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【2003 諾貝爾化學獎】細胞膜的分子通道

諾貝爾化學獎譯文_96
・2022/06/03 ・4659字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文轉載自諾貝爾化學獎專題系列,原文為《【2003 諾貝爾化學獎】細胞膜的分子通道

  • 譯者/蔡蘊明|台大化學系名譽教授

譯者前言:今年的諾貝爾化學獎頒給了兩位醫生,或許有些奇怪,然而仔細的去瞭解他們所做的工作就會發現,其實他們的研究已經深入到了原子的層次,那不是化學又會是什麼呢!這其實也告訴了眾多對生命科學有興趣的年輕人,其實真正精采的還是在這個化學的層次。考慮加入我們吧。

所有的生命體都是由細胞所構成,一個人身上所擁有的細胞數目就好像銀河中的星星一般,約有上千億個,在每一個人身上,例如肌肉,腎臟與神經等不同的細胞,聯合的運作而形成一個精密的系統。透過他們有關細胞中水與離子通道的開創性發現,今年的化學諾貝爾獎得主, Peter Agre 與 Roderick MacKinnon,在增進瞭解細胞如何運作的基礎化學知識方面,有重要的貢獻。他們讓大家看到一個精采的分子機器家族:通道、閘門與活栓,這些元件是細胞功能所必須的。

通過細胞膜的分子通道

為了維持細胞內外壓力的平衡,讓水能通過細胞膜是非常重要的,這是早為大家所熟知的。然而這種通道的形狀與功能,卻成為生物化學中一個典型的久未解開的問題,一直等到約 1990 年 Peter Agre 發現了第一個水的通道,就如同細胞中許多其它功能所需一般,都是由於一個蛋白質。

水分子並非唯一能進出細胞的分子,為了讓成千上萬的細胞成功的運作而非聚集在一起的肉塊而已,協調是很重要的,因此細胞之間必須溝通,而細胞之間的訊號傳遞則是靠著離子或是一些小分子,由此導致一系列的化學反應,造成我們的肌肉緊繃,眼睛濕潤 ─ 實際上包括了整個身體的運作。在我們腦部的訊號亦與這些化學反應有關。當我們弄斷了一個腳趾時,一個訊號就會上傳至腦部,透過一連串的神經細胞以及化學訊號及離子的流動,訊息就好像接力賽的棒子般在細胞間傳遞。

在 1998 年 Roderick MacKinnon 第一次成功的展示了離子通道在原子的層次到底長的是什麼樣子 ─ 這個成就加上 Agre 的水通道之發現,打開了生化與生物學中一個嶄新的研究領域。

Agre 與 MacKinnon 的發現在醫學上的貢獻也是很重要的,有一些疾病的成因就是因為水與離子的通道不能流暢的運作有關。隨著逐漸的瞭解這些通道的長相以及它們如何運作,我們就有機會發展更新更有效率的藥物。

水通道

搜尋水通道

早在 19 世紀中葉,人們就知道細胞一定有一個管道讓水與鹽類流通。在 1950 年代中期,發現有一個只能讓水分子迅速進出細胞的通道存在,在這之後的三十年間,透過詳細的研究,結論是一定有某種選擇性的過濾裝置能阻斷離子通過細胞膜,但卻能讓中性的水分子自由通過,而且每秒鐘有成千上萬的水分子通過一個單一的通道!

雖然知道這些,但一直等到 1992 年都尚無人能指出這個分子機器到底長相如何;換言之,就是能找到一個或多個蛋白質所構成的真正通道。在 1980 年代中期,Peter Agre 研究紅血球細胞上的各種細胞膜蛋白質(插在細胞膜上),他也在腎臟中發現一個同類型的蛋白質,在解開了這個蛋白質的序列以及相對應的 DNA 序列之後,他體認到這一定就是在他之前的眾多學者所搜尋的那個蛋白質:細胞的水通道。

Agre 利用一個簡單的實驗(圖 1)來測試他的假設,在此實驗中,他比較含有此膜蛋白與不含此膜蛋白的細胞,當這些細胞放入水中時,那些含有此膜蛋白的細胞因為滲透壓之故會吸收水分而漲大,而那些沒有此膜蛋白者則聞風不動。Agre 又利用一種稱為 liposome 的人造細胞來測試,那是一種內外都是水的一種肥皂泡泡,他發現當此肥皂泡的膜上植有此膜蛋白時,水就可以自由進出。

(圖 1)Agre 在含有 aquaporin 與不含 aquaporin 的細胞所做的實驗。要有 aquaporin 在細胞上才能吸水而脹大。

由於 Agre 知道汞離子會阻礙細胞吸收及釋放水,因此他也證明了這個他所發現能控制水進出細胞的蛋白質,也會因為汞離子的存在而無法讓水通過。這使得他更確定這個蛋白質就是真正的水通道,他命其名為 aquaporin,即"水洞"之意。

一個結構與功能的問題:水通道如何運作?

