發現變形蛋白?如何應用於癌症治療?

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分子機械(molecular machines)是 2016 年諾貝爾獎化學獎的關鍵字,獲獎的 Jean-Pierre Sauvage、Sir James F. Stoddart 和 Bernard L. Feringa 因為設計出比頭髮還細小的分子機械而聲名大噪。分子機械的概念更打開各領域治療研發的創新可能。

分子機械系統的其中 1 種:分子開關(molecular switches),不僅能用於癌症檢測,也可製造細胞電腦(cellular computer)等設備。然而現有分子開關的運作過程相對冗長、緩慢也不可逆,需要靠轉錄或轉譯來啟動,透過蛋白質降解來關閉。對此,科學家透過能變換 2 種折疊結構的變形蛋白,來建構新型分子開關改善工作效率。

發現變形蛋白的製造方法

威斯康辛醫學院(Medical College of Wisconsin)的研究團隊選擇會變形的免疫系統蛋白 XCL1 進行研究。XCL1 是趨化因子(chemokine)的家族成員,在人體中擁有 2 種型態,一是能攻擊病毒、細菌等外來入侵者,二是能辨識陌生抗原,並吸引樹突細胞(dendritic cells)去攻擊癌細胞等製造抗原的細胞。

該研究團隊發現 XCL1 原先只有 1 種型態,直到 2 億年前才演化出第 2 種型態,然後他們透過核磁共振光譜法(nuclear magnetic resonance spectroscopy)分析引發 XCL1 突變的分子編碼,藉此找出能讓蛋白質「手動」變成變形蛋白的技術,創造出一種便利高效的分子開關。該研究於 1 月 1 日登上《Science》期刊。

變形蛋白的優勢

變形蛋白在分子開關中能帶來的改變頗大,該研究團隊拿開關燈來比擬分子開關。過去打開分子開關,就像要把燈打開,住戶得跑到超市買燈泡,回家裝上後才能打開,需要許多相對複雜的手續,且若要把燈熄掉,住戶得等到燈泡壞掉為止,而在這之前燈泡無法改變開關狀態。不過透過變形蛋白,科學家即能打造有手動按鈕的分子開關,開關燈能依照研究人員指示執行,解決了過往不可逆且執行緩慢的狀況。

在癌症治療中,此類分子開關的潛能極高。研究人員可製造一種顯微鏡大小的生化機器人,裡頭乘載著裝有癌症藥物的變形蛋白;變形蛋白會先處於第 1 種型態,讓藥物與機器人分離,並在接近腫瘤時轉換成第 2 型態,精準釋放殺癌藥物,降低正常細胞因藥物受傷的情形,更減少病人的治療風險。

變形蛋白的應用挑戰

變形蛋白能大大提升多領域的治療效果,但需注意的是,至今仍缺乏製造奈米變形蛋白的工作流程,所以儘管用途廣大,卻有不少技術門檻需要跨越,得更多研究才能解決。

延伸閱讀:一次篩檢 50 多種癌症!GRAIL、英國健保局發起多癌症早期篩檢計畫

參考資料:
1. Science (2020). DOI: 10.1126/science.abd8700
2. https://www.mcw.edu/newsroom/news-articles/cracking-the-code-of-a-shapeshifting-protein

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