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蛋白質的死亡之吻

人體內的蛋白質時時刻刻都在進行新陳代謝,一旦代謝失常,疾病就會產生,了解蛋白質降解的機制,就有可能導正異常的代謝,且讓我們由蛋白質的死亡之吻,來了解它的代謝過程。
 
 
 
蛋白質是基因的產物,被視為組成生命的基本材料。對任何生物體而言,蛋白質的生老病死都是非常重要的。迄今,關於蛋白質如何「誕生」的研究,成果相當多,至少有3次諾貝爾化學獎授予從事這方面研究的科學家。

例如美國加州的鮑林(Linus Carl Pauling)根據X射線繞射及電子繞射,闡明原子與分子鍵的結構,把化學鍵體系化,這些成就使他得到了1954年的諾貝爾化學獎。桑格(Frederick Sanger),一位英國劍橋大學的學者,發明了訂定鏈狀蛋白質分子末端的方法-二硝基苯法(dinitrophenyl method,DNP法),對於蛋白質結構的研究有卓越的貢獻,因此獲頒1958年的諾貝爾化學獎。

裴路茲(Max Ferdinand Perutz)和肯德魯(John Cowdery Kendrew)也是英國劍橋大學的學者,致力於定出整個蛋白質分子的形狀。他們選擇肌紅素蛋白為對象,以X射線繞射研究它的形狀,發現它的聚胜肽 鏈本身會折疊成不規則狀,證明蛋白質除了彼此胺基酸序列不同外,它們的三度空間結構也會為了符合其生物功能而有所不同。以肌紅素蛋白為例,它的折疊就是為了能和氧氣充分結合。裴路茲和肯德魯兩人的球狀蛋白結構研究成果,使他們共同獲得了1962年的諾貝爾化學獎。

雖然蛋白質如何生成及其結構與功能的關係被研究的相當透徹,但關於蛋白質如何「死亡」的研究卻相對地少之又少。2004年的諾貝爾化學獎,表彰的就是這方面的突破性工作。

瑞典皇家科學院諾貝爾獎評審委員會在2004年10月6日宣布,由3位蛋白質化學專家,分別來自以色列工學院的兩位生化學家傑哈諾佛(Aaron Ciechanover)與賀希科(Avram Hershko),以及美國科學家羅斯(Irwin Rose)3人共同獲頒2004年的諾貝爾化學獎,以表彰他們揭開了一個關於蛋白質「死亡之吻」的祕密-由泛素(ubiquitin)主導的蛋白質降解機制。 
 
這項研究主要是探討人體如何挑出有害的蛋白質並加以破壞,指明了蛋白質降解研究的目標是如何保護自身不受疾病的侵襲。這項對蛋白質研究的特殊貢獻,使傑哈諾佛對媒體發表獲獎感言時說:「我為我自己和我的國家感到驕傲。」

傑哈諾佛現年57歲,是3位科學家中最年輕的,1947年出生在以色列的海法市,1976~1981年間在賀希科指導下攻讀醫學博士學位,曾在麻省理工學院從事研究,後返回以色列工學院任教,目前在這所工學院的醫學科技研究所擔任所長。賀希科生於1937年,現年67歲,他是出生在匈牙利考爾曹格的猶太裔人,13歲時移民以色列,1969年在耶路撒冷的希伯來大學獲得醫學博士學位,曾在舊金山加州大學從事研究,1972年起在以色列工學院任教,此後一直與傑哈諾佛在以色列工學院共事。

羅斯今年已經78歲,27歲時在芝加哥大學獲得博士學位,曾經主持位於美國費城的福克斯.蔡斯癌症研究中心,目前在加州大學爾灣分校生理生物物理學系擔任教授。20世紀70到80年代間,傑哈諾佛與賀希科曾在羅斯主持的福克斯.蔡斯癌症研究中心做訪問研究。這段期間是他們研究泛素的主要時期,他們聯名發表了一系列論文,揭示了泛素調節的蛋白質降解機理,指明了蛋白質降解研究的方向。