在 2000 年,透過與其他研究團隊的合作,Agre 發表了一個 aquaporin 的高解析度 3D 圖像,藉這這些數據,就能按圖索驥,仔細的描繪出一個水通道是如何運作的(圖 2)。為何它只讓水通過而不讓其它的分子或離子放行?例如細胞膜是不允許質子(H+)滲漏的,這點非常重要,因為細胞就是靠著內外質子濃度的差異來維持細胞能量儲存的系統。

(圖 2)水分子通過 aquaporin AQP2 。由於通道中心的正電荷,如 H3O+ 般帶正電荷的離子會被驅逐,這可避免質子的滲漏。

選擇性是這個通道的主要性質,水分子必須順著由構成通道壁的原子所形成的電場方向,鑽過一個狹窄的通道,質子(或應稱之為 oxonium 離子,H3O+)將會在中途因為其所帶的正電荷而被驅逐。

水通道在醫學上的重要性

在過去十年裡,水通道已發展成為一個不斷被討論的研究領域。大家發現 aquaporin 是屬於一個蛋白質大家族的成員,它們存在於細菌與動植物中;僅在人體就發現至少有七種不同的變體。

這些蛋白質在細菌與動植物中的功能正被勘測中,特別集中在企圖瞭解它們在生理上扮演的角色。在人體的各組織中,水通道在腎臟扮演了重要的角色。

腎臟是一個人體用來排除廢棄物的精巧裝置,在它做為篩子用的線圈中(稱為絲球體),水、離子與其它的小分子與血液分離成為所謂的初尿,在 24 小時中,約生成 170公升的初尿,其中大部分透過一系列靈巧的機制被重新吸收,最終每日產生約 1 公升的尿排出體外。

初尿通過絲球體後繼續通過一個彎管,在其中約 70% 的水通過 aquaporin AQP1 而被重新吸收回血液中,在此管的末端,另外 10% 的水通過另一個類似的 aquaporin AQP2 而被吸收。除此之外,鈉、鉀與氯離子亦被吸收回血液中。抑制尿分泌荷爾蒙(vasopressin)的功能,是促進 AQP2 傳送到腎管壁的細胞膜,因此增加了初尿中水的回收,如果一個人缺乏這種荷爾蒙,將會得到一種稱為 diabetes insipidus 的疾病,每天產生10-15 公升的尿。

離子通道

鹽類產生的細胞訊號

第一個物理化學家奧斯華(Wilhelm Ostwald , 1909 年諾貝爾化學獎)在 1890 年就認為在活體組織中所量到的電流訊號,應該是來自於離子透過細胞的進出,這個電化學的想法很快的廣為接受。到了 1920 年代,又興起了一種看法,認為有某種狹窄的離子通道存在,有兩位英國的學者 Alan Hodgkin 與 Andrew Huxley 在 1950 年代初期得到了一項重大的突破,因此得到了 1963 年的諾貝爾醫學獎,他們的研究顯示,透過神經細胞膜的離子傳輸,所產生的訊號可透過一個個神經細胞,以接力賽的方式傳遞,這些反應裡面最主要的角色就是鈉離子(Na+)與鉀離子(K+)。

這也就是說,早在 50 年前就已經充分瞭解了離子通道的主要功能,這些通道必須選擇性的只讓一種離子通過,同樣的這些通道也必須有能力打開、關閉或只讓離子往一個方向流動。然而這個分子機器到底真正是如何運作的,卻長久以來一直是個謎團。

選擇性的離子通道

在 1970 年代的研究就已顯示,離子通道只能讓某些離子通過,是因為它裝有某種"離子過濾器"。特別有趣的是,雖然鈉離子比鉀離子要小,卻發現有一種通道只能讓鉀離子通過,卻不會讓鈉離子通過。猜測這可能是由於蛋白質中的氧原子們扮演了一個重要的"取代角色",取代了原先溶於水中的鉀離子周圍所包的水分子層,當鉀離子要進入通道中,必須先脫離這個水層的包圍。

