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從雙胞胎來看免疫系統發育的個體差異

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credit: Tim Arnold

如果你家有對雙胞胎,你大概會希望他們有相同的作息,在同一個時間睡覺、一起去同一間學校上學,但你一定萬分不希望他們同時感冒。照顧一個就已經夠頭大了,還一次來兩個!

雙胞胎會不會比較容易同時感冒呢?同卵雙胞胎擁有同一套基因,因此身高、長相都可能非常相近,那他們的免疫系統也會長得一樣嗎?雙胞胎的免疫反應,可以幫助科學家們進一步瞭解免疫系統的發展和變異的原因。

我們的免疫系統極度複雜,是由多種白血球及傳訊蛋白組成的軍隊,隨時準備好對可疑的入侵者發動攻擊。這些不同的細胞和蛋白質會以獨特的比例構成,造就了每個人身上不盡相同的防禦系統。到底是什麼驅使了免疫系統的個體差異呢?

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免疫細胞。credit: RUSSELL KIGHTLEY/SCIENCE SOURCE

免疫系統會受到先天基因的影響,同時也會因為後天接觸的環境而有所不同(因此我們有了疫苗的發明),究竟哪一個免疫系統的影響比較大?

為了解開這個「先天v.s.後天」的謎題,史丹佛大學的Mark Davis教授與他的團隊進行了黃金標準試驗:雙胞胎研究。研究的背景原理是根據雙胞胎基因的相似度:同卵雙胞胎在基因上幾乎完全相同,異卵雙胞胎則有一半的基因一樣。所以如果某個特徵是從遺傳而來的,同卵雙胞胎之間就會比異卵雙胞胎更容易彼此相同,如此一來科學家就可以進一步找出調控的基因。

在這篇來自美國史丹佛大學和瑞典Karolinska研究所的研究中,Davis教授與他的團隊找來了從8歲到82歲一共210對的同卵及異卵的雙胞胎、抽血檢驗了超過200項免疫指標,其中包含了95種免疫細胞和51種蛋白質。研究發現,同卵雙胞胎的免疫系統差異甚大,許多免疫指標無法回推到共同的基因組合。這項研究登上了今年1月15日出版的《細胞》(Cell)期刊。

研究顯示,在75%免疫指標中,環境的影響比起基因遺傳來得顯著。此外,免疫系統在年齡較小的雙胞胎之間也比年長的雙胞胎來得相似,證明了隨著年歲增長、暴露的環境不同,免疫系統會發展成不同的樣貌。

作者也試驗了雙胞胎對流感疫苗的反應。不同人對於疫苗的反應強弱不同,有人的反應比較強,會產生較多的抗體來對抗外來的抗原。如果這個特徵有遺傳性,那麼同卵雙胞胎應該要有相似程度的反應。但是實際上,研究中發現反應強弱的差異是以環境影響為主,推論可能跟個體之前接觸過的流感病毒株相關。

科學家們也研究雙胞胎的免疫系統如何對抗巨細胞病毒。巨細胞病毒(cytomegalovirus)通常潛伏在人體裡,很少會造成症狀。就理論來說,若雙胞胎中一個有感染,而另一個沒有,那麼他們的免疫系統變異就比兩個都沒有感染的雙胞胎來得大。結果發現,巨細胞病毒的感染會影響超過60%的免疫指標,Davis教授認為這就是後天環境因素影響免疫系統的最佳證據。

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圖片來源:Cell

「這個研究不只做了雙胞胎試驗,還測試了極多種免疫指標,真的非常新穎。」洛克菲勒大學(Rockefeller University)免疫學家Jean-Laurent Casanova說。他認為這項研究已經突破了過去相關研究的規模。

加州理工學院(California Institute of Technology)的免疫生物學家諾貝爾獎得主David Baltimore則說:「這項研究雖然沒有革命性的結果,結論也符合主流的想法,但研究發現:隨著我們年紀增長,免疫系統就會變得越來越個人化,這點非常令我印象深刻。」

這篇論文巧妙地對真實世界了的人類雙胞胎進行研究,對免疫系統的可塑性提供的強大的證據。除了更進一步證明施打疫苗引法特異性免疫反應 (acquired immunity) 的重要性,也替發育早期經由自然免疫 (innate immunity) 刺激,調整發育後期免疫相關疾病(如過敏或其他自體免疫疾病)發生機會的可能性提供實證性的基礎。

至於一開始的大哉問:「雙胞胎是不是容易一起感冒?」牽涉的因子或許沒有實驗室研究這麼單純。研究雖然指出環境因子對免疫系統的影響較大,但如果家裡的雙胞胎年紀還非常小,接觸的環境不多(兩個人接觸的環境還可能非常類似),甚至還因為玩在一起而交叉感染,都是可能讓雙胞胎們容易同時感冒。或許隨著他們慢慢長大,他們的免疫系統就會變得越來越不同了。

參考資料:

  1. 2015/01/15 Environment, more than genetics, shapes immune system. ScienceMag.
  2. Brodin, P., Jojic, V., Gao, T., Bhattacharya, S., Angel, C., & Furman, D. et al. (2015). Variation in the Human Immune System Is Largely Driven by Non-Heritable Influences. Cell, 160(1-2), 37-47. doi:10.1016/j.cell.2014.12.020

關於作者

晴瑩

不論在醫院或是泛科學,都是菜鳥實習生。