自1953年以來,大部分生物醫學研究以分子生物學為主流,專注於DNA如何產生蛋白質。相對之下,對於蛋白質如何被分解的機制則不甚清楚。泛素的發現,不僅推翻先前認為蛋白質分解過程無法調控的說法,並證明分解過程是一相當縝密的機制,若它的功能失當也會導致許多疾病。3位學者合力揭開泛素的奧祕,更打開一扇研究新領域的大門。傑哈諾佛說:「我們發現了人體的品質處理機制。」

死亡之吻–泛素的發現

蛋白質的分解過程,控制的非常精細,要被摧毀的蛋白質被黏貼上一個聚合物,名為「泛素」是關鍵性的介導物質,它會緊黏著將被分解的蛋白質,諾貝爾頌詞形容它是「死亡之吻」。接著,這些被吻上的蛋白質會通過細胞的「蛋白質分解體」,它專門負責把受損或短期性的蛋白質加以分解,再循環利用,如同細胞的「資源回收廠」,依據泛素釋出的訊號,讓蛋白質分解體分辨出需要處理的蛋白質。賀希科等人以及其他科學家隨後的研究,進一步闡明了蛋白質降解的生物化學機制。

早在1942年,科學家就發現了蛋白質分子的降解現象,賀希科就是早期探索者之一。賀希科於60年代初期,就對細胞內蛋白質如何被分解感到相當好奇,也注意到細胞內蛋白質的分解需要能量。為了探索這個原因,1971年,他到湯姆金斯的研究室進行博士後研究,專門研究能量對蛋白質分子降解的作用。

當時科學家相信細胞內有多種分解蛋白質的機制,但僅知溶酶體需要腺苷三磷酸(ATP)所含的能量以執行分解的任務,除此之外的方式則不清楚。於是賀希科從不含溶酶體的未成熟紅血球著手,希望從細胞萃取液中分離出和蛋白質分解有關的酵素或因子。

1975年,高斯登等人首先發現在許多真核生物體細胞中,都包含一種由76個胺基酸所組成的蛋白質,並根據這種蛋白質普遍存在的特性,把它命名為「ubiquitin」(取拉丁字首ubiquitous到處存在的意義),也就是泛素。1977年,傑哈諾佛加入賀希科的實驗室,以放射性同位素標定的蛋白質為受質,從萃取液中發現至少超過1種以上的因子參與蛋白質的分解。

在歷經無數的實驗失敗後,1978年傑哈諾佛與賀希科共同前往位於費城的福克斯.蔡斯癌症研究中心,和當時主持這個研究中心的羅斯一起進行這方面的研究。在這期間賀希科突然靈機一動,發現這種蛋白經加熱處理後仍能溶解且具活性,利用這項熱穩定特性,終於分離出蛋白質,它的分子量約9,000道爾頓,命名為APF-1(ATP-dependent proteolysis factor 1),也就是需要ATP才能分解蛋白質的因子。

APF-1會利用ATP所含的高能以共價鍵結的方式修飾某些蛋白質,這舉動相當於在被修飾的蛋白質上烙印一個死亡記號,這些被吻上記號的蛋白質會被送到特定的胞器中進行分解。這因子爾後被威爾金森等人證明和泛素是同一物質。

蛋白質的降解機制

APF-1與泛素事實上是同一個蛋白質,這項研究也開啟了細胞生化新顯學–泛素調控蛋白質降解機制的研究。從1981~1983年間,賀希科等3位蛋白質化學專家又進一步分離及鑑定出泛素活化酶E1、泛素接合酶E2、和泛素連接酶E3,而科學家目前已知哺乳類細胞含有數種E1、數十種E2、以及數百種E3酵素。這3類酵素就是在細胞裡扮演把泛素共價鍵結到特定蛋白質上的實質角色,這也奠定了他們贏得諾貝爾桂冠的契機。

究竟蛋白質降解過程是怎樣進行的?原來細胞會向將要被摧毀的「目標」蛋白質,派出一種名為「泛素」的分子進行「死亡之吻」,被「吻」上的蛋白質接著被押赴名為「蛋白質分解體」的「刑場」,在那裡被支解。他們發現了蛋白質分解體,令科學家大感意外,因為這證明降解過程並非以往想像的不分青紅皂白,而是一個有原則的「品質控制」過程。

