發現沒有粒線體的真核生物？——《科學月刊》

文／李岳倫｜國家衛生研究院癌症研究所副研究員，研究領域為腫瘤微環境與癌症逆境生理之交互作用，特別是粒線體逆境與癌症。

565px-Blausen_0644_Mitochondria — 圖／By Blausen gallery 2014, CC BY 3.0, wikimedia commons.

根據內共生演化理論，粒線體（mitochondrion）是原始真核細胞（eukarya）為適應有氧環境與細菌所共同演化出來的胞器，藉由粒線體將環境中的氧、養分轉換成細胞生存所需的能量，也就是說粒線體是細胞的發電廠、能量工廠，許多重要的生化反應以及電子傳遞鏈（electron transport chain）與氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）皆發生於此。除此之外，粒線體也參與調節細胞凋亡（apoptosis）、細胞壞死（necrosis)、細胞自噬（autophagy）等功能，並且與活性氧自由基（Reactive Oxygen Species, ROS）及鈣離子濃度調節有關，與決定細胞生死的衡定息息相關，因此粒線體是真核細胞生存所必需的胞器。

不過，最近國內外科學媒體都用斗大的標題報導有學者發現了沒有線粒體的真核生物，表面上看起來好像是個極罕見的科學發現。但嚴格來說，實際上應是對真核生物的起源定義與環境因素對演化驅動的重新認識，這故事要從粒線體與真核生物在演化上的關係說起。

真核生物一定有粒線體？

普通生物學告訴我們真核生物的定義是細胞中具有「細胞核」的生物，包括所有單細胞或多細胞的生物個體。基本上真核生物的特徵是圍繞著細胞核的功能與行為，再加上擁有內質網、高基氏體、溶酶體、液泡等胞器，看到這裡，也許你已發現是不是遺漏了粒線體？沒錯！所有真核生物都有雙層膜的粒線體嗎？答案是否定的，例如古蟲界（Excavata）後滴門（Metamonada）的一些單細胞原始真核微生物就沒有顯著雙層膜結構的粒線體，應該說這些真核微生物「曾經」擁有過粒線體，透過牠們的基因組裡發現有粒線體基因的存在遺跡。

Giardia_lamblia_SEM_8698_lores — 古蟲界後滴門中的蘭氏賈第鞭毛蟲（*Giardia lamblia*）。圖／USCDC, Janice Haney Carr, CC0, wikimedia commons.

真核生物的分類目前仍有很大的不確定性。從早期傳統的分類法，將真核生物分為動物界（Animalia）、植物界（Plantae）、真菌界（Fungi）、變形蟲界（Amoebozoa）與古蟲界（Excavata），到後來把真核生物分為單鞭毛生物（動物界與真菌界）與雙鞭毛生物（古蟲界與植物界），但仍有許多沒有共識的爭議。古蟲界是單細胞真核生物的一個大界，包含了許多自由生存或共生的原生生物以及一些重要的人體寄生蟲。命名為「古蟲」，是因為在真核生物的系統演化樹的底層，與細菌、古細菌（Archeae）等關係較近。

無粒線體原生生物

古蟲界的物種缺乏典型的雙層膜粒線體，被稱作「無粒線體原生生物（amitochondriate）」，雖然大多數包含了功能上近似於粒線體的胞器。根據真核生物的起源理論，原始真核生物由細菌原核生物演化而來，期間可能經過古細菌的過渡期，其祖先很可能是一種巨大的原核生物，體內具有膜內褶的內膜系統和原始的微纖維維繫細胞骨架，能夠進行變形運動和吞噬，內膜系統中一部分包圍了染色質，於是就形成了最原始的細胞核。其他部分的內膜系統則分別發展為高基氏體、溶酶體等胞器。

