研究方向

在人體中,35%以上的蛋白質並無完整的三維結構但卻保有其生物功能,這類蛋白質稱為固有無序蛋白質(intrinsically disordered proteins)。此類蛋白質除了在生物體內的反應,如:信號傳遞、細胞週期調控、生物分子辨識、DNA的轉錄與複製,佔有重要角色外,它們和神經退化 性疾病,如:阿茲海默症及帕金森氏症,也密切相關。在結構生物學領域,我們會使用不同方法(如:X-射線結晶學)來建立蛋白質的三維結構模型,藉由蛋白質 的三維結構來幫助我們了解其功能;然而,由於固有無序蛋白本身的異質性,傳統的生物物理方法並無法測得其結構特性,因此,發展新的技術以了解固有無序蛋白 質的結構特性與傾向,是現今生物物理學及結構生物學裡一個重要的課題。

核磁共振實驗為測量無序蛋白質結構特性最適合的方法之一,經由碳-13及氮-15的標定技術,大部份在蛋白質巨分子中的各個原子的特性,不論該蛋白 質有無固定三維結構,皆能以不同的核磁共振實驗量測。藉由電腦模擬的幫助,我們可以定量分析此類蛋白質的特性,並且制定出適於了解其結構傾向及功能性的模 型。我們實驗室是以核磁共振技術為主,電腦模擬方法為輔,來研究固有無序蛋白質的結構傾向與其功能性,進而了解其與相關疾病間的關係,希望從原子、分子尺 度上的了解,來幫助尋求治療的方法。

固有無序蛋白質

蛋白質是生物體中的必要組成成分,它參與了生命活動的每一個過程。最常見的一種蛋白質為酵素,它們負責催化生物化學反應,對於生物體的合成及代謝極 為重要;此外,許多蛋白質和生物體的結構或機械性能有關,如肌肉中的肌動蛋白和肌球蛋白;另外還有一些蛋白質參與細胞信號傳遞、細胞週期調控、免疫反應、 細胞黏附等生命機制。蛋白質之所以有其特定功能,和其三維結構高度相關,而蛋白質的三維結構,系由其胺基酸序列決定(也就是所謂的蛋白質折疊問題)。因 此,要了解特定蛋白質在生物體內所扮演的角色,可從其三維結構上的特徵來深入研究。然而蛋白質的三維結構無法直接以傳統光學的方法觀察,必須以間接的物理方法量測,如:X-射線晶體學(X-ray crystallography)、核磁共振 (Nuclear Magnetic Resonance, NMR)或低溫電子顯微鏡(Cryo-electron microscopy)的技術來定出蛋白質的三維構造。一旦得知特定蛋白質的三維結構,對於了解其相關作用、在生物化學上的功能表現、以及和不同蛋白質或 配體之間的交互作用,有極大幫助。

雖然在結構生物學中,了解生物體內各種蛋白質的結構及其功能間的關係,一直是重要的研究課題;自第一個蛋白質結構解出(1958, John Kendrew, myoglobin)至今,已有超過八萬筆蛋白質結構的資料存放於蛋白質資料庫中(Protein Data Bank)。然而,有一類蛋白質,在一般生理條件下並無固定結構,但因為蛋白質「序列」-「結構」-「功能」這個「三位一體」根深蒂固的觀念,在早年的結 構生物學領 域,它們一直被研究人員忽略。直到八○年代,研究人員開始注意到細胞內轉錄因子(transcription factor)雖無固定結構但仍有其功能;而在九○年代,科學家藉由多種生物物理的方法,確認了兩個和神經退化疾病高度相關的蛋白質,alpha- synuclein (和帕金森氏症有關)及protein tau(和阿茲海默症有關),在正常生理條件下並沒有固定的立體結構。這些蛋白質的發現,引起了人們的重視,在九○年代,幾個重要的研究團體,從不同的角 度,包括生物資訊學、蛋白質功能與特徵分類法、蛋白質折疊與錯誤折疊的觀念、以及核磁共振技術,了解到蛋白質不一定要先有結構才會有其功能。這類蛋白 質給了結構生物學新的挑戰,此類蛋白質並沒有一定的命名,我們這裡統稱為固有無序蛋白質(intrinsically disordered proteins, IDPs)。從生物資訊學的方法估計,真核細胞中大約有35%的蛋白質完全不會折疊成特定的三維結構,而有50%以上至少有一區段(多於30個胺基酸)是 沒有結構的。這類蛋白質本身的易變性成為一些生物化學反應的基本要素,因為它們提供了更大範圍的結構選擇性,缺少特定的結構,反而使它們能與更多不同結構 的蛋白質相結合。當固有無序蛋白質與其他蛋白質結合時,他們可能會改變自身的形狀,以便能夠與不同的蛋白質作用,並有可能按順序先後與目標蛋白結合,然後 再進行分離。我們也漸漸了解到它們在生物分子辨識、信號傳遞、DNA 轉譯及複製上皆扮演著極重要的角色。固有無序蛋白質除了在生物化學反應中具有重要性外,它們也和許多人類疾病有關,如癌症(p53, BRCA1)、第二型糖尿病(amylin)、朊毒體疾病(prion)、心血管疾病(hirudin/thrombin)、肌萎縮性脊髓側索硬化症 (TDP-43)。因此,了解固有無序蛋白質如何造成這些病變的蛋白質聚集,或造成生物分子無法辨識及正確傳遞信號,都是我們實驗室有興趣研究的課題。

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