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深入結構 – 癌症藥物與載體蛋白的相互作用

  細胞膜是細胞與外界的分隔,而使物質進出細胞的構造便是各種的通道與載體蛋白的功能。使物質通過的特性使得這些穿膜的蛋白質結構經常成為藥物開發所鎖定的目標,其中最常被提起的兩大家族,分別是 SLC (solute carrier family) 與需要消耗ATP 作為能量的 ABC (ATP-binding cassette transporter family)。SLC 與 ABC 分布在細胞中的各種膜狀構造上,如內質網、高基氏體、溶酶體與粒線體,主要功能是讓需要的物質輸入胞內,並將多餘或是毒性物質排出膜外。常見的運輸物質包含各種離子、胺基酸、核甘酸、醣類、酯質、膽固醇等,也因此這類蛋白質的表現對於維持細胞功能至關重要。

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  作為細胞基本營養來源的通道,抑制 ABC 及 SLC 的表現或功能而藉此殺死癌細胞是一些癌症藥物的作用方式。更有趣的是,在部分癌症中發現癌細胞會藉由提升 ABCB1 [註] 的表現量將細胞內的藥物打出細胞外,造成癌症抗藥性問題。因此研究該蛋白質的結構與其受藥物影響時的結構改變遂成為克服抗藥性的重要研究方向。

註:ABCB1 (ATP-binding cassette transporter B1) 或被稱作 P-glycoprotein (P-gp)。在細胞中負責將細胞內的廢物或毒物排出。大部分在消化道及外分泌腺中表現,也可以在血腦屏障中發現。 

     在蛋白質研究中,比起功能性的生物研究,結構生物學更希望透過直接「看到」蛋白質的方式研究生物學問題。Cryo-EM 是近年快速發展的冷凍穿透式電子顯微鏡,該技術的開發者已獲得 2017 年的諾貝爾化學獎。這樣的技術讓結構生物學家有機會在不用傳統結晶的情形下研究生物結構,也能在相對自然的情況下觀察施予藥物後載體蛋白的結構如何受到改變。  

      紫杉醇 ( Paclitaxel, Taxol ) 等癌症用藥已經知道作用於 ABCB1 上,會使載體蛋白無法成功水解 ATP 並癱瘓運輸功能,進而影響癌細胞的訊息調控及排除藥物毒素等功能。了解紫杉醇及開發中用藥 Zosuquidar 與 ABCB1 的作用結構將有助於進一步的藥物開發或是修飾。也因此在瑞士蘇黎世聯邦理工學院的 Dr. Kaspar P. Locher 的實驗室 [1, 2] 使用 cryo-EM 技術希望能解開其中的關鍵結構。

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  Dr. Locher 的研究團隊發現紫杉醇會結合在 ABCB1 的穿膜結構的中央部位 ( 紅色箭頭處 ),這樣的藥物結合使得整體交叉於穿膜構造中的兩個大單元較為緊縮,靠膜內的 ATP 結合位也略為縮小,可能是使 ABCB1 失去功能的原因。除此之外, ABCB1 中能與紫杉醇分子作用的空間僅能容納一個紫杉醇分子,這與以往從生化實驗中認為可以與多個藥物分子作用的假設不同。

  隨著科技的進步,蛋白質與結構生物學家們得以看到更細微及精密的結構,也能了解更詳細的藥物作用原理及背後的動力學基礎。透過了解 ABCB1 與藥物分子的互動,或許能將開發中的藥物做更好的修飾,也有機會將已開發的藥物做更廣泛的應用。透過結構生物學比較不同藥物與載體蛋白間的相互作用,也可以帶領我們更了解不同的生物原理,知道功能相近的蛋白質可能擁有極大的構造差異,或是其他的可能性。類似的研究能協助我們更加了解種類繁多的運輸蛋白如何與不同的藥物作用,並釐清其結構變化的過程,也為臨床上的應用提供更多的可能性。

圖片說明:與紫杉醇 (紅色箭頭處) 作用的 ABCB1 以 Cryo-EM 得到的分析結果。中央灰色處為細胞膜的位置,而上方為膜外,下方為胞內。圖片來源:RCSB-Protein Data Bank-EMD-4539 (http://www.rcsb.org/structure/6QEX) modefied and shared following PDB policies. Alam, Amer, et al. (2019)

參考文獻:

  1. Alam, Amer, et al. “Structural insight into substrate and inhibitor discrimination by human P-glycoprotein.” Science 363.6428 (2019): 753-756. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30765569
  2. Alam, Amer, et al. “Structure of a zosuquidar and UIC2-bound human-mouse chimeric ABCB1.” Proceedings of the National Academy of Sciences 115.9 (2018): E1973-E1982. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29440498

撰文|蔡宗霖
審稿|黃文彥

About the author

蔡宗霖

蔡宗霖

畢業於長庚大學生物醫學系,目前就讀陽明大學微生物與免疫學研究所碩士班,主要探討胸腺巨噬細胞與其代謝途徑在後天免疫恆定中扮演的角色。曾參與國際合成生物學競賽(iGEM),並於2018年前往廈門大學The Beulter Institute進修免疫學與遺傳學。一直相信自己學習到的,就有跟其他人分享的義務。希望在Investigator中認識更多人,一起創造生活刺激!

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  • […]         最後,由目前就讀於陽明大學微生物與免疫學研究所碩士班的楊宗霖為我們報導將冷凍電子顯微鏡技術應用於醣科學的研究。此研究利用冷凍電子顯微鏡觀察抗癌藥物紫杉醇與穿膜蛋白質 ABCB1 在結構上的交互作用,對於抗癌藥物作用的動力學提供了進一步的解釋,也顯示了輔以不同技術來研究醣科學是能夠獲得相當重要的成果。藉由本研究可知,了解藥物結合後膜上醣蛋白通道的結構變化,對於釐清作用機制、改進有效性、以及新藥開發都是不可獲缺的一環。 更多請看:https://investigator.tw/8963/ […]

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