2021-08-06|閱讀時間 ‧ 約 17 分鐘

【原來生物學離我們這麼近】｜淺談COVID-19疫苗所應用的基礎生物科學（1/2）

COVID-19疫苗們用何種方式，保存病原體的情資？

目前COVID-19疫苗各家廠商，將COVID-19的機要情資，以不同的方式傳遞。

以DNA為傳遞資訊的腺病毒疫苗: Covishield (印度血清研所；The Serum Institute, SII)、 AZD122 (阿斯特捷利康；AstraZeneca, AZ)、Ad26.COV2.S (美國嬌生集團旗下的楊森製藥； Janssen)
以RNA為媒介的mRNA疫苗: BioNtech (輝瑞；Pfizer) 、mRNA1273 (莫德納；Moderna)
以重組蛋白質手段，來表達COVID-19棘蛋白片段的次單位疫苗: NVX-CoV2373 （諾瓦瓦克斯醫藥；Novavax）
將COVID-19病毒株滅活的不活化疫苗: CoronaVac (科興；Sinovac Biotech ) 、Sinopharm（國藥集團；Sinopharm）

延伸閱讀：Coronavirus disease (COVID-19): Vaccines

用DNA或RNA為訊息傳遞媒介的COVID-19疫苗，要如何將所載情資，轉訊並參與免疫演習？

不同於次單位及不活化疫苗，直接向體內提供棘蛋白或病源珠的結構，且不需轉訊，直上演習場訓練；以DNA或RNA為訊息傳遞媒介的COVID-19疫苗，則是需要細胞先做轉訊情資的任務。細胞如何執行轉訊的解密任務呢?

藉由生物萬用解密程序──生物學的中心法則：

DNA（去氧核醣核酸deoxyribonucleic acid)→ mRNA 核醣核酸（ribonucleic acid）→ Protein（蛋白質）

簡述生物學的中心法則之破譯過程:

第一階段DNA→ mRNA

在細胞核內的DNA，通過RNA聚合酶（RNA polymerase）協助，原物料──核糖糖酸們（Ａ、Ｕ、Ｃ、Ｇ），執行轉錄（transcription），將DNA所載的資訊轉化成RNA。被轉錄出的RNA種類包含ｍRNA（信使RNA；messenger RNA）、tRNA(轉運核糖核酸；transfer RNA）、rRNA核糖體RNA（ribosomal RNA）。

其三者的腳色為：ｍRNA序列中，所乘載的資訊可轉訊成蛋白質；tRNA協助ｍRNA轉訊；rRNA會與核醣體結合，其組合為ｍRNA轉訊成胜肽時所需的場地。

以下，簡述mRNA的在細胞如何執行轉訊前的修飾作業。轉錄出的初級mRNA會在細胞核內，進行轉錄後修飾，其步驟有三大項。一，RNA剪接（RNA splicing） RNA序列的資訊可分為，乘載轉訊情資的外顯子（Exon），以及可能具基因表達調控功能的內含子（intron）。在原則上會選擇性保留外顯子，移除序列中的內含子。但因在RNA剪接過程中，可能會選擇保留不同的外顯子片段，則產生選擇性剪接(alternative splicing）現象，也因此會輸出不同的mRNA異構物（isoform）。二，在mRNA的五端進行加帽儀式（5’ capping）。三、在mRNA的三端進行多腺苷酸化（3’ poly-adenylation）。

初級轉錄mRNA完成轉錄後修飾，會升級為成熟的ｍRNA。才會藉由細胞核上的小通道，跑出細胞核到細胞質遊蕩。

另註：具有特定功能的RNA，會在細胞質進行折疊或組裝，這些RNA具有二級結構的特性（如：tRNA、rRNA）。

第二階段 mRNA→peptide

已經在細胞質中mRNA，會接洽mRNA轉訊工廠──核糖體（ribosome）。在得到廠方協助後，進行媒合轉訊成胜肽的任務，以及在此招募特定的打工仔與原物料──tRNA與胺基酸（amino acid）組合。

