吳權娟學姊|索爾克生物研究所(Salk Institute for Biological Studies)

 

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吳權娟學姊在台灣大學醫學院生化所就讀博士班的時期,2011年曾在國際著名期刊「科學 (Science)」上發表研究成果,之後移往美國加州聖地牙哥的索爾克生物研究所(Salk Institute for Biological Studies)擔任博士後研究員,從事結構生物學(Structural Biology)領域的相關研究。二月 Investigator 結構生物學專題很榮幸邀請到吳權娟學姊分享精彩的研究歷程以及在美國從事博士後研究的經驗。


求學之路

吳權娟學姊於中和高中畢業之後,進入到輔大生命科學系就讀,輔大生科的教學內容全面且紮實,除了傳授基本的知識之外,另外包含許多實驗課和專題討論課,從大二便開始學習如何閱讀國際期刊論文,並上台報告論文內容,科學知識的完備、實驗技術的熟習以及學術討論所訓練的邏輯思考能力,三者並重發展,為未來的研究之路奠定了深厚的基礎,後來順利進入台大醫學院生化所就讀碩士班,剛開始對於研究方向並無特別的打算,也許是命運之神的安排,與第一位交談的教授詹迺立老師相談甚歡、一拍即合,雖然之後仍有和其他老師討論,最終仍以詹迺立老師和實驗室氛圍為主要考量,決定選擇詹迺立老師實驗室,於是踏入了結構生物學的研究之路。

剛進碩士班的時候,詹迺立老師從中興大學來台大第三年,因為第一年是草創時期,新實驗室需要從無到有,準備儀器設備與相關實驗技術,第二年才開始做實驗,我進入的時候,因為實驗已做了一年,研究結構的相關技術像是冷房裡養晶體的環境,還有蛋白質純化的設備都準備好了,所以進到實驗室之後很快就可以上手。

DNA topoisomerase(DNA 拓墣異構酶)是我們實驗室很有興趣的一個蛋白質,其主要功能為調控 DNA 的二級結構,參與在許多與 DNA 相關的生理作用之中,分成 Type I 以及 Type II topoisomerase,我進去之後就開始以解出 Type II topoisomerase 的結構為主題,一直到碩一下的時候開始考慮升學,因為覺得做實驗蠻有意思的,就想要把手上的題目做一個完結,希望可以完整解出 Type II topoisomerase 的結構,於是決定直升博士班,繼續在實驗室研究這一個主題,差不多待在詹老師實驗室五年的時間。

「科學」期刊等級的研究成果

一開始研究 Type II topoisomerase 的時候,我們比較著重在蛋白質本身的功能,因為它是一個相當大的蛋白質(約180 kD),在執行功能的過程當中,蛋白質構型的變化繁多,各種構型之間的轉換需要有適當的調節,我們對此很有興趣,因為目前還沒有科學家解開人類的全長 Type II topoisomerase,大多數被解出的結構來自酵母菌(Saccharomyces cerevisiae)以及大腸桿菌(Escherichia coli)的 Type II topoisomerase,並且只有解出包含蛋白質活性位(active site)的核心(core)結構,並不是全長的蛋白質,於是我們致力於解開這整個蛋白質的結構,不過,雖然我們一試再試,卻無法突破蛋白質表現不足的問題,因為養晶需要大量的蛋白質,而且在蛋白質純化的過程中,不能讓蛋白質的結構改變太多。因為我們主要是用大腸桿菌的蛋白質表現系統,過程當中經常遇到蛋白質聚合(protein aggregation)的現象,造成蛋白質無法溶解而沈澱,無法純化出足夠的蛋白質。

掙扎一陣子之後,老師妥協讓我把蛋白質拆開成數個結構域(domain)來表達純化,接著想辦法把它們拼在一起養晶,成功拿到晶體並分析之後,發現所得到的結構仍只是蛋白質的核心部分,人類的 Type II topoisomerase 的核心和其他生物的很相似,並無太大的不同,於是在這個階段就稍微停滯了一下,因為這時候核心和 DNA 的二重複合體已經被解開,所以接下來我們想把藥物也加進去,可是到了2010年,有科學家解開原核生物的核心、DNA 和抗生素 quinolone 的三重複合體結構,雖然解析度並不高,但已經解開我們對藥物結合位(binding site)的疑問。