但是進一部要證實這個猜測卻很困難,因為真正需要做的是需取得只有 X-射線晶體繞射才能得到的清楚圖像,問題是運用這種方式去解膜蛋白的結構是非常困難的,當然要去解鉀離子通道的結構也不會例外。動植物的膜蛋白比細菌中者要更複雜而更難研究,但是藉著與人類離子通道非常類似的細菌通道蛋白質之研究,或許能提供進一步的瞭解。

許多研究人員在這個方面的努力均無功而返,可是卻在另一個方向的研究中意外的得到了突破。 Roderick MacKinnon 在修完生化的學位後,轉入了醫學的領域,成為一個合格的醫師。在成為醫師之後若干年,他開始對離子通道產生極高的興趣,並開始了這方面的研究。他自承"我的研究生涯從 30 歲才開始",不過他的研究卻快速的起飛。由於體認到要瞭解離子通道如何運作,必須要有更好而且更高解析度的結構圖像,他決定從最基本的 X-射線結晶學開始學起,在短短的數年之後,他提出了一個清楚的離子通道圖像而震撼了整個學界,這個重要的事件正是發生在 1998 年的一個四月天。

(圖 3)離子通道只允許鉀離子通過而非鈉離子。在過濾器中的氧原子形成的環境與過濾器外的水中環境類似。細胞也可以透過閘門控制通道的開啟與關閉。

第一個被圖解的離子通道

在 1998 年 MacKinnon 所決定的第一個高解析度的離子通道結構稱為 KcsA,乃是由一個稱為 Streptomyces liridans 的菌株得到的。 MacKinnon 第一次展示了在原子的層次,一個離子通道是如何運作的,那個只允許鉀離子通過而拒絕鈉離子的離子過濾器,現在可以仔細的去研究,他不僅能弄清楚離子如何通過這個通道,其實在其晶體結構中甚至於可看到正在通道前被水包圍著的離子,在過濾器之中的離子,以及離開過濾器的離子,水是如何的來迎接它們(圖 3)。 MacKinnon 也能解釋為何是鉀離子而非鈉離子被允許通過此過濾器,說穿了,這主要是由於鉀離子在過濾器中,周圍所圍繞的氧原子之位置,與在外面被水分子包圍著時,水分子的氧原子之位置是相同的,但是對較小的鈉離子而言,它在過濾器中與氧原子的相對位置,就無法與在水中時一樣(圖 4),因此就較喜歡留在水中(因為有較佳的水合能)。這種能讓鉀離子脫離水層,通過通道而且不損失能量的做法,屬於一種所謂選擇性催化的離子傳輸。

圖 4. 上方為通道外,離子被一層水分子包圍著。下方為通道內,由於鈉離子太小,而與氧原子形成的孔洞不能搭配,造成了鈉離子因為能量的原因不願進入。

細胞也需要能控制通道的開啟與關閉, MacKinnon 也說明了這是藉著一個通道下方的閘門,這個閘門可開啟或關閉一個分子"感知器",這個感知器就在門的附近。不同的感知器會回應於不同的訊號,例如,鈣離子濃度的增加,或一個細胞膜兩邊的電壓差異,或與某種訊息分子的螫合,藉著不同的感知器與離子通道的連接,大自然創造了能回應於眾多不同訊號的各種通道。

瞭解疾病

膜上的通道是所有生命體的基本要件,由於此,增加對它們的認識就成為瞭解許多疾病狀態的重要基礎。各種不同的脫水現象,以及對熱的敏感度,就與 aquaporin 的效率有關;例如最近幾年歐洲的熱浪,導致了許多的死亡,這些死亡,有部分是歸諸於無法保持體液的平衡,在這些過程中 aquaporin 是非常重要的。

離子通道的功能一但受到干擾,就會導致神經系統方面的疾病,以及肌肉,例如心肌,方面的問題,這使得離子通道成為一個製藥界開發新藥的重要目標。

參考資料

這份文章是譯自諾貝爾獎委員會公佈給大眾的閱讀資料:

http://www.nobel.se/chemistry/laureates/2003/public.html

有意進一步的瞭解就得詳讀以下資訊:

http://www.nobel.se/chemistry/laureates/2003/public.html


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「諾貝爾化學獎專題」系列文章,為臺大化學系名譽教授蔡蘊明等譯者,依諾貝爾化學獎委員會的新聞稿編譯而成。泛科學獲得蔡蘊明老師授權,將多年來的編譯文章收錄於此。 原文請參見:諾貝爾化學獎專題系列


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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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