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製作可樂和毒品的天然原料!管制作物「古柯」的馴化起源研究

研之有物│中央研究院_96
・2021/06/11 ・4627字 ・閱讀時間約 9 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

古柯:可口可樂與古柯鹼的原料

古柯(Coca)是什麼?古柯是受到嚴格管制的作物,既可以拿來製造一級毒品古柯鹼(Cocaine),也可以做成大家都愛喝的可口可樂(Coca-Cola)。古柯是南美洲最具文化意義的藥用植物,古印加人將古柯稱為「神聖之葉」,因嚼食葉片會讓人有精神,相關品種的種植歷史已達上千年之久。在這悠遠的歷史中,不禁讓科學家好奇:現今人工種植的古柯都從哪裡來?有沒有單一的起源?還是說不同時空背景下人類各自馴化了不同的古柯呢?一起來看看中研院生物多樣性研究中心的黃仁磐助研究員怎麼說。

人類馴化古柯已超過 8000 年

古柯原產於南美洲,嚼食葉片有提神興奮的作用,人類馴化與種植古柯的歷史,可能已超過 8000 年。現今人工種植的古柯有 4 種,它們從何而來?是只有單一起源,後來傳向各地,衍生出多個品種嗎?又或是不同地點的古柯愛好者,在不同時期獨自馴化了不同的古柯呢?黃仁磐 2021 年 1 月發表於《系統生物學》(Systematic Biology)的論文指出:4 種馴化的古柯經歷過多次的獨立起源。

現在的 4 種古柯經歷過多少次馴化?

黃仁磐在美國的密西根大學取得博士,後來前往芝加哥的菲爾德自然史博物館(Field Museum of Natural History)從事博士後研究,主要的研究對象其實是甲蟲和地衣,之所以會接觸古柯研究,是因為他善於族群遺傳學、分子演化學領域的分析技術,於是一位當時在博物館的博士生 Dawson M White 便邀請黃仁磐合作,一同探討古柯的馴化。

所謂馴化,就是人為挑選野生的植物或動物,經過一代一代培育,將其改造為適應人類特定目的之品系。源自南美洲的馴化植物非常豐富,例如馬鈴薯、蕃薯、花生、可可等等。野生古柯種類很多,多樣性最大的是亞馬遜地區;曾經有學者推論,人為馴化的古柯皆起源自亞馬遜,後來傳播到各地,衍生出各色變化。

人類種植的古柯可分為型態各異的 4 個品種(varieties),原本各有地盤。亞馬遜古柯(Amazonian coca)位於亞馬遜雨林西部,主要是巴西及其鄰國,其餘 3 種都算分佈於安地斯地區。哥倫比亞古柯(Colombian coca)位於南美洲西北部的哥倫比亞;瓦努科古柯(Huánuco coca)位於秘魯和波利維亞海拔較高之處,又稱玻利維亞古柯(Bolivian coca);特魯西優古柯(Trujillo coca )位於秘魯海拔較低處,值得一提的是,可口可樂傳說中的配方,就包含特魯西優古柯的萃取物。

南美洲的古柯分佈圖(不記非法種植區),不同品種對應不同圖示,圖示位置即館藏樣本的紀錄地點,而有標星號的圖示則是少數實地採樣的採集地點。圖中包含 4 種人工種植古柯(亞馬遜古柯、哥倫比亞古柯、特魯西優古柯和瓦努科古柯)以及 2 種野生古柯(Erythroxylum cataractarumErythroxylum gracilipes)。圖/研之有物(資料來源│黃仁磐)

由博物館百年收藏來回答

探討古柯起源最大的問題在於,如今古柯鹼是毋庸置疑的毒品,能用於生產古柯鹼的古柯植物,都受到法規嚴厲管制。另一方面,隨著近期的人為交流和傳播,許多古柯被移植到新的地點,不再限於原本的產地,可能會影響判斷。幸運的是,上述兩個問題,博物館都能解決!

