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更新日期:108年4月30日

徐駿森教授團隊發現原核生物亦存在PAR修飾 獲登頂尖國際期刊

徐駿森教授研究團隊以結構生化學解析並首度證實原核生物內具有poly-ADP-ribosylation之轉譯後修飾系統存在,顛覆教科書上與一般學界的認知。此研究成果於今(108)年4月2日,刊登於頂尖期刊<自然通訊> (Nature Communications)上。

蛋白質轉譯後修飾(Post-translational modification, PTM)是生物體依循中心教條(Central dogma)產生蛋白質後,經由在蛋白質上進一步化學官能基修飾,來增加此蛋白的功能性以及生理調節的多樣性。有一些病原體也會釋放特殊酵素並對宿主的蛋白進行轉譯後修飾,進而調控宿主代謝甚至造成危害。

腺苷二磷酸核糖基修飾(ADP-ribosylation)為酵素催化型,可將一個或多個ADP-ribose接到特定蛋白質上的重要轉譯後修飾。例如相當著名的白喉毒素(diphtheria toxin),具有ADP-ribose轉移酵素的活性,將宿主重要的EF-2 (elongation factor-2)蛋白進行ADP-ribosylation後,使得細胞的蛋白質合成受阻而死亡。而聚腺苷二磷酸核糖基修飾(poly-ADP-ribosylation, PAR)則是在蛋白質上合成出一串的ADP-ribose聚合物,在醫學上時常與DNA修復機制有關,因此也涉及到許多疾病與癌症的治療。由於PAR相對複雜,教科書以及目前學術界認為此轉譯後修飾只存在於真核系統,換言之,過去普遍認為細菌並無PAR修飾。

國立臺灣大學徐駿森教授研究團隊的研究主題有一部份在於辨識ADP-ribose的蛋白模組,其中一種蛋白質家族稱為macro domain,有一些macro domain 經演化後也發展出ADP-ribose相關酵素催化的功能。在一種名為抗輻射奇異球菌(Deinococcus radodurans)的嗜極微生物中,發現有此蛋白質家族成員存在,後續命名為DrPARG。此細菌在1956年於gamma射線滅菌處理過的肉罐頭中被發現,以可承受至少高於人類1000倍致死量gamma射線而著名。

在這項研究中,研究團隊利用蛋白質晶體學解析發現DrPARG蛋白折疊具有一典型的macro domain構造,然而進一步觀察與結構比對發現,在受質結合區域並不如目前認為是絕對外切糖水解酶的細菌型PARG,會有一個明顯的ribose cap存在。根據結構分析,整個DrPARG雖不像人類PARG來的龐大且複雜,卻同樣有機會可容納poly-ADP-ribose為受質,因此推測DrPARG可能具有內切糖水解酶的能力。

由於PAR經內切酵素處理若時間過久,仍可能變成單一的ADP-ribose,於是研究團隊設計了一個實驗使得被切下來的PAR可以與酵素分開,再加以生化與質譜方法確認。經過酵素動力學與活性分析,證實了DrPARG確實具有內切糖水解酶功能。接下來思考的問題為此細菌內是否因為具有PAR修飾,才需要有內切活性的酵素?又倘若PAR確實存在於抗輻射奇異球菌,這樣的分子機制是否和抗輻射等逆境有關?

為了獲得充份的證據來推翻過去教科書上的說法以及目前學界普遍認知,研究團隊開始著手利用特殊抗體與結合試劑用以測試PAR的存在,得到令人興奮的初步證明後,接下來需要提供更多與更仔細的證據。研究團隊將合成PAR所需受質NAD+ (Nicotinamide adenine dinucleotide) 額外添加至培養液中,菌體內 PAR也隨之增加。同時利用Biotin標定之NAD+證明,此外源受質可修飾加入在PAR上。此外將DrPARG的基因剔除掉後,也可觀察到PAR在菌體內累積。而DrPARG 基因剔除的突變株在輻射照射後,生長以及DNA修復能力都較野生型來得差。接著利用質譜的鑑定以及人類PARG酵素抑或DrPARG重組蛋白的降解處理,在在顯示抗輻射奇異球菌具有PAR的轉譯後修飾。

此基礎研究除了對於微生物轉譯後修飾開拓了新的領域外,也可能提供未來抗菌藥物開發的新途徑。論文全文現已發表在Nature Communications,由卓昭成、簡嘉佑、邱奕志、林孟萱及徐駿森教授共同完成。同時也獲Nature Research Microbiology Community 邀請撰文報導並為社群成員。徐教授也特別指出,要證明一件過去大家都不這麼認為的事實,需要提供更多證據以及利用跨領域的技術合作才能達成。因此除了感謝農業化學系/基因體與系統生物學學位學程/生化科學所長久以來的研究環境與人力儀器支持外,也特別感謝植微系在研究過程中的協助,使得這樣的嶄新觀點可以被頂尖期刊接受。同時也感謝臺大、以及科技部對此項研究的支持。

  • 徐駿森教授研究團隊合影

    徐駿森教授研究團隊合影

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