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2016諾貝爾生醫獎:細胞自噬和大隅良典的酵母菌

李紀潔、羅鴻
・2016/10/04 ・2032字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 563 ・九年級

編譯/李紀潔、羅鴻|陽明大學基因體科學研究所畢業生

2016諾貝爾獎生醫獎

2016 年諾貝爾獎隆重登場,這一次生理醫學獎頒給發現「細胞自噬」機制(autophagy)的大隅良典(Yoshinori Ohsumi)教授。究竟東京工業大學(Tokyo Institute of Technology)的大隅良典怎麼發現這樣的機制,而這個機制又有什麼意義,且待我們一一說明白。

把自己回收再利用也是一件重要的事

簡單來說,「細胞自噬」是細胞對於自己的胞器進行分解、回收的機制。它的英文 Autophagy 來自於希臘語的「自我(self-)」和「吃(eat)」兩字的結合,因此也可以說 Autophagy 就是「自食」的過程。

或許你覺得很奇怪,細胞是有沒有這麼餓,為什麼非要自己吃自己?但其實這樣的分解過程對於細胞的生存也是一件很重要的事情。

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在 1950 年中期,科學家發現一個新的特化胞器內含可以分解蛋白質,醣類和脂肪的酵素。在 1960 年代,科學家進一步發現這是細胞內部會用自己的膜,捲縮成小型袋狀囊泡,並將細胞自己的一小部份胞器包裹其內。現今我們稱這種袋狀物為溶酶體(lysosome),而溶酶體內所含的分解酵素會將胞器分解、摧毀,而這些物質同時被細胞回收再行利用。

細胞自噬過程示意圖。圖/By Cheung and Ip - Molecular Brain, Biomed Central, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10014352
細胞自噬過程示意圖。圖/By Cheung and Ip – Molecular Brain, Biomed Central, CC BY 3.0, wikimedia commons

只不過,科學家就開始懷疑這些胞器要被送到特定的區域,勢必經過一些運送過程,因此他們推論細胞擁有將傳遞大型物質到溶酶體內的機制。透過生化分析及顯微鏡的觀察,科學家證實有一種新的囊泡可以將細胞內的物質送達溶酶體,讓它們被降解。研究這個機制的比利時科學家克里斯汀.德.迪夫(Christian de Duve)命名此囊泡為細胞自噬小體(autophagosome),也將這個過程命名為細胞自噬(autophagy),他也因此在 1974 年獲頒諾貝爾生醫獎。

到了 1970 及 80 年代科學家專注於了解另一套蛋白質降解的系統——蛋白酶體(proteasome)。阿龍.切哈諾沃(Aaron Ciechanover)、阿夫拉姆.赫什科(Avram Hershko)及歐文.羅斯(Irwin Rose)因發現泛素化蛋白質降解(ubiquitination)而獲得 2004 年諾貝爾化學獎。雖然蛋白酶體能有效的依序降解單一的蛋白質,但此現象仍無法解釋細胞如何清除巨大的蛋白質複合體和壞掉的胞器。

細胞自噬是否為這個問題的關鍵答案?如果是,其背後的機制又是什麼呢?

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大隅良典與他的酵母菌

圖/By 大臣官房人事課 - 平成27年度 文化功労者:文部科学省, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=52028935
圖/By 大臣官房人事課 – 平成27年度 文化功労者:文部科学省, CC BY 4.0, wikimedia commons

這時就得請到 2016 年的諾貝爾獎得主大隅良典教授,以及重要的研究主角酵母菌出場了!大隅良典教授在 1988 年他開始經營實驗室後,專注在研究酵母菌中負責降解蛋白質的液泡,而這個機制就相當於人體中的溶酶體。對於研究人員來說,比人體細胞更容易操作的酵母菌,時常被用來模擬人類的細胞,藉此找出參與複雜細胞途徑的基因。

But,人生最怕遇到這個 but,大隅良典雖然想用酵母菌來幫助他了解細胞自噬的過程,不過他卻發現酵母菌太小了,小到它們的內部構造不易在顯微鏡下觀察,根本無法確定細胞自噬是否存在此生物中。

他想來想去,如果不能直接觀察,那麼有沒有其他方法能間接證明細胞中真的有降解的機制?終於他想到一個方法——如果他能阻止降解,當細胞自噬被啟動時,細胞自噬小體便會累積在液泡內,便可利用顯微鏡來觀察。於是,他培養了一群缺乏液泡降解酵素的突變酵母菌,同時利用飢餓來引發細胞自噬的產生。

