意外之中開創新領域:半乳糖凝集素與劉扶東

  • 科學家隨筆
  • 撰文者:陳其暐(採訪撰文)、簡克志(責任編輯)、蔡宛潔(美術設計)
  • 發文日期:2023-05-02
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神奇的醣結合蛋白:半乳糖凝集素

  本文轉載自「研之有物」,為「中研院廣告」

半乳糖凝集素(galectin)是什麼呢?它是一種醣結合蛋白(carbohydrate-binding protein),有許多不同的家族成員,例如半乳糖凝集素-3、-8 及 -9 等等。研究發現,當人體細胞遇到外來有害物質,包括細菌或病毒時,除了促進吞噬作用等先天免疫反應之外,半乳糖凝集素會快速聚集到被這些物質破壞的胞器上,與裸露的醣分子結合。同時半乳糖凝集素還會結合與免疫相關的細胞內各種蛋白質,影響細胞反應,例如消除病菌。中央研究院「研之有物」專訪院內的前任副院長,現為生物醫學科學研究所的通信研究員劉扶東院士,劉院士是研究半乳糖凝集素的專家,他將和我們分享半乳糖凝集素的故事。

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劉扶東院士談論半乳糖凝集素。
圖|研之有物

「最讓人挫折的地方,也是最令人興奮的地方。」劉扶東如此形容他的研究。

劉扶東描述那些從研究半乳糖凝集素中所發生的故事,一一告訴我們許多半乳糖凝集素的發現過程,以及中途遇到的種種挑戰。即使他第一次發現半乳糖凝集素的時刻距今已有 30 多年,他依然可以細數研究過程中的各種轉折。特別的是,半乳糖凝集素的發現完全是一場意外,沒想到竟一路成為劉扶東最具標誌性的研究主題。

「半乳糖凝集素是什麼?」對於這個問題,科學家已有明確的定義:它是一種醣結合蛋白(carbohydrate-binding protein),顧名思義,這種蛋白質都具有至少一個醣類辨識區塊(carbohydrate recognition domain)可以結合在醣分子上的 β-半乳糖苷(β-galactose)。

可是若你接著問,「半乳糖凝集素有什麼功能?」劉扶東說,這個問題可能一整天都談不完,甚至他會說,半乳糖凝集素相當複雜,還有很多我們不知道的地方。

但這些未知的答案並沒有阻擋他繼續深入研究半乳糖凝集素,他還希望藉由分享更多半乳糖凝集素的研究成果,以此激發更多人投入這塊領域。一如他當年曲折的際遇。

幸運的發現:半乳糖凝集素

中研院前任副院長、現為生醫所通信研究員的劉扶東,同時擁有多重身分──教授、科學家,及醫師。早在「跨領域」這個名詞蔚為風潮之前,劉扶東就在化學、生物學,接著到免疫學、醣科學、醫學研究等領域累積豐富的研究成果。劉扶東之所以能在多種領域自在轉換,或許從求學時期開始便可見端倪。

劉扶東回憶,由於當年他從成功高中畢業時成績很好,得以保送至臺大化學系。大三念了生物化學之後,開始對生物產生興趣。1970 年,劉扶東從化學系畢業,和許多同學一樣選擇出國念書。可能是因為芝加哥大學特別喜歡臺大化學系的畢業生,劉扶東順利進入該大學的研究所深造。

進入芝加哥大學後,他以化學為基礎,跟著指導教授涉略生物相關的題目,僅僅四年就取得博士學位,接著在伊利諾大學化學系擔任研究員,一步一步朝生物領域發展。後來在指導教授的引薦下,得以前往斯克里普斯研究院(The Scripps Research Institute),從事免疫相關的研究。

在 Scripps 研究院期間,劉扶東對過敏反應產生興趣,而過敏反應的重要媒介之一是免疫球蛋白 E(IgE),於是他便決定探索 IgE 的一個重要受體。當時恰好碰上基因重組技術(Recombinant DNA Technology)出現,科學家紛紛採用這種技術來表現特定基因片段,藉此製造出特定蛋白質。

劉扶東也使用了基因重組技術來嘗試選殖出(clone)IgE 受體,結果沒有成功,卻發現另一種蛋白質,會結合 IgE 上的半乳糖。後來,這蛋白質就被命名為半乳糖凝集素-3。

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半乳糖凝集素的示意圖,大致可以分為三大類,原型、嵌合型和串聯重複型,三者都具有至少一個醣類辨識區塊。其中半乳糖凝集素-3 是屬於嵌合型,保留了一個可以結合更多分子的空位(N-Terminal)。
圖|研之有物、林威翰、陳宏霖


挑戰困難:細胞內的半乳糖凝集素

過往,科學家就發現過凝集素,劉扶東舉例,植物體內就含有凝集素,例如植物血凝素(phytohaemagglutinin);從流行性感冒病毒(influenza)表面則可找到血球凝集素(hemagglutinin),讓病毒得以附著於動物細胞上。

