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2015-12-01有核酸修復 才能生生不息 552 期

Author 作者 方偉宏／曾為得主莫德里奇指導的博士生，現任臺大醫技系副教授。
諾貝爾化學獎2015諾貝爾化學獎化學核酸修復




生命一代一代的延續，細胞不斷的被複製，主導所有生命本質的遺傳物質去氧核糖核酸（DNA），在生物體內已流傳了億萬年，這些遺傳物質時時刻刻受到環境因子的攻擊破壞，但它們奇蹟似的仍然歷久彌新。

獲得2015年諾貝爾化學獎的林達爾（Tomas Lindahl）、桑賈爾（Aziz Sancar）及莫德里奇（Paul Modrich）就是投身研究細胞如何修復核酸結構以確保正確的遺傳訊息。三位學者分別研究拼湊出幾個與人類相關的核酸修復系統。

我們的生命從單一細胞的受精卵開始，到胎兒、嬰兒，最後長大成人，形成上兆個細胞，期間共有上兆個細胞分裂的事件，核酸也經過了同樣次數的複製，神奇的是，這些分裂出來的細胞中，遺傳物質的組成與最初的受精卵極為相似！這就是生命物質所顯示出來最偉大的一面，因為所有的化學反應都有隨機錯誤的先天缺陷，再加上生物體的DNA 隨時隨地都會受到放射性及化學性的傷害。

核酸經年累月之中不會變成一團混亂，而能維持令人訝異的完整度，主要就是有好幾套的修復系統：成群的蛋白質監測著基因，持續校對基因體同時修復受損或是錯誤的部分，今年三位得獎人解開了這種基本生命機制的分子層次，讓我們了解細胞如何正確運作，同時告訴我們若干遺傳疾病的分子機轉，以及癌症發生與老化的機制。


 
 

DNA 一定有弱點，也一定有修復的機制
林達爾與鹼基切除修復

 
DNA 到底有多穩定？出生於瑞典的核酸修復界耆宿林達爾在1960 年代對這個問題保持懷疑的態度，當時科學界相信做為生命基石的核酸極端強靭，演化過程中每個世代只會有少量突變，因為遺傳物質如果太過不穩定，就不會出現像人類這樣複雜的多細胞生物。
 
林達爾在美國普林斯頓大學做博士後研究時，以核糖核酸（RNA）為主題，但做得並不好，他的實驗將RNA加熱後往往造成快速分解，大家都知道DNA 穩定性高，但如果RNA 受熱不穩定，性質相似的DNA 真的就能終身穩固？這個問題一直縈繞在他腦海。
 
數年後他回到瑞典卡羅琳斯卡學院，以幾個直接的實驗證明了：DNA 會持續而緩慢的衰敗。他推估基因體每天會受到數以千計的損傷，這種高頻度當然與人類於地球健存的現狀不相容，於是他推論一定有一個分子機轉可以修復所有的核酸損傷，而這個想法展開了一個全新的研究領域。
 
生物體的 DNA 中含有A、G、C、T四種鹼基，其中 C 在 諾貝爾獎之路。化學上有一個弱點：氨基容易脫落，而這會使遺傳訊息改變成U。在雙股DNA 中C 與G 配對，但如果C 變成U，就會傾向於與A配對，而在下一個核酸複製時就會出現突變。林達爾找出了一種細菌中的蛋白質可以移除損傷的C，他在1974 年發表了第一篇核酸修復論文。從此他展開了35年成功的研究，探討了許多細胞中的修復蛋白，在1980 年初他至倫敦的皇家癌症研究基金會任職，1986 年成為新成立的克萊爾（Clare Hall）實驗室主任，在此大放異彩。

一點一滴的累加，林達爾將鹼基切除修復（base excision repair, BER）的機制研究透徹到分子層次，這個修復系統是由特定的糖苷酶（glycosylase）作用，這如同他在1974 年發現的酵素，作用在DNA 修復機制的第一步。1996 年，他在試管中重建人類鹼基切除修復系統。

