冠狀病毒nsp3 macro domains之結(jié)構(gòu)生化解析 提供新穎抗病毒藥物開(kāi)發(fā)標(biāo)的

冠狀病毒對(duì)於全球的人類健康及政經(jīng)活動(dòng)影響甚深，尤其是自2019年12月以來(lái)，嚴(yán)重急性呼吸系統(tǒng)綜合癥冠狀病毒2 (SARS-CoV-2)作為新的病原體，引起全球性大流行的危機(jī)。另外，2012年發(fā)現(xiàn)的中東呼吸道綜合癥冠狀病毒(MERS-CoV)亦於短短數(shù)年間引起中東地區(qū)的流行。目前抗冠狀病毒藥物設(shè)計(jì)，多以阻斷病毒與宿主辨識(shí)或抑制病毒生活史為主。而冠狀病毒的基因組中存在macro domain，此位於非結(jié)構(gòu)性蛋白3(nsp3)的 macro domain可藉由其酵素活性，影響宿主細(xì)胞中磷酸二腺苷核醣基化(ADP-ribosylation)的轉(zhuǎn)譯後修飾，進(jìn)而抑制宿主抗病毒之先天免疫。換言之，抑制viral macro domain的酵素活性，使其無(wú)法移除宿主蛋白質(zhì)ADP-ribosylation修飾，可讓宿主有機(jī)會(huì)發(fā)揮其抗病毒免疫機(jī)制。因此，viral macro domain近日被視為新穎的抗病毒藥物設(shè)計(jì)標(biāo)的。

臺(tái)灣大學(xué)農(nóng)業(yè)化學(xué)系、基因體與系統(tǒng)生物學(xué)學(xué)位學(xué)程、生化科學(xué)所徐駿森教授研究團(tuán)隊(duì)，長(zhǎng)久以來(lái)利用結(jié)構(gòu)生化學(xué)與生物物理學(xué)方法研究功能迥異的macro domains，在COVID-19肆虐之際，加緊腳步解析SARS-CoV-2 macro domain結(jié)合磷酸二腺苷(ADP-ribose)的蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)並驗(yàn)證了SARS-CoV-2 macro domain具有結(jié)合ADP-ribose多聚合體(Poly ADP-ribose)的功能，且具有可移除蛋白質(zhì)上修飾單個(gè)ADP-ribose (Mono ADP-ribose)的酵素活性。這些結(jié)構(gòu)生化證據(jù)闡述了SARS-CoV-2 macro domain與ADP-ribose結(jié)合作用在宿主細(xì)胞中的功能，並可做為未來(lái)設(shè)計(jì)新藥物的基礎(chǔ)。此研究已發(fā)表於2020年11月的美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)知名期刊「ACS infectious disease」，並刊登於期刊封面。

此外，積累至今的證據(jù)顯示，病毒的macro domain可透過(guò)與菸草醯胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)分子代謝相關(guān)產(chǎn)物的交互作用來(lái)調(diào)節(jié)宿主細(xì)胞功能。藉由NAD代謝產(chǎn)物和MERS-CoV macro domain的X-ray晶體結(jié)構(gòu)以及透過(guò)核磁共振(NMR)化學(xué)位移擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)鑑定了MERS-CoV macro domain蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中與NAD代謝物結(jié)合相關(guān)的關(guān)鍵胺基酸。然而，以往相關(guān)研究認(rèn)為NAD相較於ADP-ribose，多了菸草醯胺(nicotinamide)官能基的空間障礙，使得macro domain不具備結(jié)合NAD的能力。因此，徐駿森老師研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用NMR來(lái)研究溫度對(duì)於蛋白結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)之影響，配合分子模擬與生化的證據(jù)證明，MERS-CoV macro domain蛋白質(zhì)的結(jié)合區(qū)域是具備可調(diào)節(jié)性(tunability)，且在人體溫度環(huán)境下確實(shí)能夠結(jié)合NAD分子。此研究結(jié)果更加了解病毒macro domain與宿主細(xì)胞內(nèi)的代謝分子作用可能性，並有利於未來(lái)藥物設(shè)計(jì)者需注意蛋白可調(diào)節(jié)性結(jié)合區(qū)的特性。而此研究成果已於2021年1月刊登在Nature旗下的新期刊「Communications Biology」。

此兩篇論文的第一作者為今年畢業(yè)於基因體與系統(tǒng)生物學(xué)學(xué)位學(xué)程的林孟萱博士，林博士也以相關(guān)研究於2020年底獲得第二十六屆國(guó)家同步輻射研究中心會(huì)員大會(huì)生物科學(xué)組臺(tái)灣之光獎(jiǎng)（第一名）和磁共振學(xué)會(huì)年會(huì)之口頭論文競(jìng)賽第一名。林博士表示：「許多進(jìn)行中的冠狀病毒疫苗及藥物設(shè)計(jì)主要在於阻隔病毒表面的棘狀蛋白質(zhì)結(jié)合人類細(xì)胞表面的受體蛋白質(zhì)，或阻止病毒進(jìn)行複製。但雞蛋不應(yīng)放在同一個(gè)籃子裡，冠狀病毒具有快速的突變能力，阻隔病毒影響宿主細(xì)胞的轉(zhuǎn)譯後修飾也可以是一個(gè)有潛力的藥物標(biāo)的。目前我們正使用NMR搭配藥物片段前驅(qū)物資料庫(kù)的篩選(Fragment-Based Drug Discovery Using NMR Spectroscopy)，以及電腦虛擬篩選等方法，期望找到具有潛力的藥物?！?/p>

「ACS Infectious Diseases」期刊全文:
Structural, Biophysical, and Biochemical Elucidation of the SARS-CoV-2 Nonstructural Protein 3 Macro Domain.

「Communications Biology」期刊全文:
Elucidating the tunability of binding behavior for the MERS-CoV macro domain with NAD metabolites.