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林俊宏研究员、何静玟博士班学生（中研院生物化学研究所）
酶，又称為酵素，是指具有催化功能的蛋白质，在生物体中是具有催化新陈代谢及生合成（biosynthesis）反应的蛋白分子；生物体藉著种种酵素的催化作用与调节，才能有效地完成所需要的许多生理活动。若细胞内的酵素活动受到抑制或干扰，整个生物体就可能出现异状，所以酵素往往成為开发药物的重要目标。近年来针对酵素开发的药物，如克流感（Tamiflu）就是治疗流行性感冒病毒的药物，属於病毒的唾液酸水解酶（Neuraminidase）的抑制剂（Inhibitor)。我们的研究团队近年来所研发的新技术，可以快速找到酵素的最佳抑制剂；此技术已成功应用到醣类水解酶中，找到抑制强度最高的分子，它的抑制常数（Inhibition constant: Ki）达到0.46 pM。醣类水解酶（Glycoside hydrolases），是一种专门水解糖苷键（Glycosidic bond）的酵素，是自然界中常见的酵素之一，生物体中此类酵素通常扮演代谢与调节的重要角色。 相同的醣水解酶存在於人体的不同区域，甚至同一细胞的不同胞器（Organelle）内，会有不同的角色与功能，另外，也有不同的醣水解酶，即使彼此角色功能不同，但所辨视的受质（Substrate）却相近。所以在开发抑制剂时，绝大部分的化合物对於类似或同类酵素均会產生多重的抑制行為，使得研究细胞和生物体的专一酵素的生理角色受到限制，因為这些抑制剂将会引起复杂的表徵（Phenotypes）。所以针对单一酵素开发具有高强度兼具高选择性的抑制物，是目前药物研发中的最重要的课题，可以减低对其他相似的酵素產生抑制，减少或去除不必要的副作用。
我们在数年前首先针对岩藻醣苷水解酶（α-L-Fucosidase, EC 3.2.1.51）进行研究，此酵素是负责催化水解反应以释放出岩藻糖（α-L-Fucose），而所辨视的岩藻糖大部分会透过各种不同的键结方式如α-1,2，α-1,3，α-1,4，α-1,6 与半乳糖（ Galactose ）或是 N- 乙醯葡萄糖胺（N-acetylglucosamine）形成键结，这些具有岩藻糖修饰的醣类分子具有各种不同的生理活性，例如人体中A, B, H, 及 Lewis 抗原的非还原端常常含有岩藻糖修饰，而这些抗原则是血型分类的重要办识指标。除此之外，岩藻糖还涉及植物本身的防御、人体发炎反应、细胞凋亡（Apoptosis）、癌症肿瘤的转移以及人类基因遗传疾病Fucosidosis。
我们研发的方法是利用酵素的催化反应中的过渡态（Transition state）為主体，设计并合成它的类似构造。而醣水解酶抑制剂的主体开发即是将糖分子的氧环修改成氮糖分子（azasugar）為主体，接著再以组合式合成（Combinatorial synthesis）由环外与各种官能基结合造成多元性的组合。我们所发展的化学反应因选择性及產率很高，可直接在微盘（Microtiter plate）上进行。反应后的產物不必经由纯化步骤，可以直接以大量连续式的稀释，降低溶剂干扰后，后续的酵素活性测试也可以继续在微盘上进行（图一）。
此技术的开发可以免除传统作法上繁琐的纯化步骤，在极短的时间内可以完成眾多化合物的合成，以及后续酵素活性的筛选，找出最强的抑制剂，因此研发的费用与时间都可以降到最低。整个程序可在几小时或几天内完成，比起传统的作法省下许多宝贵的时间。这个方法所找到的分子往往专一性极高，不容易对其他类似的酵素產生抑制效果，在药物研发上亦可避免副作用的发生。此外，这种方法也可以找到紧密结合型抑制剂（Slow, tight-binding inhibitors），藉著额外延伸性的基团与标的酵素（Target enzyme）產生构形改变（Conformational change），而有更紧密的结合，因而使结合强度增加数千、万倍。
另一方面，我们最近几年与王惠钧副院长的结构生物学实验室合作，在与疾病相关联的酵素抑制物研发上，有不错的研究成果发表。与胃部疾病习习相关的幽门螺旋桿菌，它的岩藻糖合成转移酶（Fucosyltransferase）所催化的反应，是產生路易士抗原的生合成的关键步骤。我们已成功地解析出第一个X-ray结晶绕射结构用蛋白质结构推断出催化的反应机构，并成功地发展出酵素抑制剂。另外在与抗寄生虫疾病药物相关的酵素：麩胱甘肽—精胺质合成酵素，我们则是利用酵素与抑制物的结构讯息，发现特殊的反应机构，并指出未来药物设计与开发的新方向。
我们最近成功针对己醣胺水解酶（Hexosaminidase）开发高选择性的抑制剂，此酵素是主要降解糖胺聚醣（Glycosyaminoglycan）的醣水解酵素，可由软骨细胞分泌到细胞外作用，在关节炎病人的关节组织液中是主要的醣水解酵素。过去已有报导，抑制此酵素可以避免或甚至回復软骨降解的程度。另外，己醣胺水解酶也与溶酶体累积病变（Lysosomal storage disease）中的 GM2 神经节苷脂储积症有关，例如泰–歇克斯症和山德霍夫症（Tay-Sachs and Sandhoff disease）是因為形成己醣胺酶的基因突变，导致此酵素的代谢功能丧失。酵素抑制剂目前已知可增加这类缺陷酵素的稳定性，可以维持这些酵素代谢功能的最低程度，这样的概念称為 Pharmacological chaperones。因為己醣胺酶和葡萄胺醣水解酶（O-GlcNAcase）都是催化水解 N-乙醯葡萄糖胺的反应，两个酵素都拥有一样的催化机制。為了要开发这一类药物并降低副作用，建立具有选择性和高强度的抑制剂是现今阶段的重点。我们最近针对己醣胺酶抑制的研发，最好的抑制强度可以到达 0.69 nM，而且对於 O-GlcNAcase 的选择性可以高达1.9 × 105倍。这项突破性的研究成果希望能进一步发展出针对关节炎的新型用药。
（资料整理：www.leptin.cc） |
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