生命科學

蛋白質當家

找出體內蛋白質有哪些、如何作用、如何與環境刺激交互作用,是未來生命科學先驅性研究的重點。

撰文/伊澤爾(Carol Ezzell,Scientific American編輯兼撰述)
翻譯/潘震澤(美國韋恩州立大學生理學博士、陽明大學生理學研究所教授)

生命科學

蛋白質當家

找出體內蛋白質有哪些、如何作用、如何與環境刺激交互作用,是未來生命科學先驅性研究的重點。

撰文/伊澤爾(Carol Ezzell,Scientific American編輯兼撰述)
翻譯/潘震澤(美國韋恩州立大學生理學博士、陽明大學生理學研究所教授)

蛋白質閃耀登場!


人類基因組(genome),請靠邊站,你風光的日子已經不多了。現在研究人員正專注於人類的蛋白組(proteome),也就是由人體細胞及組織所製造所有蛋白質的總合。基因組雖然是生物體整套基因資訊的組成,但它所攜帶的只不過是製造蛋白質的處方而已,真正構成細胞的基石以及負責絕大多數工作的,其實是蛋白質。還有,不同種類的細胞之所以不同,也是由蛋白質所造成。雖然一個人身上所有的細胞都帶有幾乎一模一樣的基因組,但哪些基因受到活化而製造出哪些蛋白質來,可是每種細胞都不一樣。同樣地,生了病的細胞經常製造一些健康細胞所沒有的蛋白質,反之亦然。

因此,業界與學界的科學家正著手將所有的人類蛋白質分門別類,並弄清楚它們之間的相互作用方式,目標是設計出更有效、副作用更少的藥物。


想要達到上述目標,可不是像到公園裡散散步那麼簡單,研究蛋白質可是比研究基因還要來得困難。目前,生物技術公司還在努力當中,希望發展出執行這項工作的最佳技術及儀器。不論如何,以各種方式進行的競賽已然展開:至少已有一家公司預估他們將在三年內,解開人類的蛋白組,那是想要解開個別蛋白質之間無數作用方式的重要一步。同時,美國政府也提供計畫經費給學界的科學家,來研究癌細胞及血清的蛋白組;血清是血液凝固後位於上層的水樣組成。


目前科學家已經得出了一些重要的進展:2002年1月有兩組科學家報告,他們釐清了酵母菌裡所有蛋白質之間的互動關係,並畫出相關圖形;酵母菌是細胞學研究裡常用的一種範本生物。2月間,有另外一批科學家宣布,他們使用蛋白組學的技術,設計出一套準確的早期卵巢癌檢驗法。


蛋白組學註定是具有廣大商機的學問。根據佛洛斯特及蘇利文公司的投資分析,蛋白組學儀器、耗材及服務的全球市場,將從1999年的七億美元之數,增加到2005年的56億之多;那還不包括應用蛋白組學發展出來的藥物或檢驗法之收益。同時,根據摩根史坦利公司總經理兼生物科技部門經理恰特的說法,蛋白組學對於製藥工業的前途也可能舉足輕重。她說西元2000年製藥工業花在研發的經費是300億美元,但該年只有30種新藥獲准上市。恰特宣稱:「製藥工業必須仰賴蛋白組學及類似的技術,將整個藥物發展的過程給改頭換面,否則他們將難以生存下去。」


基因研究容易多了


「蛋白組」一詞,是由澳洲雪梨「蛋白組系統公司」副總裁兼生物資訊部門主管威金斯於1994年首創,代表由基因組攜帶的資訊所產生的蛋白質總合。「組」(-ome)及「組學」(-omics)這兩個流行字根在生物學裡的氾濫程度,可從某個網站列出了幾十個帶有這個字眼的名詞看出。至於蛋白組的確切定義,根據你問的是何許人,答案也會有所不同;但多數科學家同意,蛋白組學可分成三項主要的活動:(1)鑑定出某特定細胞、組織或生物體所製造的所有蛋白質;(2)定出這些蛋白質如何攜手合作,形成類似電子線路圖的網路連結;以及(3)描繪出各個蛋白質確實的三維結構,以便找出其中罩門,也就是可以讓藥物作用,造成蛋白質功能開啟或關閉的位置。


