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運動有益健康:細胞怎麼做呢?

cacbug
・2012/02/21 ・1417字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 589 ・九年級

運動有益健康是無庸置疑的。但是在分子層次上的機制,科學家也無法提供明確的解釋。最近發表於《自然》的一篇文章,研究人員首次證實細胞內的一項管家機制(housekeeping mechanism),自體吞噬(autophagy)作用是運動之所以有益健康的原因,其中還包括能夠避免罹患糖尿病。該篇研究的作者認為,透過啟動這項機制的訊息傳導,不用流汗就能夠享受運動帶來的好處,來幫助治療第二型糖尿病。

在天主教魯汶大學(Université catholique de Louvain)研究運動生化學的馬克‧弗朗克(Marc Francaux),本身沒有參與該項研究,他提到:「這真的是一個新觀念!他們選用三種不同的轉殖基因老鼠模式,結果非常有說服力。」

而哈佛大學公衛學院(Harvard School of Public Health)研究代謝調節途徑的辜坎‧侯塔米斯里基( Gökhan Hotamisligil),同樣沒有參與這項研究也表示:「這個研究提供一個嶄新的視野說明運動所帶來的效益。這是一篇重要而且讓人信服的文章。」

自體吞噬機制是細胞內的「資源回收」系統,負責分解損壞或是不需要的胞器與蛋白質,並且產生能量。從動物研究發現,這個機制已經被證實有助於對抗癌症、神經退化疾病、感染、及糖尿病等等。德州西南醫學中心大學的生物學家蓓絲‧萊敏(Beth Levine)表示:「運動也同樣被認為有助於降低罹患以上這些疾病的風險,因此運動會引發自體吞噬機制是合理的推論。」

萊敏的團隊首先分析帶有特殊轉殖基因的老鼠,當老鼠的細胞進行自體吞噬作用時,能夠發出綠色螢光的亮點。他們發現剛跑完滾輪的老鼠,至少在30分鐘內,牠們的細胞有更多的自體吞噬作用發生。這個結果顯示運動能夠直接促進在動物體內細胞的「資源回收」機制。

研究人員接著研究於Bcl2基因上發生突變的老鼠品系,Bcl2基因是自體吞噬的重要調節因子。這些帶有突變的老鼠仍然可以表現低程度的自體吞噬,但是無法在運動時提高自體吞噬作用的進行。將這些突變鼠跟控制組相比,牠們在滾輪上運動時,跑的距離較短而且葡萄糖的代謝也較差。該研究團隊還藉由檢驗在其他兩個不同自體吞噬機制路徑發生突變的老鼠,重複確認他們先前的結果。

最後,萊敏與她的團隊透過餵老鼠吃富含高脂肪食物,試圖驗證運動是否能夠避免糖尿病的發生。一般來說,運動的時候血糖會下降,而且對於胰島素的感受性提高,因此較低或正常濃度的胰島素有助於維持血糖的穩定以及避免糖尿病的發生。萊敏提到:「我們假定自體吞噬作用對於運動產生的保護效果具有必要性。」當給予正常或是突變的老鼠吃富含高脂肪的食物,牠們會增加體重以及對於胰島素的感受性發生失調,這是第二型糖尿病的徵兆。跑滾輪運動讓老鼠能夠誘發自體吞噬能力而改善這些症狀;另一方面,自體吞噬機制產生突變的老鼠雖然體重稍微減少,但是牠們無法獲得運動對於防止糖尿病發生的好處。

萊敏提到:「這項研究為糖尿病的治療帶來新契機,其中提高自體吞噬作用將會是具有潛力的方法來仿效運動所產生的效益。」他的團隊接下來將要檢驗自體吞噬作用是否也跟運動能夠降低其他疾病發生的效果有關,例如癌症與阿茲海默症。

這項研究還有另一個讓人感到驚訝的結果,運動對於自體吞噬作用的提高除了發生在骨骼肌與心肌之外,對於肝臟與胰臟都有相同的反應。侯塔米斯里基提到:「以往對運動之於健康的效益只被認為作用於肌肉上,而這項研究暗示著運動會促發肌肉組織以外的其他訊息途徑,進而影響其他關鍵的生理代謝反應。」

資料來源:TheScientist Cellular workout [January 18, 2012]

原始論文:C. He, et al., “Exercise-induced BCL2-regulated autophagy is required for muscle glucose homeostasis,” Nature, 481:511-5, 2012.

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cacbug
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研究昆蟲的人,腦袋不時地轉來轉去,對於這個世界充滿好多想像與疑問。


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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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