生物技術專輯 

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基因體計畫 (genome project) 的各項研究已在世界各地陸續展開，目前完成的有酵母 (yeast)、大腸桿菌 (E. coli) 等，尚在進行中的有老鼠 (mouse)、果蠅 (drosophila)、植物 (arabidopsis) 以及人類基因體計畫 (human genome project) 等。 這些基因結構研究完成，並非代表工作的完成，而是一條全新道路的開展，由於這些基因所表現之功能，才是科學家所要得知的。而基因表現之執行者就是蛋白質，因此對整體蛋白質之研究乃二十一世紀生化學上最主要之課題。

隨著各項基因體計畫完成，所有的資訊也會儲存於 資料庫 當中；這些不同基因體之表現型 (phenotype) 之比較，將會是一個新的里程碑。過去之研究都是從型態上觀察各個組織細胞間的差異，進而找出不同的基因；在未來則是利用完成定序之各基因體，進而研究其表現於細胞的功能，因此 proteome  (蛋白質體) 分析也成為蛋白質研究重要課題之一，目前已有一些國家正在進行蛋白質體之研究計畫，其包含之項目種類繁多，不勝枚舉，下面試列舉目前已進行中之研究。

一、診斷醫學上之應用

1. 免疫性蛋白質 (immunogenic protein) 

自整個基因體或是組織中所抽取的粗萃取物，利用蛋白質體學技術將其展現出來，可以對生物現象獲得一全面性的資訊。最佳的例子便是免疫系統辨認出感染性疾病中的標的蛋白質。當人得到感染性疾病時，利用其血清來篩選感染性微生物之蛋白質，進而找到主要的致病性蛋白質。利用這些蛋白質可以製造出強有力的疫苗，相信這將成為研究感染性疾病的標準方法。這些相關的資訊可以利用雙向電泳圖譜來分析。另一個相關的領域是在過敏疾病的研究，尤以之花粉的免疫性研究已較清楚，並可對過敏病人進行減敏治療。此外如醫學上普遍使用的乳膠手套所造成的過敏，研究者可以直接地萃取出重要的致敏性蛋白質，研究其功能與結構並進一步藉由分生技術探討其過敏機制。作者研究室目前則致力於黴菌及海鮮類致敏性蛋白質之研究，希望未來能發展出控制過敏疾病之新藥物。

2. 體液疾病診斷

蛋白質體學可以用來分析體液中特殊的蛋白，來解說在疾病診斷上之影響，有助於對疾病成因之瞭解、病程之控制與研判預後之結果。在一些患有腦膜炎、頭部外傷、急性呼吸窘迫、腎功能不足、溶血性貧血或癡呆症病史的病人，這些病史都和體液中總體蛋白質的研究有關，將可用來發展一些較快速簡易的診斷方法。患有腦膜炎或是頭部外傷的患者，可以取其脊髓液，透過雙向電泳技術來鑑定蛋白質型態，尤其是脊髓液中的血清輸鐵蛋白的後修飾作用。患有呼吸窘迫的病人，因其胸腔充滿液體而壓迫到氣管，可經由胸腔穿刺吸出該液體後便可減輕患者的症狀，再利用雙向電泳技術分析體液的成分。但是目前對患有淋巴瘤病人身上的溶血性貧血症則難以偵測出來，因為其免疫球蛋白的輕鏈相當地少；而患有家族性澱粉樣變性的病人，也很難診斷得出腎功能不足，因其許多的單株 IgA 的重鏈被水解之故，這些都可以透過雙向電泳技術來分析檢驗之。目前對患有快速痴呆症者，可以在其脊髓液中，檢驗發現兩種不正常的蛋白 (命名為 130 和 131)，最近被確定為 Tau g chain，此為臨床上 CJD 所特有的病徵。由此更可知蛋白質體學在新的疾病指標或疾病模式的發現上，所扮演的重要角色。

蛋白質體學的研究也可以幫助我們去尋找新的疾病指標，相信在不久的將來，甚至可在脊髓液或血液中偵測出 prion 蛋白質。整體性的測量脊髓液中所缺乏的正常腦部蛋白，將有助於監測疾病的進程，更進一步有助於疾病的治療。

