細胞形狀細長,結構可分為三個部分:細胞本體、樹突(dendrite)和軸突(axon)。樹突看起來就像樹枝,有很多專一性受體,可以接收來自上一個神經元的神經傳導物質。

神經元形狀細長,結構可分為三個部分:細胞本體、樹突和軸突。圖/國家實驗研究院

靜止膜電位:穩定的休息狀態

在樹突沒有收到化學訊號的狀態下,神經元的靜止膜電位(resting membrane potential)約為 -70 mV;也就是說,在休息狀態時,神經元內的電壓相較於細胞外低了 70 mV。造成電位差的關鍵在於細胞膜外的正離子(鈉離子,Na+)比較多,膜內的正離子(鉀離子,K+)比較少。

可是,物質不都是從高濃度往低濃度的地方移動嗎?為什麼還可以維持在 -70 mV 呢?

第一,是透過主動運輸。這種運輸方式必須消耗能量才能進行,而負責這項任務的就是細胞膜上的「鈉鉀幫浦」(Na+/K+-ATPase)。鈉鉀幫浦所消耗的能量是三磷酸腺苷,也稱作 ATP,是細胞的「能量貨幣」,專門儲存和提供能量。幫浦每消耗 1 個 ATP,就可以將 3 個鈉送出細胞,再將 2 個鉀送入細胞。只要幫浦不斷運作,就能維持恆定的離子濃度差,使得細胞外有較多鈉離子,而細胞內則有較多鉀離子。

ATP(C10H16N5O13P3)是細胞的「能量貨幣」,專門儲存和提供能量。圖/Wikipedia

第二,是透過被動運輸。這種運輸方式不需要消耗任何能量,只要有濃度差異,離子就可以經由通道蛋白,從高濃度處擴散到低濃度處。然而,細胞膜上的鉀離子通道蛋白數量較多,約為鈉離子通道蛋白的 50 倍,所以鉀離子可以輕鬆離開細胞,鈉離子卻難以回到細胞,使得細胞內部正離子數量較少。

那麼,收到化學訊號時,神經元的膜電位會怎麼變化呢?

動作電位:活躍的工作狀態

剛剛提到神經元的靜止膜電位約為 -70 mV,細胞膜內帶負電、膜外帶正電,這種兩極化的電荷環境,稱為「極化」(polarization)。當神經傳導物質和樹突上的受體結合,受體就會根據接收到的訊號種類,調整離子通道的通透性。

在極化階段,鈉離子通道(紫)和鉀離子通道(橘黃)皆未開啟,只有鈉鉀幫浦(藍綠)持續進行主動運輸。圖/Wikipedia

比方說,若是收到興奮性的訊號(專有名詞是「興奮性突觸後電位」;EPSP),就會增加細胞膜對鈉離子的通透性,使鈉離子流入細胞內。因為鈉離子帶有正電,原本維持在 -70 mV 的膜電位就會上升。若是膜電位高於 -55 mV 的閾值,軸突前端的軸丘(axon hillock)就會立即反應,產生動作電位(action potential),以電訊號的形式打開附近所有鈉離子通道,使得鈉離子大量湧入細胞,形成「去極化」(depolarization)。

在去極化階段,鈉鉀幫浦(藍綠)暫停運作,鈉離子通道(紫)開啟,使得鈉離子進入細胞,提升膜電位。圖/Wikipedia

動作電位啟動後,膜電位通常可以衝高到 40 mV。為了平衡細胞膜內過多的正電荷,鈉離子通道便會關閉,而鉀離子通道會同步打開,讓細胞內的鉀離子流出細胞,使得膜電位再次回到帶負電的狀態,稱為「再極化」(repolarization)。

可是,因為鉀離子通道關閉速度較為緩慢,所以當膜電位回復到 -70 mV 時,鉀離子仍不斷流出細胞,造成電位低於靜止膜電位的「過極化」(hyperpolarization)現象。此時,鈉鉀幫浦就會主動消耗 ATP,重複將 3 個鈉離子送出細胞,再將 2 個鉀離子送回細胞的循環,讓膜電位和離子濃度都順利回到最初的極化狀態。

在過極化階段,鈉離子通道(紫)關閉,鉀離子通道(橘黃)開啟,使得鉀離子流出細胞,降低膜電位。圖/Wikipedia

以上四階段(極化、去極化、再極化、過極化)就是一個完整的動作電位!

