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蛋白上的醣分子:發現新的醣化調控機制,有助醣蛋白藥物突破

中央研究院基因體研究中心特聘研究員翁啟惠院士研究團隊,關於探究與癌細胞惡化有密切關聯的酵素 FUT8 之論文,已於 7 月 5 日發表於《美國化學會期刊》(Journal of the American Chemical Society)。此研究結果不但確定 FUT8 對醣分子有選擇性,更進一步配合質譜研究,釐清其於細胞內醣化的步驟,並發現新的醣化調控機制,這項成果對於蛋白質醣化的研究及之後蛋白藥物的研發,均具有影響力。

人體中的蛋白質有半數以上會被醣化,但是為什麼蛋白質會帶有醣分子,在科學界卻一直沒有很具體的答案。舉例來說,為什麼人的血型是因為紅血球上醣分子的差異所決定?在流感病毒入侵宿主時,為什麼病毒上的血球凝集素(hemagglutinin)會先和宿主細胞上含有唾液酸(sialic acid)的醣分子結合?都是目前科學界仍無法完整回答的問題。

目前已知醣蛋白在生物體內扮演各種重要的功能,隨著蛋白質藥物快速發展,醣蛋白上醣分子的作用也愈來愈被重視。醣蛋白上醣分子的變異,便是細胞癌化的一個重要指標,像帶有核心岩藻醣的甲型胎兒蛋白-L3(alpha-fetoprotein-L3,簡稱 AFP-L3),是早期肝癌的生物標記,其靈敏度比只檢測甲型胎兒蛋白還高,因此解開醣蛋白上的醣分子是如何影響蛋白功能,是醣蛋白學界重要的課題。




      
醣蛋白上的醣分子對醣蛋白三度空間結構的形成、穩定度、功能,有著決定性的影響
,但即便科學家們已經了解醣蛋白上醣分子的結構,至今仍無法有效地調控醣蛋白或細胞表面醣分子結構的生成。這其中的困難在於,在醣分子生合成的過程中,有多種醣轉移酶(glycosyltransferases)相互競爭,也相互影響醣分子生合成的路徑,造成一個醣蛋白上會有各種不同組成的醣分子。例如,在人體內,光是岩藻醣轉移酶(fucosyltransferases,簡稱 FUT)就有至少 13 種,而 N-乙醯葡萄醣胺轉移酶(N-acetylglucosaminyltransferases,簡稱 GnT)也至少有八種之多,它們所認識的醣分子皆有不同。
 

「第八型岩藻醣轉移酶」(fucosyltransferase 8,簡稱 FUT8),是負責在醣蛋白加上核心岩藻醣的醣化酵素,「核心岩藻醣」的出現,會阻擾抗體的功能,也跟發育、癌症有關聯。因此,若要強化抗體的效力,必須排除「核心岩藻醣」,也就是說,必須找出阻擋 FUT8 把醣鑲嵌到蛋白的方式。

為了探討 FUT8 這個酵素對醣分子的選擇性,並釐清細胞內醣化的步驟,研究團隊結合化學法及酵素法,包括醣切酶(glycosidases)及三種 GnT,合成出不同的醣分子接在胜肽上,藉以了解到底 FUT8 認識哪些醣分子,進而對核心岩藻醣作修飾。結果顯示,FUT8 可以作用在特定「三觸(tri-antennary)結構」的醣分子。

為了觀察細胞中醣化的變化,研究團隊與該中心林俊利老師的質譜實驗室合作,使用超高溫多孔性石墨碳液相層析質譜分析(high-temperature porous graphitic carbon liquid chromatography-mass spectrometry,簡稱 HT-PGC LC-MS)來分析醣分子,結果有效地區分出三種同分異構的醣分子(A2B,A3(2,4,2),A3(2,2,6)),發現到新的醣化調控機制。

研究發現,經過 GnT-III 及 GnT-V 修飾後的醣分子,幾乎無法被 FUT8 認識,而 GnT-IV 修飾過的三觸醣分子,則會很容易地被 FUT8 認識,而將岩藻醣加到醣分子的核心位置。

這些研究成果讓我們更了解蛋白質的醣化過程,除了可以延伸至觀察細胞癌化過程中,醣分子結構如何產生變異,進而找到更好的醣分子癌症標記,如本研究中所發現,細胞裡面若 GnT-IV 有高度表現的情形,就會影響到醣分子的結構。此外,因為釐清了醣轉移酶之間是如何的交互影響,我們就能進而設計出適合的醣分子結構,以開發更有效的醣蛋白藥物。

此研究成果已發表於《美國化學會期刊》(Journal of the American Chemical Society),論文標題為:「Substrate Preference and Interplay of Fucosyltransferase 8 and N-Acetylglucosaminyltransferases」(DOI: 10.1021/jacs.7b03729),第一作者為國立陽明大學微生物免疫學研究所的博士生曾子豪同學,徐翠玲助技師協助指導。此研究由中研院登峰計畫補助。

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