發掘三醣體可抑制硫酸酯內切酶 解退化性關節炎初始機轉之謎

隨著年紀漸長,許多人受關節退化所苦。事實上,退化性關節炎大多來自於軟骨組織的磨損,軟骨組織包覆在膝蓋骨上提供緩衝的功能,一旦軟骨組織變薄變少,開始磨損,就會導致退化性關節炎。

近來的一些研究顯示,退化性關節炎的初始步驟是軟骨細胞表面蛋白聚醣 (proteoglycans) 上之醣胺聚醣 (glycosaminoglycans) 的硫酸根會先被硫酸酯酶 (sulfatases) 切掉,接著醣及蛋白部分依序被不同的酶水解,造成軟骨組織的破損,而罹患退化性關節炎病患的軟骨組織液中,「硫酸酯內切酶」的表現量特多,這個酵素過量存在,應和膝蓋的軟骨組織被侵蝕導致關節磨損,脫不了干係。

由於醣胺聚醣為一類具有多個硫酸根且位置不同的多醣體,有關硫酸酯內切酶的受質研究,包括最小的醣單元及怎樣的硫酸根的組成是最佳化受質,至今仍不明瞭。基於此,基因體研究中心洪上程博士、鄭婷仁博士和翁啟惠院士組成的團隊針對這項主題進行深入研究,希望能找出最佳受質,並進一步發展小分子抑制物。

整個研究團隊耗費七年的時間,合成不同長度及不同硫酸根位置的醣分子庫,逐步找出一個含有四個硫酸根的三醣體,為硫酸酯內切酶一型 (Sulf-1) 的極佳受質,並依據此結構,進一步設計及製備可以抑制酵素活性的三醣體抑制劑,可望成為開發緩解退化性關節炎藥物的先驅物,研究成果已在美國化學學會期刊 (J. Am. Chem. Soc.) 發表。

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圖:關鍵三醣體(左)與抑制劑(右)

 

本研究論文第一作者邱莉婷說明該計畫緣起於一場研究討論會,與會的臨床醫師提及,根據臨床數據顯示,退化性關節炎患者的組織液檢體中,硫酸酯內切酶一型的含量特別高。由於這其中包括醣胺聚醣的成分,促成了整個研究的契機。

團隊利用化學合成方式製備出三種不同長度的硫酸乙醯肝素:雙醣體、四醣體以及六醣體,作為Sulf-1的受質候選物。為了驗證這些受質是否具有與酵素反應的活性位點,邱莉婷開發出了一種新的分析方式-競爭性抑制。

她在許多受質候選物之中,添加了市售常用但不是良好受質的 4-MUS,一同與Sulf-1反應,這個市售常用的受質逐漸與酵素反應解離硫酸根之後,形成4-MU產物的螢光強度會逐漸增加。邱莉婷進一步說明:「然而,當加入我們實驗室製備的受質候選物之後,若它是Sulf-1更好的受質,將會與4-MUS競爭,降低4-MUS水解出硫酸根,使得螢光強度下降。」

經過反覆實驗的結果,他們發現四醣體和六醣體,都可以完全降低螢光的強度,這表示四醣或以上的醣體都可能是Sulf-1的受質。接著,研究團隊再進一步從分子庫中,挑選出16個具有不同硫酸根位置的四醣化合物,分別與4-MUS進行競爭反應,確認一個最佳硫酸根組合的受質結構。

藥物的設計本就務求分子的簡化,去蕪存菁才能達到較大效益。研究團隊將上述找到之四醣體旁邊一個不具活性點的醣去除,從四醣變成三醣體,再度證明此三醣體才是 Sulf-1 關鍵的極小化受質。

團隊進一步以這個三醣體為骨架,設計用磺胺基取代葡萄醣胺六號位置的硫酸根,希望能嵌入Sulf-1的活性位置,使其無法水解硫酸根,達到抑制的效果,經化學合成取得這個分子後,實驗測得的數據顯示這個具有磺胺基的三醣體是一個很好的抑制劑。

在打造出退化性關節炎發病機制的模型後,團隊將可以進一步地改良並進行細胞、動物的實驗,期盼sulf-1會是一個關節炎的早期標的,而這個關鍵三醣分子,可以為長者帶來自在活動的春天。

本研究論文可以於線上閱讀:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c00005

 

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