這個機制由四個步驟形成一個循環,第一個步驟是活化泛素,首先E1分解ATP得到能量後,E1上的半胱胺酸會和泛素C端上的甘胺酸形成一高能量的硫酯鍵,以活化泛素。

第二步驟是泛素與目標蛋白質接合,接續上個步驟,E1接著把泛素傳遞到E2上,然後E3再結合E2和目標蛋白質,在這步驟中E2可以催化泛素和目標蛋白質的結合,而E3可以把泛素正確地接在欲分解的目標蛋白質上。因此決定細胞內哪一個蛋白質將被分解的主要因子是E3,而非蛋白質分解體。第一和第二步驟反覆進行數次,直到目標蛋白質上結合一個由泛素聚合成的短鏈聚泛素。

第三步驟是蛋白質降解,被泛素標定的目標蛋白質會被送入蛋白質分解體中進行蛋白質降解,把它分解成許多的胜肽片段。最後一個步驟是泛素分解,在這個步驟中,先前用來標定目標蛋白質所形成的聚泛素,會被泛素分解酶分解並回收再利用。以上實驗都在酵母菌細胞中進行。賀希科更研發免疫化學方式,利用泛素的抗體,能從細胞中分離被貼上泛素標籤的蛋白,證明細胞內分解蛋白質的機制確實是一種利用泛素的系統。

由於泛素作用系統的調控因子頗多,因此,參與調控的各種細胞功能也極為廣泛,包括基因的轉錄調控、DNA的修護、受體調節、蛋白質的新陳代謝、蛋白質的品質控制、信號傳遞、免疫與發炎反應的機能、以及細胞周期等;此外,與計畫性細胞凋亡也有極大的關聯。各種不同模式的生物研究結果也顯示這系統的重要性,例如有些人類疾病,如纖維性囊腫、癌症、以及免疫系統的異常等,都與泛素的調節失常有很大的關係。

許多研究證實,這種泛素調節的蛋白質降解作用在生物體中非常重要。它如同一位品質監督員,細胞中合成的蛋白質品質有好有壞,經過它的嚴格把關,通常有30%新合成的蛋白質沒有通過品質檢驗,而被銷毀。但是,如果它把關不嚴,就會使一些不合格的蛋白質蒙混過關,如果把關過嚴,又會使合格的蛋白質供不應求,過與不及都會使生物體出現一系列的問題。

泛素調節的重要性

細胞凋亡是正常細胞對抗病毒感染和清除損傷細胞的有效辦法,這方面的研究對人類癌症、神經病變、自身免疫病、愛滋病等的治療極具價值。凋亡指的是人體細胞的一個自毀裝置,這個裝置在生命過程中扮演很重要的角色,自毀裝置出了問題,就會導致很多疾病的產生。

許多癌症就是因為細胞自毀過程無法正常啟動,使得細胞數目越來越多所造成的。從了解細胞自毀過程的生化途徑和生化過程,進一步研究在一些疾病中,細胞自毀到底在什麼地方發生了錯誤,有助於我們利用生物和化學方法解決這些缺陷或治療疾病。

人體內細胞的誕生和死亡處於一個動態平衡狀態,一個成年人體內每天都有數以萬計的細胞誕生,同時也有上萬個細胞「程式性死亡」。在健康的生物體中,細胞的生生死死總是處於一個良性的動態平衡中,如果這種平衡被破壞,人就會生病。如果該死亡的細胞沒有死亡,就可能導致細胞惡性增長,產生病變。例如,肺部纖維性囊腫就是因為泛素沒有行使特定分解功能,以致不良的蛋白質在外分泌腺管中累積過多、產生堵塞,造成腺管纖維化及囊狀化。