另一方面,若是樹突上的受體收到抑制性的訊號(專有名詞是「抑制性突觸後電位」;IPSP),就會增加對鉀離子的通透性,使鉀離子流出細胞外,造成原本帶負電的狀態更加極端,無法達到閾值,便不會產生動作電位。

要注意的是,動作電位通常不是根據單一訊號刺激而產生,畢竟神經元隨時都在接收各種不同的訊號,但無論如何,只要加起來的電位變化強度超過閾值,就可以產生動作電位,反之則不會引起任何神經傳導反應。這就是動作電位的「全有全無律」(all-or-none law)。

若是膜電位高於 -55 mV 的閾值,軸丘就會立即反應,產生動作電位。圖/A-Level Biology

動作電位如何傳導電訊號?

軸丘產生動作電位後,並不會反傳回細胞本體,而是傳給隔壁的軸突。軸突是一條細長的神經纖維,只要最前端產生動作電位,就可以引發後續一連串的反應。整個過程類似大隊接力,而且不會往回傳,因為當訊號傳送到下一個位置時,前一個發生動作電位的地方處於再極化狀態,鈉離子通道沒有開放,所以無法同時進行去極化。如此一來,就能確保電訊號單向傳導。

當電訊號抵達軸突末端的突觸(synapse)時,會刺激突觸小泡(synaptic vesicle)釋放神經傳導物質,以化學刺激的形式將訊息傳遞出去。下一個神經元的樹突接收到訊號後,就會根據訊號類型,開啟鈉離子通道(引發去極化,產生動作電位)或鉀離子通道(引發過極化,不產生動作電位)。綜上所述,神經系統就是透過神經元不斷重複這樣的循環來傳遞訊息。

動作電位四階段:(1)極化、(2)達到閾值、(3)去極化、(4)再極化、(5)過極化。圖/國家實驗研究院

最新研究發現大腦耗能的關鍵

現在,我們大致知道了神經元如何以電訊號和化學訊號傳導訊息。(如果你沒有看懂,那也沒關係,總之這整個過程都需要燃燒大量 ATP!)科學家以往都認為大腦之所以這麼耗能,就是因為神經元隨時都在消耗 ATP,而且這些神經元的數量多達 860 億個[2]。可是,過去幾十年的臨床研究發現,在植物人和重度昏迷患者腦內,神經元產生的電活動極少,大腦消耗的能量卻沒有明顯下降。

如果不是電活動,那究竟是什麼消耗了這麼多能量?

去(2021)年底發布在《Science Advances》期刊的一篇研究公布了答案。研究團隊來自威爾康奈爾醫學院(Weill Cornell Medicine),第一作者是提姆.萊恩(Timothy Ryan)教授,他專攻生物化學和結構生物學。近年來,他的團隊深入研究神經元的突觸,試圖找出大腦耗能的原因。有鑑於老鼠的大腦結構和神經迴路都近似人腦,團隊決定透過實驗鼠進行研究。

萊恩教授的團隊深入研究突觸,試圖找出大腦耗能的原因。圖/The Rockefeller University

首先,團隊使用毒素,讓實驗鼠的神經元停止運作,阻斷電訊號,卻發現突觸仍然持續消耗能量。為了進一步釐清原因,團隊將焦點轉移到專門儲存、釋放神經傳導物質的突觸小泡,讓小泡表面各種不同功能的幫浦失去活性,使得突觸無法釋放相對應的化學訊號。

與此同時,團隊利用螢光顯微鏡觀察突觸。經過比對後,發現正在偷偷燃燒 ATP 的是一種稱為「氫離子幫浦」(proton pump)的通道蛋白,其運作形式類似鈉鉀幫浦。研究結果顯示,即使神經元處在休息狀態,突觸小泡內的氫離子幫浦仍然得持續工作,將不同的神經傳導物質送進小泡待命,以備不時之需。可是,作為交換,幫浦會帶走小泡內部的氫離子(H+)。