3. 體液中的醣蛋白

在疾病發生時，常伴隨有醣蛋白的修飾作用發生，如癌症、發炎反應、酒精中毒等等。雙向膠體電泳可供分析體液或血液中的醣蛋白之一些微異質性 (microheterogenecity)，在最近的研究中，由醣蛋白圖譜鑑定出一些新的醣蛋白，包括 Apo J, clusterin, SP-40 等四十個蛋白。同時，結合雙向電泳和 lectin affinity blotting 的技術也可以讓我們來了解正常人的血漿/血液中醣蛋白的特殊組成或變化，例如分析胎兒和嬰幼兒的血漿/血清蛋白圖譜，並和成人的圖譜比較，則至少有十個不同處被鑑定出來。

在許多疾病中醣蛋白圖譜的變化是一極具再現性及非常容易操作的方法，例如研究 CDG (carbohydrate-deficient glycoprotein) syndrome 發現所有N-link 醣蛋白多出了一些高 pI 值的 isoform，此外研究 CDG syndrome 病人血清醣蛋白及其在肝中前驅物發現缺乏 Apo J 和血清 amyloid P 蛋白。這血清醣蛋白圖譜顯示不正常的 isoforms，例如質量下降，並且朝向陰極移動。此外，研究風濕性動脈炎，心肌梗塞，癌症病人及健康自願者的血清中之 a1 酸性蛋白的微異質性。經由雙向電泳的分析發現，所有樣品之 a1 酸性醣蛋白的電荷有明顯的差異且在癌症病人中有較高的表現量。

二、毒理學及藥理學上之應用

許多藥物在藥理學上及代謝上的主要影響，可能只是在某些自然的狀況下造成轉譯後修飾作用，這表示許多轉譯後修飾作用同時存在，有利於生化機轉的分析及藥物引發一些邊際效應的機轉的研究。

1. 磷酸化作用 (phosphorylation)

在許多的生化反應中，訊息的傳遞是藉由胜汰 (peptide) 的磷酸化或去磷酸化。某些藥物的藥理功能或是某些毒性物質的致毒性即來自於其可調節或改變這些磷酸化或去磷酸化。

藥理學和毒理學中，有些研究利用雙向電泳去分析蛋白質磷酸化或去磷酸化，例如 cytokines 與 receptors 的相互作用，其間的訊息傳遞包括了數個磷酸化蛋白質。Bistratene A 可改變人類血癌細胞中蛋白質磷酸化的模式。許多荷爾蒙可啟動細胞中磷酸化或去磷酸化的訊息傳遞。在絨毛膜組織中，絨毛膜促性腺激素 (chorionic gonadotropin) 的形成包括了蛋白質的磷酸化。

2. 藥物代謝物和運送 (drug adduct and vehicles)

藥物或藥物的代謝物，如磷酸根或醣基，可與蛋白質共價結合，改變其一級、二級和三級結構。為了研究這些效應，必須去鑑定其被修飾過的胜汰。利用蛋白質体分析是一個很好的研究工具，例如 acetaminophen 為一種普遍使用的止痛藥和退熱藥，其大量使用時會危害肝臟且可能致命，但其m-hydroxy isomer不會危害肝臟，兩者皆可被肝的 cytochromes p450 氧化，與肝的蛋白質共價結合，因此可利用雙向電泳方法研究比較兩者的差異。

藥物在血液中運輸常常是與蛋白素 (albumin) 或醣蛋白結合。某些藥物可與之共價結合，因此藥物被吸收利用的量會減少許多，例如 penicillin 會修飾血清中的蛋白素。為了增強藥物的投遞和改善其運送，必須有藥物攜帶者 (drug carriers)，如膠狀攜帶者或微小粒子 (nanoparticles)。利用蛋白質体的方法可有效的追蹤和鑑定血液蛋白質與這些人工合成粒子間的交互作用。例如利用雙向電泳分析表面以 latex 修飾過的粒子其在血液中被蛋白質吸收的模式。有些 apolipoprotein 在 reticulo-endothelial 系統吸收這些粒子中扮演重要角色，實驗証明這些 apolipoprotein 確實可吸附於微小粒子表面。

3. 荷爾蒙 (hormones)

產科學和婦科學中，有些荷爾蒙可用於避孕和不孕上。科學家利用蛋白質体的方法研究荷爾蒙處理後整體蛋白質的表現情形。高量的 ethinyl estradiol-norgestrel 可用於緊急避孕法，其可有效抑制子宮內黃体酮連結子宮內膜蛋白質 (progesterone-associated endometrial proteins)，改變子宮內膜的環境使之不合適於早期胚胎的生存。