成果十分驚人!液泡在幾個小時內充滿了沒有被降解的小囊泡,而這些囊泡們就是細胞自噬小體。大隅良典的實驗成功證明了酵母菌內存在細胞自噬,更重要的是,他現在擁有可以分析並找出細胞自噬關鍵基因的方法了,並 1992 年發表了這個重大的突破。

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在酵母菌中分析了細胞自噬的機制後,仍有個問題存在。其他的生物體是否也有類似的機制去調控呢?很快地,我們便知道了在我們的細胞中存在著幾乎一致的機制。而且我們現在有了可以探討在人類中細胞自噬重要性的工具。

如果沒有細胞自噬,可能就沒有這些研究

多虧了大隅良典和其他人的研究,我們現在知道細胞自噬利用清除和回收細胞內的物質機制,去調控重要的生理功能。細胞自噬快速地提供細胞能量來源和提供新合成所需的材料,因此在飢餓或是其他壓力底下,細胞自噬顯得格外重要。除此之外,細胞自噬也能夠清除入侵細胞的細菌和病毒;參與在發育和細胞分化中。細胞也能利用這樣的機制來清除老化時受損的胞器與蛋白質,是細胞品質管控的中樞。

細胞自噬若受到干擾,可能會導致帕金森氏症、第二型糖尿病和其他在老年好發的疾病。細胞自噬基因的突變亦可能會造成遺傳疾病。而不正常的細胞自噬機制也與癌症有關。如今有許多研究正在研發以細胞自噬為標的的藥物以對抗許多的疾病。

細胞自噬發現至今 50 年了,但其在生醫領域的重要性奠定於大隅良典在 1990 年代時期的重大突破。恭喜大隅良典獲得了 2016 年的諾貝爾生醫獎。

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本文編譯自諾貝爾獎官網:

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李紀潔、羅鴻
13 篇文章 ・ 3 位粉絲
來自陽明大學基科所的畢業生,喜歡神經科學、遺傳和演化的企鵝狂熱二人組。本來對科普寫作毫無興趣,在大學老師強烈遊說之下仍然無動於衷,畢業後卻意外開始在泛科學寫科普文章。興趣分別是畫畫和魔術方塊。目前兩人都在德國攻讀神經科學博士,分別專攻老化和神經再生、電生理和動物行為。

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圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

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  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒,那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 英國理論物理學家

大約在八十年前,當第一台數位計算機出現時,一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧;但七十年後,還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」(Artificial Intelligent,簡稱 AI)的能力最近十年突然起飛,在許多(所有?)領域的測試中擊敗了人類,正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元(graphic process unit,簡稱 GPU)是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia(英偉達)股票從每股不到 $5,上升到今天(5 月 24 日)每股超過 $1000(註一)的全世界第三大公司,其創辦人(之一)兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳(Jenson Huang)也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人!可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎?到底是時勢造英雄,還是英雄造時勢?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

在回答這問題之前,筆者得先聲明筆者不是學電腦的,因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事,不是我們外行人需要了解的;但作為一位現在的知識分子或公民,了解基本原理則是必備的條件:例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析,即可判斷永動機是騙人的;又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上,它們不用往室外排廢熱氣,就可以提供屋內冷氣,讀者買嗎?

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」(central process unit,簡稱 CPU)。CPU 是電腦的「腦」,其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務,如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作;但為了簡單化,我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作(arithmetic and logic unit,簡稱 ALU),如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下,CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

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在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時,CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後,CPU 開始顯示心有餘而力不足:例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素(pixel),每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年,英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定/裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」(註二)定位為「世界上第一款 GPU」,「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU,GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作,快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢?因每一時刻只能做一件事,所以其步驟為:

  • 計算 7×5;
  • 計算 6/3;
  • 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢?很多工作便可以同時(平行)進行:

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  • 同時計算 7×5 及 6/3;
  • 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間,但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢?單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間(16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間),而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間(1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間)!

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了,如何將它擺正成右圖呢? 一句話:「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點(座標 x, y)組成的,所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了:每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

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即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算!如果每一運算需要 10-6 秒,那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉,便需要 6 秒,這豈是電動玩具畫面變化所能接受的?

圖形處理的例子

人類的許多發明都是基於需要的關係,因此電腦硬件設計家便開始思考:這些點轉換都是獨立的,為什麼我們不讓它們同時進行(平行運算,parallel processing)呢?於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 106 運算,那上圖的轉換只需 10-6 秒鐘!