如果進入小泡的化學物質是甘氨酸、麩胺酸或 GABA,幫浦就會帶走 1 個氫;如果是血清素、多巴胺、組織胺、乙醯膽鹼或正腎上腺素,幫浦則會帶走 2 個氫[3]。有時候,就算沒有任何化學物質進入小泡,幫浦還是會偷偷帶走氫離子,造成小泡內部的氫離子濃度下降。為了維持穩定的離子濃度,突觸小泡必須不斷製造氫離子才能滿足需求,而這樣的過程佔據了 44% 的突觸能量消耗。

研究團隊使用巴佛洛霉素(bafilomycin)抑制氫離子幫浦,發現實驗鼠的突觸能量消耗剩下 56%(圖 E 紅色長條),代表氫離子幫浦的作用佔據了 44% 的突觸能量消耗。圖/Science Advances

萊恩教授表示,雖然每次流失的氫離子數量不多,也就一兩個,但是神經元數量非常多,「即使沒有任何電活動,整體能量消耗依然非常可觀。」目前還不清楚大腦為什麼會有這種機制,很可能是為了預先儲存神經傳導物質,因應突如其來的電訊號,「就像是高速空轉的賽車引擎,雖然會浪費額外的燃料,卻能以更快的速度起步。」

萊恩和他的團隊認為這份研究成果非常可貴,能讓人類對於大腦有更透徹的瞭解,也希望將來能用於治療帕金森氏症(Parkinson’s disease)這類神經退化性疾病。他表示帕金森氏症患者的大腦可能沒有足夠的能量合成 ATP,「這就像是讓一輛油管破裂的賽車高速空轉,很容易釀成大禍。」

註解

  1. Pulido, C., & Ryan, T. A. (2021). Synaptic vesicle pools are a major hidden resting metabolic burden of nerve terminals. Science Advances, 7(49). https://doi.org/10.1126/sciadv.abi9027 
  2. Azevedo, F.A., Carvalho, L.R., Grinberg, L.T., Farfel, J.M., Ferretti, R.E., Leite, R.E., Filho, W.J., Lent, R. and Herculano-Houzel, S. (2009). Equal numbers of neuronal and nonneuronal cells make the human brain an isometrically scaled-up primate brain. Journal of Comparative Neurology, 513(5), 532-541. https://doi.org/10.1002/cne.21974 
  3. Synaptic vesicle – Wikipedia

參考資料

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Heidi_96
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PanSci 編輯部角落生物|外語系還沒畢業,潛心於翻譯與教學,試圖淡化語言與知識的隔閡。

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你的脂肪組織也能燃燒卡路里?
社團法人台灣國際生命科學會_96
・2021/06/04 ・2960字 ・閱讀時間約 6 分鐘

  • 文 / 趙蓓敏|台大農化所營養生化博士、美國 Pennington Biomedical Research Center 博士後。中國醫藥大學營養系教授,曾任營養系主任、生技製藥學院副院長暨代理院長。研究專長:肥胖與代謝症候群、脂肪細胞生理 、油炸油安全。

脂肪組織在人體內除了可以保存能量,也扮演保護的作用,例如:當受到外力衝擊時能形成緩衝,減少內臟受到傷害。但由於受到健康意識和主流審美觀影響,現代人大多怕胖,對於脂肪總是聞之色變,能少一點是一點。不過,你是否知道,不是所有脂肪細胞都只會儲存能量讓你越來越胖,有的還可以燃燒卡路里喔!本期 ILSI Taiwan 專欄邀請中國醫藥大學營養學系趙蓓敏教授,用風趣的敘事方法介紹體內不同種類的脂肪細胞各自扮演的不同角色及功能,帶讀者認識脂肪組織少為人知的一面。

最近疫情升溫,待在家裡、多吃少運動,「肥油」上身,不少人的疫後計畫又是展開減肥大作戰。脂肪組織就這麼不受歡迎嗎?近年科學研究揭示許多脂肪組織不為人知的一面,或許我們過去都輕忽了「它」的潛力!尤其 2009 年新英格蘭醫學期刊一口氣刊載了 3 篇證實成人體內存有棕色脂肪的文章,更是帶來不少希望。眾所周知,白色脂肪庫存能量,棕色脂肪執掌生熱維持體溫。因過去以為棕色脂肪只存在於小動物、冬眠動物與嬰兒,成人體內已不復存在,因此棕色脂肪研究冷門多年,如今忽然熱鍋熱灶起來!

