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拓樸酶現形抗癌藥改良根基—臺大醫學院生化所詹迺立教授專訪

    DNA的雙股螺旋為最廣為人知的結構之一,1953 年由華生和克里克的解構,也成為結構生物學領域早期成功解出結構的經典範例。另一方面,在同一時期解開蛋白質立體結構的任務也有了新的突破,馬克斯.佩魯茨(Max Perutz)為蛋白質結晶學做了跨時代的貢獻,使得運用X–射線晶體結構解析技術(X-ray crystallography)解出大分子量蛋白質的結構變為可能。因此佩魯茨的學生約翰.肯德魯(John Kendrew)在1958 年解出肌紅素蛋白(myoglobin)的結構而佩魯茨在隔年也發表血紅蛋白(hemoglobin)的結構。1962 年華生、克里克和莫里斯.威爾金斯(Maurice Wilkins)共獲諾貝爾生醫獎時,肯德魯與佩魯茨也於同年成為諾貝爾化學獎的得主。

    臺灣大學醫學院生物化學暨分子生物學研究所的詹迺立教授,就從這段歷史帶我們進入他最熟悉且喜愛的結構生物學領域。詹迺立畢業於愛荷華大學生物化學研究所,他所跟隨的指導教授亞瑟.亞蒙(Arthur Arnone)就曾是佩魯茨的博士後研究員,傳承他X– 射線晶體結構解析技術,並持續嘗試解開不同類型與不同狀態下的血紅蛋白結構,以探討血紅蛋白攜帶氧氣的機制。

    血紅蛋白是在人體血液中運送氧氣的重要蛋白質,詹迺立說:「血紅蛋白本身就是個很有趣的結構,它會隨著氧的分壓不同改變對氧的親和力,也就是它的結構會變化。」這樣的結構變化,也成為血紅蛋白在肺部可以有效與氧氣結合並在組織中適時將氧氣釋放出來的重要關鍵。1995 年時有一篇血紅蛋白的重要論文出現,科學家發現血紅蛋白不只可以跟氧氣結合,也會跟一氧化氮發生交互作用。

    血紅蛋白在肺部會結合氧氣和一氧化氮,到達組織時將一氧化氮釋放出來,就可以讓局部的血管舒張,增加組織的血流量,以提供更多的氧氣被組織細胞吸收。詹迺立隨即投入了血紅蛋白與一氧化氮結合結構的研究,「人家說一氧化氮能跟血紅蛋白作用,我是真的在自己的眼睛看到」,詹迺立說,「這真的是一個很重要的時刻,那種高興很難有別的事情可以比得過」。他發現血紅蛋白在到達組織時結構會改變,只是單純移動一個胺基酸,就會使血紅蛋白與一氧化氮結合位置產生變化,造成一氧化氮的釋放。「最有意思的是我不僅直接看到一氧化氮和血紅蛋白的結合,還可以從中推論這個現象的生理意義。」

以化學為基礎走生物的路

    不難從語句中發現詹迺立對於研究的熱情,回過頭去看,更可以發現他相當早就確定自己對於生物的喜愛,並全心全意投入與追求相關知識。詹迺立描述他小時候住在新竹郊區,時常在外頭玩耍,自然而然接觸到生態、生物因而產生興趣。高三生物課時開始從分子層次切入生物學,對於詹迺立來說等於換了一個角度來看他喜歡的生物。此外,加上當時一些科普雜誌陸陸續續出現分子生物相關的文章,「我記得我高中的時候就開始訂《牛頓》,就有一期在介紹分子生物學;而周成功老師和陳文盛老師那時候在《科學月刊》中有一個專欄,長期在談分子生物,他們的文章讓我覺得這門學問非常有趣」,因而成為他確定要從微觀的角度看生命現象的發端。

    進入臺大動物系後詹迺立卻意識到,若和大部分的同學一樣,都是以學習生物為主,較難走出自己的獨特性。「再加上早期的分子生物學家大多都是物理或是化學背景的,讓我決定走到比較基礎的學科」,在他更加確定要加強自己的化學背景後,他在大一暑假轉到化學系。轉系後的詹迺立卻一點都沒有放棄生物,反而更積極的在修習相關課程。「我到醫學院去修生理,跑回動物系修分子生物學、酵素學,在物理系修生物物理,還旁聽了一些其他生物相關課程」。讓人不得不佩服他的求知若渴,以及積極的態度。就連大四同學們都在準備國內研究所考試,無暇修多餘的課程時,他寧可將時間用在多修一點感興趣的課程,也不願為了考試回去死背已經念過的書,因而決定申請國外研究所。回想美國愛荷華大學亞蒙教授在自己博士班時的指導,詹迺立說,「他真的在結晶學上教我很多」。由於傳承佩魯茨教授的X– 射線晶體結構解析技術,亞蒙教授對於學生的要求也相當高,兢兢業業深怕砸了佩魯茨的招牌。「那時候都是老師親自帶我們做蛋白質結晶學的實驗」,每一個實做的技巧都是老師的經驗,「他都會一步一步帶著學生做,不管是晚上或周末」。詹迺立回想,有一回亞蒙教授帶著他做實驗,突然電話響了,只聽到老師對著話筒沉默了一陣子後說了一句「我很抱歉,我會盡早趕回去」。詹迺立心裡想應該是師母打來催促老師回家,但老師卻仍然堅持又陪他做了兩個小時的實驗才回去。詹迺立心中對於老師願意花時間費心陪伴、教導,心裡真的很感激。

