細胞的訊號傳遞與癌症

胞是生命的基本單元,它的外面是一層不透水,由雙層磷脂分子組成的細胞膜。細胞膜把細胞內部的各種組成與外界隔絕,然而細胞又必須時時刻刻與外界環境或其他細胞,保持密切連絡,如此才能適時作出回應,保持多細胞間的協同一致。所以,細胞膜有許多特殊的分子,負責接受外界不同的訊號(像激素、生長因子或是光、聲音等等),這些分子就稱作「受體」(receptor)。同時還有一組分子,負責把受體接獲的訊息,轉換成細胞內部的調節語言,讓細胞內部知曉外界的訊息。這樣一個過程,我們現在稱之為「細胞的訊號傳遞」(signal transduction)。

訊號傳遞在最近幾年中,成了現代生物學的熱門課題。它從傳統內分泌學的研究中,逐步擴展到神經生物學、免疫學。我們幾乎可以說,任何研究細胞的人,現在都必須注意訊號傳遞的問題。

這個趨勢在癌症的研究中亦不例外!一個正常細胞,如果負責生長控制的訊號傳遞組件出了問題,它就有可能轉變成癌細胞。這裡有幾種可能,譬如說有的癌細胞會持續分泌生長因子,生長因子作用在自己身上的受體,細胞就會不停地生長。另一種情形是細胞表面的生長因子受體發生突變,使受體在沒有生長因子存在的時候,仍然保持活化的狀態。還有一種突變是發生在訊號傳遞的組件上,生長因子受體雖然沒有接到任何訊號,但此組件因突變而不斷放出生長的訊號!致癌基因sis的作用機制屬於第一類,erb-B則為第二類,在第三類中最有名的就是ras了!

ras基因會作出一個分子量為21000道耳吞大小的蛋白,這個蛋白需用核苷GTP來維持活性,它的胺基酸序列,與負責傳遞激素訊號至細胞內的G蛋白類似。當ras蛋白上一個重要的胺基酸發生突變,就能使這個蛋白持續保持活性,而造成細胞的生長失控。所以大家認為正常的ras蛋白,在細胞接受生長刺激的訊號傳遞中,很可能扮演重要的角色。但是有關ras蛋白詳細的作用機制,雖然經過十年的深入研究,我們對它究竟負責傳遞那一些訊號,仍然一無所知。

從ras蛋白的結構分析,它應該是屬於水溶性,存在於細胞質中的蛋白。但是過去分析它在細胞內坐落的位置,卻發現它老和細胞膜扯在一起。不僅如此,ras蛋白似乎必須結合在細胞膜上,才能發揮它致癌的功能!細胞膜上本來就會有很多蛋白,但是這些膜蛋白,在結構上多半都有一段,由20多個厭水性胺基酸組成的區域,稱為「穿膜區域」(transmembrane domain)。ras蛋白並沒有這段「穿膜區域」,那它怎麼和細胞膜結合在一起?

大約二年前,ras和細胞膜結合之謎終於揭曉。美國加州大學柏克萊分校、英國癌症研究所與英國醫學研究所的研究群同時發現,當ras蛋白被合成好以後,它身上還會再加上一個含15個碳的烷基──多異戊二烯(polyisoprenyl)。有了這個脂肪的支鏈後,ras蛋白就可以靠它插入細胞膜,而固定在細胞膜上了!

這裡其實包含了一個複雜的蛋白修飾程序。首先在ras蛋白的C端有四個胺基酸,CAAX〔C代表半胱胺酸(cysteine),A代表厭水的胺基酸,而X則可為任何胺基酸〕,對多異戊二烯的添加非常重要。事實上,多異戊二烯就是直接與C端倒數第三個半胱胺酸上的氫硫基(-SH)形成硫醚鍵。結合之後,細胞會將最後三個胺基酸AAX切除,然後再加上一個甲基(CH3-),才算大功告成(見圖一:ras蛋白多異戊二烯化的過程)。

透過異戊二烯的修飾,使得一個水溶性蛋白固定在細胞膜上,並非ras蛋白的專利,在細胞裡有許多其他負責訊號傳遞的蛋白,也是透過如此的方式將自己釘在細胞膜上。有人估計這一類蛋白的數目可能高達100個以上。難怪德州大學的Goldstein教授會說:1990年代也許是個異戊二烯修飾蛋白的年代,就好像1980年代是屬於蛋白磷酸化的年代!

