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玉米沒告訴你的「基因洗牌」關鍵蛋白質

研之有物│中央研究院_96
・2017/04/11 ・3610字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 554 ・八年級

為什麼要研究植物「減數分裂」?

氣候變遷迫使農田休耕、作物歉收,人類需要體質更優良也更美味的作物。一直以來,科學家利用「遺傳育種」,從大自然的遺傳多樣性中,透過有性生殖篩選保留優良的基因組合。在中研院植物暨微生物研究所王中茹的實驗室裡,透過超高解析度顯微鏡觀察玉米染色體世界,正在破解同源染色體如何重組的謎團。其中,發現蛋白質 DSY2 是解開謎團的第一個線索。

王中茹笑說:「就算是再小的發現,衝回實驗室跟大家宣佈前,我是全宇宙唯一知道這件事的人!」圖/張語辰提供

每天一睜開眼,想到要去上班是什麼心情?對於王中茹與團隊而言,每天都是一個發現新事物的機會。在好奇心的驅使下,王中茹與博士班學生李頂華及團隊成員發現影響玉米染色體 DNA 交換的關鍵之一: DSY2 蛋白質。這個蛋白質參與生殖過程中減數分裂的「染色體互換」,讓基因有機會透過「天然洗牌」的方式,使玉米的下一代有更多變異,有機會長得更好、更能適應環境。

當雄花的花粉落到雌花上,兩副單套的染色體組合成下一代,生成一顆顆玉米種子。但其實早在花粉母細胞(雄)和大孢子母細胞(雌)進行減數分裂時,就有人類肉眼看不見的基因重組,可以想像成基因天然洗牌。圖/賴鵬智、王中茹、iStock 提供;林婷嫻、張語辰改編

上千年來,人類一直藉由觀察植物的特性來選拔適合栽培的作物,近一百年來,則利用遺傳知識進行科學育種,主要為透過有性生殖的減數分裂來重組交換基因,藉由改變基因組成,挑選出更優秀的品系,稱為「遺傳育種」。

約三十年前,隨著基因轉殖技術的發展,科學家得以將來自於不同物種的 DNA 片段,殖入作物的基因組內藉以調整作物的某些特性,就是俗稱的「基因改造」。近五年發展出 CRISPR/Cas9 基因編輯技術,可以針對原有的特定基因改變部分 DNA 序列而微調其功能,稱為「基因編輯」。只要後續利用減數分裂,將誘導 DNA 序列改變的編輯器去除,這樣的品系將不帶有外來物種的 DNA 片段,因此學術界與官方管理單位傾向認定這類產品是「非基改作物」。這些技術皆改變了部分的基因組成,使農作物更優良。

在可見的未來,面臨人口爆炸、氣候變遷造成作物歉收的情況,科學家無不積極面對這嚴峻的挑戰,希望能讓作物便利種植、耐旱抗蟲害、產量大增還能保持美味。以目前全球產量最多的作物玉米為例,從 1960 年代迄今,國際間隨著農業技術進步、殺蟲劑與肥料的運用、及育種技術的創新,玉米產量節節升高,但價格也不斷攀升。估計到 2050 年全球的玉米產量需要再增加七成,才得以應付世界的變化。

遺傳育種、基因改良、基因編輯,三種技術的差別。圖/王中茹提供;林婷嫻 、張語辰設計

儘管新興的「基因編輯」技術引起廣大注意,並預期會帶來革命性的影響,但是傳統「遺傳育種」的地位仍不可取代。由於大多數高產量或其他複雜的作物特性,往往是由許多基因相互作用的結果,因此這類的改良目前仍依靠「遺傳育種」技術為主。然而,即使是在基因體解碼的後基因體時代,遺傳育種仍因為減數分裂中染色體重組的天然限制而效率不彰。如何運用減數分裂的奧妙,控制遺傳重組的「位置」和「數目」,是目前一個重要的研究方向,也是王中茹團隊投入的研究領域。

染色體互換 攸關今生基因拿到什麼牌

有句名言說道「人生不在於手握一副好牌,而是打好你手上的牌」,但無論是人類或玉米,當爸媽的生殖細胞進行減數分裂,在染色體重組並隨機分配時已決定一部分基因組合;接著精細胞與卵細胞有緣相遇時,就完全決定今生拿到的基因牌組。

