第 483 期

學術交流
「蛋白與配基間微弱的交互作用」研討會紀要：生物物理與細胞生物領域的新視野
Report on Weak Protein-Ligand Interactions: New Horizons in Biophysics and Cell Biology

美國生物物理學會舉辦相關研討會與年會已進入第57年，今年首次舉辦「蛋白與配基間微弱的交互作用」研討會，由12個國家160位學者共同參與，藉此研討會期盼更進一步瞭解複雜的生物機制。與會學者於會議中、休息及用餐時間分享研究成果與交換經驗，對利用各種生物物理和細胞生物技術偵測蛋白與配基間的交互作用有更深入瞭解；尤其對偵測微弱交互作用的能力，往往取決於各種技術的優點與限制。4天的會議中，11個研討議題共包含下列各種偵測技術：NMR spectroscopy、X-ray crystallography、co-immunoprecipitation and pull-down、in vivo fluorescence resonance energy transfer（FRET）、yeast hybrid and phage display、chemical crosslinking、mass spectroscopy、small angle light scattering、computational docking、single molecule fluorescence spectroscopy、atomic force microscopy、magnetic tweezers、surface plasmon resonance（SPR）、isothermal titration calorimetry（ITC）。

「蛋白與配基間微弱的交互作用」是生物物理與細胞生物領域的一種新的視野，其定義為：解離平衡常數介於mM – μM之交互作用。此類交互作用由於測量不易，很容易為學者所忽略。近來，研究者陸續於生物與醫學領域發現重要的微弱蛋白交互作用，並偵測出與人類疾病或生長等有重要關聯。因此，藉此會議凝聚對此議題的共識。由於，微弱交互作用偵測不易，於人體或生物內又極易為環境所干擾，藉由各種偵測方法的互相交流，可望獲得微弱交互作用的共同特徵。此會議依照分析工具的不同而組成11個研討群，以下描述部分研討群討論議題及共識。

核磁共振光譜學（Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Spectroscopy）
此研討群共有6位講者，均以NMR偵測交互作用，並分別探討(1)癌細胞過度表現之mRNA；(2)腦神經傳輸蛋白；(3)蛋白質醣化；(4)細菌內RNA交互作用；(5)蛋白酶催化作用；(6)稀有金屬探針NMR偵測微弱交互作用。

X光結晶學（X-Ray Crystallography）
此研討群共有3位講者，均以X光結晶學偵測交互作用，並分別探討(1)免疫細胞抗原辨識蛋白；(2)histone protein與DNA的動態結合；(3)病原菌蛋白與宿主phosphoinositide結合。

非標記測量法（Label-free Techniques）
此研討群共有6位講者，均以非標記測量法偵測交互作用，並分別探討(1)比較ITC與SPR兩種非標記測量法於藥物開發之使用；(2)透過biotin-avidin結合法可真實模擬醣分子與lectin的微弱交互作用，亦可藉由SPR矩陣進行大量篩選；(3)比較偵測環境對SPR與resonant waveguide grating（RWG）兩種偵測法於偵測微弱交互作用時所造成影響，SPR於單純環境下可穩定量測，但RWG於細胞檢測環境下，可有效測量；(4)結合多孔盤與DMR之設備，除了可如RWG於細胞環境下偵測交互作用，更可結合其他顯微影像，以更深入研究；(5)RWG與多孔盤結合於擾動環境下可更準確偵測弱交互作用，排除如微流道所產生的質傳效應干擾；(6)利用hydrogen deuterium exchange/mass spectroscopy（HDX/MS）質譜和differential scanning calorimetry（DSC）熱卡計探討anti-IgG1蛋白質的構形。

小角度X光散射或電子顯微法（SAXS and Electron Microscopy (EM) Approaches）
此研討群共有6位講者，均以X光或電子顯微法偵測交互作用，並分別探討(1)以小角度X光散射測量溶液中的蛋白質交互作用；(2)X光呈像技術的空間解析度為50 nm，可將急速冷凍的細胞幾近完整呈像，若再透過聚焦程序，可望作為觀察細胞內生物分子的有利工具；(3)利用多種影像及生物物理工具探討細胞移動有關的蛋白質交互作用；(4)利用EM觀察RNA聚合酶結構與轉譯過程；(5)利用EM觀察細胞骨架蛋白actin等蛋白質複合體的三維結構，細胞骨架蛋白間存在重要的弱交互作用力；(6)比較SAXS與結晶光譜學，當蛋白質分子無法達到適當結晶性以利用結晶光譜法研究時，X光散射將可彌補原子等級的研究，可偵測範圍為Kd = 10 – 100 μM。