除了「正宗」的棕色脂肪細胞,在白色脂肪組織內也發現一群類似棕色脂肪的細胞,功能型態遊走於棕與白之間,稱為米色脂肪細胞。與白色脂肪細胞迥異的是棕色或米色脂肪細胞能夠促進葡萄糖與脂肪酸的異化分解,具有潛力用於改善肥胖、糖尿病及心血管疾病。以下就讓我們來認識這種能夠燃燒卡路里的脂肪吧!

棕色、米色、白色,不是所有體脂肪天生平等

多餘的熱量以三酸甘油酯型式堆積在白色脂肪以備不時之需,必要時(例如熱量攝取不足或無法利用葡萄糖)可釋出脂肪酸供其他組織利用——產能(包括酮體)或熱,因此白色脂肪被視為熱量倉庫。相對於白色脂肪,為何棕色脂肪卻能直接燃燒卡路里生熱呢?關鍵之一是棕色脂肪細胞內有豐富的粒線體(俗稱能量工廠),不似白色脂肪細胞內充滿大油滴,粒線體數量少且功能不彰;之二是棕色脂肪粒線體上有一特殊蛋白質稱 UCP-1(去偶合蛋白-1),在能量工廠運作時破壞了產生能量 (ATP) 所需的氫離子梯度,導致卡路里燃燒後產生的不是 ATP 而是「熱」。此生熱機器需要交感神經的啟動,外界冷刺激或攝食行為皆會活化交感神經,透過腎上腺促進劑的傳訊,啟動細胞內生熱機制。棕色脂肪組織的顏色便是來自粒線體酵素的細胞色素以及組織內密布的血管——想想這塊脂肪產生的熱必須及時帶走,自然有勞微血管。此外,棕色脂肪組織還密布著交感神經。

相對於白色脂肪內傾向脂質生合成反應,棕色脂肪細胞內脂解(三酸甘油酯水解)與脂肪酸氧化十分活躍。這也歸功於前述的交感神經傳訊同時啟動細胞內脂解酶,如此解釋了棕色脂肪與白色脂肪細胞形態學分辨最大的差異:棕色脂肪細胞內油滴小而分散(稱為多房),而白色脂肪為單一大油滴(單房)。棕色脂肪細胞也有十分活躍的葡萄糖擷取能力,擷取的葡萄糖用於合成脂解原料——三酸甘油酯。

米色脂肪細胞當初即是從細胞形態學上發現,暴露於低溫的老鼠其皮下脂肪(白色脂肪)於顯微鏡下可見散布的多房油滴結構,並證實也會表現棕色脂肪特有的 UCP-1。米色脂肪特殊之處是可在白色與棕色之間表型互換,處於溫、高脂飲食環境下與白色脂肪無異,只有刺激下才會顯出生熱本性。目前科學界看法為棕、米、白脂肪細胞起緣不同,因此米色與棕色雖皆能生熱,但標記身份的基因表現不同。

肥油不只是肥油,每個人的體脂肪生熱能力不同

當我們體內燃燒三大營養素,產能 (ATP) 的同時也伴隨產熱 (heat),因此只要能夠產能的組織皆能產熱,體溫由此產生。而低溫威脅是生命攸關之事,因此演化過程棕色脂肪被保留,並且除了棕色脂肪(或UCP-1)還有其它生熱方式。與肌肉顫抖生熱(打哆嗦)不同的是,棕色脂肪的生熱是「非顫抖型」: 冬眠動物不發抖,嬰兒穿得少也很少發抖,甚至台灣俗諺:小孩屁股 3 把火,或許歸功棕色脂肪「發功」。現代人室內有空調,外出會添衣,棕色脂肪似無用武之地,逐漸被白色脂肪替代。