這幾項工作聽起來直截了當,但2001年一場蛋白組學會議的名稱,卻一語道盡其中甘苦:「人類蛋白組計畫:『基因容易多了。』」在當初累人、但如今算是已大功告成的人類基因組計畫進行之時,經常聽到的宣傳給人的印象是:只要曉得了人類基因組上約30億個編碼字母,或稱DNA鹼基對,特別是那些帶有蛋白質編碼單位(基因)的序列,也就能夠了解蛋白質本身。

不幸的是,蛋白組要比基因組複雜得太多。DNA的「字母」包括四種化合物鹼基,以頭一個字母代表,也就是:腺嘌呤(A)、胞嘧啶(C)、鳥糞嘌呤(G)及胸腺嘧啶(T);相較之下,蛋白質則是由20種稱為胺基酸的建材所組成。雖然基因決定了蛋白質裡胺基酸的組成排列,但就算科學家曉得了某個蛋白質的胺基酸序列,他們還不見得能夠推算出這個蛋白質到底做些什麼事,或者會跟哪些不同的蛋白質攜手合作;他們也未必都能準確推算出該蛋白質的三維構造來。蛋白質不像基因屬於線形構造,它們可是會摺疊成難以預估的形狀。


尤有甚者,細胞經常還會在蛋白質上添加醣類、脂質或是兩者都有,而加以修飾,使得其構形更難以預估。如果科學家新發現了某個基因,並想製出其負責的蛋白質,單是把基因上所決定的胺基酸序列給一一連接起來是不夠的,他們還必須確定進行了適當的脂質及醣類的修飾。同時,研究人員如果想要測定某個蛋白質的行為表現,他們還必須考慮有些蛋白質溶於水,有些則需要在油性環境下、或是有部分區域嵌入充滿脂質的細胞膜當中,才能表現正常的功能。


蛋白組的複雜性還不止於此。雖然多數研究人員同意,人類的基因組裡含有四萬左右的基因,但普通一個細胞就能製造數以十萬計的不同蛋白質。科學家要想了解蛋白組,必須先了解所有這些蛋白質的特質,單是用上人類基因組計畫所得到的資料是不夠的。人類基因組計畫的完成,也把「一個基因製造一個蛋白質」的教條,畫下了休止符;很顯然,一個基因可以產生許多不同的蛋白質。


就算有這許多複雜面,研究蛋白組的人員似乎仍然樂觀。美國加州大學舊金山分校的伯林蓋姆說:「人類的蛋白質裡還有約30~50%是未知的,有什麼功能也不曉得。」但他接著說:「不過,我們現在已有能力以相當快的速度,來鑑別人類的蛋白組成。這是辦得到的,並在未來幾年內即可完成。」




蛋白組學在新藥開發上的應用
1.利用蛋白質各有不同電荷與質量的特性,在凝膠上分離。比對後會發現某蛋白質(紅圈)在癌組織裡過度生產。
2. 將蛋白質分離並製成結晶。
3. 以X射線分析蛋白質的構造。
4. 設計出可以阻礙蛋白質功能的抗癌藥物。

蛋白組超級工廠


如果科學家想要知道某些細胞或組織裡有哪些蛋白質,他們通常會用上兩種技術:二維凝膠電泳法(two-dimensional gel electrophoresis)及質譜法(mass spectrometry)。二維凝膠電泳法的做法是將蛋白質的混合液置於凝膠的一角,先利用蛋白質的大小朝一個方向進行分離,然後再根據其攜帶的電性朝垂直的另一方向分離(見前頁圖解)。由於任何一種蛋白質的大小及電性都是獨特的,因此會在凝膠上形成獨立的一點。研究人員可以將每個點從凝膠上切下,再用其他的技術來鑑定其中所含蛋白質的種類。同時他們也可以比較兩種不同組織的蛋白質在凝膠上形成的點狀分布型態,而找出只出現在其中一種組織的蛋白質來。


蛋白組學研究裝備中的機器人工作站,係借用自汽車工業裝配線的科技。圖中工作站的設計,是將添加試劑及更換培養液等重覆性工作予以自動化;這些細胞培養的步驟,是蛋白組研究的先決條件。其他類似的工作站,則將蛋白質的純化及鑑定工作加以產業化,以提供充足的樣本做進一步的研究。

質譜法係根據蛋白質的組成原子所帶有的質量,利用磁場或電場加以分離,實驗結果呈現在圖上是一個個的訊號峰值。問題是,無論二維凝膠電泳法或是質譜法,都未臻理想。二維凝膠電泳法是出了名的難以操作,同時不能辨別非常大或非常小的蛋白質,對跑出凝膠之外的蛋白質也沒輒。質譜法則非常昂貴,一台機器就超過50萬美元,有時對罕見的蛋白質也無法偵測。