內共生理論

按照美國學者馬古利斯（Lynn Margulis）提出的《內共生理論》（Endosymbiotic Theory），粒線體起源於胞內共生能進行氧化磷酸化的細菌。在約20 億年前，利用吞噬作用進入胞內，形成現代真核細胞。當然，也有些單細胞真核生物因為不需要，在演化過程中丟棄了粒線體。英國牛津大學史密斯（Tom Cavalier Smith）教授在 1983 年提出的古原蟲（Archezoa）假說，認為在吞入粒線體前的一群原始單細胞真核生物是不具粒線體胞器的。

早先的觀察也的確符合他的假說，不只缺少粒線體，也缺乏大部分的完整胞器，但隨著鑑定技術愈來愈進步，大部分歸類在古原蟲的單細胞真核生物都慢慢被發現有似雙層膜胞器的結構，而原來屬於古原蟲的後滴門，雖然真的沒有顯著雙層膜結構的粒線體，不過隨著基因定序技術愈來愈精確，也被發現有粒線體基因遺留在細胞核的基因組中，包含多鞭毛蟲綱（Fornicata）的賈第鞭毛蟲（Giardia intestinalis）與旋核六鞭毛蟲（Spironucleus salmonicida）、副基體綱（Parabasalia）的陰道滴蟲（Trichomonas vaginalis）等。換句話說，整個古原蟲根本不存在，牠的成員即使沒有顯著雙層膜結構的粒線體，也有類似粒線體膜結構或者是殘留某些粒線體蛋白質功能，又或者是殘留某些粒線體基因在細胞核的基因組中。應該說這些真核微生物「曾經」擁有過粒線體，但因環境因素丟棄了粒線體。

真核生物非粒線體不可？

2016 年 5 月在《現代生物學》（Current Biology）期刊刊登來自捷克布拉格查理大學（Charles University in Prague）的意外發現。研究團隊針對一種來自絨鼠（chinchilla）腸道、屬於前古原蟲類的單細胞真核生物做基因序列分析，發現牠屬於後滴門銳滴蟲（Oxymonad）的「類單鞭滴蟲屬（Monocercomonoides）」，不僅沒有雙層膜結構的粒線體，也沒有任何粒線體基因的遺跡。進一步研究後發現，這種單細胞生物亦不具有任何粒線體正常運作必需的蛋白質，只是透過附近細菌的基因轉移獲得硫固定系統酵素來獲得能量，此舉徹底將粒線體基因丟棄。

Standardchinchilla — 就是從這麼可愛的絨鼠腸道中，找到不具有粒線體的真核生物。圖／By Thirteen squared – Own work, Public Domain, wikimedia commons.

26379834353_61e63d5993_z — 類單鞭滴蟲屬（Monocercomonoides）生物，就是這次研究發現完全沒有粒線體，以及類似結構的真核生物。圖／Kanijoman＠flickr

這個發現的重要性在於得知真核細胞可以在沒有粒線體的情況下，也可以生存下去，不過請別忘記，這種單細胞真核生物是生存在絨鼠的腸道中，腸道環境含氧量低、養分充足，不需要粒線體來提供能量，使細胞對線粒體的依賴大大減低。雖然如此，「類單鞭滴蟲屬」單細胞真核生物在演化上仍不是屬於一開始就缺粒線體的原始物種，只因有來自細菌的外援，便將粒線體丟得一乾二淨罷了。不過此發現仍提供粒線體是藉由細菌進入真核細胞共同生存演化的一個有力證據及環境因子對生物演化的著力痕跡。

〈本文選自《科學月刊》2016 年 7 月號〉

分子生物學突破：發現植物吸收硝酸鹽的關鍵蛋白 CHL1

上世紀 50 年代起的「綠色革命」，大幅提升了糧食生產量，餵飽了激增的地球人口，「氮肥」在其中功不可沒。它對植物開花結果至關重要，然而植物透過什麼機制攝取氮肥？如何調控才能更有效地吸收？蔡宜芳研究的正是其中的分子機制。