老牌而資源充裕的菲爾德自然史博物館,蒐集各種樣本的歷史超過一百年。大約介於 1920 到 1960 年,博物館收藏不少各地採樣回來、紀錄清楚的古柯。此一年代的採樣,足以代表最近的人為干擾以前,野生與馴化古柯的分佈情形。

生物的親疏遠近,能由不同個體間的 DNA 差異判斷,通常兩者間的親戚關係愈近,彼此的遺傳差異也愈少。黃仁磐的分析對象是博物館收藏的古柯樣本(> 90%)以及少數新採樣本,並從中選出 424 個基因……咦?等一下,為什麼是這個意味不明的數字?

這是因為古柯的遺傳學研究至今不多,科學家仍不清楚它們有多少基因;因此這項研究只著重在這 424 個有足夠了解的基因,分析起來比較方便。

來自菲爾德自然史博物館的特魯西優古柯 (Trujillo Coca) 樣本。
圖/Smithsonian Institution(CC BY-NC-SA 4.0)

古柯馴化可能兩次或三次,反正不只一次

如何回答「不同品種,只有一次或是多次馴化」這問題?首先,畫演化樹。

把 4 款人為種植的馴化古柯,和一大群野生親戚擺在一塊,根據親疏遠近畫出演化樹。假如馴化古柯只有單一起源,和野生親戚相比,它們在遺傳上應該最接近,演化樹上就會被畫在一起;相對地,倘若各地古柯是分別被馴化,它們應該會和各地的野生親戚關係更近,演化樹上將會被歸類到不同分支。

演化樹的結果相當明確,4 款品種都位於不同分支,即使考量到可能有些誤差,也能清楚看出它們不能歸類到同一個共同祖先。由此推論:馴化古柯曾經歷過多次起源。

為方便說明,上圖為簡化過後的古柯樣本演化樹,從樣本的結果來看,4 款人工種植品種都位於不同分支,由此可以知道古柯馴化並非單一起源。圖/研之有物(資料來源│黃仁磐)

為了進一步強化論點,接下來進行模擬。大意是先人為假設不同品種間,各種不同的演化關係,再分別以程式模擬,計算各種關係的機率。獲得結果為,只有一次起源可能性非常低,可以直接排除。

機率最高的可能性,是馴化古柯經過兩次獨立起源;首先從某種野生古柯,衍生出哥倫比亞和特魯西優,後來才又由另一種野生古柯,培育出瓦努科和亞馬遜。

至於經歷三次起源的可能性,模擬所得的機率較低,卻也無法排除。在這個劇本下,野生古柯首先馴化出哥倫比亞和特魯西優,接著另一種野生古柯衍生出瓦努科,最後又一種野生古柯被改造成亞馬遜。這兒的疑惑是,瓦努科和亞馬遜古柯被馴化的年代離現在太近,累積的差異還很少,不太容易分辨。

古柯不同品種演化關係的模擬結果,機率最高的是:馴化古柯經過兩次獨立起源。首先從某種野生古柯,衍生出哥倫比亞和特魯西優,後來才又由另一種野生古柯,培育出瓦努科和亞馬遜。
圖/研之有物(資料來源│黃仁磐)

不過不管怎麼比較,古柯被馴化不只一次,是很明確的結果。各地人為種植的古柯,遺傳上也比較接近附近生長的野生親戚,符合預期。

有趣的是,野生古柯多樣性最高的地方是亞馬遜,但是人為種植的亞馬遜古柯,反而最晚才被馴化;野生種類比較有限的安地斯地區,反倒較早品味到古柯的奧秘。

另一個發現是,某些野生古柯存在和馴化品種一樣的基因變異,應該是由馴化往野生傳播的 DNA 流動所致;相對地,馴化古柯們都沒有見到野生基因。推測原因大概是精心培育的古柯,一旦混進野生成分而影響到風味,就被人類淘汰了。人類真的很嚴格!