那個時候,覺得自己想要尋找的答案已經被其他科學家搶先,其實蠻沮喪的,

可是後來還是繼續做下去,因為人類的 Type II topoisomerase 還是有它的重要性,因為針對 Type II topoisomerase 的藥物 etoposide 是臨床上廣泛被使用的抗癌藥物之一,以發展抗癌藥物的方向來說,知道這個藥物、蛋白質和 DNA 之間的結合關係對研發新藥有相當大的助益,另外,etoposide 的結構和抗生素 quinolone 的分子結構差非常多,所以我們也想要知道,同樣是針對結構類似的 Type II topoisomerase,但是為什麼這兩者的藥物分子結構會有如此的差異。

因為 Type II topoisomerase 有許多構型,蛋白質本身是動態地在各種構型之間變化,不容易形成晶體,於是我們想要將它穩定在特定單一的構型,以利晶體的形成,因此我們想要設計出一段 DNA ,它的大小和序列剛剛好可以穩定 Type II topoisomerase 的構型,不至於太大而突出蛋白,讓在外面的 DNA 影響蛋白質的堆疊(packing),在分析比對很多前人的實驗結果後,發現到 Type II topoisomerase 對 DNA 的序列有某種偏好,剛好就是一個迴文的序列(palindromic sequence),這個特性和 Type II topoisomerase 的同源二聚體(homodimer)的構型是吻合的,我們很興奮,認為這段 DNA 應該是可以穩定蛋白質的構型,後來順利拿到晶體之後,我印象很深刻,因為晶體長得很小,因為之前養核心的晶體時很大又漂亮,可是沒辦法達到很高的解析度,於是我認為不會繞射的很好,可是拿去做 X 光繞射實驗之後,發現繞射結果非常好,後來就發現,必須要夠了解這個蛋白質,依照它的特性,去設計穩定蛋白質的方法,就會有較高的機率得到一個堆疊緊密的晶體,因此繞射的結果就會很漂亮,很幸運地,第一次的分析結果最後便發表在「科學」期刊上。

現在回想起來,最大的突破就在於從許多前面的研究當中,搜尋到可用的資訊,設計出可以穩定蛋白質構型的 DNA,其實前人的研究論文裡面,根據他們的問題,他們也許不會把所有的細節寫在文章裡,或是不清楚他們的實驗結果所代表的生理意義,可是當你心裡有一個問題,然後仔細去看他們的實驗結果,也許就會發現問題的答案,就隱藏在這些實驗結果的脈絡之中。

結構生物學在新藥研發的應用

蛋白質和藥物的結晶對於藥物的發展很重要,可以定義出藥物的結合袋(binding pocket),然後可以針對結合袋的形狀去設計更有效的小分子藥物,想辦法減少所謂的脫靶效應(off-target effect),像是可以加入比較大的基團,讓藥物不會跟其他的蛋白質結合,如果以 etoposide 來說的話,它經由攻擊 topo IIaisoform,進而殺死癌細胞的效率其實蠻高的,不過,少數病人會引起次發性白血病(secondary leukemia),研究發現這是由於 etoposide 也會攻擊另外一種跟癌症不相關的 topo IIb isoform,進而引起次發性白血病,我們的結構解出來之後,也發現這兩種 isoform 跟藥物結合袋非常像,只有一個支鏈(side chain)的不同,如果我們想要這個藥物變得可辨別 isoform,勢必是要利用這個不同去設計藥物,讓藥物只會攻擊 topo IIa isoform,我覺得這也是目前其他非常多藥物的處境,很多藥物都是在臨床上被用了很久之後,我們才知道藥物的作用機制和與蛋白質結合的結構,若是藥物的副作用被發現是攻擊到不同 isoform 的蛋白,這時候解開結構就會有重要的幫助,因為原子程度的解析度,可以看到很細微的不同,目前有一些藥物,真的就是利用一兩個支鏈的變化,然後加上一個基團,使得它沒辦法進入到另一個 isoform,所以就讓這個藥物的專一性非常高,減少副作用。

出國深造

當論文發表之後,終於感覺到解開一個問題給我的那種很興奮的感覺,解開一個長久以來大家都想要知道的一個問題,真的也是第一個看到那個結果,然後發表出去,然後就覺得做研究是一項很有意思的工作。我是2013年四月博士班畢業,畢業之前,心裡覺得自己已經習慣這個環境,似乎已經久久沒有學習到新的事物,逐漸萌生去別的地方試試的憧憬,因為在不同的研究機構,不同的實驗室主持人(Principal investigator, PI)會有不同的思考邏輯、行事方法,就覺得一定要去到處看看其他實驗室的做法。

