2014年5月28日

拓樸酶現形 抗癌藥改良根基—臺大醫學院生化所詹迺立教授專訪

作者/趙軒翎(科學月刊編輯)

DNA的雙股螺旋為最廣為人知的結構之一,1953年由華生和克里克的解構,也成為結構生物學領域早期成功解出結構的經典範例。另一方面,在同一時期解開蛋白質立體結構的任務也有了新的突破,馬克斯.佩魯茨(Max Perutz)為蛋白質結晶學做了跨時代的貢獻,使得運用X– 射線晶體結構解析技術(X-ray crystallography)解出大分子量蛋白質的結構變為可能。因此佩魯茨的學生約翰.肯德魯(John Kendrew)在1958年解出肌紅素蛋白(myoglobin)的結構,而佩魯茨在隔年也發表血紅蛋白(hemoglobin)的結構。1962年華生、克里克和莫里斯.威爾金斯(Maurice Wilkins)共獲諾貝爾生醫獎時,肯德魯與佩魯茨也於同年成為諾貝爾化學獎的得主。
臺灣大學醫學院生化所詹迺立教授。

臺灣大學醫學院生物化學暨分子生物學研究所的詹迺立教授,就從這段歷史帶我們進入他最熟悉且喜愛的結構生物學領域。詹迺立畢業於愛荷華大學生物化學研究所,他所跟隨的指導教授亞瑟.亞蒙(Arthur Arnone)就曾是佩魯茨的博士後研究員,傳承他X–射線晶體結構解析技術,並持續嘗試解開不同類型與不同狀態下的血紅蛋白結構,以探討血紅蛋白攜帶氧氣的機制。

血紅蛋白是在人體血液中運送氧氣的重要蛋白質,詹迺立說:「血紅蛋白本身就是個很有趣的結構,它會隨著氧的分壓不同改變對氧的親和力,也就是它的結構會變化。」這樣的結構變化,也成為血紅蛋白在肺部可以有效與氧氣結合並在組織中適時將氧氣釋放出來的重要關鍵。

1995年時有一篇血紅蛋白的重要論文出現,科學家發現血紅蛋白不只可以跟氧氣結合,也會跟一氧化氮發生交互作用。血紅蛋白在肺部會結合氧氣和一氧化氮,到達組織時將一氧化氮釋放出來,就可以讓局部的血管舒張,增加組織的血流量,以提供更多的氧氣被組織細胞吸收。

詹迺立隨即投入了血紅蛋白與一氧化氮結合結構的研究,「人家說一氧化氮能跟血紅蛋白作用,我是真的在自己的眼睛前面看到」,詹迺立說,「這真的是一個很重要的時刻,那種高興很難有別的事情可以比得過」。他發現血紅蛋白在到達組織時結構會改變,只是單純移動一個胺基酸,就會使血紅蛋白與一氧化氮結合位置產生變化,造成一氧化氮的釋放。「最有意思的是我不僅直接看到一氧化氮和血紅蛋白的結合,還可以從中推論這個現象的生理意義。」

以化學為基礎 走生物的路
不難從語句中發現詹迺立對於研究的熱情,回過頭去看,更可以發現他相當早就確定自己對於生物的喜愛,並全心全意投入與追求相關知識。

詹迺立描述他小時候住在新竹郊區,時常在外頭玩耍,自然而然接觸到生態、生物因而產生興趣。高三生物課時開始從分子層次切入生物學,對於詹迺立來說等於換了一個角度來看他喜歡的生物。此外,加上當時一些科普雜誌陸陸續續出現分子生物相關的文章,「我記得我高中的時候就開始訂《牛頓》,就有一期在介紹分子生物學;而周成功老師和陳文盛老師那時候在《科學月刊》中有一個專欄,長期在談分子生物,他們的文章讓我覺得這門學問非常有趣」,因而成為他確定要從微觀的角度看生命現象的發端。

進入臺大動物系後詹迺立卻意識到,若和大部分的同學一樣,都是以學習生物為主,較難走出自己的獨特性。「再加上早期的分子生物學家大多都是物理或是化學背景的,讓我決定走到比較基礎的學科」,在他更加確定要加強自己的化學背景後,他在大一暑假轉到化學系。轉系後的詹迺立卻一點都沒有放棄生物,反而更積極的在修習相關課程。「我到醫學院去修生理,跑回動物系修分子生物學、酵素學,在物理系修生物物理,還旁聽了一些其他生物相關課程」。讓人不得不佩服他的求知若渴,以及積極的態度。就連大四同學們都在準備國內研究所考試,無暇修多餘的課程時,他寧可將時間用在多修一點感興趣的課程,也不願為了考試回去死背已經念過的書,因而決定申請國外研究所。

