當沃格斯坦在巴爾的摩的實驗室中忙碌時,往北 270 公里的紐約,普利斯恰巧有了 p53 活動上的重大發現。一位名為喬.巴格那堤(Jo Bargonetti)的年輕博士後研究員,在實驗中有了新發現。巴格那堤那時剛加入普利斯的實驗室,她對 p53 究竟是如何避免大 T 抗原開啟猿猴病毒感染細胞中的 DNA 複製機制,表現出想要深入了解的興趣。「我們跟她嚴正聲明:別做那個,那很無趣,我們已經知道結果,去做其他的研究,」普利斯笑著說。但巴格那堤卻堅持說,她要做個「足跡」(footprint)實驗。
足跡實驗示意圖。圖/By Cwhanna (talk) – Own work, Public Domain, wikimedia commons.
「足跡實驗是一種非常講究的實驗,一般不常做。」普利斯解釋道。這種實驗必須在監控下在試管中混合純化蛋白與 DNA,並在其中加入酶。酶的作用就如同化學剪刀,將 DNA 剪成小段。不過,如果蛋白與 DNA 結合,「剪刀」就無法剪斷此點的條狀遺傳物質。混合物最後會在凝膠中進行電泳,將 DNA 的片段排入「階梯」之中。若是蛋白與 DNA 沒有結合,階梯就跟原來一樣,若是蛋白與 DNA 結合了,階梯裡就會有空隙。「如果你知道要怎麼讀取序列,觀察凝膠就可以知道蛋白確切嵌在 DNA 的哪個位置上。」普利斯說。
這裡必須解釋一下,才能了解巴格那堤發現的東西具有何種重要性。一般而言,與 DNA 結合的蛋白(蛋白將自己附著在基因雙股螺旋的某個點上)的功能就是控制該區域的基因表現,適時開啟及關閉基因。具有此種功能的蛋白稱為「轉錄因子」(transcription factors),事實上也就是細胞內活動的總指揮。當時已經知道大 T 抗原是種轉錄因子,因為它會在感染 SV40 病毒的細胞內啟動 DNA 複製機制。巴格那堤混合大 T 抗原及 p53 蛋白進行足跡實驗,就是想實際從中了解 p53 如何阻礙大 T 抗原與 DNA 結合,讓它們無法開啟機制。「我們跟她說:『好吧!如果妳堅持的話,那就去做吧!』」普利斯說,她什麼也沒多想,留下這位年輕科學家跟她自己的器材就離開了。
p53在 DNA 階梯出現清楚且意料之外的足跡,這即是抑癌基因如何運作的第一個線索,因為它也是個轉錄因子。我們現在知道它是個非常強大的轉錄因子,坐鎮在我們身體內每個細胞中、掌管生死訊號的網絡中心。
沃格斯坦也透過另外一個途徑發現到 p53 是個轉錄因子。他的實驗室觀察到 p53 蛋白是在細胞核中活動,而非在細胞質中——細胞核是細胞儲存 DNA 的發電廠。轉錄只發生在細胞核中,而許多在此活動的蛋白都與基因表現的控制有直接或間接的關係。因此,沃格斯坦團隊開始進行實驗,以了解 p53 是否會與 DNA 結合(這是轉錄因子的特性),也發現確實是這樣。
在 p53 研究中的重要一角——約翰霍金斯癌症中心癌症學家貝爾特.沃格斯坦(Bert Vogelstein)。圖/By Raymond MacDougall – National Institutes of Health, Public Domain, wikimedia commons.
「這件事另外有個同樣重要的部分,」沃格斯坦解釋,「我們不只看到它結合的 DNA 序列,也發現它除了結合到這些序列外,還活化了『下游』基因——也比較所有情況下的野生型(也就是正常基因,可發揮天生的功用)與突變型(行為異常的基因) p53。」讓我們覺得滿意且認定自己是朝正確方向邁進的是,我們觀察到每個突變型 p53 都缺乏與 DNA 結合的能力。我們已經能夠複製它們了,記得吧?這讓我們可以明確測試突變是否會干擾這項功能——結果無一例外,每個突變型 p53 都無法與 DNA 結合。這讓我們相信結果是正確的—我認為世界上其他人也會這麼認為。」
巴格那堤也使用沃格斯坦的突變型 p53 蛋白,做為自己野生型 p53 實驗的對照組來進行足跡實驗。「巴格那堤說:『你知道嗎?只有野生型有這樣的模式,突變型並沒有,』」普利斯接著說,並將手放在胸口表現出對此發現興奮到無法呼吸的模樣。「我簡直是,啊啊啊……像死了上天堂那樣!我的意思是,這真是完美啊!……巴格那堤的足跡實驗並不完美,結果不是非常明顯,但它的確明白顯示野生型辨識 DNA 的模式,而突變型則無法辨識。這是絕對清楚明白的。」普利斯停下來思索一會,然後說:「你知道嗎?我從事科學這麼多年,從不認為自己有做出什麼,直到出現些有意義的東西為止。」
