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• 流感病毒是一種 RNA 病毒，可藉由病表面的外套膜上的血球凝集素（HA）結合人體細胞表面的受體，進而感染細胞。
• HA 表面布滿了許多醣分子，馬徹團隊在研究過程中將 HA 上的醣一點一點切掉後，發現 HA 誘發抗體的反應更強，能成為疫苗研發的原料。
• 近期，馬徹團隊也發現白扁豆中的蛋白質「FRIL」可以利用四聚體結構，緊緊抓住流感病毒 HA上的醣分子，達到類似克流感的效果。

 
自1796年英國醫師詹納（Edward Jenner）發明了第一支藉由種牛痘預防天花感染的疫苗以來，疫苗就與人類的生活密不可分。舉凡新生兒時期施打的 B 肝疫苗、卡介苗、5合1疫苗等，一直到近期嚴重特殊傳染性肺炎（COVID-19）疫情期間的各種疫苗，為的都是增加人體對細菌、病毒等病原體的免疫力，讓我們足以抵擋外界的侵擾。雖然因為 COVID-19 的大流行，許多人都將目光放在mRNA疫苗上，但不知道大家還記不記得每年10月，政府都會開放「公費流感疫苗」的施打？你是否曾經困惑過為什麼每年都要打一次流感疫苗？流感疫苗又與本期的醣化學主題有什麼關聯？
 
其實，目前任職於中央研究院基因體研究中心的研究員馬徹團隊，就曾經針對流感病毒（influenza viruses）製造出廣效流感疫苗、單醣流感疫苗等。不過在了解疫苗如何製造出來之前，我們首先要知道流感病毒究竟長什麼樣子。
 

流感病毒的真面目

流感病毒是一種會感染人或動物的 RNA 病毒，可分為A、B、C、D四種類型，其中僅有A、B型會造成季節性流行，而在流感病毒表面的外套膜（envelope）上則存在著兩種醣蛋白:血球凝集素（hemagglutinin, HA）與神經胺酸酶（neuraminidase, NA）。HA能結合細胞表面的受體，讓流感病毒被細胞吞噬（endocytosis） 後入侵到細胞中，並在細胞內開始複製病毒自身的RNA、蛋白質等，直到病毒在細胞內組裝好之後便會透過胞吐作用（exocytosis）釋放出來並進一步感染其他細胞。至於NA則會切斷細胞表面的唾液酸（sialic acid），促進新生成的病毒從被感染的細胞中釋放。
 
由於RNA 病毒容易突變的特性，每年流行的病毒株都不盡相同。為了防範潛伏期短、傳播速度快的流感在全球出現大流行，世界衛生組織（World Health Organization, WHO）聯合各國的流感監測實驗室組成全球流感監測與應變系統（Global Influenza Surveillance and Response System, GISRS），也會根據收集到的病毒樣本進行分析、選株，預測每一年可能流行的流感病毒株，並製造相對應的疫苗。
 

醣蛋白研究的開端

「這個發現是非常偶然的。」談論起流感疫苗研發的工作，馬徹謙虛地表示。化學系畢業的馬徹，最初的研究領域其實並不是醣化學，反倒是細胞膜上的膜蛋白。而開啟醣化學研究的轉捩點就在 2003年，該年12月禽流感曾一度在東亞各國爆發，病毒更傳播到了東南亞，在越南、印尼、泰國等地皆出現嚴重的災情，甚至傳出可能有人傳人的風險，團隊便是在這時一頭栽入了有關流感病毒的研究。

從結構來看，流感病毒上的HA同樣屬於膜蛋白，不過表面卻布滿了許多醣分子。這些醣分子究竟有什麼功用？它們在HA表面究竟扮演什麼角色？那時對醣化學理解甚少的學界還無法參透。受到當時擔任中央研究院基因體研究中心主任、對醣化學有諸多研究的教授翁啟惠啟發，馬徹團隊開始著手釐清並研究HA上醣分子的功能⸺首先就是將HA上的醣切掉一點點！在將HA上的醣切得愈來愈短的實驗過程中，團隊發現醣分子被剪短似乎會影響到流感病毒與細胞之間的辨識功能。此外，醣蛋白上的醣分子被一個個去除之後，病毒蛋白質誘發抗體的反應更強烈了。當他將這項成果在會議上向翁啟惠報告時，翁啟惠便認為這種減去醣分子的HA有可能成為一個好的疫苗原料。「我們並不是因為要做疫苗才研究醣，」馬徹說著「一開始只是很純粹、出於好奇心想探討HA表面的醣到底扮演什麼角色。」就是出自於單純的好奇心，造就了單醣流感疫苗，以及後續廣效型流感疫苗的研發成果。
 

流感病毒的醣蛋白組合
A型流感病毒表面的HA共有 18 種（HA1～HA18），NA則有11種（NA1～NA11）。HA與NA的不同組合可產生不一樣的A型流感病毒亞型，例如我們常聽到的H1N1、H3N2等。目前科學家已知有130多種A型流感的亞型組合，但由於病毒具有重組（reassortment）的特性，未來可能產生更多種不同的亞型。M2離子通道是一種選擇性的質子（H+）病毒孔蛋白（viroporin），能維持病毒外套膜內的pH值。核糖核蛋白（RNP）則是含有RNA的核蛋白（nucleoprotein），具有轉錄和複製病毒核糖核酸的功能。

上圖右側為抗原位，由上而下分別為：
HA
NA
M2離子通道
RNP
（圖片來源：Dan Higgins, CDC/ Douglas Jordan; Dr. Ruben Donis, Dr. James Stevens Dr. Jerry Tokars, Influenza Division.）

