中央研究院 生物化學研究所
中央研究院 生物化學研究所
中央研究院 生物化學研究所
joeho@gate.sinica.edu.tw
+886-2-27855696,3080
我們實驗室致力於蛋白質功能的可視化研究，主要使用蛋白質晶體學、冷凍電子顯微鏡和小角度X射線散射（SAXS）作為主要實驗工具。目前，我們實驗室專注於生物學的兩個不同領域：1）研究真核重組酶在維持基因組穩定性方面的分子機制和調控，以及2）研究細菌噬菌體，以支持噬菌體治療。並且提供我們的冷凍電子顯微鏡專業知識，與琪他實驗室合作解決蛋白質的冷凍電子顯微鏡結構，包括藻藍蛋白體、病毒構造類似顆粒、代謝酶等。我們研究是通過直接觀察蛋白質的功能狀態、蛋白質結構和組裝，以及調節（或底物）相互作用，來研究蛋白質功能。
DNA同源修復
從結構生物學的觀點探討同源性重組(Homologous recombination, HR) 的作用機制，以及Rad51在此過程中扮演的角色。當DNA受到雙股斷裂 (double strand break, DSB)受損時，細胞能透過HR進行修復，以確保基因組的完整性。在真核生物，HR主要是由Rad51負責催化，此蛋白首先纏繞於DSB處的overhang DNA，形成所謂的presynaptic filament，並帶領它尋找細胞內dsDNA上的同源區域，這時會產生三股DNA的中間產物，稱為synaptic filament。當找到同源區域後，Rad51會帶領其纏繞的overhang DNA入侵到dsDNA當中 (strand invasion)，並將它與dsDNA上互補的序列進行配對 (strand exchange)，並與DNA分離，產生D-loop (displacement loop)結構。
關於Rad51是如何催化上述的反應，仍正被廣泛的研究當中，其中strand invasion和strand exchange的機制更是尚未被清楚地闡明。因此，我們對於解析synaptic filament和D-loop的結構格外感到興趣。透過冷凍電子顯微的技術，我們已經解析部分結構並了解其機制 (成果發表在自然通訊2021, 2023) 未來希望再利用冷凍電子顯微的技術解析更多相關結構，希望藉此能夠完善地闡釋 Rad51在執行strand invasion和strand exchange上的結構機轉。
此外，Rad51雖是是執行HR的主要酵素，不過實際上有許多其他的蛋白能夠與Rad51交互作用並調控它在HR上的功能，例如Swi5-Sfr1可以提升presynaptic filament的穩定性, HOP2-MND1能夠促進synaptic filament的形成等等。因此，我們也希望解析Rad51和各種相關調控蛋白的複合體結構，來對HR機制提供更加詳盡的見解。
噬菌體組裝和與宿主的交互作用
報告顯示抗藥性細菌在2019年導致127萬人死亡。近來的抗生素的過度使更加速了抗藥性細菌的出現。但是新型抗生素的研發卻嚴重遲緩。基於臨床成功案例，近年來興起了噬菌體療法。噬菌體是感染並殺死細菌的病毒，最近發表在《細胞》雜誌上的一篇病例報告，人工改良的長尾噬菌體在增強了殺死非結核分枝桿菌能力，能成功治愈患者。但巨大的基因差異阻礙了透過生物資訊的方式進行序列同源搜尋和噬菌體改良工程。因為缺乏整株噬菌體的高解析度結構。因此，現今的改良過程只能從噬菌體基因組中做隨機突變，然後從中篩選出有效的噬菌體，而此方法往往要歷經數年。
結構上，長尾噬菌體可分為殼體、頸部、尾部和底板四個區域。透過冷凍電子顯微鏡和分治方法，我們成功解析了原子級解析度的整株長尾噬菌體結構（據我們所知，這是目前長尾噬菌體結構中的最高解析度）。在這原子級解析度下，我們可以立即觀察到一些新的發現：1）一種小蛋白胜肽穩定了裝有病毒基因組的殼體； 2)病毒基因的釋放機制； 3）尾管彈性的機制。此外我們的研究也顯示雖然長尾噬菌體的整體結構看起來相似，但其子區域可能非常不同。例如，我們的初步冷凍電子顯微鏡結果已經顯示了三種不同分子結構的底版。
本研究計畫特別針對分枝桿菌噬菌體中的長尾噬菌體中進行研究。結合目前實驗室已有的另外七十幾株台灣本土的分枝桿菌噬菌體，本計畫將利用冷凍電顯技術進行全面性的長尾噬菌體結構解析與結構分析，找出長尾噬菌體分子結構的保守結構模組與特異區塊。總體而言，本研究結果提供了詳細的藍圖，作為蛋白設計導向的噬菌體改良工程的基礎，加速噬菌體治療的臨床應用。
PRMT5的抑制劑設計
蛋白質甲基化是一種常見的蛋白質後修飾(post-translational modification)與訊息傳遞(signal transduction)、基因轉錄(gene transcription)、mRNA剪接(mRNA splicing)等重要的功能有關。而甲基化轉移的表現量異常是癌症生成中一個重要特徵。
蛋白質精氨酸甲基轉移酶（PRMTs）通過對許多與癌症相關的蛋白質進行甲基化而在癌症進程中發揮作用。然而，一個問題仍然存在，即哪些蛋白質的甲基化導致致癌活化。我們的結構研究方法聚焦於PRMT-蛋白質複合物，提供了一種回答這個問題的方法，並可以幫助抑制劑的設計，以預防癌症治療中的甲基化。
Structural basis for calcium-stimulating pore formation of Vibrio α-hemolysin.