為何我從爸爸那遺傳到爺爺的自然捲、奶奶的大眼睛,但是沒有遺傳到爺爺的長睫毛、奶奶的挺鼻子?因為爸爸的染色體也是爺爺和奶奶給的,在爸爸的精細胞進行減數分裂時,爺爺奶奶的染色體互換重組,並且最後只留一組染色體在爸爸精細胞中,再搭配上媽媽送的另一組染色體,就組合成「我」的遺傳藍圖。

基因「天然洗牌」重組的過程中,在同一條染色體上的「好基因」與「壞基因」可藉著重組而打散,不再一起代代相傳。基因若能拿到好牌,表現在人類上,也許會是高顏值,表現在玉米上,也許會是又大又香甜又好種。

透過一代又一代的基因「天然洗牌」重組,配合分子標誌輔助,有機會培育出集合優點於一身的玉米,例如抗蟲、香甜又耐旱。圖/王中茹提供 ;林婷嫻、張語辰改編

打斷手骨顛倒勇 打斷 DNA 洗好牌

染色體上的 DNA 會發生多處打斷 (DSB) ,但最終能互換的 DNA 片段只有一部分。圖/王中茹提供 ;林婷嫻、張語辰改編

在生殖母細胞減數分裂的階段,同源染色體必須互相配對,才能正確地在接下來的過程中兩兩分離。在配對時,每對染色體(也就是一條來自爸爸,一條來自媽媽)會先在染色體的許多地方發生「DNA 雙股斷裂(DSB)」,從分子生物學的角度來看,這是相當危險的行動,因為 DNA 是生命的遺傳藍圖,可不能隨便斷裂損傷!

但減數分裂是個獨特的過程,染色體為了正確遺傳到下一代(也就是同一對染色體,只傳一條到生殖細胞中),勇敢地自斷手腳,為了正確配對而去尋找另一條同源染色體上可以互換的 DNA 。這些 DNA 斷裂的位置,有機會成為最終染色體互換的位置,基因重新組合後的兩條染色體,再平均分到細胞中。

計畫性地打斷 DNA 非同小可,可以想見細胞在這過程中必須有很嚴密的控制,比如說:何時打斷 DNA、打斷的位置和數目,以及確保所有 DNA 斷裂最後都被完整修復。另外,在眾多 DNA 斷點中,每對染色體通常只會發生一至兩個互換,而且最終互換的位置往往位於染色體的末端區域。

為此,世界各國的科學家與王中茹研究團隊,希望能找出決定 DNA 斷裂的關鍵、和最終控制染色體互換位置的機制,也許有機會讓原本不會互換的染色體區段,也能發生基因重組。

中間這一大段極少互換的染色體,可能有著讓下一代更好的基因。圖/王中茹提供;林婷嫻、張語辰改編

影響玉米基因洗牌 發現關鍵角色 DSY2

「在哪裡~在哪裡~不要隱藏你自己~」就像警方追查一個案件的發生,要找到關鍵人物一樣,科學家為了追查染色體互換的源頭,也是煞費苦心。2015 年王中茹研究團隊發現,影響玉米得以發生基因洗牌的關鍵角色之一,就是一種名為 DSY2 的蛋白質。

在你一口咬下的玉米中,有個名為 DSY2 的基因負責促成染色體互換。圖/王中茹提供;林婷嫻、張語辰改編

DSY2 蛋白質不僅影響 DNA 打斷的發生,也參與另一個重組互換中的重要過程:聯會。當同源染色體靠著 DSB 在細胞核中找到彼此時,另一群蛋白質(其中以 ZYP1 為主要)會形成拉鍊般的結構,把兩條染色體緊緊拉在一起,好讓染色體完成互換,並且修復所有的 DSB。這個拉鍊般的構造,稱為聯會複合體(synaptonemal complex)也會影響互換的發生。

王中茹研究團隊發現 DSY2 蛋白質也是聯會複合體是否可以成功組裝的關鍵。若把 DNA 片段想像成要跳到另一條同源染色體攻城,中央蛋白 ZYP1 是負責在護城河搭橋的士兵,而 DSY2 蛋白質是引導這一切得以實現的軍師。

超高解析度螢光顯微鏡中,看到染色體上面的 綠色的 DSY2 蛋白質、紅色的 ZYP1,組合成聯會複合體。圖/王中茹提供

如果造物主限制染色體互換的區段和數目是關上一道門的話,王中茹研究團隊的發現彷彿為玉米界的減數分裂互換開了一扇窗。此研究成果被刊登在國際期刊《植物細胞》(The Plant Cell),並獲美國農業部「玉米基因組研究資料庫 MaizeGDB」評鑑為重要的科學發現。透過對 DSY2 功能的更多分析,研究團隊正逐步了解 DSB 的決定因子和聯會在重組上的調控。只要了解玉米的染色體重組機制後,就能實驗如何操控這些蛋白質影響基因「天然洗牌」重組,或許能發展出育種上有用的策略,成為未來解決糧食危機的機會。