回想美國愛荷華大學亞蒙教授在自己博士班時的指導,詹迺立說,「他真的在結晶學上教我很多」。由於傳承佩魯茨教授的X– 射線晶體結構解析技術,亞蒙教授對於學生的要求也相當高,兢兢業業深怕砸了佩魯茨的招牌。「那時候都是老師親自帶我們做蛋白質結晶學的實驗」,每一個實做的技巧都是老師的經驗,「他都會一步一步帶著學生做,不管是晚上或周末」。

詹迺立回想,有一回亞蒙教授帶著他做實驗,突然電話響了,只聽到老師對著話筒沉默了一陣子後說了一句「我很抱歉,我會盡早趕回去」。詹迺立心裡想應該是師母打來催促老師回家,但老師卻仍然堅持又陪他做了兩個小時的實驗才回去。詹迺立心中對於老師願意花時間費心陪伴、教導,心裡真的很感激。

從拓樸異構酶到抗癌藥物作用機制
從美國回到臺灣建立實驗室的詹迺立,並沒有把血紅蛋白的題目直接帶回來做,反倒是選擇了一個更新的結構。當時血紅蛋白已經做了40年左右,已經不是個新鮮的題目,再加上以往做血紅蛋白的團隊領導人們漸漸退休,在臺灣也沒有團隊能合作,他直言「都要自己做實在是太難了」。最後他選擇的是複雜度更高、且由旅美臺灣生化學家王倬所發現的「拓樸異構酶」(topoisomerase)作為研究主題。這個蛋白質在人體內扮演幫DNA「解鎖」的角色,它能斷開並解開纏繞的DNA結構,再將DNA接合回去。DNA在細胞中會自然相互纏繞維持緊密的結構,但若細胞在分裂時,這些纏繞的DNA沒有拓樸異構酶的幫助,很容易會被硬拉而斷裂,造成DNA損壞或細胞死亡。

「當時在做博士後的時候,剛好有機會做一點拓樸異構酶的研究,那時就看了很多相關資料,它跟血紅蛋白比起來,在醫學上既是許多抗癌藥物和抗生素的作用標的,而在結構上變化又很複雜,所以就把它當作我開始建立實驗室的其中一個方向。」

近幾年來,詹迺立教授的團隊最亮眼的研究成果,莫過於2011年團隊發表抗癌藥物滅必治(etoposide)、第二型拓樸異構酶與DNA形成之三重複合體的結構,讓抗癌藥物滅必治的作用機制更清楚,也被譽為抗癌藥物研發的新里程碑。

抗癌藥物滅必治主要用以治療肺癌、淋巴癌、軟巢癌和睪丸癌等癌症,以往只知道它能抑制第二型拓樸異構酶的作用,進而殺死癌細胞,但詳細的機轉卻缺乏結構上的直接證據。

「要做藥物、拓樸異構酶和DNA三者交互作用的結構,最需要克服的問題就是拓樸異構酶與DNA結合的序列專一性並不好,它只要看到有DNA打結就會去把結解開」,詹迺立說。拓樸異構酶若沒有辦法辨認單一特定的序列,與DNA結合的位置多,會成為解結構上一個很大的障礙,「好的晶體需要每個組成分子都長得一樣而且很規則的排列,樣本不純就無法形成晶體,這就是結晶會不會成功的關鍵。」
DNA、第二型拓樸異構酶與抗癌藥物滅必治三重複結構圖。
圖中第二型拓樸異構酶僅顯示部分結構。(詹迺立提供)

第二型拓樸異構酶可切斷DNA兩股,讓DNA產生一個缺口,藉此解開DNA相互纏繞的結構。在正常的情況下,DNA雙股的缺口會重新黏合,但是當抗癌藥物滅必治作用時,藥物會插入DNA雙股的缺口中,造成第二型拓樸異構酶沒有辦法將DNA重新黏合。斷裂的DNA會造成細胞死亡,因而可以殺死癌細胞。不過目前的滅必治藥物不只可以作用在癌細胞中被大量表達的拓樸異構酶亞型(α亞型),也會影響正常細胞中的酵素亞型(β亞型),因此會產生嚴重的副作用。未來希望能設計出對於α亞型具有專一性的新型藥物,以降低癌症化療時的副作用,並增進治療效果。

「這個研究會做出來其實是我博士班學生吳權娟的功勞。」吳權娟成功的設計出讓拓樸異構酶只能切割單一位置的序列,進而讓團隊得到單一複合體,順利得到晶體。「她設計的序列非常非常好,之後我們只對實驗條件進行了一些小修飾,就把晶體做出來了」詹迺立教授不僅對於研究成果不居功,對於這位博士班學生更是讚譽有加。

詹迺立團隊這次的研究成果,指出了抗癌藥物滅必治在第二型拓樸異構酶切斷DNA之後,插入在斷裂的DNA鹼基對之間,讓DNA無法再接合回去,造成細胞的死亡。了解這個結構後,當未來發現病患在使用藥物出現抗藥性,可以透過檢測結構來討論抗藥性突變如何影響酵素與藥物的交互作用,因此可嘗試設計新的藥物來因應。......【更詳細的內容,請參閱第534期科學月刊】

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