從拓樸異構酶到抗癌藥物作用機制

    從美國回到臺灣建立實驗室的詹迺立,並沒有把血紅蛋白的題目直接帶回來做,反倒是選擇了一個更新的結構。當時血紅蛋白已經做了40 年左右,已經不是個新鮮的題目,再加上以往做血紅蛋白的團隊領導人們漸漸退休,在臺灣也沒有團隊能合作,他直言「都要自己做實在是太難了」。最後他選擇的是複雜度更高、且由旅美臺灣生化學家王倬所發現的「拓樸異構酶」(topoisomerase)作為研究主題。這個蛋白質在人體內扮演幫DNA「解鎖」的角色,它能斷開並解開纏繞的DNA 結構,再將DNA 接合回去。DNA 在細胞中會自然相互纏繞維持緊密的結構,但若細胞在分裂時,這些纏繞的DNA 沒有拓樸異構酶的幫助,很容易會被硬拉而斷裂造成DNA 損壞或細胞死亡。

    「當時在做博士後的時候,剛好有機會做一點拓樸異構酶的研究,那時就看了很多相關資料,它跟血紅蛋白比起來,在醫學上既是許多抗癌藥物和抗生素的作用標的,而在結構上變化又很複雜,所以就把它當作我開始建立實驗室的其中一個方向。」近幾年來,詹迺立教授的團隊最亮眼的研究成果,莫過於2011 年團隊發表抗癌藥物滅必治(etoposide)、第二型拓樸異構酶與DNA 形成之三重複合體的結構,讓抗癌藥物滅必治的作用機制更清楚,也被譽為抗癌藥物研發的新里程碑。

    抗癌藥物滅必治主要用以治療肺癌、淋巴癌、軟巢癌和睪丸癌等癌症,以往只知道它能抑制第二型拓樸異構酶的作用,進而殺死癌細胞,但詳細的機轉卻缺乏結構上的直接證據。「要做藥物、拓樸異構酶和DNA 三者交互作用的結構,最需要克服的問題就是拓樸異構酶與DNA 結合的序列專一性並不好,它只要看到有DNA 打結就會去把結解開」,詹迺立說。拓樸異構酶若沒有辦法辨認單一特定的序列,與DNA 結合的位置多,會成為解結構上一個很大的障礙,「好的晶體需要每個組成分子都長得一樣而且很規則的排列,樣本不純就無法形成晶體,這就是結晶會不會成功的關鍵。」

    「這個研究會做出來其實是我博士班學生吳權娟的功勞。」吳權娟成功的設計出讓拓樸異構酶只能切割單一位置的序列,進而讓團隊得到單一複合體,順利得到晶體。「她設計的序列非常非常好,之後我們只對實驗條件進行了一些小修飾,就把晶體做出來了」詹迺立教授不僅對於研究成果不居功,對於這位博士班學生更是讚譽有加。詹迺立團隊這次的研究成果,指出了抗癌藥物滅必治在第二型拓樸異構酶切斷DNA 之後,插入在斷裂的DNA 鹼基對之間,讓DNA 無法再接合回去,造成細胞的死亡。

    了解這個結構後,當未來發現病患在使用藥物出現抗藥性,可以透過檢測結構來討論抗藥性突變如何影響酵素與藥物的交互作用,因此可嘗試設計新的藥物來因應。此外因為第二型拓樸異構酶對正常細胞的運作亦有其重要性,因而在治療過程中會產生嚴重的副作用,例如長期接受此類藥物恐有增加病患罹患血癌或心臟衰竭的疑慮,因此降低副作用也成為改良滅必治重要的研發方向。從解出的這個結構中,確實也為降低副作用找到一條新道路。第二型拓樸異構酶在癌細胞與正常細胞中呈現兩種不同的亞型,若能從藥物結構中進行一些修改,讓藥物只跟癌細胞中的其中一種第二型拓樸異構酶作用,便可以降低藥物對正常細胞的影響,達到降低副作用的目的。

      詹迺立回臺灣開始著力於拓樸異構酶的研究,也結識了有一位很重要的研究夥伴,他是臺大醫學院微生物研究所的李財坤教授。「財坤跟我算是同年、成長背景差不多,個性很合得來,就是不拘小節、有話就講,也比較可以開玩笑。」除此之外,李財坤教授師承研究抗癌藥物與拓樸異構酶交互作用的劉昉院士,而劉昉院士又是拓樸異構酶的發現者王倬院士的學生,等於是擁有相當厚實的背景與資源。兩人對於拓樸異構酶與抗癌藥物的研究有共同的興趣,便成為研究上的夥伴,更與中研院細胞個體研究所謝道時院士合組「轉譯醫學研究團隊」。最近的研究成果就是整個團隊共同努力的結果,詹迺立表示,未來將持續與李老師和謝老師合作,在細胞和動物上測試修改後的藥物,以期能開發出更合適的抗癌藥物。