普利斯實驗室也經由檢測放置在實驗室培養皿中的細胞,來驗證足跡實驗的發現。他們發現野生型 p53 確實如同轉錄因子般作用,而突變型不會。同時,沃格斯坦實驗室也顯示他們在生物體內也有同樣的發現。這兩間實驗室在那時經常交流,並於 1991 年以共同作者的身分,在深具影響力的期刊《科學與致癌基因》(Science and Oncogene)中發表論文。
您知道中央研究院有位相當低調的遺傳演化學大師嗎?此人開創了許多分子演化的數學分析方法,他就是生物多樣性研究中心的特聘研究員李文雄院士!數學是李文雄用來描述生物演化的工具,用 DNA 序列計算分子時鐘是他的重要貢獻。至今 80 歲高壽的李院士,是國內唯一獲得巴仁獎榮譽的得主,不僅培育眾多學生,並且依然在最前線探索未知。中研院「研之有物」專訪李文雄,邀請他分享在美國與臺灣的學研經歷及主要研究成果。
因此改變 DNA 的核苷酸,有時候不會改變氨基酸,此時稱為同義突變(synonymous mutation);有時候會改變氨基酸,此時稱為非同義突變(nonsynonymous mutation)。比較 DNA 序列和胺基酸序列變與不變之比例,就能大約估計天擇力量的影響,推測天擇是傾向去除突變還是選擇突變。這是分子演化常見的分析之一,李文雄的實驗室開發了數個被廣泛應用的分析方法。
在分子演化興起前,不同生物間的親疏關係,可以透過生物形態的相似程度建構演化樹,但形態資料很有限。比較生物 DNA 或蛋白質的資料,可以細緻地釐清物種間的親緣關係,對分類學的貢獻很大。
比方說早期演化學家會比較一群鳥類的嘴喙特徵,兩種鳥喙的形態差異較小,便代表其親緣關係較近;而分子演化學家則是比較這群鳥類的 DNA 或蛋白質序列的差異,更能釐清彼此的親緣關係。
形態是巨觀的,分子是微觀的。但我們也可以說每一處 DNA 或氨基酸位置都相當於一種形態。分子資料通常更容易取得,可提供比較的特徵數量也比形態還多很多,更容易計算。
關於同一物種的性別演化差異,李文雄表示這是前輩霍爾丹(J. B. S. Haldane)提出的觀點。李文雄設計好 DNA 定序區間及物種,產生適合材料,於是就驗證了此假說。雖然講起來雲淡風輕,但若讀者了解遺傳學發展史應該會深受震撼,因為霍爾丹正是奠定族群遺傳學的三大名家之一,從霍爾丹到李文雄,我們可以看見大師傳承的軌跡。
遺傳與演化學最高榮譽:巴仁獎
靠著數學和分子生物學的分析,李文雄解決了許多演化生物學的難題。比如,他在 1991 年就以很有限的人類 DNA 序列資料,預估人類的 DNA 多樣性低於 0.1%,比果蠅的低不少,十年後大量的資料證明他的預估是正確的!還有,在 2001 年當黑猩猩的基因體資料還很有限時,他就預估出人類與黑猩猩的基因體相差只有 1.2%,這個預估引起很大的震撼,因為人類與黑猩猩看起來很不一樣,但當黑猩猩的基因體於 2005 年發表時,得到的答案與李文雄的預估完全一樣!
承上,李文雄陸續受到各界肯定,他於 1998 年被挖角到芝加哥大學擔任 George Beadle 講座教授(Beadle 為一位諾貝爾獎得主),並當選中研院院士。2003 年更獲得兩項重大榮譽:美國國家科學院院士和巴仁獎(Balzan Prize for Genetics and Evolution)。
隨著 1980 年代以來 DNA 序列數據的爆炸式增長,李文雄一直是通過比較 DNA 序列來推斷演化關係的方法的設計師。他在建立估計演化樹的準確程度和可以放在其中的統計置信度的方法方面特別有影響力。
以往解釋 DNA 數據的一個關鍵假設是 DNA序列的變化在演化時間上以恆定速率進行(所謂的分子時鐘)。該假設常被用於估算譜系分歧的時間。1980 年代,李文雄第一個證明分子時鐘的運行速度取決於世代的長短:世代越短,時鐘越快。因此,時鐘在大鼠和小鼠之間的演化速度是猴子和人類之間的演化速度的五倍。這一發現有助於更好地估計兩物種的分歧時間。
另一方面隨著技術進步,以前難如登天的問題,現在也可能有機會解答。上面提到人類與黑猩猩的 DNA 分歧只有 1.2%,但兩者間的差異除了非編碼區外,也有很多來自基因調控不同的區域,尤其是腦部發育。過去這幾乎是不可能探索的議題,如今難度雖大,卻是有希望解決的難題。總之,在李文雄的視角中,一直都有新鮮的問題。
透過遺傳學研究過往,最令人驚奇的應用途徑是粒線體 DNA 。粒線體 DNA 是基因組中非常微小的一部分(大約只有二十萬分之一),透過母親、女兒和孫女等母系親屬代代相傳。一九八七年,艾倫.威爾森(Allan Wilson)等人採集世界各地多個人種的粒線體 DNA ,定序出數百個字母。他們比較這些序列之間的突變差異,建構母系親屬系統樹。