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醣分子科學新知(一):醣化作用與細胞治療

根據醣分子科學發展出的醫學應用相當具有潛力,如流感病原體篩檢、腫瘤篩檢、抗藥性細菌新藥開發及腫瘤疫苗開發,也是科學家持續研究發展的重點項目。
 
 
醣分子位置示意圖。醣分子位於細胞膜上的蛋白。(圖/黃彥維、黃耿祥、楊智惠團隊提供)
▲醣分子位置示意圖。醣分子位於細胞膜上的蛋白。(圖/黃彥維、黃耿祥、楊智惠團隊提供)
 
「醣」與「糖」,傻傻分不清楚?認識醣化作用
 
「糖」與「醣」有何不同?可先從日常生活中常見的「糖」來理解。醣其實就是糖的基本構造,「醣」是指碳水化合物,包含單醣、雙醣和多醣等。而醣分子(polysaccharides),是除了蛋白質(protein)、去氧核醣核酸(DNA)和核醣核酸(RNA)以外,具有重要生物活性的生物巨分子之一。醣分子特殊的生物活性牽涉細胞辨識、細胞內外溝通訊息傳遞路徑、抗原抗體結合等,因此醣分子科學研究與許多疾病治療息息相關。
 
義守大學生物科技學系教授楊智惠以「醣科學就是研究細胞表面的變化」簡要說明了醣分子科學的應用,但想進一步了解醣分子科學,就必須先認識醣化作用(Glycosylation)。醣化作用是蛋白質修飾程序的一種,就像是烤好蛋糕後裝飾在蛋糕上的水果,當DNA轉錄成RNA再轉譯成蛋白質時,就有如將麵團烤成蛋糕。
 
醣化作用示意圖。(圖/黃彥維、黃耿祥、楊智惠團隊提供)
▲醣化作用示意圖。(圖/黃彥維、黃耿祥、楊智惠團隊提供)
 
腫瘤細胞與正常細胞的醣化作用大不同
 
醣化作用是細胞十分常見且重要的功能,可區分為人體細胞正常運作的醣化,與變異為腫瘤細胞的醣化。正常細胞的醣化作用,是把醣放在蛋白質上的特定位置,賦予特別的功能,就像是血球上有抗原A或抗原B的抗原物質,在正常情況下會穩定呈現。變異為腫瘤細胞的醣化,則是體內過多的醣與蛋白質或脂質結合,造成蛋白質或脂質變異,對人體有不良影響。
 
再次以烤蛋糕的比喻來解說,醣化作用就像是蛋糕另外加上許多配料才形成其他口味的蛋糕,但本質都一樣,只是修飾成不同功能的蛋白質。這些不同功能的形成有許多因素,包含細胞株的來源、醣化酵素的不同表現以及細胞環境條件等。也就是說,不同組織的細胞所表現的單一醣蛋白,有不同的生物活性,可顯示不同生物條件與疾病的狀態。
 
 
楊智惠說明,大部分癌症的細胞變化都與醣化有關,只是演化程序會因人而異。她舉例,不同癌症會有不同的細胞演化程序,可分為先天和後天因素來討論:先天因素,如家族中有癌症遺傳基因的人,細胞表面可能就潛在有該種蛋白修飾程序,只是沒有被啟動,再因個人後天的生活環境等其他原因,細胞產生變異或啟動這道修飾程序;而後天因素,例如經常暴露在高輻射的環境,造成細胞變異或不正常醣化現象的發生。
 
 
醣化作用研究與新穎療法的發展
 
因此,研究醣化作用不能僅依靠傳統的釀造發酵或品種改良等生物化學方法,而必須用多樣化的研究工具,包含基因改造、蛋白質分析、化學合成和酵素合成,並發展新技術如醣化作用探測和醣蛋白微陣列晶片,以便進一步解析醣化過程。
 
在開發新療法方面,則可客製化特殊結構的寡醣,或利用酵素反應將抗癌、抗流感及自體免疫疾病等抗體藥物的醣分子混合物,改造成人體適用的抗體和疫苗。
 
過去二十多年以來,在醣分子科學界的努力研究下,已累積發現不少具有生理意義的寡醣,可以搭配在細胞表面修飾、醣蛋白微陣列晶片等技術,為其他應用科學提供基礎研究工具。
 
來源:
  • 科技部107年度「科轉計畫:前沿科技轉化暨教育應用推廣」專案計畫
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