於是開始抉擇在國內還是國外繼續做研究,感覺念生科的人心裡都有一種想去國外看一看,學習一下國外做研究的方法,於是評估了一下,詹迺立老師也不斷鼓勵我去國外,我就決定先找國外的實驗室,我覺得博士班的實驗室類型大概就可以決定往後的生涯,如果你做 X-ray crystallography ,以後就是做 X-ray crytallography,所以我就先找利用 X-ray crystallography 做研究的實驗室,除了上網看自己有興趣的論文之外,也搜尋看看有哪些實驗室主持人,了解他們的實驗室主題、實驗方法和思考方式等等,最後寫了一些信件給他們。另外,我去參加了許多會議,其中一個是在中研院的會議,我現在美國的老闆也來台灣參加這個會議,聽了他的演講之後,覺得他做研究的方式很有趣,加之個性也蠻有意思的。後來就去跟他聊天,直接面試,跟他說我在找工作,想要在國外做兩年的博士後,聊一聊之後就覺得還蠻合得來的,他就答應隔年(2014年二月)我可以去他的實驗室,事實上在聽他演講的時候也是第一次認識他,google之後才知道他是在索爾克生物研究所,這時候也是第一次知道索爾克生物研究所。其實找國外的實驗室都會有一個困難,他們都希望本人到他們的實驗室面試,不過金錢上或是時間上都會是困難,之後就直接選我現在的老闆,而在畢業後到出國這期間,詹迺立老師則是人很好地留我下來,做短期的博士後研究員。

索爾克生物研究所

以我現在一年在索爾克的經驗,索爾克位於聖地牙哥最精華的地段,過一條馬路就是加州大學聖地牙哥分校(UC San Diego),再往北開車不到五分鐘就到斯克里普斯研究所(The Scripps Research Institute),這三個研究機構關係是非常緊密的,他們之間有非常多的合作,如果哪裡有會議或是演講,都可以接到來自另外兩個研究機構的信件通知,告訴你有各種資源或是工作機會,訊息流通非常迅速。索爾克是一個私人的生物專門學術研究機構,成立大概五十年,生物相關的研究設備及制度相當完善,內部的合作關係非常緊密。

比較特別的是索爾克本身的建築設計,它有兩棟非常長的建築,在一棟建築中,一整排的實驗室是全部打通的,所以實驗室和實驗室之間沒有門,如果從一棟建築的一端走進去,就可以穿過七八個實驗室到另外一端,當初設計的用意就是希望能夠促進合作的氣氛,比如說你想要找誰就可以直接走過去不用敲門或是有其他有形的阻礙,這是我在索爾克感覺到很特別的地方。

另外在美國感覺差別最多的是,這邊的演講很多,每一個禮拜至少都有三到四場,很多演講人都是非常有名的科學家,他們會被邀請來這邊演講,還有博士後研究員也有很多上台發表研究的機會,索爾克自己也會舉辦很多小型的研討會,常常可以聽到很多演講,學到很多事物以及了解現今最新的科學發現。

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擁有美麗海景的索爾克生物研究所(http://goo.gl/XuRQ10)

聖地牙哥的生活環境

就聖地牙哥而言,西岸這個地方,華人真的很多,像索爾克裡面來自全世界各個國家的人非常多,華人的比例很高,所以在這邊講中文的機會很多,聖地牙哥雖然消費水準較高,無論是房租餐費都較貴,不過治安良好,氣候宜人,夏天大概只有八九月會比較熱,其他的日子都蠻清爽的,一年到頭大多是晴天,另外索爾克位於海邊,每天都可以看到美麗的海景,令人心曠神怡,這邊可以說是個渡假勝地。

科學家需要具備的特質

我個人覺得當科學家最重要的是要有好奇心,要保持對一切未知事物的好奇心和追求解答的渴望,我覺得這是身為科學家,一切熱忱的來源,另外對於科學家來說,創造力也很重要,想法不能過於死板,對事情要抱持著懷疑的態度,不要很容易被說服,還有在追求答案的過程中,要持續警惕自己不要一昧追求自己想要的答案,而是要追求真實的答案,要不然就會陷入一種自欺欺人的狀態,反而會看不到研究中真正的方向,最後我覺得,其實社交的能力很重要,因為我個人不太會社交,可是來美國之後,我更能體會到做研究就不能自己閉門造車,要出去跟不同領域的人聊聊,跟他們合作,這樣會知道很多不同的想法,訓練自己可以用不同的觀點來問問題,才不會有盲點。

訪問|劉至堯
撰文|劉至堯
審稿|施恩潔、陳致曄
學術部負責人|陳致曄

參考資料

  1. Structural Basis of Type II Topoisomerase Inhibition by the Anticancer Drug Etoposide - http://goo.gl/ky0Qba
  2. Salk Institute for Biological Studies - http://www.salk.edu

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