以數學建立模型揭密新型冠狀病毒表面離子通道機轉

新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)疫情發展過程自2020年1月期間,國際間公布第一組新型冠狀病毒基因序列後,各國皆展開新型冠狀病毒基因層面的研究探討,特別是對於新型冠狀病毒的致病機轉,希望能藉由基因層面的深入探討尋求疫情控制的最佳手段。

新型冠狀病毒屬於RNA病毒家族,臨床已知E蛋白被大量表現在宿主細胞中,E蛋白是新型冠狀病毒最小的結構蛋白,由76至109個胺基酸構成,新型冠狀病毒一旦進入宿主細胞,E蛋白就會嵌入宿主細胞內質網—高基氏中間複合體(Endoplasmic reticulum-Golgi intermediate complex, ERGIC)中,並進行複製(replication)、出芽生殖(budding)、組裝(assembly)等多種生理功能。為此,本院生醫工程與奈米醫學研究所馬克沁副研究員運用自行開發的數學運算模擬系統,瞭解E蛋白在新型冠狀病毒致病過程中所扮演的角色。

在過去的研究已發現,包括嚴重急性呼吸道症候群冠狀病毒(SARS-CoV-1)和新型冠狀病毒中表現的E蛋白,均可作為藥物或疫苗開發的良好標的,而且已知E蛋白會形成離子通道。因此,馬克沁副研究員將研究重點著重在瞭解新型冠狀病毒E蛋白的離子輸送行為。研究團隊藉由四階Poisson-Nernst-Planck-Bikerman模型進行離子傳輸的數學描述與運算模擬,並以多個圖形處理器(multiple GPUs)平行化的自行編寫的程式碼為基礎進行運算處理;並比較嚴重急性呼吸道症候群冠狀病毒和新型冠狀病毒二者的E蛋白離子輸送情況,藉此區隔二者間的結構差異性。模擬結果顯示,嚴重急性呼吸道症候群冠狀病毒的E蛋白離子通道有利於陽離子物質(Na+)而非陰離子物質(Cl)的輸送;然而,在新型冠狀病毒E蛋白離子通道的情況下,這種明顯的陰陽離子通透偏差是不存在的,研究團隊分別再透過E蛋白質的量化分析也支持這樣的發現。

此外,在進一步分析新型冠狀病毒的E蛋白的建議使用結合率發現,即通道內離子種類的相對濃度,也受溶液(外部)濃度和濃度梯度(CERGIC/CCYTOSOL)的影響。隨著溶液濃度的增加,鈉離子(Na+)的結合率增加。然而,氯離子(Cl)的結合率隨著濃度梯度的增加而增加。

此項研究的一個重要發現是新型冠狀病毒的E蛋白離子通道更能支持氯離子傳遞;因此,在適當的條件下,它可以增加細胞質中的氯離子濃度,從而影響新型冠狀病毒的發病機制。馬克沁副研究員團隊透過自行開發的運算程式,能快速模擬病毒離子表面通透機制;如未來再次面臨類似疫情發展時,期能作為加速藥物或疫苗開發的輔助工具之一。相關研究結果已發表於Nanoscale 2022 Jun 12;14(23):8291-8305.

圖(a):SARS-CoV-2 E蛋白離子通道示意圖(此圖亦選為Nanoscale 2022年6月21日issue 23封底,https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/nr/d2nr90122f );圖(b):表面代表通道孔(綠色)和5個氨基酸鏈中的3個(橙色、黃色和藍色)氨基酸鏈形成 SARS-CoV-2 E蛋白離子通道的E蛋白

 

參考文獻:

1. K Saurabh, M Solovchuk, TWH Sheu. A detailed study of ion transport through the SARS-CoV-2 E protein ion channel. Nanoscale, 2022, 14, 8291-8305, DOI: 1039/D2NR01385A

 

文/圖:生醫工程與奈米醫學研究所馬克沁副研究員、蘇庫瑪博士後研究員、鄧宏安研究助理(譯)

Comments are closed.