而會與醣類結合且來自動物的蛋白質,其實也有先例可循,例如在 1980 年代發現的選擇素(selectin)家族屬於一種細胞黏附分子,會參與發炎反應,促進白血球與血管內皮細胞的交互作用。還有一類稱為唾液酸結合蛋白(siglec)的家族,會調控免疫細胞的活化或抑制。

至於半乳糖凝集素,科學家陸續找到一種、兩種、三種……至今已發現有 15 種半乳糖凝集素,分布於人體的各種細胞之中,是一個大的家族。

不同半乳糖凝集素之間,大約僅有 40% 的相似度,之所以隸屬同個家族,是因為它們都具有某段特定序列,而且都會結合半乳糖。

可是對於 30 年前的劉扶東而言,一切都是未知,尤其當時他在免疫領域已有成果,此刻要轉而花費心力在一個全新的領域,猶如一場賭注。

為了找出半乳糖凝集素在生物體的角色,他們便將半乳糖凝集素加到生物樣本中,看見細胞會因此凝集,便認定這就是半乳糖凝集素的功能。然而,不久後劉扶東就發現,這件事可能沒有想像中那麼簡單。

他舉例,「把植物裡的凝集素,加到紅血球之中,紅血球就會被凝集起來,可是這是不是它的功能?不是,因為植物裡面沒有紅血球。」他接著說,半乳糖凝集素沒有跨膜結構域(transmembranedomain),不會鑲嵌在細胞膜上;而且不帶有訊息序列(signal sequence),無法透過高基氏體運送到細胞外。

絕大部分的半乳糖凝集素都會存在於細胞質或細胞核中。

因此劉扶東認為,關鍵的問題應該是:「內源性半乳糖凝集素的功用是什麼?是不是有在細胞裡面的功用?」

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絕大部分的半乳糖凝集素都會存在於細胞質或細胞核中。上圖為動物細胞結構示意圖,最外層是細胞膜,中間橘紅色核心是細胞核,兩者之間的膠狀質地就是細胞質。細胞核外面淡黃色網狀結構是內質網,深藍色層狀結構是高基氏體,中間一顆一顆小小的橢圓膠囊是粒線體。
圖|iStock

尋求解方:首次發現半乳糖凝集素的內源性功能!

劉扶東認為,半乳糖凝集素的成員眾多,在細胞裡必定有相當的重要性。但唯一證明的方法,就是透過不斷的實驗。在探求解答的過程中,他沒有駐足,「我一直在思考,怎麼樣能做得更好?」

他不斷尋找讓自己成長的機會。在 Scripps 研究院內,有許多研究者從事醫學研究,加上對於過敏、免疫反應的興趣,激發了他念醫學院的動力。因此當他得知邁阿密大學提供了一個兩年即可取得醫學學位的方案,便毅然地前往就讀。他描述,要在極短的時間內讀完所有基礎及臨床醫學學科,壓力相當大。

但他依然保持熱誠,唸完學科後,他又花了四年做實習醫師及到皮膚科做住院醫師。同時,他並沒有放棄原本的研究項目,在念醫學院時他定期從邁阿密到聖地牙哥兩地奔波。而做住院醫師時也在 Scripps 研究院繼續經營實驗室。最後,他成功取得皮膚科的專科醫師執照,之後前往加州大學戴維斯分校醫學院皮膚系擔任教授兼主任。

同一時期,劉扶東的實驗室在半乳糖凝集素的研究上也取得突破。1996 年,他們成為第一個找到半乳糖凝集素內源性功能的團隊,他們發現半乳糖凝集素-3 會抑制 T 細胞的凋亡。其他科學家的研究也發現,「心衰竭的病人,血液循環裡的半乳糖凝集素-3 會增加。」這種現象或許就可以做為臨床檢測的因子,來判斷受試者是否可能患有心衰竭。

另外,劉扶東也利用基因剔除鼠(knockout mice,意指小鼠的特定基因被破壞而無法表現)來觀察缺少特定種類的半乳糖凝集素會有什麼反應,進而驗證半乳糖凝集素的重要性與疾病模式。

他發現,剔除半乳糖凝集素-12 基因的雌鼠會變瘦,而半乳糖凝集素-12 主要便是在脂肪細胞中表現,具有抑制脂肪細胞的脂肪分解功能。他說,「做這塊領域,要一直學習新的東西。」原本做免疫的他,對脂肪細胞非常陌生,幸好團隊中的研究人員有興趣持續鑽研,同時與加州大學戴維斯分校的其他專家合作,才能夠找出隱藏其中的故事。

在加州大學戴維斯分校待了近十年後,劉扶東決定回臺貢獻所學,接任中央研究院生物醫學科學研究所所長,開始在院內推動免疫、醣科學等領域,也持續研究半乳糖凝集素。

劉扶東與團隊找出了半乳糖凝集素-7 與乾癬之間的關聯。乾癬是一種由免疫失調所導致的慢性皮膚發炎,身上會反覆長出紅色斑塊,約有 2% 人口患有這種病症。他們發現,半乳糖凝集素-7 在乾癬患者的皮膚中表現較少。而半乳糖凝集素-7 具有抑制角質形成細胞(keratinocyte)增生的功能。