GPU 的興起

GPU 可分成兩種:

  • 整合式圖形「卡」(integrated graphics)是內建於 CPU 中的 GPU,所以不是插卡,它與 CPU 共享系統記憶體,沒有單獨的記憶體組來儲存圖形/視訊,主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上;早期英特爾(Intel)因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤,在這方面的研發佔領先的地位,約佔 68% 的市場。
  • 獨立顯示卡(discrete graphics)有不與 CPU 共享的自己專用內存;由於與處理器晶片分離,它會消耗更多電量並產生大量熱量;然而,也正是因為有自己的記憶體來源和電源,它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年,英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後,科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化,在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效,因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理,不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化,也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬(註三)等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分,正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲,遠遠落在英偉達(80%)及超微半導體公司(Advance Micro Devices Inc.,19%,註四)之後,大約只有 1% 的市場。

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典型的CPU與GPU架構

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」,而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心(core)單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心,因此其核心功能不如 CPU 核心強大,但它們能同時高速執行大量相同的指令,在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心;GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書,不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等,也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺,它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是:嘴巴在講,腦筋思考已經不知往前跑了多少公里,常常為了追趕而越講越快,將不少學生拋到腦後!這不表示筆者聰明,因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技,因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣(matrix)的讀者應該知道,如果用矩陣和向量(vector)表達,上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的(註五)。而矩陣和向量計算正是機器學習(machine learning)演算法的基礎!也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在!因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石:它們的架構就是充分利用並行處理,來快速執行多個操作,進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」(deep learning)。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂:「下一次工業革命已經開始了:企業界和各國正與英偉達合作,將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升,幫助企業降低成本和提高能源效率,同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子:下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後,讀者是不是認為筆者該退休了?

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GPU(圖形處理單元)和 AI(人工智慧)之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力,特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步,使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率,使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐,而且使其更具成本效益,因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展,GPU 的角色可能會變得更加不可或缺,推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標,這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作,使我們能夠執行複雜的任務,例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外,研究表明,與非人類動物相比,人類大腦具有更多平行通路,這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上,一邊聽音樂一邊做飯,或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技,因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵:透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

(註一)當讀者看到此篇文章時,其股票已一股換十股,現在每一股約在 $100 左右。

(註二)組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」(GeForce 256)插卡吧?

(註三)筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時,就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士(fellow)」Enrico Clementi 的團隊:因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層,我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦(非 IBM 品牌!)與一大型電腦連接來做平行運算,進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

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(註四)補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商:英偉達及 ATI(Array Technology Inc.)。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立,2006 年被超微半導體公司收購,品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐(Lisa Tzwu-Fang Su)博士為執行長後,股票從每股 $4 左右,上升到今天每股超過 $160,其市值已經是英特爾的兩倍,完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色,正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題:超微半導體公司現任總裁(兼 AI 策略負責人)為出生於台北的彭明博(Victor Peng);與黃仁勳及蘇姿豐一樣,也是小時候就隨父母親移居到美國。

(註五)

延伸閱讀

  • 熱力學與能源利用」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;收集於《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版),轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
  • 網路安全技術與比特幣」,《科學月刊》,2020 年 11 月號;轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。
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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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每次呼吸都會吸入十個孢子?一朵菇如何形成?無所不在的真菌生命循環!——《真菌大未來》
積木文化
・2024/02/21 ・3532字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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真菌的生命週期

一切始於一顆孢子

孢子是真菌生命週期的開始,也是結束。這些單細胞單元裡,包含著新真菌個體的繁衍密碼。面對無數微生物競爭者和惡劣的環境條件,孢子萌芽的機率極低,因此真菌釋放出數萬億個孢子來提高生存機會。孢子維持在一個暫停於生死之間的狀態,密切留意周遭世界並尋找適合落腳的地方。孢子很微小,無處不在,所以根本無法躲避它們,以我們自己而言,每次的呼吸都會吸入十個孢子。

孢子是真菌生命週期的開始,也是結束。圖/unsplash

被稱為「胚種假說」(Panspermia)的生命起源論甚至認為:生命的藍圖被包裹在一顆孢子當中,並在太空中旅行,在宇宙中尋找適合落腳的家園。儘管對此假說爭論不休,但我們確實知道孢子可以耐受極端溫度、抗輻射,甚至可以在真空狀態的太空中存活。 1988 年,和平號空間站(mir)的俄羅斯太空人就注意到,他們的鈦石英窗外有「東西」在生長,而且正在漸漸「啃穿」鈦石英。後來證實,這個「東西」就是一種真菌。1