被招募的tRNA，其自身上的反密碼子（anticodon），與mRNA上的密碼子（codon）可相互對應，而此被招募的tRNA上，會有呼應序列的特定胺基酸（amino acid）。因此藉此機制，被招募的tRNA可運送與密碼子所對應的胺基酸（原物料），到此來合成胜肽。

mRNA－tRNA藉核糖體媒合成功後，會將tRNA所帶來的胺基酸，與前一個被媒介且停留在產線上的胺基酸，用藉著肽鍵（peptide bond），將前後的胺基酸串聯。而被串聯的胺基酸們，我們稱之為胜肽（peptide）。這時，在此完成媒合任務後的tRNA，才會打卡下班，離開核糖體。

tRNA下班後，廠方（核糖體）還會再招募符合條件的打工仔（tRNA），重複上述操作。直到遇到mRNA的停止令──終止密碼子（Stop codon）。當mRNA提出提主終止轉訊要求後，核糖體的廠房才會就地解散，mRNA也會離去，再度自在的遊盪於細胞質中；其輸出的產品胜肽，亦會隨著廠房的瓦解而離去，並在細胞中執行下一階的任務。

以上所述在生物學中，稱之為轉譯（translation）──也就是RNA轉訊為胜肽的過程。

第三階段 peptide→ protein

被輸出的胜肽會在特定點（如：細胞質、內質網（Endoplasmic reticulum）等），進行折疊及組裝，完成蛋白質的初始型態。但非一定具有功能性。因為有些蛋白質還需要轉譯後修飾（如：醣基化（Glycosylation）、甲基化（methylation）、泛素化（ubiquitination））；亦有些蛋白質需要酵素催化後，才會具有功能性。蛋白質也會因應本命的腳色的不同，分布在細胞內、錨定在細胞膜上、回歸細胞核或分泌至細胞外。

因此細胞亦會依照生物學的中心法則，將DNA或RNA疫苗所載棘蛋白的序列，在細胞內轉訊棘蛋白。

延伸閱讀: 生命科學概念| DNA與RNA 影片介紹｜Types of RNA：mRNA, tRNA, and rRNA function 密碼子與胺基酸對照表｜遺傳密碼 (Genetic code)

為什麼各廠商製造COVID-19的疫苗時，大多都視棘蛋白（spike protein）的次單位（subunit）為敵方的重要情資？

COVID-19除了不活化病毒疫苗的系列，給予整顆不具感染力的COVID-19；其他的疫苗們，不管是DNA、RNA，或是次單位疫苗，目前都是選用棘蛋白進行免疫演習。因為棘蛋白是促使COVID-19進入細胞內的重要角色，如同病毒的主要攻城武器！因此，選用棘蛋白為訓練標的，就是要培訓免疫細胞，有效率地瓦解COVID-19敵軍的攻城系統。

我們再進一步的來了解，棘蛋白是通過何種機制，進入細胞之中。

棘蛋白位於COVID-19病毒株的最外層結構，且為三聚體結構的醣蛋白。棘蛋白的結構分區，又可分為S1，及S2，兩單位都與輔助COVID-19進入細胞有關聯。

方法一，利用細胞吞噬（胞吞）作用 S1與細胞膜上的ACE2 (血管收縮素轉化酶2；angiotensin-converting enzyme 2）結合後，利用細胞的胞吞作用，進入細胞內。
方法二，利用膜融合作用當S1與細胞膜上的ACE2結合後，細胞膜上的TMPRSS2（跨膜絲胺酸蛋白酶2；Transmembrane Serine Protease 2），會針對棘蛋白上的S2進行切割，促使棘蛋白被蛋白水解（proteolysis），也促成COVID-19的病毒膜與細胞膜相互融，進而直接將的製造COVID-19的相關資訊輸入細胞內。

【A】COVID-19示意圖，外圍棕紅色凸起物為棘蛋白。圖片創作者:Alissa Eckert 、Dan Higgins ；來源: CDC。【B】棘蛋白三聚體組成的示意圖。【C】棘蛋白一個單位的示意圖。其中在棘蛋白次單位的S1，有與ACE2的受器結合位；因此除了不活化疫苗，其他疫苗廠商多以此結合位的結構資訊，發展COVID-19疫苗。在棘蛋白的S2結構中，有被TMPRSS2的切割位。

延伸Ｑ＆ＡＱ：COVID-19利用以上兩種方法，將何種情資輸入至被俘虜的細胞中？

Ａ：COVID-19的正單鏈RNA（positive-sense single-stranded RNA）與核衣殼蛋白（nucleocapsid）所形成的複合物──核糖核蛋白（ribonucleoprotein）。