專門處理紫外線的破壞，生物體間應有相似的機制
桑賈爾與核酸切除修復

 
長久以來已經知道DNA 會受到環境中紫外線的傷害，而出生於土耳其、在美國做研究的桑賈爾，闡明了細胞處理的主力是核酸切除修復（nucleotide excision repair, NER）。
 
桑賈爾在伊斯坦堡就讀醫學院時就受生命分子吸引，行醫於土耳其鄉間數年後，在1973 年決定研究生物化學。他對於一個現象很感興趣，當細菌暴露於致命的紫外線後，如果照射藍光就可以恢復生機，他深深著迷於這種近乎魔法的現象，但這到底有什麼生化反應？ 1976 年桑賈爾加入美國德州大學魯伯特（Claud Rupert）的實驗室，使用當年原始的分子生物學技術，他成功的選殖到光裂合酶（photolyase）基因，這是一種專門修復受紫外光損傷核酸的酵素，他以這個題目完成了博士論文，然而這項研究沒有引起什麼注意，三次申請博士後研究連連被拒絕，光裂合酶的後續計畫只好束之高閣。為了持續核酸修復的研究，他來到美國耶魯大學醫學院擔任研究助理，在那裡展開了走向諾貝爾獎之路。
 
當時已知有兩個系統可以修復紫外線損傷，除了需要光反應的光裂合酶，還發現一個暗反應。 耶魯大學的同事在1960年中期找出三種對紫外線敏感的突變細菌株基因：uvrA、uvrB 及uvrC，於是他開始研究暗反應的分子機轉，以數年的工夫將uvrA、uvrB、uvrC 三種基因的蛋白質產物加以鑑定，分離純化並分析特性。最重要的里程碑是他以試管中的實驗，呈現出這些酵素可以識別核酸上的紫外線傷害，再切除受傷DNA 股的兩端，這一段約12~13 單元的損傷核酸會被移除，最後細胞再用核酸聚合酶將切出的空位補齊。
 
1983 年桑賈爾發表成果後立刻受到重視，獲聘為北卡羅來納大學教堂山分校生化學副教授，在這裡他展開了後續的研究，從人類DNA 中切除紫外線損傷的分子機制要比細菌複雜得多（細菌只需要6 種蛋白質，而人類則高達20 餘種蛋白質參與），但是在所有生物體內都是相似的化學反應。
 
回顧一下桑賈爾早年鍾愛的光裂合酶，他最終還是將這個酵素的反應機制研究清楚了，他找出這種蛋白質在人體中的相似物，可協助設立日夜循環的生理時鐘。
 
 

生產線出錯也有補救辦法
莫德里奇與配對錯誤修復系統

 
出生於美國新墨西哥州的莫德里奇有強烈的牛仔氣息，他在史丹佛大學唸博士，在哈佛大學做博士後研究，之後受聘於杜克大學。早年對許多與DNA 相關的酵素已有深入研究。
 
展開核酸修復研究的機緣來自於他發現細菌內的Dam甲基化酶(Dam methylase) 會在序列GATC 上的A 加上一個甲基，被甲基化的DNA 改變了對限制酵素的敏感度，就不會被切除，只讓有害的噬菌體核酸被切掉，可說是細菌用來識別敵我的防衛機制。而當時哈佛大學的分子生物學家梅瑟生（Matthew Meselson）則認為，這種在核酸複製後過一段時間才會被甲基化的序列位置，或許是在修復核酸複製錯誤時，用來區分正確的舊模板與錯誤的新複製片段的信號。於是兩人合作研究，結論得出核酸配對錯誤修復（mismatch repair, MMR）是一種自然的過程，而且是在核酸尚未甲基化時才會修復。
 
接下來莫德里奇進行了系統性的研究，首先他利用限制酵素對核酸切位序列的特異性，設計了配對錯誤的受質，只要受質中的識別序列出現一個像G-T 的配對錯誤就無法被限制酵素水解；反之，如果經過核酸修復成G:C，就可以被限制酵素水解，而水解後的產物用簡單的洋菜凝膠電泳就可以定量得知修復活性。
 