就像植物一樣,大多數真菌也都採用「紮根在土壤當中」這種耗時的繁殖方式:它們利用菌絲體生長,或透過孢子飄散到新的棲息地。在渴望繁衍其 DNA 的動力下,有些真菌採取巧妙的策略,確保其孢子在新環境中得以繁殖。

擁有誘人香氣的美食佳餚黑松露(Tuber melanosporum)就是一個很好的例子。這種跟黃金一樣珍貴的真菌生長在地底下,隨著孢子成熟,其所散發出的香氣會吸引動物、松露獵人和來自世界各地的美食家。松露的孢子不易被消化,所以最終會安全通過有幸一飽口福者的消化道;在理想狀況下,孢子應已遠離原來被採集到松露的位置。

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擁有誘人香氣的美食佳餚黑松露就是一個很好的例子,松露的孢子不易被消化,所以最終會安全通過有幸一飽口福者的消化道。圖/pexels

在地面上,圓形的巨型馬勃(Calvatia gigantea)子實體保護著數以百萬在內部熟成的孢子。有趣的是,只要戳一下成熟的馬勃,它就會噴出一股煙霧狀的孢子粉,讓風帶走飄散的孢子。

生長在糞便之中的水玉黴菌屬(Pilobolus)真菌,藉由分泌水分充滿泡囊增加壓力,最後像水槍一樣排射出泡囊頂部的孢子囊。有研究經計算發現,孢子囊能以至少 20,000 g (重力)的速率被噴射出去。相較之下,訓練有素的美國國家航空暨太空總署(NASA)太空人在太空船中穿著抗重力服(G-Suit)所承受的重力是 3 g ,而子彈是以 9,000 g 的加速度行進的。

生長在糞便之中的水玉黴菌屬真菌,藉由分泌水分充滿泡囊增加壓力,最後像水槍一樣排射出泡囊頂部的孢子囊。圖/wikipedia

還有能在黑暗中發光的真菌,光線會吸引昆蟲將它們的孢子散布到森林底層。例如,加德納臍菇(Neonothopanus gardneri,俗稱椰子花)就受到晝夜節律的調節,在夜間會發出明亮的光。 2所有這些演化而來的調整,都是為了確保繁殖能夠延續。

為菌絲找到一個家

當孢子落在一個溫度適中、靠近食物和水的地方時,它就會萌芽。孢子經由細胞壁吸收水分,並長出一種稱為菌絲的線狀管。當菌絲在營養基質上生長,就會分支出更多菌絲並形成一條細線。原本的菌絲繼續利用可能是木頭、昆蟲或土壤的基質,由尖端處長出更多菌絲。菌絲間開始融合相連,形成一個相互連接、被稱為菌絲體的物質。

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當孢子落在一個溫度適中、靠近食物和水的地方時,它就會萌芽。圖/wikipedia

每條菌絲的生長都結合了物理力量和化學策略。菌絲會分泌出作用相當於強力消化酸的酵素來分解物質。這個分泌酵素的作用,讓真菌能穿透最堅硬的基質:先將營養物質萃取出來,再經由菌絲體吸收。就像我們唾液中的酵素一樣,很快就可以將口中的麵包變成濕糊狀。

數英里的菌絲體,也許再來一朵菇

菌絲體如同漣漪一般,從孢子萌芽之處輻射向外生長。附近有營養物質出現時,菌絲體就會以圓形的方式使其表面積最大化,朝營養來源方向生長。當一個區域的食物來源耗盡,菌絲體中心處的舊菌絲就會被自己消化掉。殘存在被消化舊菌絲當中的可用資源,則會被重新傳送到菌絲體最外圈,供生長正旺盛的菌絲所用。

最後,菌絲體會長成一個廣大的空心環,也就是有時我們在草地上看見的「仙女環」。隨著資源被重新傳送到菌絲體生長的外緣,中心會逐漸消失,環的周長則逐漸增加。只要有養分和水,菌絲體就可以持續以這種方式不斷地生長下去。

菌絲體會長成一個廣大的空心環,也就是有時我們在草地上看見的「仙女環」。圖/wikipedia

在此階段,除了酵母菌以外的真菌就能由菌絲形成孢子,進行無性生殖。黴菌、銹病和粉狀黴菌等微型真菌總是以這種方式繁殖,例如麵包上所見的黴菌黑點就含有超過五萬個孢子。

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然而,屬於單細胞微型真菌的酵母菌,則採取不同於絲狀真菌的方式進行無性生殖。酵母菌利用分裂產生複製體進行無性生殖,雖然這種方法很有效率,但卻因此錯過了可以經由有性生殖確保遺傳多樣性的樂趣。3