相反地,如果正常的細胞發生過多的死亡,也會對人體產生危害。例如,愛滋病病毒含有一種病毒感染因子,該因子透過一組蛋白質複合體,增加了愛滋病毒的感染機會。而受愛滋病病毒的攻擊,不該死亡的淋巴細胞會大批死亡,如此便會破壞人體的免疫能力。經一系列實驗證實,只要阻斷病毒感染因子和泛素連接酶的共同作用,就會使淋巴細胞正常存活而不被分解,愛滋病的感染率就可降低百分之九十。

此外,泛素調節也對癌症有一定的影響。一種稱為「基因衛士」的p53蛋白質可以抑制細胞發生癌變,但如果對p53蛋白質的生產把關不嚴,就會導致人體抑制細胞癌變的能力下降,誘發癌症。事實上,一半以上的人類癌細胞中,這種p53蛋白質都產生了變異。

因此,阿爾伯特-拉斯克基礎醫學研究獎評審團主席、前諾貝爾醫學生物學獎得主戈爾德斯坦,對賀希科他們研究成果的評價是:「泛素系統功能的發現,會成為理解癌症和其他某些疾病發生及發展的一把鑰匙。」他同時指出:「泛素在調節蛋白質降解過程裡所扮演的角色,這一發現意義重大,對人類認識細胞惡性變異、癌症和免疫反應失調等關係細胞存亡的變化至關重要。」

科學家們認為,賀希科等人的研究成果會對癌症的研究與治療產生重要影響。賀希科卻謙虛地認為:「我並不認為我們的發現可用於各種癌症的治療,但希望通過我們的努力能對特定種類癌症提供有效的治療。」他尤其對結腸癌、子宮頸癌、黑色素瘤,以及因蛋白質異常降解所引發的其他腫瘤的治療表示樂觀。

傑哈諾佛也指出,他們的研究成果不僅對了解和治療癌症有重要意義,對其他如老年痴呆、帕金森氏症等疾病的了解也有助益。這些疾病主要是由於炎症及免疫功能失調,導致人體抵抗外界病毒和細菌侵襲的能力衰退所造成。

細胞中的蛋白質處於不斷地降解與更新的過程中,保持細胞正常的蛋白質代謝,對於生命的正常功能至關重要。控制蛋白質降解的機制已被闡明,現在已清楚細胞蛋白質的降解是一個複雜的、被嚴密調控的過程,在細胞疾病和健康狀態、生存和死亡、DNA修復等基本過程中,扮演著重要的角色,並且蛋白質降解異常與許多疾病的發生有著密切的關聯。

基因的功能是需要透過蛋白質來實現,而闡明泛素在蛋白質降解過程中的作用機制,對多種疾病的發生機制和遺傳信息調控的了解,有著深遠且重要的意義!

從根本了解疾病成因

專家指出,「細胞是很環保的,會把蛋白質分類後接著支解再造。」3位得獎者解答了細胞蛋白質分解過程的根本問題,而身體很多重要的蛋白質都透過這過程進行新陳代謝,了解它的奧祕,就能了解很多疾病成因,發展新療法。美國去年批准的多發性骨髓瘤藥物Velcade,就是透過抑制某些特定蛋白分解體的作用,堵塞癌細胞賴以生長和存活的管道。

未來一些藥物設計的研究方向,也包含開發蛋白分解程序中的上游阻礙劑,在有用的蛋白質被送到蛋白質分解體銷毀前,把它們標上讓其存活下來的記號。如果新藥對於引導泛素黏附到特定蛋白質的泛素連接酶(E3)有抑阻作用,這樣,理論上就可以阻止具有抗癌功能的蛋白質,如抗癌基因產物p53等蛋白質被摧毀,透過蛋白質降解過程的各個階段來抑阻蛋白質分解的功能,已被接受是一種對抗癌症的辦法。

泛素調節的蛋白質降解在生物體中如此重要,因而對它的開創性研究也就具有特殊的意義。目前,在世界各地的很多實驗室中,科學家們不斷發現和研究有關這一類降解過程的細胞新功能。這些研究對進一步揭示生物的奧祕,以及探索一些疾病的發生機理和治療手段,具有極重要的意義。
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