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卵子中的染色體為何會分配不均?都是自私的基因在作弊!

李紀潔、羅鴻
・2017/11/29 ・3011字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

  • 文/李紀潔、羅鴻|陽明大學基因體科學研究所畢業生

每個人體內的細胞皆帶有二十三對染色體,其中一套來自父親,另一套來自母親。為了維持染色體的套數,配子(精子或是卵子)僅能帶有一套染色體,如此一來受精時才不會產生多於兩套的染色體。因此配子生成時,會透過減數分裂來隨機捨棄其中一套染色體。而理論上每對同源(姐妹)染色體都有一半的機率可以遺傳到子代中。

但是現在有項新的研究指出,減數分裂的過程並非隨機對半分那麼簡單。

人體的二十三對染色體。source:wikimedia

科學家發現某些染色體會狡猾的增加自己被分配到精子或卵子中的機會,顛覆以前隨機五五分的理論。賓州大學的研究團隊十一月初發表在《科學》上的文章讓我們一窺染色體如何讓卵子在減數分裂中偏愛保留特定的染色體。

Lilium sp. Lily ovulary cell, metaphase I, meiosis. source:Carolina Biological Supply Company

再進一步了解之前,讓我們先來複習卵子(ocyte)的生成過程。舉人類為例子,初級卵母細胞(primary oocyte)在出生後皆停在第一次減數分裂前期(meiosis I prophase)。接著在性成熟後初級卵母細胞變成次級卵母細胞(secondary oocyte),這過程細胞從帶有雙套染色體變成單套。隨著固定的週期次級卵母細胞進行第二次減數分裂至中期(meosis II metaphase),待受精後才完成第二次減數分裂。此時帶有一套兩倍染色單體(chromatid)的次級卵母細胞變成只有一套一倍染色單體的卵子。但有趣的是經過兩次減數分裂而生成的四顆細胞只有一顆能成為卵子,剩下的則變成極體(polar body)被降解。因此,染色體要努力讓自己被分配到能夠遺傳下去的配子中(gamete)。

卵子生成的過程經過兩次減數分裂,最後產生的細胞只有一個成為卵子,其他三個則為極體。圖片來源

自私的基因

其實,科學家在這數十年的減數分裂研究中已經觀察到遺傳物質之間似乎有競爭的行為,導致有些遺傳物質擁有較高的機率在配子(gametes)中遺傳下去。因此,「不規則減數分裂」(meiotic drive)便作為形容這個偏差現象的專有名詞。

而自私的基因則是主要造成染色體不規則分配的重要因素。

賓州大學生物助理教授同時也是此篇研究負責人之一的 Michael Lampson 表示:「如果我們能闡明這些自私的遺傳片段是如何利用減數分裂來分配至卵子的機制,我們便跨出第一步更加深入了解減數分裂。」這項研究可以讓我們更了解減數分裂的機制,並且為染色體分配不均所造成的唐氏症等疾病提供治病線索。

「我們通常視自私的基因為自然篩選(natural selection)的一環,這些基因能幫助個體壽命變長、擁有較多後代或是比敵人強壯,」Michael Lampson 說道,但他也提到「自私的基因也有可能沒有想像中的那麼偉大,它們也許只為了將自己遺傳下去而去競爭。雖然我們有證據顯示遺傳物質之間存在競爭關係,但始終不知道這場拔河比賽的運作方式。」

憑什麼你是卵子、我是極體?關鍵在第一次減數分裂

作者們認為不規則減數分裂跟細胞分裂的物理機制有關,於是他們決定觀察負責分開染色體的結構——紡錘體(meiotic spindle)。紡錘體是由紡錘絲(microtubule)構成的細胞結構,並透過著絲點(kinetochore)和染色體的中節(centromere)結合,並將染色體往兩端拉開。

減數分裂中期著絲點與染色體上的中節連接的樣子。圖片來源

科學家發現在老鼠的卵母細胞中兩端的紡錘絲會有不同程度的修飾(modification)。靠近即將變成次級母細胞那端(egg side/center)的紡錘絲酪氨酸化(tyrosination)的程度較低,而將變成極體的皮質端(cortical side)則擁有較多酪氨酸化的紡錘絲。而這種不對稱的現象只發生於減數分裂當中。

酪氨酸化(Tyr)的微管蛋白(tubulin)主要聚集在極體的方向,而無酪氨酸化(dTyr)則聚集在成為次級卵母細胞的另一端。

到底是什麼訊號負責提高紡錘絲酪氨酸化呢?

