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後天性狀可經由 small RNAs 遺傳

only-perception
・2012/01/04 ・1900字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 557 ・八年級

哥倫比亞大學醫學中心(CUMC)研究者發現了首個直接證據:一個後天性狀(acquired trait,後天獲得的遺傳性狀)可在沒有任何 DNA 涉入的情況下經由遺傳獲得。這些發現指出,拉馬克(Lamarck,法國著名動物學家,提出用進廢退說) — 其演化理論被達爾文的吞噬了 — 也許不盡然都是錯的。該研究預計出現在 12/9 當期的 Cell 上。

「在我們的研究中,對某種病毒發展出抗性的圓蟲(roundworms)也許能將那種免疫力傳遞給牠們連續好幾代的後代,」 第一作者 Oded Rechavi博士是哥大醫學中心生物化學與分子生物物理學副研究科學家,他表示「這種免疫力是以一種稱為 viRNAs 的小病毒性靜默因子(small viral-silencing agents)的形態傳遞的,運作獨立於生物體的基因組。」

在一項早期的演化理論中,拉馬克(Jean Baptiste Larmarck, 1744-1829)提出,當個體適應其環境且將那些後天性狀傳給他們的後代時,物種出現演化。例如,當長頸鹿伸長脖子吃高聳樹木上的葉子時,牠們發展出優雅的長頸,這種後天優勢就由後代繼承。達爾文(Charles Darwin, 1809-1882)的理論則剛好相反,他提出隨機突變提供生物體某種競爭優勢驅動物種的演化。在長頸鹿的例子中,某些個體碰巧出現稍微長一點的頸子,有比較好的機會確保糧食無虞也因此能夠有更多後代。後來遺傳基因的發現支持達爾文的理論,而拉馬克的想法逐漸遭到拋棄。

然而,某些證據指出,後天性狀可被遺傳。「經典的例子是,二次大戰的荷蘭飢荒,」Dr. Rechavi說,「在飢荒期間生產的飢餓母親,其孩子對於肥胖以及其他代謝失調更為敏感 — 他們的孫子也一樣。」 受控制的實驗已證明相似結果,包括最近一項針對大鼠的研究,證明父親長期的高脂肪飲食會導致其雌性後代肥胖

根據研究領導者 Oliver Hobert, PhD(生物化學與分子生物物理學教授,以及 CUMC Howard Hughes 醫學研究所研究者)表示,不管怎樣,拉馬克式遺傳(Lamarckian inheritance)仍有爭議,而且沒人能描述一種可信的生物學機制。

Dr. Hobert 懷疑,RNA 干擾(RNAi)也許涉及後天性狀的遺傳。RNAi 是一種天然的過程,細胞用以下調(turn down)或靜默(silence)特定基因。生物體經常用它來擊退病毒與其它基因組寄生物。RNAi 透過摧毀 mRNA (這種分子傳訊者將編碼在基因中的資訊攜往細胞的蛋白質製造機器)而產生作用。沒有了 mRNA,基因實質上是鈍化的。

RNAi 是由雙股 RNA(doubled-stranded RNA,dsRNA)所觸發,那在健康的細胞內找不到。當 dsRNA 分子(例如,來自一隻病毒)進入細胞時,它們會被切成小片段,那引導細胞的 RNAi 機器去尋找與該片段遺傳序列相符的 mRNAs。該機器接著使這些 mRNAs 降解,有效摧毀它們的訊息,並使相應基因靜默。

RNAi 亦能藉由服用外源性(exogenous)dsRNA 而人為觸發。有趣的是,由此產生的基因靜默不僅發生在已接受治療的動物身上,其後代也一樣。然而,我們仍不清楚這種效應是否起因於 RNAs 的遺傳或是生物體的基因組內發生了變化 — 也不曉得這種效應是否有任何生物學相關性。

為了更進一步探究這些現象,CUMC 研究者將目標轉向圓蟲(即 C. elegans,秀麗隱桿線蟲)。這種圓蟲有種不尋常的抗病毒能力,靠得是 RNAi。

在目前的研究中,研究者以 Flock House 病毒(唯一已知會感染圓蟲的病毒)去感染圓蟲,接著養育牠們的方式會「使某些後代有無作用(nonfunctional)RNAi 機器」。當這些後代暴露於病毒時,牠們仍可防禦牠們自己。「我們追蹤這些蟲超過 100 代 — 將近一年 — 而此效應仍然存在,」Dr. Rechavi 表示。

這些實驗經過設計,故這些蟲無法透過基因突變而獲得病毒抗性。研究者下結論表示,擊退病毒的能力是以小病毒性 RNA 分子的形態被「記下來」,那接著在體細胞內傳給下一代,不單只透過生殖細胞系。

根據 CUMC 研究者表示,拉馬克式遺傳也許提供適應性優勢予某種動物。「有時候,生物體不要表現某種基因反而有益,」 Dr. Hobert 解釋。「古典的、達爾文的方式,是透過突變而發生,故在接下來幾代,基因不是在每個細胞內就是在某種特定細胞類型內被靜默。然而這(下面所述)顯然更常發生,你可以想像一下情節:在其中,某種生物體也許要留下基因會更具優勢,並只有當遭遇特定威脅挑戰時,才將靜默此基因的能力傳下去。我們的研究證明,這可以用一種全新的方式辦到:透過傳輸染色體外的資訊。這種方式的美妙之處在於那是可逆的。」

任何屬於這些發現的治療性影響都言之過早,Dr. Rechavi 補充。「RNAi 機器的基本成份遍及整個動物界,包括人類。蟲有額外的成份,賦予牠們更強的 RNAi 反應。理論上來說,如果該成份能被合併到人類身上,那麼我們或能改善我們的免疫力甚至是我們小孩的免疫力。」

哥大醫學中心團隊目前正在檢查是否有其他性狀也透過 small RNAs 遺傳。「在一項實驗中,我們正要在培養皿中複製荷蘭飢荒,」 Dr. Rechavi 表示。「我們正要使蟲子挨餓,並看看是否因為飢荒,我們能夠看見 small RNAs 產生,並傳給下一代。」

資料來源:PHYSORG:Acquired traits can be inherited via small RNAs[December 5, 2011]

轉載自only-perception

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only-perception
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妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

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