流感病毒如何感染細胞？
➊ 流感病毒的HA 結合上細胞表面受體後，使病毒被細胞吞噬。
➋ 入侵細胞的流感病毒在細胞核中複製病毒RNA、蛋白質等結構。
➌ 病毒在細胞內組裝好之後便會透過胞吐釋放，進一步感染其他細胞。

 
（YK Times, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons）

廣效型流感疫苗的開發

除了發現醣分子被切掉之後能誘發更強的抗體反應外，馬徹團隊也找出醣分子在HA中的另一項功能。一般來說，免疫系統遇到流感病毒時容易辨識到HA頂部，目前的流感疫苗也多半以HA作為抗原，藉此誘發免疫系統產生抗體。不過也因為HA頂部區域容易發生突變，造成流感疫苗在選株上的困難。團隊因此去除HA表面的醣分子，才發現原來HA結構中被大多數醣分子包覆著的根部是較為保守的序列（conserved sequences），也就是病毒在演化過程中不太會發生改變的地方。當HA根部被層層的醣分子包裹，就會使得免疫系統看不太清楚底下蛋白質的真貌。如果能藉由去醣化的步驟將這些醣分子一一剝除、暴露出HA根部的蛋白質結構， 這段在許多流感病毒中變異較小的部分就容易被免疫系統辨識，便可以針對流感病毒的各種變異株提供更好的保護，製造出能廣效運用的流感疫苗。
 
「用酵素把HA外面的醣切到剩下一顆的時候，效果最好。」馬徹在採訪過程中也提到其實有很多人對此感到疑問⸺為什麼不能把HA上面的醣全部切掉呢？之所以不這樣做的原因有二個，第一是找不到能將醣分子全部切掉後卻不改變HA根部胺基酸種類的酵素，但若是要將被高度保留的HA根部作為辨識用的抗原，研發者當然不希望蛋白質的部分被改變。第二點則是因爲第一顆醣對於整個醣蛋白的架構來說相當重要，將決定它結構的穩定性，「要作為疫苗就不能不穩定。」馬徹說道，如果把第一顆醣也去掉，將會破壞醣蛋白的穩定性，因此不可能去除HA全部的醣分子。在團隊後續的實驗中，也發現HA上面的醣分子能夠調控HA辨識細胞上的受體，而且HA在被製造、折疊的過程中若是少了醣就會出問題，更加顯示了醣分子對於流感病毒HA的重要性。
 
談及疫苗，馬徹突然話鋒一轉地問：「（新冠疫苗）你打了幾劑？」由於我們目前施打的新冠疫苗大部分都是從第一代武漢病毒株的序列設計，但在新冠病毒不斷變異的情況下，原先施打的疫苗便會失去效用、保護力變差。於是就必須一次又一次施打針對不同變異株的新冠疫苗，正顯示了新冠疫苗是一種疫苗廣效性較差的疫苗，也凸顯了開發廣效型疫苗的重要性。

流感疫苗之外的研究

研究醣分子一路走來，馬徹團隊也經歷了不少摸索和瓶頸。其中包含流感病毒的HA要如何製造？20年前甚至不知道如何培養人體細胞，對當時初接觸流感病毒，且研究領域主要在蛋白質結構的馬徹而言是一大難題。所幸在慢慢摸索的過程中，團隊建立了使用人類細胞株生產蛋白質的方法，也終於成功製造、純化出足以做實驗的HA，前後大約花了兩年的時間完成前置作業，才得以進行後續HA上醣分子的研究。
 
我們也相當好奇，目前團隊除了流感疫苗之外還做了哪些研究呢？馬徹表示，其實在COVID-19期間團隊也針對新冠病毒研發出廣效型疫苗，「棘蛋白（spike protein）同樣是一種醣蛋白，它表面的醣分子也是一大堆！」也因為有了過去近20年來開發流感疫苗的經驗，團隊自然地將以前研究流感病毒HA時看到的現象應用在冠狀病毒上。團隊將冠狀病毒棘蛋白上的醣去掉、變成只有一顆醣分子的樣貌後，發現以這種棘蛋白製成的疫苗在小鼠實驗中效果相當好，目前也已經將這項技術技轉給生技公司，有待進一步的開發。
 
另一項有趣的研究則是關於一種中藥材植物⸺白扁豆（Lablab purpureus）。「它可以非常廣效地抑制流感與冠狀病毒。」馬徹說道，而一開始在研究白扁豆的人其實是中研院基因體研究中心的研究技師詹家琮。他在以科學中藥進行研究時，發現白扁豆中有一種成分的功效竟然與克流感差不多，能夠使流感病毒不感染細胞。在合作過程中，馬徹團隊的博士劉佑民成功解析出白扁豆的有效成分蛋白質「FRIL」，它是由四個相同結構的單元組合在一起的四聚體（tetramer）。他們發現FRIL可以利用四聚體結構中的四個頂點，像黏膠一般緊密地抓住流感病毒HA上的醣分子並把所有的病毒都黏在一起，進而達到抑制流感病毒的效果。此外，也因為它能針對「醣」進行辨認，因此對於表面同樣布滿醣分子的冠狀病毒一樣有效。未來，或許也可能發展為蛋白質大分子藥物或保健食品。

從一開始的流感病毒，到後續的疫苗研發、大分子藥物等研究，馬徹認為醣化學領域還有太多太多的未知有待我們探索。「比如說癌細胞上的抗原，它的表面也覆蓋了很多醣。」馬徹說著。而在往後的日子，這股由好奇心驅動的醣化學研究，也將繼續進行下去。

馬徹
美國賓夕法尼亞大學(University of Pennsylvania)化學系博士,曾任美國加州大學聖地亞哥分校(University of California, San Diego)、斯克里普斯研究所(The Scripps Research Institute)博士後研究員。現為中央研究院基因體研究中心研究員。