除了透過無性生殖的方式繁殖,若環境條件惡劣(通常情況就是這樣),大型真菌也可以進行有性生殖。當兩個有性生殖相容的菌絲體相遇,它們就會進行融合並形成更大的團塊。

融合後已經具備遺傳多樣性的新菌絲體,等待著合適的環境條件到來,就會聚集它的菌絲、吸收水分膨脹,並形成被稱為原基(primordium)的菇蕾。幾天後,原基逐漸伸長菌柄,將菌傘推出基質表面。最後,菌傘打開就變成了一個完全成熟的菇。菇類的顏色、質地和形狀會因種類而異。

最後,菌傘打開就變成了一個完全成熟的菇。菇類的顏色、質地和形狀會因種類而異。圖/unsplash

根據菇類產生和釋放孢子的方式,可以將大型真菌分成兩群:一群是在封閉囊內產生孢子的子囊菌(asomycota),另一群是從菌褶中形成並釋放孢子的擔子菌(basidiomycota)。擔子菌的菌褶有一層菌膜保護,隨著菇的成熟,該菌膜就會剝落。

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菇的本身可以說就是一個慶典,慶祝擁有數萬億待釋放新世代真菌(孢子)的出現。孢子將再次進入那已經持續循環數十億年的過程之中。自然不會多愁善感,所以慶典終將結束;菇類在完成產生孢子的工作之後,就會開始腐爛消失。

菇的本身可以說就是一個慶典,菇類的出現是真菌生命循環的最美麗時刻。圖/unsplash

它們已經達成自然所交付的任務,而且也不吝讓我們一窺正大自然發自內在的美。菇類的出現是真菌生命循環的最美麗時刻,也許因為這樣,菇類才會如此受到歡迎。

註解

  1. Matthew Phelan, ‘Why fungi adapt so well to life in space’, Scienceline, 7 March 2018, . ↩︎
  2. Anderson G Oliveira, Cassius V Stevani, Hans E Waldenmaier, Vadim Viviani Jillian M Emerson, Jennifer J Loros and Jay C Dunlap, ‘Circadian control sheds light on fungal bioluminescence’, Current Biology, vol. 25, issue 7, 2015, . ↩︎
  3. 譯注:酵母菌也會進行有性生殖,遺傳物質亦會重新洗牌。 ↩︎

——本文摘自《真菌大未來:不斷改變世界樣貌的全能生物,從食品、醫藥、建築、環保到迷幻》,2023 年 12 月,積木文化出版,未經同意請勿轉載。

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一場意外,發現神奇的醣結合蛋白——半乳糖凝集素與劉扶東
研之有物│中央研究院_96
・2023/04/17 ・6037字 ・閱讀時間約 12 分鐘

本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 採訪撰文/陳其暐
  • 責任編輯/簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

神奇的醣結合蛋白

半乳糖凝集素(galectin)是什麼呢?它是一種醣結合蛋白(carbohydrate-binding protein),有許多不同的家族成員,例如半乳糖凝集素 -3、-8 及 -9 等等。研究發現,當人體細胞遇到外來有害物質,包括細菌或病毒時,除了促進吞噬作用等先天免疫反應之外,半乳糖凝集素會快速聚集到被這些物質破壞的胞器上,與裸露的醣分子結合。同時半乳糖凝集素還會結合與免疫相關的細胞內各種蛋白質,影響細胞反應,例如消除病菌。

中央研究院「研之有物」專訪院內的前任副院長,現為生物醫學科學研究所的通信研究員劉扶東院士,劉院士是研究半乳糖凝集素的專家,他將和我們分享半乳糖凝集素的故事。

劉扶東院士談論半乳糖凝集素。圖/研之有物

「最讓人挫折的地方,也是最令人興奮的地方。」劉扶東如此形容他的研究。

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劉扶東描述那些從研究半乳糖凝集素中所發生的故事,一一告訴我們許多半乳糖凝集素的發現過程,以及中途遇到的種種挑戰。即使他第一次發現半乳糖凝集素的時刻距今已有 30 多年,他依然可以細數研究過程中的各種轉折。特別的是,半乳糖凝集素的發現完全是一場意外,沒想到竟一路成為劉扶東最具標誌性的研究主題。

「半乳糖凝集素是什麼?」對於這個問題,科學家已有明確的定義:它是一種醣結合蛋白(carbohydrate-binding protein),顧名思義,這種蛋白質都具有至少一個醣類辨識區塊(carbohydrate recognition domain)可以結合在醣分子上的 β-半乳糖苷(β-galactose)。

可是若你接著問,「半乳糖凝集素有什麼功能?」劉扶東說,這個問題可能一整天都談不完,甚至他會說,半乳糖凝集素相當複雜,還有很多我們不知道的地方。

但這些未知的答案並沒有阻擋他繼續深入研究半乳糖凝集素,他還希望藉由分享更多半乳糖凝集素的研究成果,以此激發更多人投入這塊領域。一如他當年曲折的際遇。

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幸運的發現

中研院前任副院長、現為生醫所通信研究員的劉扶東,同時擁有多重身分——教授、科學家,及醫師。早在「跨領域」這個名詞蔚為風潮之前,劉扶東就在化學、生物學,接著到免疫學、醣科學、醫學研究等領域累積豐富的研究成果。劉扶東之所以能在多種領域自在轉換,或許從求學時期開始便可見端倪。

劉扶東回憶,由於當年他從成功高中畢業時成績很好,得以保送至臺大化學系。大三念了生物化學之後,開始對生物產生興趣。1970 年,劉扶東從化學系畢業,和許多同學一樣選擇出國念書。可能是因為芝加哥大學特別喜歡臺大化學系的畢業生,劉扶東順利進入該大學的研究所深造。

進入芝加哥大學後,他以化學為基礎,跟著指導教授涉略生物相關的題目,僅僅四年就取得博士學位,接著在伊利諾大學化學系擔任研究員,一步一步朝生物領域發展。後來在指導教授的引薦下,得以前往斯克里普斯研究院(The Scripps Research Institute),從事免疫相關的研究。

在 Scripps 研究院期間,劉扶東對過敏反應產生興趣,而過敏反應的重要媒介之一是免疫球蛋白 E(IgE),於是他便決定探索 IgE 的一個重要受體。當時恰好碰上基因重組技術(Recombinant DNA Technology)出現,科學家紛紛採用這種技術來表現特定基因片段,藉此製造出特定蛋白質。

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劉扶東也使用了基因重組技術來嘗試選殖出(clone)IgE 受體,結果沒有成功,卻發現另一種蛋白質,會結合 IgE 上的半乳糖。後來,這蛋白質就被命名為半乳糖凝集素-3。

半乳糖凝集素的示意圖,大致可以分為三大類,原型、嵌合型和串聯重複型,三者都具有至少一個醣類辨識區塊。其中半乳糖凝集素-3 是屬於嵌合型,保留了一個可以結合更多分子的空位(N-Terminal)。圖/研之有物、林威翰、陳宏霖

猶如一場賭注

過往,科學家就發現過凝集素,劉扶東舉例,植物體內就含有凝集素,例如植物血凝素(phytohaemagglutinin);從流行性感冒病毒(influenza)表面則可找到血球凝集素(hemagglutinin),讓病毒得以附著於動物細胞上。

而會與醣類結合且來自動物的蛋白質,其實也有先例可循,例如在 1980 年代發現的選擇素(selectin)家族屬於一種細胞黏附分子,會參與發炎反應,促進白血球與血管內皮細胞的交互作用。還有一類稱為唾液酸結合蛋白(siglec)的家族,會調控免疫細胞的活化或抑制。

至於半乳糖凝集素,科學家陸續找到一種、兩種、三種……至今已發現有 15 種半乳糖凝集素,分布於人體的各種細胞之中,是一個大的家族。

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不同半乳糖凝集素之間,大約僅有 40% 的相似度,之所以隸屬同個家族,是因為它們都具有某段特定序列,而且都會結合半乳糖。

可是對於 30 年前的劉扶東而言,一切都是未知,尤其當時他在免疫領域已有成果,此刻要轉而花費心力在一個全新的領域,猶如一場賭注。

為了找出半乳糖凝集素在生物體的角色,他們便將半乳糖凝集素加到生物樣本中,看見細胞會因此凝集,便認定這就是半乳糖凝集素的功能。然而,不久後劉扶東就發現,這件事可能沒有想像中那麼簡單。

他舉例,「把植物裡的凝集素,加到紅血球之中,紅血球就會被凝集起來,可是這是不是它的功能?不是,因為植物裡面沒有紅血球。」他接著說,半乳糖凝集素沒有跨膜結構域(transmembranedomain),不會鑲嵌在細胞膜上;而且不帶有訊息序列(signal sequence),無法透過高基氏體運送到細胞外。

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絕大部分的半乳糖凝集素都會存在於細胞質或細胞核中。

因此劉扶東認為,關鍵的問題應該是:「內源性半乳糖凝集素的功用是什麼?是不是有在細胞裡面的功用?」

絕大部分的半乳糖凝集素都會存在於細胞質或細胞核中。上圖為動物細胞結構示意圖,最外層是細胞膜,中間橘紅色核心是細胞核,兩者之間的膠狀質地就是細胞質。細胞核外面淡黃色網狀結構是內質網,深藍色層狀結構是高基氏體,中間一顆一顆小小的橢圓膠囊是粒線體。圖/iStock

首次發現內源性功能

劉扶東認為,半乳糖凝集素的成員眾多,在細胞裡必定有相當的重要性。但唯一證明的方法,就是透過不斷的實驗。在探求解答的過程中,他沒有駐足,「我一直在思考,怎麼樣能做得更好?」

他不斷尋找讓自己成長的機會。在 Scripps 研究院內,有許多研究者從事醫學研究,加上對於過敏、免疫反應的興趣,激發了他念醫學院的動力。因此當他得知邁阿密大學提供了一個兩年即可取得醫學學位的方案,便毅然地前往就讀。他描述,要在極短的時間內讀完所有基礎及臨床醫學學科,壓力相當大。

但他依然保持熱誠,唸完學科後,他又花了四年做實習醫師及到皮膚科做住院醫師。同時,他並沒有放棄原本的研究項目,在念醫學院時他定期從邁阿密到聖地牙哥兩地奔波。而做住院醫師時也在 Scripps 研究院繼續經營實驗室。最後,他成功取得皮膚科的專科醫師執照,之後前往加州大學戴維斯分校醫學院皮膚系擔任教授兼主任。

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同一時期,劉扶東的實驗室在半乳糖凝集素的研究上也取得突破。1996 年,他們成為第一個找到半乳糖凝集素內源性功能的團隊,他們發現半乳糖凝集素-3 會抑制 T 細胞的凋亡。其他科學家的研究也發現,「心衰竭的病人,血液循環裡的半乳糖凝集素-3 會增加。」這種現象或許就可以做為臨床檢測的因子,來判斷受試者是否可能患有心衰竭。

另外,劉扶東也利用基因剔除鼠(knockout mice,意指小鼠的特定基因被破壞而無法表現)來觀察缺少特定種類的半乳糖凝集素會有什麼反應,進而驗證半乳糖凝集素的重要性與疾病模式。

他發現,剔除半乳糖凝集素-12 基因的雌鼠會變瘦,而半乳糖凝集素-12 主要便是在脂肪細胞中表現,具有抑制脂肪細胞的脂肪分解功能。他說,「做這塊領域,要一直學習新的東西。」原本做免疫的他,對脂肪細胞非常陌生,幸好團隊中的研究人員有興趣持續鑽研,同時與加州大學戴維斯分校的其他專家合作,才能夠找出隱藏其中的故事。

在加州大學戴維斯分校待了近十年後,劉扶東決定回臺貢獻所學,接任中央研究院生物醫學科學研究所所長,開始在院內推動免疫、醣科學等領域,也持續研究半乳糖凝集素。

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劉扶東與團隊找出了半乳糖凝集素-7 與乾癬之間的關聯。乾癬是一種由免疫失調所導致的慢性皮膚發炎,身上會反覆長出紅色斑塊,約有 2% 人口患有這種病症。他們發現,半乳糖凝集素-7 在乾癬患者的皮膚中表現較少。而半乳糖凝集素-7 具有抑制角質形成細胞(keratinocyte)增生的功能。

半乳糖凝集素-7 的蛋白質結構。劉扶東院士發現半乳糖凝集素-7 具有抑制「角質形成細胞」增生的功能。圖/Wikipedia

持續探索未知

劉扶東不斷透過研究探索半乳糖凝集素的作用機制,雖然每一步都得花費不少時間,但發表成果後,「這些研究成果得到認可,就覺得很有意義。」分享故事的過程中,也為他帶來許多樂趣。

他解釋,雖然半乳糖凝集素是一種醣結合蛋白,但它不必與醣結合,也能夠參與細胞內的各種生化反應,像是與細胞內的調控因子作用,促進激素的製造。甚至也可能與疾病機制有關,例如,半乳糖凝集素-1 在許多癌症中會大量表現,讓癌細胞可以規避免疫反應;半乳糖凝集素-3 在淋巴瘤、肝癌細胞中的表現量會升高,讓癌細胞存活更久。

另外,在患有中風、神經退化疾病或多發性硬化症的病患大腦中也發現高濃度的半乳糖凝集素-3,若是抑制其表現,就可以減緩發炎反應,進而改善病程。

那麼,半乳糖凝集素會在細胞內與醣結合產生功能嗎?劉扶東解釋,醣蛋白一般只會出現在胞器內或細胞膜表面上,因此半乳糖凝集素「通常」沒有機會與醣結合。

然而,有學者發現,胞器或胞內體在某些情況下會破裂,此時胞器內部的醣就會裸露,讓半乳糖凝集素得以結合上去,誘發細胞的自噬作用(autophagy),讓受損胞器交由溶酶體降解。

甚至,有些細胞機制會受到這些裸露的醣與半乳糖凝集素的結合所調控,產生細胞凋亡、發炎反應,因而形成疾病。劉扶東團隊也持續發現半乳糖凝集素-3 與 -8 在上述機制中的功能。最近更進一步發現,半乳糖凝集素在細胞内可與侵入細胞的病原體上的醣結合,進一步影響細胞對抗病原體的反應。

上圖為半乳糖凝集素在細胞內機制的示意圖。左邊是細胞表面醣化修飾的形成過程,右邊則是半乳糖凝集素對應外來有害物質的機制,當核內體的膜破裂時,裡面的醣分子得以裸露,半乳糖凝集素快速聚集,並與這些醣分子結合,同時也會結合更多蛋白質幫手,一起設法解決外來有害物質。圖/研之有物、林威翰、陳宏霖
上圖為李斯特菌進入細胞後,半乳糖凝集素-3 快速聚集反應,並由免疫系統排除的過程。半乳糖凝集素-3 為綠色,李斯特菌為紅色,溶酶體為藍色,其中的第 64 分鐘到第 79 分鐘,半乳糖凝集素-3 快速聚集。圖/Glycobiology

至於半乳糖凝集素在細胞「外」的功能?對於這個問題,劉扶東坦承,「雖然知道半乳糖凝集素這麼久了,半乳糖凝集素在人體細胞外面有什麼功能,我們真的不知道,不過已有無數的文章有敍述在試管内(in vitro)看到的功能。」半乳糖凝集素在少數情況下會離開細胞,並可能與細胞膜或其他蛋白質上的醣類結合,然而細胞外的半乳糖凝集素在活體內實際去了哪裡,產生了什麼作用,還有待科學進一步探究。

如果可以在細胞外專一追蹤半乳糖凝集素家族,對於生醫藥物發展會相當有用,但是目前的科學技術還無法做到。

創造更多突破

劉扶東強調,半乳糖凝集素的內源性功能已有許多研究成果證實。時至今日,若在期刊網站搜尋,可以在全世界找到近萬篇與半乳糖凝集素有關的科學文獻,每年的相關研究多到劉扶東難以一一追蹤。

如此豐富的研究成果,已成為臨床醫藥的新發展方向。目前已有生技公司著手研發半乳糖凝集素抑制劑(inhibitor),來抑制細胞不正常的發炎反應,例如瑞典公司 Galecto 即以抑制半乳糖凝集素-3 為目標,已研發出小分子藥物(galectin-3 inhibitor, GB0139, formerly TD139)來對抗特發性肺纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis)並已得到歐洲藥品管理區(EMA)及美國食品藥物管理局(FDA)核准。

除了半乳糖凝集素-3,劉扶東認為,半乳糖凝集素-7、半乳糖凝集素-8、半乳糖凝集素-12 都有可能進一步發展藥物。若能組成專業團隊,加上跨領域合作,結合不同領域的知識與技術,就能彼此加成,找到更多突破機會。

許多科學創新,不單單只靠一個人就能達成,「我很幸運,實驗室裡有很多優秀的人才一起研究,也和許多團隊合作。」劉扶東期待能夠在臺灣促成更多的合作機會,讓不同實驗室之間結盟,就能凝聚成更大的力量。

延伸閱讀

  1. Liu, F. T., & Stowell, S. R. (2023). The role of galectins in immunity and infectionNature Reviews Immunology
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  10. 興大通識中心(2020)。疾病治療新展望:聚焦醣科學-劉扶東院士,YouTube。
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  12. 中央研究院(2017)。免疫療法抗癌新曙光|生物醫學科學研究所 劉扶東院士,YouTube。
  13. 中央研究院(2017)。發炎反應與疾病―亦敵亦友的微妙關係|生物醫學科學研究所 劉扶東院士,YouTube。
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