跨領域的藥物開發－結構蛋白質體

生化科 白麗美教授

近年來標靶藥物的設計雛型主要依賴結構生物學家們提供的分子結合機制；而小分子蛋白質藥物的發展關鍵，也是著重於高解析度之蛋白質結構。但由於生物巨分子在活體細胞中的作用機制相當複雜，為了研究構成複合物的原子在空間中的立體排列，結構生物學相關工具隨之蓬勃發展。20 世紀初，在 X 射線顯影問世後，X 射線晶體繞射術、核磁共振光譜法及質譜法等觀測工具相繼誕生。近年來備受矚目的冷凍電子顯微術（cryo-electron microscopy, cryo-EM）因為能在各種特定生理環境下觀察蛋白結構，便成為標靶藥物開發的中心技術。

在 1975-1988 年間，冷凍電子顯微鏡跳脫舊有技術框架後，成為觀測工具發展史上的轉捩點。科學家將樣品瞬間冷凍保存在一層非結晶態的玻璃狀冰 (vitreous ice)中，並將樣品維持在液態氮(-180 ℃)低溫下進行觀察，可降低電子束的輻射傷害且同時保存生物分子自然型態的構型。冷凍電子顯微鏡可利用軟體將不同角度的二維影像，重組出生物巨分子的三級結構。有別於 X 射線晶體繞射術，冷凍電子顯微術僅需其約十分之一的樣品濃度及體積，且樣品不需經過結晶化處理。然而，體外純化樣品仍是冷凍電子顯微技術的瓶頸。

近期發展出的跨領域的結構蛋白質體學(structural proteomics)可解決以上問題，此方法結合冷凍電子顯微術近原子級解析度(0.3-0.4奈米)之圖譜，與質譜儀胺基酸定序法，進行活體蛋白質複合體之三維結構分析。科學家直接自細胞裂解液中分離出目標蛋白質，以保存其生理自然型態，並透過蛋白質電泳法篩選出含目標蛋白質的分層，以冷凍電子顯微術觀察此蛋白質複合體的三維結構。同時將含有目標蛋白質的分層導入液相層析串聯質譜儀(LC-MS)進行胺基酸序列分析，建立候選蛋白質資料庫。再利用自動化軟體(cryoID)，透過比對胺基酸候選序列資料和冷凍電顯之圖譜，以解出蛋白質複合體三級結構。

長庚大學顯微鏡中心已於 2018 年建構了冷凍電子顯微鏡設備，將會結合分子醫學中心的蛋白質體核心設施，發展結構蛋白質體方面研究。在未來，期望能直接自檢體取得目標蛋白質溶液，經由親和性銅網技術完成蛋白質初期純化。省去漫長的蛋白質表達及純化過程，並真實反映生物體內蛋白質複合體的生理功能。由於單一分層樣品在蛋白質體中，可能分析出多達上千種蛋白質之二維圖譜；因此經由 AI 分析軟體結合結構生物學資訊及候選的胺基酸序列，可大幅加速蛋白質複合體三級結構的分析，進而解碼蛋白質與蛋白質及蛋白質結合位與配體小分子間的作用機轉，脫離傳統分析法的桎梏、成為結構蛋白質標靶藥物歷代發展進程上之重要里程碑。

微管蛋白冷凍電顯圖 (25 kX, 100 kV)

冷凍電顯樣品製備儀器 (Gatan CryoPlung 3)

冷凍穿透式電子顯微鏡 (JEOL JEM-2100Plus)