三、癌症醫學研究上之應用

1. 乳癌 (breast cancer)

在比較人類正常乳房組織與惡性乳房癌的蛋白質分佈中，發現兩者之間有專一性的蛋白質差異存在。在腫瘤細胞中，至少有 22 種蛋白質會不正常的增加，一種蛋白質則會減少。另外也發現到某些特定的蛋白質的表現與 estrogen 與 progesterone 接受器之間有相關連性。

2. 肺癌 (lung cancer)

肺癌是最具腫瘤性 (oncological) 的疾病之一。臨床上肺癌的診斷往往已屬晚期。直至目前為止，並無有效的治療方案可得。所以任何有助於肺癌診斷或預後的發展都是有助於肺癌的治療方針的。也因此，有許多的科學家是致力於以雙向電泳技術研究人類肺癌的。在分析組織病理學上不同種類  (histopathological types) 的肺癌細胞時，結果發現不同組織病理類型細胞體會有不同的蛋白質表現圖譜。另外，也發現有一專一性的蛋白質僅會出現在原發性肺腺癌 (primary lung adenocarcinomas)上。例用此技術將可有效地鑑定出新的腫瘤標誌 (tumor marker)，在鑑別診斷麟狀上皮細胞肺癌與腺癌時有相當大的助益。

3. 結腸癌 (colon cancer)

結腸癌是一種常見的癌症。雖然臨床有 Dukes 氏分類與分級法，但對於癌症的發展程度和預後卻仍難評估。為了尋找新的結腸癌抗原或標誌 (marker)。利用雙向電泳與免疫轉漬技術，分析自人類結腸癌細胞粗萃取蛋白質中分離出的一系列蛋白質。並將有意義之蛋白質點 (spot) 切割出，進行蛋白質序列分析以鑑定這些蛋白質。曾有研究針對人類結腸性疾病，使用單株抗體分析結腸 heat shock protein 表現的情形，結果發現 hsp 70 酸性的 isoforms 在結腸息肉 (polypous) 與惡性組織 (malignant tissues) 中的表現不論是在量上或質上均有相當的差異；此外在慢性發炎性腸炎的黏膜或 Crohn's 腸炎組織中則有不同的 hsp 70 鹼性 isoform 被發現。

4. 腎臟癌 (kidney cancer)

人類的腎臟癌是較少見的癌症，其中源自於近端腎小管上皮細胞的腎細胞癌 (renal cell carcinoma) 大約占成人惡性腫瘤的 3 %。但如同許多實質性腫瘤般，腎細胞癌發現時期均屬癌症末期，外科手術已難治癒的階段。並且無適當的腫瘤標誌可參考。在研究腎臟癌組織的研究中發現有四種蛋白質的表現在腎癌細胞中會消失。其中有兩種蛋白質分別為 ubiquinol cytochrome c reductase, mitochondrial NADH-ubiquinone oxido-reductase complex I。這暗示粒線體功能的缺失在腎細胞癌的發生上扮演種要的角色。雖然該研究沒有發現特定的標誌蛋白質。但尚有許多可能與該癌症發生相關的蛋白質仍待被鑑定。

5. 轉移的潛力與癌症的治療 (metastatic potential and cancer treatment)

直至目前為止，評估腫瘤細胞是否具有轉移的潛力仍是不容易。但腫瘤細胞轉移與否對於治療方針的選擇與預後是相當重要的。因此轉移潛力的評估是研究的新方向之一。 Schwalke 等人曾利用雙向電泳的策略分析具有轉移潛力的胰臟細胞癌細胞株的蛋白質表現。同樣的，Osada 等人也以雙向電泳的技術研究 E-cadherin 在肝細胞癌 (HCC) 中的肝內轉移性上所扮演的角色為何。至於癌症治療的發展上，Weinstein 等人曾建立了以 information-intensive approach 作為癌症的分子藥理學研究基礎。主要針對 60 種人類的細胞株，分別處理 60,000 種以上的化合物，目的在篩選出能有效抑制細胞株生長的分子。接著應用雙向電泳分析觀察各種細胞株對各種化合物處理後的蛋白質表現圖譜。目前約 60 種細胞株的雙向電泳資料庫已被建立。這不但有助於了解藥理分子對細胞內蛋白質體的整個變化，也將提供癌症治療新方針的依據之一。