即便如此,還是有好幾家公司正在研發這些方法的改良版本,並具備工廠量產的規模,可與人類基因組計畫裡所使用的媲美。基因組計畫中出力最大的機器是ABI 3700型DNA定序儀,由應用生命系統公司所製造。(應用生命系統公司與賽勒拉基因組公司目前都是艾培拉公司的子公司;賽勒拉就是與官方定序聯盟競爭人類基因組定序,而於西元2000年打成平手的公司。)2002年1月,應用生命系統推出了根據質譜法所製成的4700型蛋白組分析儀,並宣布他們與珀金埃爾默及密理博兩家公司達成協議,將提供自動化系統,進行二維凝膠電泳的操作與分析。這些公司的主管冀望自動化能將以往科學家經年累月才能完成的工作,在幾天之內就可以達成。


只不過這些新型的儀器系統是否能變成蛋白組學的標準配備,還有待觀察。艾培拉公司的競爭者之一,安捷倫公司生命科學研發部門主管索羅門說:「這項產業將不會有哪個機器一枝獨秀,蛋白組學裡可做的事太多了。」


在此同時,還有鹽湖城的無窮遺傳公司、日內瓦的基因蛋白公司、加州瓦卡維爾的大規模生物公司,及多倫多的MDS蛋白組公司等都致力於建立量身訂做的蛋白組工廠,其中有些還借用了汽車工業所使用的機器人技術。2001年,無窮遺傳公司宣布與日立及甲骨文公司合作,將投入1億8500萬美元在三年內解開整個人類的蛋白組,該計畫已於2002年1月正式啟動。至於賽勒拉方面,則籌措了將近10億美元經費,投入蛋白組的工作。2002年1月,賽勒拉的創辦人凡特從總裁一職退下;該公司宣布他們正在物色的新接班人,必須對新藥的開發擁有更多經驗。外界對該公司這項舉措的普遍看法,是賽勒拉準備轉型,從販賣基因組及蛋白組的使用權給其他公司的營業模式,變成一家自己設計藥物的公司。(圖說︰全球知名的蛋白組公司及其研究重點)


對於這類大型計畫的批評人士,則指出人類的蛋白組並不是單純的只有一套。譬如說,胰臟所製造的一組蛋白質與大腦所製造的就很不一樣;還有,某人是否剛喝了杯酒,也會影響身體所產生的蛋白質型態。MDS蛋白組公司的科學主管莫藍解釋說:「身體的每種狀態,不論有病還是沒病,吃了藥還是沒吃,都擁有不同的蛋白組。」


換言之,將人類的蛋白組列出清單的用處,也就到此為止。如果想要了解這些蛋白質在體內做些什麼事,以及想設計有用的藥物,你就必須曉得在不同的細胞裡,以及同一個細胞處於不同的情況下,這些蛋白質組合有什麼不同。我們還必須知道蛋白質之間如何協調合作,以完成細胞各種不同的功能。


向蛋白質網路取經


莫藍的公司則專注於上述最後一項的工作:看看蛋白質之間如何密切互動,以形成連串的生化反應,或是如何形成分子器械,例如在細胞分裂時可將兩個細胞拉開的紡錘體。他說:「蛋白質之間會形成網路。如果你對某個蛋白質只想知道一件事情的話,那就是它和哪些其他的蛋白質會產生互動關係。」


2002年1月10日出版的《自然》上,MDS蛋白組公司及多倫多大學的研究人員,還有另一組來自德國海德堡的細胞組公司及歐洲分子生物實驗室的科學家,發表了一種新的策略,可用來找出酵母菌蛋白質之間數以百計的這種互動關係。他們的做法是在幾百個選定的酵母菌基因上,接上一段能產生黏性標籤蛋白質的DNA。之後,研究人員把酵母菌打碎,將細胞混合液倒入一根裝有微小珠粒的分離管柱,該珠粒只會與黏性標籤結合。藉由這種方法,他們就能夠把經過修飾的基因所製造的蛋白質給分離出來,同時也包括與這些蛋白質相連在一起的任何蛋白質,然後再用質譜儀分析這些蛋白質。結果發現,他們分離出的複合體中超過90%帶有未知功能的蛋白質。還有,接近80%的蛋白質至少會與一種其他蛋白質產生互動,由此可見細胞裡生化網路系統的錯綜複雜。 如