作者猜測了幾個可能增加紡錘絲酪氨酸化的蛋白,其中之一便是 CDC42 蛋白,因為先前的研究已顯示 CDC42 蛋白會參與細胞週期(cell cycle)和細胞極性(cell polarity)的調控。因此,他們設計一套光引導二聚化系統(light-induced dimerization assay)使 CDC42 蛋白只附著上一端的中心粒(centrosome),並證明 CDC42 蛋白確實參與了不對稱的紡錘絲酪氨酸化。

利用光引導系統使CDC42聚集於一端以觀察紡錘絲酪氨酸化的程度。

中節是不規則減數分裂的終結者?

中節(centromere)是一段在染色體中重複的特定序列,當細胞進行減數分裂時中節會與著絲點及紡錘絲連接。因此作者懷疑中節就是自私的基因,並利用上述觀察到細胞減數分裂中蛋白不對稱的特性讓自己分配到對的一方。

作者們在此篇研究之前已經得知染色體中節大小會影響分配到配子的機率。因此他們使分別帶有較大或較小染色體中節的兩種老鼠交配,以取得同時具有大和小中節的老鼠。接著觀察此老鼠的初級卵母細胞第一次減數分裂的情形,結果顯示確實具有較大或較強中節的染色體有較高的機率(60%)分配至配子。

若使 CDC42 突變成沒有功能的蛋白後,擁有較大中節的染色體便不再具有分配時的偏好方向。由此可知,自私的基因非常聰明的利用減數分裂的不對稱機制達到自己的目的,成可謂知己知彼百戰百勝。

圓圈代表中節,大小表示強弱。較強的中節會使自己連接上往卵子端的紡錘絲。

自私的中節就像是作弊的奇異博士?

作者發現當紡錘體構成時,它們與中節的相接發生在細胞的中央,而此時的連接方向並沒有偏好。因此,中節的偏好應當是發生在相接之後的事情。

科學家利用即時影像(live imaging)觀察到較強大的中節比較容易與紡錘體脫離,特別是此中節正朝著將形成極體的方向時。而細胞內建的機制是當一端的中節脫落時,兩端的紡錘體都會停止拉開染色體而恢復到先前的狀態。此時較強的中節便有機會轉向,將自己接上通往卵子的紡錘體。而相反的,較弱的中節呈現被動的狀態,不偏好特定的方向也不隨意脫離紡錘體。

若較強的中節與極體端紡錘絲連接時便會脫落,促使細胞將染色體的位置互換。因此自私的中節便能與卵子端紡錘絲連接,最後分配到卵子中。

Lampson 說:「如果你是自私的中節,當你面對錯誤的方向時就要馬上放手,直到細胞將你轉到你要的方向。這是勝利守則。」自私中節在減數分裂遊戲中具有特權,如果輸了就重來直到贏了為止,如同奇異博士在無限循環的時間中打敗邪靈多瑪姆。當然,自私的基因具有主動攻擊權,比奇異博士的煩人招式強多了。

自私的中節在減數分裂中就像是玩一場一直重來直到勝利為止的遊戲。圖片來源

Lampson的團隊未來會繼續研究較強或較弱的中節有何特性以及自私的中節是如何演化產生的。另外,有趣的問題是難道自私基因能為所欲為嗎?其他的基因是否其他機制去抗衡自私的基因呢?