氮，是生物存活的重要元素；從推動光合作用的葉綠素、各種代謝反應的酵素，到與遺傳相關的核酸中，都有氮的存在。但對植物來說，要取得氮元素卻出乎意料地困難；大氣的組成中近五分之四為氮氣，但是除了藉由少數有固氮能力的微生物以外，植物只能使用在土壤中非常少量的氮源，吸收的型態有「氨鹽」與「硝酸鹽」，其中又以硝酸鹽為主。

但是，硝酸鹽是帶電離子，無法自行通過脂質構成的細胞膜，那到底植物如何利用硝酸鹽呢？為了解開這個長年來的謎題，蔡宜芳將目光投向一棵無法正常吸收硝酸鹽的阿拉伯芥突變株，並利用當時最新發展出來的分子生物技術，試圖找到出關鍵基因。蔡宜芳表示，這個無法正常吸收硝酸鹽的突變株，在她約 10 歲時就被荷蘭研究者發現，這麼多年來在傳統技術底下被研究得相當透徹；卻直到她開始進行博士後研究，伴隨植物分子生物相關技術發展，才有方法找到關鍵的轉運蛋白。

這樣的研究自然充滿了挑戰，因為新技術還不穩固，就連實驗室老闆都曾勸她放棄。不願投降的她，決定一邊持續研究氮代謝，一邊到其他研究室學細胞膜研究的新技術，1994 年，蔡宜芳從美國回到台灣，持續研究進一步發現，位在植物細胞膜上的 CHL1 硝酸鹽轉運蛋白，除了作為硝酸鹽的「搬運工」，還有其他異想不到的功能。在你我的印象當中，植物是被動的吸收養分：但其實當土壤中的的硝酸鹽變化時，植物會主動改變硝酸鹽的運作模式，這就是蔡宜芳團隊在 2003 年的重大發現。運作模式的改變正來自於 CHL1 蛋白的磷酸化轉換，因此 CHL1 蛋白也具備作為「傳令兵」的功能。透過 CHL1，植物便能感應周圍的硝酸鹽濃度，幫助植物調控基因表現，以便能更有效率地利用硝酸鹽。

掌握硝酸鹽吸收的調控，在農業領域十分有發展潛力，蔡宜芳的研究進一步轉向，對接實際應用，期盼為農業的永續未來提供新解方。除了 CHL1硝酸鹽轉運蛋白的機制外，她也針對阿拉伯芥如何吸收與輸送硝酸鹽到不同組織的分子機制展開探索。近期更研究探討是否能以育種或基因調控的方式，增進植物吸收硝酸鹽的效率。由於硝酸鹽非常容易在環境中流失，因此多數的氮肥施放到田間後，植物也往往吸收不了；如果可以改善植物的吸收效率，就能減少施肥的浪費，連帶減少製造氮肥耗用的能源，也讓農作物長得更好。

好消息是，透過基因調控，蔡宜芳團隊已經在阿拉伯芥、菸草及水稻上實驗成功，並取得相關專利，期待未來將授權給生物科技公司進行下一步。

培養科學研究必備品：好奇心、科學思辯與毅力

蔡宜芳從事研究的初衷是因為對植物的喜愛與好奇心，對她來說和植物有關的十萬個為什麼，猶如始終永遠拼不完的大型拼圖，從小時候就在蔡宜芳的心中佔據了重要位子，於是她「追根究柢」（如字面上意義），想靠自己解開植物現象背後的秘密。

人們對自己不了解又無法回嘴的植物充滿了誤解，往往覺得植物跟動物一點也不同，然而在蔡宜芳看來絕非如此，她表示，已經有研究發現，當我們這些動物咬下蔬菜的瞬間，植物裡頭負責傳導的的鈣離子就會產生變化。「大家都覺得植物不會動不會叫，但其實植物是有感知的。」蔡宜芳表示，植物其實都知道，只是用我們不懂的方式在表達，要靠研究才能一句一句地破解植物的密語。