COVID-19的正單鏈RNA COVID-19的RNA也會利用生物學的中心法則，藉由兩種方式命令俘虜的細胞，生產更多COVID-19。

方式一：病毒的正單鏈RNA，會直接命令被俘虜的細胞提供核糖體，直接將自身的RNA所載資訊轉譯為蛋白質。所合成的病毒蛋白質，會在細胞質協助製造更多COVID-19；或組裝成COVID-19運送到細胞膜外，感染更多細胞，並勒令其作為病毒製造廠。
方式二：藉由病毒RNA所製造的蛋白──RNA依賴性RNA聚合酶（RNA-dependent RNA polymerase，RdRp），將病毒所植入細胞中，少量正單鏈RNA，先轉成負鏈RNA。所新生的負鏈RNA為模板，再藉由RdRp大量合成病毒的正鏈RNA，增量其在細胞中的基數，以利細胞產生COVID-19的效率。此新合成的正鏈RNA也會透過核糖體，轉譯出更多的COVID-19蛋白，並組裝成新COVID-19，派出細胞外進行大規模的進攻。

＊德納西韋（remdesivir）以抑制COVID-19的RdRp，達到抗病毒的功效。

核衣殼蛋白（nucleocapsid）核衣殼蛋白會與病毒的RNA纏繞，以穩定RNA結構。且病毒在進行轉訊或複製RNA時，其與纏繞RNA的鬆緊度，會影響任務進行的效率（纏的越緊，效率越低；反之亦然）。此外，核衣殼蛋白還有另一項功能，藉由與病毒的膜蛋白互動，參與新合成病毒的組裝任務。

Ｑ：為何RNA病毒的突變會較高？

Ａ：因為所參與病毒RNA複製的RdRp，沒有校正（proofreading）功能，導致新合成的RNA容錯率較高。因此，能產生多元突變的病毒RNA序列。若錯誤率不高，且主架構在可生成COVID-19的框架下，此突變RNA序列也會進行轉訊，並合成突變COVID-19。但此機制不一定都能轉訊出高致病且感染性的病毒，病毒突變後的致病性與傳染力是天擇。

延伸閱讀

COVID-19與其棘蛋白的相關報導及研究｜New coronavirus variant: what is the spike protein and why are mutations on it important?

台灣衛生福利部疾病管制署科普的影片｜COVID-19 (武漢肺炎) 之病毒學解析

為何RNA病毒的突變會較高？｜ Why are RNA virus mutation rates so damn high? The coronavirus is mutating—but what determines how quickly? Structure of replicating SARS-CoV-2 polymerase

德納西韋與COVID-19的相關研究｜ Mechanism of SARS-CoV-2 polymerase stalling by remdesivir Structural basis for inhibition of the RNA-dependent RNA polymerase from SARS-CoV-2 by remdesivir

從COVID-19候選疫苗中，以結構分析全長的COVID-19棘蛋白結構｜ Structural analysis of full-length SARS-CoV-2 spike protein from an advanced vaccine candidate

棘蛋白與ACE2相關研究｜ Angiotensin-converting enzyme 2 is a functional receptor for the SARS coronavirus Characterization of spike glycoprotein of SARS-CoV-2 on virus entry and its immune cross-reactivity with SARS-CoV

棘蛋白與TMPRSS22相關研究｜ TMPRSS2 and TMPRSS4 promote SARS-CoV-2 infection of human small intestinal enterocytes.

以COVID-19棘蛋白的結構，分析其潛在的抗COVID-19藥物｜ Structural and functional properties of SARS-CoV-2 spike protein: potential antivirus drug development for COVID-19

棘蛋白-ACE2/ TMPRSS22相關藥物開發的報導與研究｜ What is the ACE2 receptor, how is it connected to coronavirus and why might it be key to treating COVID-19? The experts explain SARS-CoV-2 S protein:ACE2 interaction reveals novel allosteric targets SARS-CoV-2 Cell Entry Depends on ACE2 and TMPRSS2 and Is Blocked by a Clinically Proven Protease Inhibitor

棘蛋白-ACE２受體影響血管內皮細胞的相關報導與研究｜ The novel coronavirus’ spike protein plays additional key role in illness SARS-cov-2 Spike Protein Impairs Endothelial Function via Downregulation of ACE 2