他在試管中進行功能性測定，一個一個的選殖出參與細菌核酸配對錯誤修復的蛋白質，MutS、MutH 及MutL，並且純化及分析功能。同時他的實驗室也不斷改善配對錯誤的核酸受質，包括將配對錯誤從G-T 增加到A-A、A-C、A-G、G-G、C-C、C-T、T-T 等8 種所有的誤配情形；並將指引修復信號的甲基化位置，從原本的4 個修減成1 個，就可確定反應起點的位置及修復的區段。到了1989 年所有的修復蛋白成份都到位了，理想的配對錯誤核酸受質也備好了，呈現出的成果就是在Science 期刊上所發表的史詩級鉅作研究專文，包含了將純化的十種成分仿照生物體中的比例，在試管中重組修復的反應，以及詳細的反應細節。
 
當這篇文章發表時，杜克大學的校園間就盛傳莫德里奇開始接到諾貝爾獎委員會的信函，邀請他推薦候選人。研究圈內的朋友及競爭對手都認為，他已將細菌的核酸配錯誤修復系統打包完成，往後再投入這個領域的研究者將難以匹敵。果然，在接下來的十餘年間，有關細菌核酸配對錯誤修復反應機制的研究，大多出自於莫德里奇的實驗室或是與他合作的實驗室，包括了利用極精密電子顯微鏡觀察配對錯誤修復中間產物的模樣，以推測修復蛋白作用機制，以及利用X 光結構分析修復蛋白如何結合配對錯誤的核酸。
 
近代對生命現象好奇所啟發的研究，常常從最簡單的單細胞生物如大腸桿菌或酵母菌開始，推到最終是希望能深入了解人類的生命現象。1990 年莫德里奇在《美國國家科學院院刊》(PNAS) 發表了第一篇以人類細胞粗萃取液研究配對錯誤修復的文章，他發現人類修復與細菌修復的相似性。1991 年我成為莫德里奇實驗室的博士生，與實驗室夥伴發現兩個人類細胞株缺乏核酸修復的能力，其中一個細胞株是用化學致突變的變種，啟發了使核酸損傷的化療藥物作用機制的新理論；另一個細胞株則是來自遺傳性大腸癌的腫瘤細胞，這種細胞由於突變率增加而容易致癌。當我們做出這個成果發表於Cell 期刊時，大家都了解它的重要性，整個實驗室的成員都十分興奮，「諾貝爾獎⋯⋯諾貝爾獎」的耳語已在流傳。
 
莫德里奇在隨後十多年間，將修復蛋白一一純化，又在2005 年將純化的人類修復蛋白質在試管中重新組裝成完整的修復機制。近年來則是進一步探討修復蛋白質在人類生理與病理上的意義。終於所有努力的成果，在今年的諾貝爾化學獎得到了最終的肯定。
 



2013 年夏天，我回到杜克大學看望指導教授莫德里奇，贈送自製的蜻蜓蛻殼標本。

核酸修復把關失靈，導致細胞癌化

 
除了上述三種修復系統，還有許多機制維護著DNA，每天修復各種毒害造成的核酸損傷，它們時時對抗著核酸的內生性衰變，在每次核酸複製時修正數千個配錯的鹼基。我們的基因體若是缺少核酸修復必然會導致衰敗。
 
許多癌症中，有一或多種修復系統被關閉，使得它們的核酸常常突變而引發對化療的抗藥性。同時這些生病的細胞就更依賴仍有功能的修復系統，才能避免DNA 過度損傷而無法苟活。目前科學家企圖利用這個弱點發展新的抗癌藥，抑制殘存的核酸修復來減緩或中止腫瘤的生長，如一種稱為olaparib 的藥物。
 
三位2015 年化學獎得主所完成的基礎研究，不僅加深了我們認識生命如何維護自身，同時也可能發展出救命的新藥，如同莫德里奇接受訪問時所說的：「這就是為什麼由好奇心所驅使的基礎研究是那麼的重要，你永遠不知道它會導引到哪一個方向⋯⋯當然，加入一點好運也有幫助。」

註：本文部分取材於諾貝爾獎官方網站文章〈DNA repair – providing chemical stability for life〉
圖片來源：©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
 

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