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半乳糖凝集素-7 的蛋白質結構。劉扶東院士發現半乳糖凝集素-7 具有抑制「角質形成細胞」增生的功能。
圖|Wikipedia

持續探索半乳糖凝集素的謎團

劉扶東不斷透過研究探索半乳糖凝集素的作用機制,雖然每一步都得花費不少時間,但發表成果後,「這些研究成果得到認可,就覺得很有意義。」分享故事的過程中,也為他帶來許多樂趣。

他解釋,雖然半乳糖凝集素是一種醣結合蛋白,但它不必與醣結合,也能夠參與細胞內的各種生化反應,像是與細胞內的調控因子作用,促進激素的製造。甚至也可能與疾病機制有關,例如,半乳糖凝集素-1 在許多癌症中會大量表現,讓癌細胞可以規避免疫反應;半乳糖凝集素-3 在淋巴瘤、肝癌細胞中的表現量會升高,讓癌細胞存活更久。

另外,在患有中風、神經退化疾病或多發性硬化症的病患大腦中也發現高濃度的半乳糖凝集素-3,若是抑制其表現,就可以減緩發炎反應,進而改善病程。

那麼,半乳糖凝集素會在細胞內與醣結合產生功能嗎?劉扶東解釋,醣蛋白一般只會出現在胞器內或細胞膜表面上,因此半乳糖凝集素「通常」沒有機會與醣結合。

然而,有學者發現,胞器或胞內體在某些情況下會破裂,此時胞器內部的醣就會裸露,讓半乳糖凝集素得以結合上去,誘發細胞的自噬作用(autophagy),讓受損胞器交由溶酶體降解。

甚至,有些細胞機制會受到這些裸露的醣與半乳糖凝集素的結合所調控,產生細胞凋亡、發炎反應,因而形成疾病。劉扶東團隊也持續發現半乳糖凝集素-3 與 -8 在上述機制中的功能。最近更進一步發現,半乳糖凝集素在細胞内可與侵入細胞的病原體上的醣結合,進一步影響細胞對抗病原體的反應。

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上圖為半乳糖凝集素在細胞內機制的示意圖。左邊是細胞表面醣化修飾的形成過程,右邊則是半乳糖凝集素對應外來有害物質的機制,當核內體的膜破裂時,裡面的醣分子得以裸露,半乳糖凝集素快速聚集,並與這些醣分子結合,同時也會結合更多蛋白質幫手,一起設法解決外來有害物質。
圖|研之有物、林威翰、陳宏霖

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上圖為李斯特菌進入細胞後,半乳糖凝集素-3 快速聚集反應,並由免疫系統排除的過程。半乳糖凝集素-3 為綠色,李斯特菌為紅色,溶酶體為藍色,其中的第 64 分鐘到第 79 分鐘,半乳糖凝集素-3 快速聚集。
圖|Glycobiology

至於半乳糖凝集素在細胞「外」的功能?對於這個問題,劉扶東坦承,「雖然知道半乳糖凝集素這麼久了,半乳糖凝集素在人體細胞外面有什麼功能,我們真的不知道,不過已有無數的文章有敍述在試管内(in vitro)看到的功能。」半乳糖凝集素在少數情況下會離開細胞,並可能與細胞膜或其他蛋白質上的醣類結合,然而細胞外的半乳糖凝集素在活體內實際去了哪裡,產生了什麼作用,還有待科學進一步探究。

如果可以在細胞外專一追蹤半乳糖凝集素家族,對於生醫藥物發展會相當有用,但是目前的科學技術還無法做到。

新藥開發的應用?

劉扶東強調,半乳糖凝集素的內源性功能已有許多研究成果證實。時至今日,若在期刊網站搜尋,可以在全世界找到近萬篇與半乳糖凝集素有關的科學文獻,每年的相關研究多到劉扶東難以一一追蹤。

如此豐富的研究成果,已成為臨床醫藥的新發展方向。目前已有生技公司著手研發半乳糖凝集素抑制劑(inhibitor),來抑制細胞不正常的發炎反應,例如瑞典公司 Galecto 即以抑制半乳糖凝集素-3 為目標,已研發出小分子藥物(galectin-3 inhibitor, GB0139, formerly TD139)來對抗特發性肺纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis)並已得到歐洲藥品管理區(EMA)及美國食品藥物管理局(FDA)核准。

除了半乳糖凝集素-3,劉扶東認為,半乳糖凝集素-7、半乳糖凝集素-8、半乳糖凝集素-12 都有可能進一步發展藥物。若能組成專業團隊,加上跨領域合作,結合不同領域的知識與技術,就能彼此加成,找到更多突破機會。

許多科學創新,不單單只靠一個人就能達成,「我很幸運,實驗室裡有很多優秀的人才一起研究,也和許多團隊合作。」劉扶東期待能夠在臺灣促成更多的合作機會,讓不同實驗室之間結盟,就能凝聚成更大的力量。