單分子法（Single Molecule Methods）
此研討群共有4位講者，均以單分子法偵測交互作用，並分別探討(1)發展磁性粒子鉗與原子力顯微鏡測量單分子IgCAM與Protein A交互作用；(2)單分子法探討adenosine 5'-triphosphate（ATP）水解機制；(3)利用FRET等技術探討細胞內膜蛋白對細胞膜融合的影響；(4)分子設計法開發抑制HIV蛋白酶。

新的方法（New Methods）
此研討群共有4位講者，以新的方法偵測交互作用，並分別探討(1)兩種不同功能酵素結合探討酵素催化熱力學；(2)利用生物性質評估GABABr與IGF-1r交互作用；(3)螢光光譜法評估微生物蛋白質之交互作用；(4)利用NMR偵測19F標記膜蛋白與磁性微胞間交互作用。此外，尚有電腦模擬分子間交互作用、利用各種弱交互作用工具應用於篩選藥物、活體內螢光偵測蛋白質交互作用、蛋白質體學分析膜蛋白交互作用等。

後記
筆者發展「SPR快速藥物篩選平台」已有多年，其實驗室關鍵技術在化學固定膜蛋白分子於SPR晶片表面，藉其準確偵測膜蛋白與配基交互作用的各種特性，包括親和性、解離平衡常數、速率常數、構形變化與磷酸化等，已有多篇論文發表於JMC與Pharmaceutical Research等國際期刊。目前，更進一步利用此平台於快速評估混合物干擾膜蛋白與配基交互作用，如傳統中藥、天然物萃取物等，藉此發展抗癌、免疫調節、幹細胞分化調控及骨組織再生等藥物。以下簡要描述SPR之原理：

表面電漿共振（SPR）為一種光電效應，存在於非金屬介質與金屬介質之間，如玻璃與金之間。當光線由非金屬入射於金屬界面反射，入射角度大於全反射角時，所有入射光將全部被反射，並且入射光對金屬介質內的電子雲產生極化現象，使形成電磁波。然而，當選定之入射光之波長與該電磁波波長成整倍數關係，入射光與電磁波將產生共振效應，導致部分反射光減少，此現象稱之為「表面電漿共振」。此技術運用於生物分子交互作用時，其偵測極限可達0.001RU（resonance unit）。一般而言，共振訊號強度也與配基分子量有關（1RU = 1 pg/mm2）。目前，市售SPR儀器已可偵測分子量200之小分子與生物分子間的交互作用，其靈敏度極高。SPR應用於偵測生物分子交互作用仍有一缺點，即為非特異性作用干擾，此干擾限制了SPR於生物環境中偵測交互作用。而上述發展中的RWG，即能克服非特異性干擾問題，使RWG於生物環境中偵測交互作用而成為其應用發展的極佳競爭性。

此次會議為美國生物物理學會首次舉辦討論個別議題，足見生物物理學者對「蛋白質微弱交互作用」極為重視，而會議中依照不同偵測原理或應用領域所規劃的11個議題，也看得出生物物理學者們對各種原理所偵測出的交互作用結果仍各有爭議。此會議以偵測工具的角度，討論偵測弱交互作用的極限與可靠性，以及偵測後所需延伸相關研究是否受限制。在此之前，弱交互作用研究應該還在「開發準確測量方法」階段。會議議題還包括多種應用領域所發現之弱交互作用，包括人體細胞、微生物、病原體等。試圖概估弱交互作用可能存在範圍。此外，偵測弱交互作用實際應用的可行性，亦藉由藥物開發、疾病診斷、農藥治療農作物等領域初步評估之。
《文：醫學工程研究組董國忠助研究員；圖：生物物理學會提供》