基礎研究不一定能應用,但如果不從基礎開始,就像房子沒有了地基,何來的創新應用。

──中研院植物暨微生物所 王中茹

延伸閱讀:

 

  • 執行編輯|林婷嫻 美術編輯|張語辰

本著作由研之有物製作,以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位


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研之有物│中央研究院_96
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口臭去去走!噴的口腔益生菌,強化口腔健康,壞菌走開!

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/04/26 ・2976字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文由 IN-Plus 全方位專業寵物營養品 委託,泛科學企劃執行。

天天刷牙,確保毛小孩擁有一口好牙

你家有狗狗嗎?除了平時裡的梳毛、餵罐罐、修剪指甲、出門散散步之外,毛小孩的口腔健康,也得密切注意。可是,有些毛小孩非常任性,不僅挑食、還排斥刷牙。(人類要刷牙,狗兒當然也要!)要是不常清潔牙齒,口腔中的食物殘渣被壞菌分解後,就會產生具有難聞氣味的分子,並且衍生各種口腔健康問題,比如口臭、齒垢、牙菌斑、牙齦炎,甚至是牙周病,造成毛小孩沒有健康、強壯的牙齒可以進食。

那麼,該怎麼確保毛小孩有一口健康的牙齒呢?最理想的做法就是天天刷牙!

問題在於刷牙並非易事,因為毛小孩不知道牠們需要刷牙、通常也不喜歡刷牙。試想如果你父母突然抓住你的下顎,將異物塞進嘴裡攪拌,你肯定會感到驚恐萬分,然後拼命掙扎,不肯乖乖就範。為了解決這個問題,IN-Plus 全方位專業寵物營養品推出了一款「用噴的」狗兒專用口腔益生菌「IN-Plus 好好益菌潔牙噴噴」,只要將瓶內熱處理過後的特殊益生菌萃取物噴進毛小孩嘴裡,就可以改變口腔內的微生物組成,達到保健效果。

經實驗證明,口腔益生菌有益口齒健康

讀到這裡,你可能不禁心想:只要噴一噴就能維持口腔健康,真有這麼神奇?沒錯,就是這麼神奇,而且背後還有科學根據喔!

IN-Plus所使用的口腔益生菌,是日本專利研發的益生菌,又稱捲曲乳酸桿菌(Lactobacillus crispatus),主要存在於產道和新生兒的腸道中,是母親傳承給寶寶的珍貴益生菌,也是維持寶寶腸道微生物平衡的主要菌種之一。

2015 年的一項小鼠研究[1]指出:

  • 熱處理後的捲曲乳桿菌作用原理類似疫苗,能刺激免疫系統產生更多抗體,進而強化免疫力。
  • 這種功能性益生菌能在小鼠體內誘發免疫反應,增加唾液中的抗體來對抗口腔內的壞菌。
  • 在唾液中,會出現由捲曲乳桿菌誘發的特異型 IgG 抗體,能有效殺死「牙齦卟(ㄅㄨˇ)啉(ㄌ一ㄣˊ)單胞菌」(Porphyromonas gingivalis),也就是牙周病的主要致病菌。

2018 年的另一項人體研究[2]也指出:

  • 每日攝取捲曲乳桿菌可以大幅減少卟啉單胞菌的數量,保持口氣清新,可以提升黏膜組織的保護力,預防牙齦紅腫。

上述兩項研究的臨床實驗結果都證明口腔益生菌可以有效預防並改善慢性牙周病。

捲曲乳酸桿菌(Lactobacillus crispatus主要存在於產道和新生兒的腸道中,是母親傳承給寶寶的珍貴益生菌,也是維持寶寶腸道微生物平衡的主要菌種之一。
動物與人體研究證實,熱處理後的捲曲乳酸桿菌 KT-11,能刺激免疫系統產生更多抗體,進而強化免疫力。

捲曲乳桿菌能消滅「牙齦卟啉單胞菌」

寵物口臭、口水變多、牙齦發炎都是「牙周病」的徵兆,但牙周病的致病菌「牙齦卟啉單胞菌」又是何方神聖?