Goldstein會參與這次「盛會」緣由已久,原來Goldstein和他的長期戰友Brown教授,長久以來就在研究人體內膽固醇的代謝。他們發現細胞所需膽固醇有二個來源:一個來自食物,一個是細胞自己作出來。當吃入膽固醇過多時,膽固醇透過細胞表面的受體,將低密度脂蛋白送入細胞,細胞內膽固醇合成的途徑就會受抑制。有些人天生低密度脂蛋白受體太少,此時細胞不容易「感受」外界膽固醇之多寡,就會拼命合成,這個人縱然長期吃素,他血中膽固醇的含量仍會超過正常。Brown和Goldstein由此重大發現而一起得到1985年諾貝爾生理醫學獎!而異戊二烯正是膽固醇合成時重要的中間產物 (見圖二:膽固醇合成的途徑)。

這個重要的關連,也說明了以前利用藥物抑制膽固醇合成的管制酵素時,不僅細胞中膽固醇合成減少,同時還會顯示一些怪異的行為,像DNA合成停止、細胞分化增加等等。現在想起,這些細胞的反應可能和膽固醇多少無關,而與異戊二烯參與修飾的蛋白有關!

對ras來說,如果我們用定點突變的方式,把倒數第三胺基酸從半胱胺酸換成絲胺酸(serine,帶有OH-的支鏈),多異戊二烯加不上去,此時ras蛋白其他的生化功能完全不受影響,只是不能和細胞膜結合,但是ras蛋白癌化細胞的能力就完全喪失了!這個發現立刻提供了一個新的治癌之道,我們如果可以找到一個藥物,能抑制多異戊二烯加入蛋白的過程,使ras蛋白沒有辦法與細胞膜結合,豈不就可以阻止ras蛋白癌化細胞的作用?而我們目前知道大約有五分之一的人類癌症,包括肺癌、大腸癌及胰臟癌,與ras蛋白的活化有關。

這裡當然還有個問題需要克服,因為我們已經知道,有很多正常蛋白質也是靠著類似的作用與細胞膜結合,而發揮它們訊號傳遞的作用。針對這個疑慮,猶他大學的Rilling教授和華盛頓大學Glomset等人發現,細胞內大部分蛋白在修飾的時候,加上的是20個碳而非15個碳的異戊二烯;而決定加C15或C20的支鏈,是由不同的酵素所決定的。因此只要找到能抑制其中一個而不影響另一個酵素活性的藥物,應該就能達到治癌效果。但最近深入的探討,發現情形遠比想像的複雜。這二種酵素都是由二個單元蛋白(α、β)組成,但是二者的α單元完全相同。幸好它們的β單元不同,所以未來尋找抗癌藥物的方向,必須只能針對β單元。

當生化學家了解蛋白的異戊二烯化後,生物學家開始要問:自然界如此設計有什麼目的?為什麼不在蛋白上添一段「穿膜區」即可?這問題似乎也不難回答,如果蛋白上有了「穿膜區」,那它就得永遠留在細胞膜上,異戊二烯既然可以加在蛋白上,理應可以拿下來,所以也許這類蛋白可以透過這種方式,來調節它在細胞膜上的數量。另一個可能性是,蛋白在細胞膜與細胞質裡,扮演的角色不同。

生物學家總是引來更多的問題,同時也指引出新的研究方向,不是嗎?

 

圖片作者: Christina R 圖片來源: http://www.flickr.com/photos/croush/4640932020/