參考資料

  1. Spindle asymmetry drives non-Mendelian chromosome segregation.
  2. Competing chromosomes explain junk DNA.
  3. How chromosomes ‘cheat’ for the chance to get into an egg.

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文章難易度
李紀潔、羅鴻
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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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一生可以聆聽的聲音總量是註定的?戴上你的聽力計算機!

雅文兒童聽語文教基金會_96
・2022/05/17 ・3915字 ・閱讀時間約 8 分鐘
  • 文/黃上維 聽力師|雅文兒童聽語文教基金會

「早上跑了五圈操場,晚上吃個雞排加珍奶應該還好吧……」、「昨天買了一雙限量版精品鞋,這個月就不吃晚餐了……」,生活中充滿算數題,來決定我們的生活習慣與行為,其實,在聽力學領域中,也有類似概念哦!聽的刺激不夠,聽覺系統解析的功能會逐漸衰退;聽的刺激太多,聽覺系統也會感到疲勞或損傷。到底聽多少,才能剛剛好?今天就帶你揭密聆聽的守則。

世界衛生組織(World Health Organization,WHO)統計全球已超過 5% 人口有失能性聽力損失。然而,多數聽力損失可被預防,調查發現將近 50% 的年輕人使用過高的音量聆聽個人音訊設備,約 40% 經常去娛樂場所的人(包括演唱會、運動賽事)則暴露在過久的高音量下[1]。 WHO 為此著手訂定「安全聆聽」的保健策略,如同醫師及藥師給藥時會算劑量,安全聆聽需要計算聲音暴露容許量(sound allowance)。

聽得「過久」或「過大聲」都會造成傷害

聲音是一種能量,基於相等能量原理(equal energy principle),無論能量在時間上的分佈如何,相同聲能的聲音會造成一樣的永久性聽力變化,表示「長時間聆聽較低的音量」會產生與「短時間聆聽非常的大音量」相同的影響。

WHO 提出兩種標準,均以七天作為一周期[2]。當聲音能量加倍(以 3 分貝為級距),容許的時間要減半,如下圖所示,健康成人適用一般標準;「兒童、耳毒性藥物服用史」等對噪音更為脆弱的族群則適用敏感標準,其將風險起始點下修至 75 分貝(dBA)的聲音每周聆聽 40 小時。此外,視障、認知困難者及老年人,考量聽力一旦損失,對其產生的負向影響將更大,也應選用較嚴謹的標準[3]

WHO 聲音暴露容許量。分貝越高,容許時間越少。圖/作者,製作自參考資料 2

聽起來不難嗎?生活中的聲音有多大聲

當我們在身處安靜室內,隔著一張桌子與朋友聊天時,說話音量的分貝就已經有 55-60 分貝(dBA);此時若環境變得吵雜,我們也會不自覺提高說話音量,分貝來到 65 分貝,如此可見生活中的大聲音是無所不在。美國 3M 公司團隊針對超過 1700 種職業、娛樂、社區等噪音源進行實際量測或整理文獻,發表了各項分貝數值[4],本文整理生活常見情境,並將分貝範圍達 75 分貝以上者,標為警示音量。

常見聲音音量分布。淺色底表示範圍,深色底表示平均值。圖/作者,製作自參考資料 4

現在我們來將分貝數對應 WHO 的「成人聲音暴露容許量」,以果汁攪拌機為例,平均音量是 82 分貝,一周應避免超過 25 小時的從旁聆聽,這似乎是件輕鬆的事!(除非你家開果汁店那就另當別論);然而交通機車噪音平均達到 98 分貝,一周應避免超過 40 分鐘的騎乘,對被譽為「機車王國」的台灣而言,似乎就沒有那麼容易。