首先,「牙周」指的是支持牙齒穩固的組織,包括牙齦和齒槽骨,而「牙齦卟啉單胞菌」可以抑制白血球殺壞菌的能力,只要少量感染,就能使口腔內部的細菌無限增長。當牙周組織不堪負荷,長期處在發炎狀態時,將造成牙齦和齒槽骨萎縮,最終使牙齒動搖、脫落,這就是「牙周病」。

可怕的是,卟啉單胞菌不但無法被抗生素殺死,還可以躲進牙齦細胞,分泌牙齦蛋白酶(Gingipain)誤導自體免疫系統,使其不被攻擊。

這種時候,口腔益生菌就能派上用場啦!

雖然大多數益生菌都屬於活菌,無法通過胃酸和膽鹼的考驗,還來不及發揮效果就提前陣亡,可是 IN-Plus 潔牙噴噴所使用的益菌屬於去活菌,透過特殊的熱處理技術鎖住活性因子後,就會變得更耐熱、耐酸鹼,能夠順利抵達腸道,協助免疫系統發揮作用。此外,如上文所說,捲曲乳桿菌所誘發的特異型 IgG 抗體不僅能殺死牙齦卟啉單胞菌,同時也能藉此改變口腔內的菌叢生態,提高生物體內的免疫力!

牙齦卟啉單胞菌存在在口腔中,能抑制白血球殺壞菌的能力。只要少量感染,就能讓口腔壞菌無限增長,造成長期發炎並形成「牙周病」。
牙齦卟啉單胞菌可以躲過免疫系統、抗生素的攻擊,十分難纏。

病從口入!如何輕鬆向狡猾的細菌說掰掰?

說了這麼多,究竟要怎麼簡單做好毛小孩的口腔衛生保健呢?那就是使用含有捲曲乳桿菌的「IN-Plus 好好益菌潔牙噴噴」,讓益生菌成為預防口腔疾病的好夥伴!除了狗狗專用的噴劑,也有貓貓專用的版本,讓不愛刷牙的毛小孩們也能擁有健康的一口牙。

捲曲乳桿菌能殺死牙齦卟啉單胞菌,雖然牙齦卟啉單胞菌近乎無敵,但實驗證實,捲曲乳桿菌所誘發的特異型抗體,是牙齦卟啉單胞菌剋星。

維護毛孩口齒健康,就用毛孩專用的口腔益生菌噴劑

IN-Plus 全方位專業寵物營養品推出「IN-Plus 好好益菌潔牙噴噴」,用自然、溫和的方式呵護毛小孩口齒健康,讓飼主可以更放心、自在地與牠們互動。這款毛孩專用的口腔益生菌噴劑,每 1 毫升就含有 1.2 億個 KT-11口腔益生菌,能夠有效抑制壞菌。

日本專利研發的 KT-11 乳酸菌也通過歐洲食品安全局(EFSA)審查,獲得歐盟安全菌株認可(QPS),在用途、安全性及菌種鑑定等方面都有嚴格保障,可以強化口腔防禦力,有效降低牙菌斑形成機率,並且減少各種口腔及牙齦問題。

與此同時,「IN-Plus 好好益菌潔牙噴噴」也含有天然植萃淨味成分。經日本リリース科学工業株式会社實驗證實,只要短短 30 分鐘,即可降低 99% 的口腔異味,常保口氣清新。此外,「IN-Plus 好好益菌潔牙噴噴」也有針對貓貓用的版本,更添加了貓薄荷精油提升適口性,不用擔心貓主子嫌棄。

哪裡才能買到 IN-Plus 好好益菌潔牙噴噴呢?點擊這裡就能買到喔!

註解

  1. Taguchi, C., Arikawa, K., Saitou, M., Uchiyama, T., Watanabe, I., Tobita, K., … & Nasu, I. (2015). Orally Ingested Lactobacillus crispatus KT-11 Inhibits Porphyromonas gingivalisinfected Alveolar Bone Resorption. International Journal of Oral-Medical Sciences, 13(3), 102-109. https://doi.org/10.5466/ijoms.13.102
  2. Tobita, K., Watanabe, I., Tomokiyo, M., & Saito, M. (2018). Effects of heat-treated Lactobacillus crispatus KT-11 strain consumption on improvement of oral cavity environment: a randomised double-blind clinical trial. Beneficial Microbes, 9(4), 585-592. https://doi.org/10.3920/BM2017.0137

參考資料


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