台湾光子源跨领域实验设施兴建计画书.DOCVIP

同步輻射蛋白質結晶學的 近期發展與應用研究 文/陳俊榮 一、引言 自西元2000年美英宣布人類基因圖譜的鹼基定序完成，這項突破使生命科學邁向一個全新的領域。我們對於基因在生物體內的作用有更深的認識，但是這些帶有功能訊息的基因轉譯出來的蛋白質才是真正在生理功能中扮演重要的角色，因此後基因體時代的重要研究標地就是”蛋白質體學”。而其中生物巨分子立體結構所提供的生物學資訊，是我們瞭解生物分子之間作用機制的重要來源。透過生物分子結構我們可以看到愛滋病病毒如何使用其上的關鍵蛋白來感染人體細胞、蛋白質如何構成堅韌如鋼的蜘蛛絲、蛇毒蛋白的毒理機制、蛋白質酵素的運作機轉。數以不盡的生物界奧妙就藏在這原子級的生物結構中。因此從一級基因序列歸納預測蛋白質的功能，成為基因體研究中最重要的目標之一，而在此極具挑戰性的研究範疇中，大量及快速蛋白質結構的決定乃為此研究領域之成功指標圖一。美國由其國家衛生研究院(National Institute of Health, NIH)轄下的國家一般醫藥科學研究所主導，於1998年開始規劃推動結構基因體計畫(Structural Genomics Project; /psi/)，目前成立有九個蛋白質結構中心，進行結構基因體實驗及計算的最先端研究。日本理化學研究所(RIKEN)於2002年進行 ”蛋白質3000計畫” (Protein 3000 project; http://www.mext-life.jp/protein/index.html#)，目標在大量決定具生物醫學價值之蛋白質結構，有效應用在未來基礎生物研究及工業應用上，如研發新藥物。而台灣也自2002年開始投入大量人力與經費，積極籌劃推動國內基因體醫學的各領域相關研究。 圖一 基因體與蛋白質結構功能之關係 目前解得生物巨分子立體結構主要的實驗方法有X光單晶繞射以及高磁場高解析核磁共振圖譜法。近年來由於實驗儀器(同步加速器X光光源、核磁共振的磁場強度)與實驗技術的進步，生物巨分子三度空間立體結構被決定出來的數目正在急速地累積中，已經足夠成為統計分析的數據來源。蛋白質資料銀行(Protein Data Bank，PDB)自1971年起開始收集全世界使用核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance, NMR)、X光生物巨分子結晶學(X-ray Macromolecular Crystallography)、(Electron Microscopy)及其它方法所解出來的三度空間立體結構。截至目前為止(/25/2006)總共收錄了個生物巨分子結構，其中以X光單晶結構的個(約佔%)為主要，而核磁共振圖譜則有個(約佔1%)。這個資料庫所提供的資訊是全球最重要的蛋白質結構在原子尺度層級(atomic level，~?)的資料來源，為所有結構生物學研究工作者瞭解蛋白質立體結構及其功能的知識泉源。生物大分子結構學家對於同步加速器光源的使用率增加十分快速，從1990年到200年全世界使用同步加速器光源決定新結構的數量已從18 % 增加到 %，而目前有超過90 % 的大分子結晶學家需使用同步加速器光源。身為我國第一座大型科學研究共用設施，國家同步輻射研究中心長期提供各種光源給不同的研究領域使用，亦在最近幾年投入不少人力與經費，積極發展蛋白質結晶學領域相關設施與研究。 圖二 (1990~2006年)蛋白質資庫中結構發表之統計數據資料來源：) 在決定分子量愈來愈大且結構愈來愈複雜的生物大分子三維結構時，結晶學方法一直在全世界結構生物與結構基因體領域上佔有很重要的地位。同時，近年來在發展各種疾病的新的診斷方法及藥物設計上，同步加速器光源蛋白質結晶學已漸漸成為不可或缺的工具。在台灣的同步輻射蛋白質結晶學實驗站的使用與應用研究，在近幾年亦持續地成長中，分別從事各種相關領域之重要研究。 生物大分子覆合體的晶體結構決定通常是高強度、高通量的同步加速器光源在生物結構研究領域之重要指標。一般最常見的應用是在病毒分子的結構決定；病毒(virus)一般是由繁多的蛋白質所組成，具高對稱性，其分子量包含DNA或RNA基因核酸可超過數百萬道耳頓(dalton)。如此巨大分子的組成增加了研究其晶體結構之困難度，例如較弱的繞射能力、晶胞體積過大以及對輻射傷害的敏感度增加。因此對於傳統實驗室X光繞射數據收集的種種限制，同步加速器光源是必要且唯一的使用光源。除了病毒之外，核醣體(ribosome)及DNA/RNA聚合脢覆合物等之結構研究亦需有穩定、高強度之同步加速器X光源長期有效之配合。以下將針對同步輻射蛋白質結晶學的基本原理及其近期發展與應用研究做一簡短介紹。 蛋白質的準備 高濃度(約10 mg/ml)和高純度( 90%)的蛋白質，是利用X光來解析蛋白質結構的基本條件，如此才能進行長晶、X