拜放射氟標定去氧葡萄糖-正子電腦斷層造影 (18F-FDG PET/CT scan) 之賜,成人體內殘存棕色脂肪於 2007-2009 陸續被證實。此儀器利用癌細胞代謝活躍快速消耗葡萄糖特點結合 CT 定位,原用於追蹤癌細胞。醫師與科學家注意到一些癌病友檢測於特定部位(頸部鎖骨、肩胛、延脊椎兩側或橫膈附近)有大量葡萄糖攝入,且組織密度類似脂肪。研究進一步證實:使用交感促進劑相對於不使用或使用交感拮抗劑、冬季相對於夏季、年輕人相對於老人、血糖正常相對於高血糖者、體重正常相對於肥胖者,有較高機率偵測到棕色脂肪。在同樣衣著單薄條件下,室溫約 10% 成人可測得,19°C 有 50% 年輕人可測得,測得機率女性是男性 2 倍──果然女人愛美不怕流鼻水是有根據的。

成人偵測到的棕色脂肪也可能是米色脂肪。此外,大量動物實驗證實轉殖某些基因以增加老鼠米色脂肪(稱為白脂褐化)有助對抗高脂飲食誘發的肥胖並改善代謝,吸引大量科研與藥廠投入開發如何增加棕或米色脂肪細胞。其實要刺激活化(激活)體內殘存的棕或米色細胞並不難,不論直接或間接,活化腎上腺傳訊即可達目的。問題是如何增加人體棕或米色脂肪的量才是科學挑戰,畢竟這涉及細胞分化初始且基因命定,距離應用仍有段長路。

打造有益健康的體脂肪

如前所述,目前還沒有核可藥物可增加棕或米色脂肪量,現有藥物或飲食成分(例如:辣椒素、白藜蘆醇、兒茶素、麻黃鹼與咖啡因)極可能只是激活現有殘存的棕或米色脂肪。

那麼激活棕或米色脂肪是否是減肥良策呢?雖說 40-50 克棕色脂肪可增加 20% (< 400 kcal) 的能量支出,但每個人殘存棕或米色脂肪量差異極大。老人與肥胖者幾無殘存,即便在可測得人群大多只有 10-15 克——CP值似乎比不上人人都有的肌肉。但一個人若能配備有代謝活躍(較高生熱能力)的體脂肪還是很有吸引力的,不僅幫忙燃燒卡路里、也有利高血糖清除、高血清三酸甘油酯清除並提高好膽固醇 HDL。尤其近年一項大型研究證實保有棕色脂肪的胖子比起無棕色脂肪的胖子,各項代謝指標較趨健康。

常處低溫是誘發棕或米色脂肪最自然的方法。確實寒帶戶外工作者有較高的棕色脂肪,但卻不見得瘦。這是因為低溫消耗的熱量也促使他們補充高熱量食物,人體熱量恆定的調控自有其複雜性。雖然運動有助骨骼肌分泌激素促進白脂褐化的研究尚待臨床證實,但下次寒流來襲,可別再裹著毯子坐擁暖氣吃零食,不妨多走出戶外讓身體活動暖和才是。

參考資料

  1. 陳思涵,趙蓓敏。讓脂肪細胞變活躍:白脂褐化的生理意義與應用。台灣營養學會雜誌 2020;44:127-140.
  2. van Marken Lichtenbelt WD, Vanhommerig JW, Smulders NM, et al. Cold-activated brown adipose tissue in healthy men. N Engl J Med 2009;360:1500-1508.
  3. Cypess AM, Lehman S, Williams G, et al. Identification and importance of brown adipose tissue in adult humans. N Engl J Med 2009;360:1509-1517.
  4. Virtanen KA, Lidell ME, Orava J, et al. Functional Brown Adipose Tissue in Healthy Adults. N Engl J Med 2009;360:1518-1525.
  5. Becher T, Palanisamy S, Kramer DJ, et al. Brown adipose tissue is associated with cardiometabolic health. Nat Med 2021;27:58–65.

此文轉載於【ILSI Taiwan 專欄】2021年第1期-你的脂肪組織也能燃燒卡路里?

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