當然研究也不能自己埋頭苦幹，交流非常重要。蔡宜芳擔任植物學期刊《Plant Physiology》編輯多年，但回憶起剛建立獨立實驗室的階段，面對那麼多來自審稿人的刁鑽問題，當時的自己也難免生氣。一旦轉換身份成為審稿人，被審的經驗也讓她更明白審查論文時該注意的重點，一來一往的思辨與答辯，反而讓她覺得很好玩。

「我自己有個突破，是因為被質疑的時候很生氣，可是不能光氣，也要想辦法解決。就在生氣的時候，想出來的方法，最後變成我們實驗室很新的工具。」而她也認為自己在替《Nature》等重要期刊審稿時，認真地給出言之有物的評論，幫她累積了領域內的信譽，才讓期刊編輯的位置找到了她。

蔡宜芳曾擔任植物學期刊《Plant Physiology》編輯。圖/《Plant Physiology》網頁截圖

像投稿審稿這般來回思辨的訓練，對科學家的養成非常重要，然而蔡宜芳觀察，科學思辨在台灣教育裡比較缺乏。她舉例，在美國課堂上，老師會要學生先讀一篇論文，接下來整堂課則要學生批評論文有什麼問題。「我們在台灣被訓練的人，都會把 paper 當作傳世經書在讀，讀懂它就覺得很開心了——要去批評它，我們真的沒有習慣。」蔡宜芳坦言那過程對她來說曾經非常痛苦，但會痛就代表該變。

她就此改變了思路：面對知識，蔡宜芳要求自己不僅要讀懂，還要有餘力批評它，說出對、錯在哪裡。蔡宜芳認為，科學就是得永遠抱持著質疑的態度，在不疑處有疑，才能找到真正的答案。「在我自己的實驗室裡面，我也一直在逼學生要去思考」。

而除了好奇心及思辨能力之外，蔡宜芳認為「毅力」也是科學家在科學界持續前進的重要特質。經驗告訴她，在科學研究中遇見失敗比遇見成功的次數多太多了，革命十次稀鬆平常，如何二十次甚至三十次之後還能繼續往前走？那絕對需要強大的毅力來抗壓才行。

說到壓力，身為科學界的女性，蔡宜芳認為，自己的成長環境中，性別造成的影響並不大，以她所在的中研院分生所為例，研究人員性別比例很平均。但若深入細究，「無意識偏見」（unconscious bias）仍難以避免。她以自己帶過的學生為例，生科領域在大學時期男女比例大約是各半，但隨著碩士、博士一路往上，男性的比例逐漸多於女性。因為許多女學生在面臨職涯選擇的時候，往往會被迫以家庭或是男性伴侶的事業為優先，這種狀況回過頭來又讓部分老師覺得「教育女生有時會是浪費」，成為惡性循環。

榮獲過許多科學成就獎項的她，時常是唯一獲獎的女性，而就在接受採訪不久前，她又獲頒一個獎項，直到頒獎當天的照片寄回到所上，「一片黑西裝裡面，就我穿黃色！」她笑道。所上第五屆台灣女科學家傑出獎得主鍾邦柱老師看到照片時，也對她苦笑說：「哎，革命尚未成功，同志仍需努力。」

「先不要去想會有這個東西，做該做的事情。真正不平的時候，不要安靜不講。」儘管環境仍待改變，蔡宜芳建議女科學人自己先跨出一步，就如同她自己一路走來的態度。

一株莫名異變的阿拉伯芥，遇上一位不放棄的科學家兼植物迷，造就了改變農業、甚至是整體生態未來的契機。如果妳的手機也跟蔡宜芳一樣，裝的幾乎全是自己感興趣、想研究的東西的照片，請別質疑自己是不是怪怪的，或許妳也將靠著研究，改變世界，這是我能想到最浪漫的事了。

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年，台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想，讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎？妳絕對可以！傑出學姊們在這裡跟妳說：YES!：https://towis.loreal.com.tw/Video.php

本文由台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃，泛科學企劃執行。