隱形聽力殺手:環境噪音及娛樂噪音

交通機車噪音除了來自周遭車輛與自體引擎外,氣流吹向安全帽框所產生的風切聲(wind noise)也是一來源,因此噪音量與車速、安全帽種類都有關。早在 30 年前就有研究發現,當騎乘車速約莫每小時 50 公里,佩戴全罩式安全帽的耳邊噪音量較高,為 95 分貝、佩戴 3/4 罩安全帽的耳邊噪音量較低,為 89 分貝;隨著車速提高至約莫 80 公里,兩者分別上升至 103、98 分貝(Ross B.C. , 1989)。看來,機車族不僅要思考哪種安全帽可以保護頭部安全,還得思考該如何在騎車時也保護耳朵的健康。

騎個車也可能會讓自己過度暴露在噪音中?圖/pexels

此外,隨著 3C 產品與藍芽技術推層出新,聽穿戴科技(hearable tech)結合音樂通話、健康追蹤、導航等需求,已成為「人耳兩機」的時尚趨勢,但常見智慧型手機連接耳機的最大輸出音量高達 113.1 分貝[6],當我們使用耳機聆聽,更應當留意音量大小,特別是周遭環境較吵雜時,若為了蓋過捷運、鐵路等交通噪音而不自覺加大音量,結果恐怕得不償失。

「相等能量原理」不是算命神器,你的聽力也要靠自己努力

噪音性聽損實為多重致因、複雜表徵的疾病,不單與聲音大小有關,也不單只損害「察覺」聲音的能力。首先是個體的易感性(susceptibility),基因變異或高血脂將使個人對噪音的暴露更脆弱,而營養均衡的飲食或自體生成的熱休克蛋白(能維持細胞活性、幫助細胞修復的蛋白質)則可提高個人的保護力[7][8];再者是細胞損傷的針對性,噪音導致的暫時性聽損雖有機會恢復,但長期來看恐加速與老化相關的聽損,且噪音對聽覺神經結構的破壞,將使「分辨」聲音的能力也退步[9]。因此雖單靠相等能量原理難以完美詮釋終身的噪音危害,但作為基礎的估算仍有其價值。

善用工具!落實安全聆聽

為了盡可能減少噪音性聽損的風險,許多防音防護具(hearing protection devices)已經上市,除了一般通用的耳塞、耳罩,依照不同款式與材質、正確配戴與否,所能帶來的噪音衰減評比值(Noise Reduction Rating,NRR)在 0-35 分貝間[10];臺灣亦有不少助聽器公司,能由專業聽力師為我們取下專屬耳型(ear impression),再製作成客製化耳塞,更貼合個人的耳道以提高舒適。

在特殊製防音具中,分為基於音量水平(level-dependent)或基於頻率均等的衰減(uniform attenuation)。音量水平僅針對高音量衰減,而能保留安靜情境中較低音量的語音溝通需求,通常可應用在營造、紡織、航空等高噪職業。簡單來說,這樣的技術可以過濾機械運作時產生的大聲噪音,讓作業員較輕鬆聽到其他同事的說話聲。均等的衰減技術則考慮傳統耳塞對高頻率音的衰減大於低頻率音,因此在設計上利用聲學特性對高頻音產生額外共振,這樣就能留有貼近原音的清晰音質,可供音樂家、音響工程師,及講求高音質的大眾使用[11]

客製化防噪耳塞,結合內部音管做濾音功能,預期能達到頻率均等的衰減。圖/作者

人人在手的安全聆聽幫手

響應 WHO 與國際電信聯盟(International Telecommunication Union)在 2019 年提出的安全聆聽設備標準[2],許多手機與耳機製造商已開始著手在軟硬體端導入 WHO 的聆聽標準,可由「設定」內的「聲音與觸覺回饋/音效與震動」或下載應用程式做設定,功能雖因廠牌有異,但多涵蓋下述項目:

  1. 耳機高音量通知:當聆聽超過聲音累積允許量時發出通知提醒。
  2. 降低耳機高音量:選定設備最高音量限制,系統會分析耳機音訊並降低任何超出的音訊。
  3. 即刻檢視耳機音量:在聆聽音訊時,查看當前的音量變化。
  4. 個人化音訊調節:輸入專屬的聽力圖,系統能根據個人在不同頻率的聽力程度客製化調整音訊,使聆聽感受更清晰,或許你就能稍微調降整體音量,延長聆聽的允許時間。
  5. 累積耳機音量:部分根據耳道聲學,自動計算一段時間的耳內音量,標示使用狀況屬於正常或大聲;或將聲音暴露容許量以百分比告知每日/每周聆聽的餘額。
  6. 累積環境音量:自動計算一段時間的環境音量,標示正常或大聲;或將聲音暴露容許量以百分比告知每日/每周接觸的餘額。
為了一生的聽覺健康,記得落實安全聆聽的守則。圖/pexels

噪音對健康的影響不止於聽覺,也與睡眠障礙、新陳代謝與心血管疾病、兒童的認知表現下降有關[12]。因此不論先天的聽力基礎如何,聽力保健是人人都要關心的健康議題。大家不妨現在就拿起手機與耳機、開始設定,讓智慧 3C 發揮「智慧生活」的價值,協助你我「落實安全聆聽」吧!

參考資料

  1. World Health Organization. (2021). World Report on Hearing, 40,65. Available at:https://www.who.int/publications/i/item/world-report-on-hearing
  2. World Health Organization. (2019). Safe listening devices and systems: a WHO-ITU standard, 15-16. Available at:https://www.who.int/publications/i/item/9789241515276
  3. Berglund, Birgitta, Lindvall, Thomas, Schwela, Dietrich H & World Health Organization. Occupational and Environmental Health Team. (‎1999)‎. Guidelines for community noise, 35. Available at:https://apps.who.int/iris/handle/10665/66217
  4. Elliott H. Berger, Rick Neitzel, & Cynthia A. Kladden. 3M Personal Safety Division. (2015). Noise Navigator: Sound Level Database, 39-46 Available at:https://multimedia.3m.com/mws/media/888553O/noise-navigator-sound-level-hearing-protection-database.pdf
  5. Ross B. C. (1989). Noise exposure of motorcyclists. The Annals of occupational hygiene, 33(1), 123–127. https://doi.org/10.1093/annhyg/33.1.123
  6. Kim, G., & Han, W. (2018). Sound pressure levels generated at risk volume steps of portable listening devices: types of smartphone and genres of music. BMC public health, 18(1), 481. https://doi.org/10.1186/s12889-018-5399-4
  7. Le, T. N., Straatman, L. V., Lea, J., & Westerberg, B. (2017). Current insights in noise-induced hearing loss: a literature review of the underlying mechanism, pathophysiology, asymmetry, and management options. Journal of otolaryngology – head & neck surgery, 46(1), 41. https://doi.org/10.1186/s40463-017-0219-x 
  8. 張寧家(2011)。 影響台灣勞工噪音性聽力障礙易感性相關因子之研究。高雄醫學大學醫學研究所博士學位論文。 
  9. Wu, P. Z., O’Malley, J. T., de Gruttola, V., & Liberman, M. C. (2021). Primary Neural Degeneration in Noise-Exposed Human Cochleas: Correlations with Outer Hair Cell Loss and Word-Discrimination Scores. The Journal of neuroscience, 41(20), 4439–4447. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.3238-20.2021
  10. Centers for Disease Control and Prevention, USA. (December 11, 2018). How Do I Prevent Hearing Loss from Loud Noise? Retrieved from https://www.cdc.gov/nceh/hearing_loss/how_do_i_prevent_hearing_loss.html
  11. Patricia A. Niquette. (Mar 7, 2007). Uniform Attenuation Hearing Protection Devices. Retrieved from https://hearingreview.com/hearing-products/uniform-attenuation-hearing-protection-devices
  12. Basner, M., Babisch, W., Davis, A., Brink, M., Clark, C., Janssen, S., & Stansfeld, S. (2014). Auditory and non-auditory effects of noise on health. Lancet, 383(9925), 1325–1332. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(13)61613-X

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