改變中的結構生物學

    結構生物學領域的技術不斷進步,解出的結構數目也以相當驚人的速度增加,當今的研究論文已不像早期華生與克里克解出DNA 結構,針對這個結構去進行一些推論就可以了。「現在你不只要提供關於生物功能的推論,還要提供實驗的證明。」詹迺立表示現在確實對於結構論文的要求變多了,不過他也覺得現在的論文比以往紮實。此外,要能進一步探討結構的生理意義,使用到的技術也會因而更加廣泛,這不只激發許多不同團隊共同嘗試解決一個問題,或一個實驗室運用原本結構生物學領域以外的技術,來做出更完整的結構解釋。「現在的工具越來越多,你要把這個故事講得很漂亮,要做的實驗自然也更為廣泛了。」

    詹迺立是以相當樂觀的態度面對這個領域不斷的演進和變化,並藉此要求自己成長。「以前可能不會的技術就與人合作,現在則是想自己先試試看,就會和同學一起設計一些以前沒有想到要嘗試的方向。」也因此有機會與來自不同領域的學生合作,他認為不同領域的學生加入結構生物學,對現在的結構學研究非常重要,若是可以適當地將原先的專長應用在結構生物學,常常能碰撞出新的火花。

與團隊為友享受科學

    在詹迺立教授的實驗室裡,他說他的目標是把同學當作和自己共事的朋友。「我希望他們能體會到做實驗的樂趣,實驗室絕對不能很苦悶,不然會讓人很不想做。」其中他認為最重要的,就是希望學生們覺得自己的研究很有趣,也從中獲得成就感。「也希望他們都可以成為這個世界上第一個看到這個結果、這個結構的人,我覺得那種高興的心情只有實際經歷過的人才能體會。」

    即使再忙碌,詹迺立一週仍會至少排一天中午跟學生們一起吃中餐。「通常只是閒聊」,但他覺得這是很重要的溝通方式,不管是對學生或是家中兩個寶貝女兒,他總是相信「只要花點時間跟他們聊天,關係就會不一樣」。在實驗室,他鼓勵壽星自己舉辦慶生會,帶東西與大家分享,和大家同歡;或是在年度聚餐前安排出遊;平時有空一起去打球運動,從這些活動中增加實驗室成員的凝聚力。而對於家中的兩個寶貝,他會趁著晚上有空時帶著他們出門散散步,順便聊聊天。「我覺得這是陪他們成長最好的方式,我喜歡跟他們聊天。」從中可以看得出詹迺立教授對於學生與孩子的用心,展現生活中最直接、最簡單卻最容易被忽視的陪伴。

    詹迺立也鼓吹學生走進圖書館閱讀紙本期刊,「我都跟博士班的學生說,不管實驗有多忙,一個禮拜就挑一個下午到圖書館,去看別人做的東西、去想一些事情」。現在大家習慣看電腦,用關鍵字搜尋想要找的論文也很容易,因此也很少人願意看紙本期刊,但是坐在舒服的沙發上唸書其實是緊湊的生活中難得的享受。「每個禮拜去一天,一年就可以看50 個下午的論文,博士班念下來就可以累積很多想法」,詹迺立都這麼鼓勵同學。為了作為學生的榜樣,他自己和三位相似領域的老師組成論文讀書小組,挑選四本期刊包括NatureCellScienceNatureStructure & Molecular Biology,每個月每人負責一項,負責報告當月比較有意思的想法。詹迺立說:「我覺得這個方法很不錯,我多了很多材料可以建議給學生,我也很建議學生可以自己找幾個好朋友舉辦類似的讀書會。」

孩子別那麼早考慮現實 

    就像希望實驗室的學生都能享受實驗一樣,詹迺立也希望臺灣的學生能夠單純去追求獲得新知的快樂。「我大一的微積分是黃武雄老師教的,他有一句話我一直記得很清楚,他說他覺得臺灣的學生想法『太功利』,很早就在想念的書要與就業市場相關,沒有辦法去享受求知的樂趣。」

    詹迺立覺得即使現實因素讓人壓力很大,但是不是每一件事都要考慮到就業問題,讓自己抽離出來去享受一些學習的快樂。而對於科學的學習,詹迺立則認為真的得花時間下功夫,才能有所獲得。在建立實驗室後,詹迺立才深深感覺自己有很多該唸或想唸的書沒有時間唸。「建議同學趁大學時間很多、學習力很夠的時候,花功夫去唸一些需要時間理解,不是那些單純靠記憶的東西,你會發現當你突然頓悟把很多事情想通是很快樂的!」

    在於科學之內,看到的是詹迺立教授對於科學熱情與不斷前進的腳步;在科學之外,看到的是一位亦師亦友的長輩,對於孩子、學生的提攜與關懷。結構生物學試圖以「形」、以「態」來看分子間交互影響而造成的生命現象,詹迺立教授的一言一行間相信也正影響更多對於科學有想法的學子,享受學習與實驗的快樂。

 

作者:趙軒翎



 
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