四、生物技術學上之應用

1. 追蹤複雜 (tracking complexity) 

蛋白質體學分析法可用來研究寄主-病原菌或寄主-寄生物之間的作用關係。豆科植物與根瘤菌共生而形成根瘤，以進行固氮作用。不同菌株具有不同的固氮能力，所以利用蛋白質體學技術可以瞭解何種分子對於固氮作用是最重要的。另外，可由有無形成根瘤之植物，而找出形成根瘤的相關蛋白質。於澳洲國立大學得研究顯示，在亞麻感染的模式中發現，具致病性的的真菌其蛋白質有不同的表現情形。因此，藉由蛋白質體學之研究可以深入地瞭解複雜的生物性課題。

2. 提昇農業產品 (improved agricultural products)

傳統農業是一門經驗性的科學，即使在基因運作的規則尚未被瞭解之前，在植物或是動物的育種方面就已經有高度建構的成就。於過去的數十年間，在基因轉殖技術的引導下，以使得農業進入了生物技術的革命性時期。以生物工程的技術增加植物對病原及寄生蟲，如病毒，細菌，真菌或是昆蟲的抵抗力就是一個很好的例子。相對於 mRNA 的大量表現，大多數的抵抗機制都涉及毒性蛋白或是保護性蛋白的表現。這些蛋白質的表現對於該保護作用而言是必須的，如馬鈴薯的抗病性。但如果沒有即時地運用蛋白質體學技術來輔助新的毒性蛋白的發現，或是用來確認植物對於病原可能的抵抗性，也就是在基因轉形的早期階段大量地表現相關的蛋白質，則目前的成就真是一件令人驚訝的事。以現在許多農產品為例，其高附加價值的本質特性在分子層次上仍未被瞭解，而這樣的表現型可能是起因於多種蛋白質表現的結果，而非單一基因產物所造成的。以木材為例，其外貌如色澤，纖維強度等都是重要的經濟性特質，可以藉由樹木蛋白質體學技術來確認影響這些特質的相關蛋白質，甚至可以更進一步地發展種子育種或是以分子生物學的方法來改良這些產品。

3. 增加農產品價值 (value added agricultural products) 

隨著能產品市場的國際化以及產能上的壓力，必須對於農產品的處理程序做一個全盤性的回顧。從前看來低價值的副產品，在今日全部被重新評估是否具有發展成新產品的潛力。而已有的產品也同樣地再審視是否有更佳的處理程序。目前三種最迫切的農業便是酪農業，屠宰業與穀物。這三類產品在生產的過程中都會產生數以噸計的低價值性副產品，而這些副產品一般不是丟棄就是花錢請其他單位代為處理。詳細地分析這些副產品的蛋白質成分與利用生物科技來增加其利用價值似乎有點令人驚訝，但這確實是有其必要的！

在酪農業中主要的蛋白質副產品來自於乳酪製造商。目前利用蛋白質體學技術發現在乳酪中有生長因子的存在，有可能成為具有促進生長的重組蛋白質的產品，或是應用在發展促進傷口癒合的製劑，如各式的潰瘍藥劑。而這些新的利用價值，甚至可能改變整個乳酪製造業的經濟型態。

屠宰業在傳統上會收集動物的血，骨頭以及內臟來做為肥料。但是血清中含有超過兩千種以上的蛋白質，其中已知生理功能的卻僅有數百種而已！因此利用蛋白質體學技術的研究將可能導致許多新高價值蛋白的發現，而賦予肉品業的副產品有更高的價值。

食品業一直相當重視加工食品，而此類食品的製造需要有溫和不刺激的蛋白質來源。一般最常使用的是牛奶中的酪蛋白，但是原料價格高。如果能直接利用穀類來抽取，那將是一個相當可觀的市場。不過在這之前，應該先徹底的研究穀類蛋白質的特質，才能合理地發展這方面的應用。目前正研究積極方向的便是雙向電泳技術應用於穀類粗抽蛋白質的分析。

參考文獻

(1) Lopez, M. F. et al (1999) J. Chromatography 722: 191-223. 

(2) Wilkins M. R. et al (1997) Proteome research 187-231. 

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◆ Book review: Proteome Research: New Frontiers in Functional Genomics.

◆ Link: Proteome Science (UK)

◆ Link: The Andrews Lab (U Michigan)

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