如今,MDS蛋白組公司計畫將這項技術應用在人類的蛋白組上。由於完成該項酵母菌的計畫只花了幾週的時間,因此該公司主管預期,他們可以在一年內得出人類某種細胞蛋白組的初步了解。但目前還不清楚他們準備選用人類的哪種細胞,以及用什麼樣情況下的細胞來進行研究。


至於公家單位也開始著手蛋白組的工作。由美國密西根大學的哈那許帶頭的學術界研究人員成立了「人類蛋白組組織」(HUPO),致力於將公家的蛋白組計畫聯合起來,就好比當年人類基因組計畫,將從事人類基因組定序的學術實驗室聯繫起來一樣。HUPO的初期目標之一,是定出人類血清裡的蛋白組。


除此之外,美國國家癌症研究院(NCI)與食品及藥物管理局(FDA)也結合了各自的努力,專注於使用蛋白組學來發展更切中目標的癌症療法,及更可靠的癌症診斷。在2001年7月宣布的計畫中,研究人員將分析來自不同病人的腫瘤細胞,把那些只出現在癌細胞、而不存於正常細胞的蛋白質列入黑名單。他們也準備尋找與惡性腫瘤有關的蛋白質「標籤」,藉此或許可以找出更好的檢驗法。


NCI/FDA計畫的負責人之一佩崔孔恩,連同他在NCI/FDA及馬里蘭州貝什斯達市相關邏輯系統公司的同事最近指出,某種根據蛋白組檢驗癌症的方法深具潛力。2002年2月8日發表於《刺絡針》雜誌網站上的一篇文章中,這些研究人員表示已能夠比較卵巢癌患者與正常人的血清蛋白型態。經由這樣的比較,他們正確辨識出所有50位罹患了卵巢癌的婦女;在沒有罹患這種癌症的婦女身上,他們的檢驗只出現了三個假陽性的診斷結果。


將蛋白質建檔以及建構出蛋白質之間的互動關係,只占了蛋白組學三分之二的內容,剩下的三分之一:定出蛋白質的形狀,也同樣重要。傳統使用的方法是X射線晶體分析儀,科學家先將蛋白質純化,使其形成結晶,然後接受X射線的照射。藉由分析X射線從蛋白質上個別原子反射回來的方式,研究人員可以推算出蛋白質組成的方式,並畫出其三維形狀來。


未來的前景


X射線晶體分析曾經是一項少數人專屬的「家庭工業」,必須要具有同步加速器的X射線光源才行。同步加速器這種巨形的環狀構造,直徑可達數公里,一向是物理學家拿來加速原子粒子之用,X射線只是其中的一項副產品。由於X射線雷射的進展,目前已有桌上型的儀器可供實驗室使用。


目前,兩家位於美國聖地牙哥的公司賽瑞克斯以及結構基因組X(SGX),都已將X射線晶體分析產業化。賽瑞克斯公司的共同創辦人之一及業務推廣主管大衛解釋說:「今日,所有的工作都有機器人代勞。」如同那些將發現蛋白質的工作自動化的公司,賽瑞克斯也向汽車工業取經。事實上,他們從通用汽車公司引進顧問,將7800平方公尺的廠房全部自動化:從蛋白質的純化到結晶,都在一條裝配線上完成。除了自己擁有的X射線雷射外,該公司還在勞倫斯柏克萊實驗室的高級光源擁有一條專屬的光源線。SGX公司與阿崗國家實驗室的高級光子源也有類似的協議,在該處建了一條光源線。


這種蛋白質結構的資訊是可以賣錢的。英國的牛津醣質科學公司打的如意算盤,是他們可以利用蛋白組的數據,將很大一部分人類基因組及蛋白組的專利權給壟斷。2001年12月,該公司提出了4000個人類蛋白質的專利申請,將可能動搖生技界對於智慧財產權的定義。過去,各家公司尋求的專利是DNA的序列,以及由序列的編碼所預估生成的單一條蛋白質。由於同一個基因序列可能製造好些不同的蛋白質,因此,根據蛋白質本身申請的專利將更有價值。同時,對於競爭對手所擁有的DNA序列專利權,也提供了一條迴避之道。如果這樣的做法可行的話,那麼,法庭將是另一個活動的舞台,由蛋白質取代基因演出。


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