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隨著交通工具傳播的物種——擴散的生態危機│環球科學札記(30)

張之傑_96
・2021/06/09 ・2232字 ・閱讀時間約 4 分鐘
  • 作者 / 張之傑

六月一日,吃過午餐到八樓散步,在星光廳外看到一隻小鳥,應該是停靠聖米格爾島時從八樓或九樓舷門飛進來的。我想把牠抓住,牠有氣無力地飛進星光廳的沙發椅底下躲起來。我們繞了一圈回到星光廳,看到一位日本婦人手捧著小鳥,另一人跟在後頭,連說tori(鳥)。日本婦人打開舷門,把小鳥放在甲板上放生。小鳥飛翔能力有限,沒能力飛回陸地。牠又是食蟲的(嘴巴是尖的),船上沒有蟲子吃,終究是死路一條。

嘴巴是尖的食蟲鳥很難在船上生存。圖/Giphy

此行在我們房間(7060室)發現過兩次蒼蠅,一次蚊子。我們上船時,已消過毒,蒼蠅、蚊子和那隻小鳥一樣,都是停靠港口時飛進來的。我們住的七樓沒有舷門,八樓和九樓有舷門,平時關得緊緊的。我們靠港時大多經由四樓舷門下船,而且在最後回船時刻之前,四樓舷門一直開著。蒼蠅、蚊子通常低飛,所以很可能是從四樓舷門飛進來的。至於那隻小鳥,可能隨著人們出入,從八樓或九樓舷門飛進船內。

如果以上推論正確,也就是蒼蠅和蚊子是從四樓舷門飛進船內的,那麼要飛進七樓的7060室仍得大費周章。可能經由樓梯間飛到七樓,也可能飛進電梯來到七樓。七樓有兩大排艙房,管家打掃房間時門開著,可能就那麼湊巧,當管家打掃7060室時趁機混了進來。當然啦,也可能是我們出入時跟著飛進來的。

從我們住的7060室就打死過兩隻蒼蠅、一隻蚊子來看,靠港時飛進來的蒼蠅、蚊子應該不少。船隻靠港時或運送貨物時,動物溜上船或被帶上船,這類事司空見慣。當年我帶學生到基隆八斗子採集,親眼看到老鼠沿著纜繩爬進漁船。

演化生物學有項基本理論——同源,意思是說,同一物種不可能有兩個起源地。舉例來說,人們咸信家貓(Felis catus)由野貓(F. silvestris)馴化而成,但野貓有若干亞種,近年經由基因分析,家貓的基因和中東亞種一致,意味著家貓起源於單一地區,即約一萬年前的肥沃月彎。

二○○四年,科學家在賽普魯斯發現一處約九五○○年前的墓葬,一旁有座小墳,其內有隻貓咪的骨骸。貓不是地中海地區原生動物,所以一定是隨著人類搭船來的,或許就是來自比鄰的地中海東岸地區。這一發現也和家貓源自中東一致。

如今常見的兩種蟑螂——美洲蟑螂(Periplaneta americana)和德國蟑螂(Blattella germanica),其實源自非洲,十六世紀隨著船隻進入美洲,現已分佈世界各地。之所以冠名美洲和德國,和冠名標本(模式標本)的採集地或來源有關。這和原產中國的山茶花(Camellia japonica)的情形類似,七世紀傳到日本,十七世紀從日本傳到歐洲,遂令歐洲人以為是日本原產的。

近年常有火蟻的新聞,最新一則為二○二○年三月十一日,台北市圓山兒童樂園舊址發生火蟻咬人事件。火蟻原產南美洲,一九三○年代侵入美國南方,其後隨著貨櫃四處傳播,二○○三年在桃園機場周邊出現,現已分佈至嘉義、新竹、新北市及台北市等地,被農委會列入十大外來入侵物種之一。火蟻咬人極其疼痛,少數人甚至有昏迷、暈眩現象。火蟻還會侵害土棲動物,危害嚴重地區常造成蚯蚓及本土螞蟻滅絕。

農地上的火蟻蟻丘。美國農業部發佈圖片。圖/Wikipedia

大虎頭蜂(Vespa mandarinia)侵入歐洲是另一個例子。大虎頭蜂分布東亞溫帶及亞熱帶地區,是世界上最大的胡蜂。二○○五年隨著從東亞進口的陶器中進入法國(大虎頭蜂喜歡在地下坑洞中築巢,生境和陶器相似,有些就在陶器內營巢),十年後已蔓延西歐各地,破壞了當地的生態平衡,對養蜂業危害尤甚。

大虎頭蜂以昆蟲為食,經常攻擊蜂巢,牠們對東方蜜蜂(Apis cerana)的危害不大,這是因為東方蜜蜂已演化出一種防衛機制,集合起來把入侵者裹成蜂球,使裹在其中的大虎頭蜂熱死。西方蜜蜂(A. mellifera)沒有這樣的防衛機制,一窩大虎頭蜂平均可以摧毀五個蜂巢!檢測各地大虎頭蜂的基因,其實是少數幾隻蜂后的後代。

大虎頭蜂原分佈東亞,現已散播至歐洲,對歐洲養蜂業造成重大為害。圖為其蜂后。Yasunori Koide攝。圖/Wikipedia

蘋果蠹蛾(Cydia pomonella)也是個例子。媒體常有從美國進口的蘋果又檢出蘋果蠹蛾幼蟲,防檢疫局已全數銷毀,並暫緩核准進口云云。蘋果蠹蛾是世界上最嚴重的蛀果害蟲之一,一九九五年列為我國十六大害蟲名單。成蟲通常將卵產在果實表皮或果實附近葉片上,孵化的幼蟲尋找適當蛀入點侵入果實蛀食,造成落果,或果實品質低劣,無法食用。果園一旦遭到入侵,被害率可達百分之九十以上。所幸因防治得法,目前尚未造成危害。

船隻為了維持空載時的穩定度,常汲取海水注入船艙,稱為壓艙水。當壓艙水排放時,水中的生物就會移到另一個地區,影響當地的生態系統。舉例來說,我們吃的長牡蠣(Crassostrea gigas)原產西太平洋海域,但隨著壓艙水已分佈到南北美洲、歐洲、澳洲、紐西蘭及非洲。在丹麥,已排擠當地原產牡蠣,造成生態危機。

關於隨著交通工具傳播的物種,我個人有個經驗。約十年前,我從敦煌買回一些葡萄乾,回家後裝在玻璃罐裡。一天發現罐子裡有隻蛾,正在撲弄著翅膀,我把牠放了。隨即想到外來物種問題,如果再孵化出一隻,而且和前一隻是一公一母,豈不惹出禍事!我把買回的葡萄乾放在微波爐裡加熱,殺死可能藏在裡面的蛹,那放出去的一隻孤寡一人,已不足為害。


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張之傑,字百器,出入文理,著述多樣,其中以科普和科學史較為人知。


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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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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook