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研究發現生物電訊號改變導致蝌蚪在背部、尾部長眼睛

only-perception
・2012/01/10 ・1537字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

這是科學家首度改變細胞之間的自然生物電通訊(bioelectrical communication),直接指定(specify)在一脊椎動物體內的某一特定位置上被創造出來的新器官類型。利用爪蟾屬(Xenopus,一種蛙類)胚胎膜電壓(membrane voltage)的遺傳操縱,Tufts 大學科學與藝術學院的生物學家能使蝌蚪在頭部區域以外的地方長出眼睛。

當研究者操縱蝌蚪背部與尾部細胞 — 在眼部能正常形成以外的地方 — 的膜電壓時,他們獲致最令人驚訝的結果。”假說是,體內的每一種構造都有某種特定的膜電壓範圍,那驅使器官形成(organogenesis),” Pai 表示。”那些區域的細胞從來沒人想過能形成眼睛。這指出,來自體內任何一處的細胞都能受到驅使而形成眼睛。”

為了辦到這件事,他們改變蝌蚪背部與尾部細胞的電壓梯度,使其與正常的眼部細胞相符。這種眼部特定的梯度驅使著背部與尾部的細胞 — 那在正常情況下會形成其他器官 — 發展成眼睛。

根據 Michael Levin, Ph.D.(生物學教授、Tufts 大學科學與藝術學院再生與發展生物學中心主任)表示,這些發現於生醫領域中開闢了新的天地,因為他們確認一種全新的控制機制,能提供資源以促使複雜器官的形成,用於移植或再生醫學應用。Levin 是一篇論文的資深及通訊作者,該論文發表在 2011/12/7 的 Development 期刊線上版。

“這些結果揭露一種在生長期間的新眼部形成調控者,並指出用以偵測與修補影響視覺系統之誕生缺陷的新應用,” 他表示。”這種新技術除了是眼部的再生醫學應用之外,同時也是破解生物電密碼的第一步。”

Tufts 博士後研究者 Vaibhav P. Pai Ph.D. 是一篇名為「Transmembrane Voltage Potential Controls Embryonic Eye Patterning in Xenopus laevis」的論文的第一作者。

訊號開啟眼部基因

他們的研究開始時,Tufts 的生物學家想要了解細胞在其創造與取代身體器官的任務中,如何使用自然的電氣訊號來溝通。在最近的研究中,Tufts 生物學家 Dany S. Adams 證明,生物電訊號對於爪蟾屬胚胎之正常臉部形成來說是必要的。在當前的實驗設置中,Levin 實驗室確認並標記位於蛙類胚胎頭部區域內的超極化(hyperpolarized,更多負電荷)細胞簇。

他們發現這些細胞所表現的基因,那涉及眼部的建構,稱為眼區轉錄因子(Eye Field Transcription Factors,EFTFs)。切割胚胎已形成的眼睛並以螢光顯微術分析眼部區域證實,超極化細胞促成水晶體與視網膜的形成。研究者提出假說表示:這些細胞開啟了建立眼睛所需要的基因。

改變訊號導致缺陷

接下來,研究能證明,改變生物電密碼,或將這些細胞去極化( depolarizing)會影響正常眼睛的形成。他們將含有離子通道(那是一種閘門蛋白質,內嵌在細胞膜中)編碼的 mRNA 注入細胞中。如同閘門,每種離子通道蛋白選擇性地讓帶電粒子進出細胞。

利用個別的離子通道,那允許研究者改變這些細胞的膜電位(membrane potential)。這影響了 EFTF 基因的表現,導致畸形(abnormalities)發生:來自這些實驗的蝌蚪看起來都正常,不過,牠們的眼睛全都殘缺。

此外,Tufts 生物學家也證明,藉由操控胚胎內部的電壓梯度,他們能控制畸形眼睛的發生率。”畸形乃是破壞性去極化擴展的比率,” Pai 說。”我們開發技術用來提昇或降低電壓以控制基因表現。”

細胞的電性可受操縱以產生特定器官

當研究者在蝌蚪的背部與尾部 — 就在眼部能正常形成以外的地方 — 操縱細胞的膜電壓時,他們達成最令人驚訝的結果。

“假說是,體內每一種構造都有某種特定的膜電壓範圍,那驅使器官形成,” Pai 表示。”藉由特定膜電壓的使用,我們可以在沒人想過能形成眼睛的區域產生正常的眼睛。這指出來自體內任何一處的細胞都能受到驅使而形成眼睛。”

Levin 及其同僚正繼續更進一步的研究,外加以腦、脊椎與肢體為目標。這些發現,他表示,”一般來說,將使我們對於組織與器官樣式形成( pattern formation)有更好的控制。我們正在肢體再生、腦部修補與合成生物學中開發新的分子生物電(molecular bioelectricity)應用。” 其他作者包括博士後研究員 Sherry Aw,Tufts 博士後研究者 Tal Shomrat 以及研究助理 Joan M. Lemire。研究資金來自 NIH。

資料來源:PHYSORG:Researchers discover that changes in bioelectric signals cause tadpoles to grow eyes in back, tail[December 8, 2011]

轉載自only-perception

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only-perception
153 篇文章 ・ 1 位粉絲
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。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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