冠狀病毒nsp3 macro domains之結構生化解析 提供新穎抗病毒藥物開發標的

冠狀病毒對於全球的人類健康及政經活動影響甚深，尤其是自2019年12月以來，嚴重急性呼吸系統綜合症冠狀病毒2 (SARS-CoV-2)作為新的病原體，引起全球性大流行的危機。另外，2012年發現的中東呼吸道綜合症冠狀病毒(MERS-CoV)亦於短短數年間引起中東地區的流行。目前抗冠狀病毒藥物設計，多以阻斷病毒與宿主辨識或抑制病毒生活史為主。而冠狀病毒的基因組中存在macro domain，此位於非結構性蛋白3(nsp3)的 macro domain可藉由其酵素活性，影響宿主細胞中磷酸二腺苷核醣基化(ADP-ribosylation)的轉譯後修飾，進而抑制宿主抗病毒之先天免疫。換言之，抑制viral macro domain的酵素活性，使其無法移除宿主蛋白質ADP-ribosylation修飾，可讓宿主有機會發揮其抗病毒免疫機制。因此，viral macro domain近日被視為新穎的抗病毒藥物設計標的。

臺灣大學農業化學系、基因體與系統生物學學位學程、生化科學所徐駿森教授研究團隊，長久以來利用結構生化學與生物物理學方法研究功能迥異的macro domains，在COVID-19肆虐之際，加緊腳步解析SARS-CoV-2 macro domain結合磷酸二腺苷(ADP-ribose)的蛋白質三維結構。研究團隊並驗證了SARS-CoV-2 macro domain具有結合ADP-ribose多聚合體(Poly ADP-ribose)的功能，且具有可移除蛋白質上修飾單個ADP-ribose (Mono ADP-ribose)的酵素活性。這些結構生化證據闡述了SARS-CoV-2 macro domain與ADP-ribose結合作用在宿主細胞中的功能，並可做為未來設計新藥物的基礎。此研究已發表於2020年11月的美國化學學會知名期刊「ACS infectious disease」，並刊登於期刊封面。

此外，積累至今的證據顯示，病毒的macro domain可透過與菸草醯胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)分子代謝相關產物的交互作用來調節宿主細胞功能。藉由NAD代謝產物和MERS-CoV macro domain的X-ray晶體結構以及透過核磁共振(NMR)化學位移擾動實驗，研究團隊鑑定了MERS-CoV macro domain蛋白質結構中與NAD代謝物結合相關的關鍵胺基酸。然而，以往相關研究認為NAD相較於ADP-ribose，多了菸草醯胺(nicotinamide)官能基的空間障礙，使得macro domain不具備結合NAD的能力。因此，徐駿森老師研究團隊進一步利用NMR來研究溫度對於蛋白結構與動態之影響，配合分子模擬與生化的證據證明，MERS-CoV macro domain蛋白質的結合區域是具備可調節性(tunability)，且在人體溫度環境下確實能夠結合NAD分子。此研究結果更加了解病毒macro domain與宿主細胞內的代謝分子作用可能性，並有利於未來藥物設計者需注意蛋白可調節性結合區的特性。而此研究成果已於2021年1月刊登在Nature旗下的新期刊「Communications Biology」。

此兩篇論文的第一作者為今年畢業於基因體與系統生物學學位學程的林孟萱博士，林博士也以相關研究於2020年底獲得第二十六屆國家同步輻射研究中心會員大會生物科學組台灣之光獎（第一名）和磁共振學會年會之口頭論文競賽第一名。林博士表示：「許多進行中的冠狀病毒疫苗及藥物設計主要在於阻隔病毒表面的棘狀蛋白質結合人類細胞表面的受體蛋白質，或阻止病毒進行複製。但雞蛋不應放在同一個籃子裡，冠狀病毒具有快速的突變能力，阻隔病毒影響宿主細胞的轉譯後修飾也可以是一個有潛力的藥物標的。目前我們正使用NMR搭配藥物片段前驅物資料庫的篩選(Fragment-Based Drug Discovery Using NMR Spectroscopy)，以及電腦虛擬篩選等方法，期望找到具有潛力的藥物。」

「ACS Infectious Diseases」期刊全文:
Structural, Biophysical, and Biochemical Elucidation of the SARS-CoV-2 Nonstructural Protein 3 Macro Domain.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsinfecdis.0c00441

「Communications Biology」期刊全文:
Elucidating the tunability of binding behavior for the MERS-CoV macro domain with NAD metabolites.
https://www.nature.com/articles/s42003-020-01633-6