Chiu YC, Yeh MC, Wang CH, Chen YA, Chang H, Lin HY, Ho MC, Lin SM
Nature Communications (2023)
Visualizing the membrane disruption action of antimicrobial peptides by cryo-electron tomography.
Chen EH, Wang CH, Liao YT, Chan FY, Kanaoka Y, Uchihashi T, Kato K, Lai L, Chang YW, Ho MC*, Chen RP*
Nature Communications (2023)
A RAD51-ADP double filament structure unveils the mechanism of filament dynamics in homologous recombination.
Luo SC, Yeh MC, Lien YH, Yeh HY, Siao HL, Tu IP, Chi P, Ho MC*
Nature Communications (2023)
SUB1A-1 anchors a regulatory cascade for epigenetic and transcriptional controls of submergence tolerance in rice.
Lin CC, Lee WJ, Zheng CY, Chou MY, Lin TJ, Lin CS, Ho MC*, Shih MC*
PNAS Nexus (2023)
Structures of honeybee-infecting Lake Sinai virus reveal domain functions and capsid assembly with dynamic motions.
Chen NC, Wang CH, Yoshimura M, Yeh YQ, Guan HH, Chuankhayan P, Lin CC, Lin PJ, Huang YC, Wakatsuki S, Ho MC*, Chen CJ*
Nature Communications (2023)
Identification of fidelity-governing factors in human recombinases DMC1 and RAD51 from cryo-EM structures.
Luo SC, Yeh HY, Lan WH, Wu YM, Yang CH, Chang HY, Su GC, Lee CY, Wu WJ, Li HW, Ho MC*, Chi P*, Tsai MD*
Nature Communications (2021)
Protein arginine methyltransferases: insights into the enzyme structure and mechanism at the atomic level.
Tewary SK, Zheng YG, Ho MC*
Cellular and Molecular Life Sciences (2019)
Regulatory cascade involving transcriptional and N-end rule pathways in rice under submergence.
Lin CC, Chao YT, Chen WC, Ho HY, Chou MY, Li YR, Wu YL, Yang HA, Hsieh H, Lin CS, Wu FH, Chou SJ, Jen HC, Huang YH, Irene D, Wu WJ, Wu JL, Gibbs DJ, Ho MC*, Shih MC*
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (2019)
Protein Arginine Methyltransferase 8: Tetrameric Structure and Protein Substrate Specificity. (cover article)
Lee WC, Lin WL, Matsui T, Chen ES, Wei TY, Lin WH, Hu H, Zheng YG, Tsai MD, Ho MC*
Biochemistry (2015)
Structure of the Arginine Methyltransferase PRMT5-MEP50 Reveals a Mechanism for Substrate Specificity.
Ho MC*, Wilczek C, Bonanno JB, Xing L, Seznec J, Matsui T, Carter LG, Onikubo T, Kumar PR, Chan MK, Brenowitz M, Cheng RH, Reimer U, Almo SC, Shechter D*
PLoS ONE (2013)