用遺傳多樣性喪失,推估馴化開始的時間

探討馴化史,還有個問題是馴化從什麼時候開始?此一問題有不同的回答方法,黃仁磐與 Dawson 的研究是參考「有效族群量」(effective population size)的變化。所謂有效族群量,意思是一個時空之下,參與生殖、繁衍後代的個體總數有多少;此一數值,可以由樣本間的遺傳差異估計。

思路是這樣:人類如果在某個時刻挑選特定的植物培育,刻意一代一代繁衍,不再與野生同類雜交,如此一來,遺傳多樣性將會變得很狹隘。所以只要在歷史上的某個時候,見到有效族群量突然驟減,也就是當時的遺傳多樣性大幅降低,便有機會反映出馴化最初的階段。這項分析再度佐證之前的結果:哥倫比亞和特魯西優最資深,瓦努科較資淺,亞馬遜最年輕。

不過,在這邊要先提醒大家,生物的演化史常常比侷限取樣呈現的更加複雜;短期內族群量驟減,不一定是人類馴化造成,還有氣候轉變不利生存等許多可能因素。回答「什麼時候起源」這類問題時,不能只有單一證據,最好還要參考其他遺傳學分析方法,以及考古學的多重證據,才能得到更為可靠的答案。

想研究各地古柯馴化,除了博物館收藏外,還有些樣本是在南美洲當地採樣。各國法規不同,某些國家不允許本國的樣本出境,有些國家限制則沒那麼嚴格,只要有當地人合作即可。黃仁磐表示,想讓研究順利進行,獲得當地學者的協助不可或缺。

總之,在黃仁磐的有力參與下,第一作者 Dawson M White 順利完成了古柯起源的論文,並發表在知名期刊。

原產於南美洲的古柯樹。圖/Liseth Daniela Martinez Atehortua(CC BY-NC 4.0)

博物館對學術研究的價值

研究古柯,以及在菲爾德自然史博物館數年的體驗,也讓黃仁磐體會到:博物館對學術研究的長期發展相當重要!

科學研究中,材料常常很有價值,沒有好的材料,不容易做出優秀的研究。各種性質的研究單位相比,博物館是最適合定期蒐集、長期保存大量收藏的機構。現在入館收藏的樣本,也許相當長一段時間都只是放著,卻有可能在 50 年、100 年,甚至更久以後發揮價值──探討古柯起源的研究便是如此。因此,博物館除了日常展示、教育的功能以外,也不可忽視其支援學術研究的角色。

博物館除了日常展示、教育的功能以外,也不可忽視其支援學術研究的角色。

然而,假如缺乏足夠的經費與資源,博物館當然無法發揮它應有的價值。黃仁磐提到,在美國的文化氛圍下,許多博物館能夠維持營運,甚至蓬勃發展,除了政府預算之外,靠的是大量私人贊助,例如菲爾德自然史博物館,主要便仰賴民間有力人士的支持。

奉獻學術的風氣興盛,樂於捐款給大學、博物館等研究機構,這也是讓美國科學能蓬勃發展並領先世界的基礎之一,如哈佛大學、芝加哥大學等世界頂級的研究單位都是私立機構。

新的研究方向:量化評估保育政策

回到台灣後,黃仁磐除了鑽研多年的地衣、甲蟲以外,也嘗試新的方向:量化評估保育政策。例如為了保護野生動物,各地成立許多保育區,更在特定地點禁用 LED 燈等措施。然而,種種保育政策也常引起爭議,眾說紛紜。

身為專業的生物科學家,黃仁磐關注的問題是:如何用基因定序的技術來量化政府保育政策的有效性?解決現代問題,需要現代手段,面對現代的保育問題,黃仁磐認為可以利用族群遺傳學的手段評估保育成效。

例如某地的甲蟲,由於人類捕捉,30 年來族群數量下跌,後來 2010 年開始成立保育區保護,經過 10 年復甦的效果如何?假如能夠用族群遺傳學的分析手法,估計甲蟲族群的增減軌跡,將能獲得比較大量客觀的科學證據,評估保育政策的有效性。

此研究方向目前才剛開始,隨著氣候變遷帶來的海拔溫度改變,黃仁磐選擇海拔 1000 ~ 2000 公尺的範圍收集樣本,因為預期這區的棲地會有很大影響,將取樣長臂金龜、鍬形蟲、地衣、蘭花等多種生物,比較同一地點的不同生物,探討保育政策對整個生態系的影響,可望在未來提供保育政策的科學指引。

回到台灣後,黃仁磐除了鑽研多年的地衣、甲蟲以外,也嘗試新的方向,開始利用族群遺傳學來量化評估保育政策。圖/研之有物

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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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