0

0
1

文字

分享

0
0
1

覺得流感疫苗無效?不想再玩流感猜猜看?Google 投資「廣效流感疫苗」研發──《科學月刊》

科學月刊_96
・2018/03/27 ・2196字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 585 ・九年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

  • 林翰佐/銘傳大學生物科技學系副教授,《科學月刊》總編輯。

流行的,還有一般的感冒

入冬以後的臺灣氣候多變化,感冒的盛行率(prevalence rate)一如往常地正悄悄地進入到高峰期。感冒,是一種由病毒所引起之呼吸道感染的疾病,但真要詳細地說,感冒的成因其實有些複雜,到目前為止,科學家發現超過 200 種以上的病毒與感冒的發生有關,我們最常發生的疾病,事實上成因並不簡單。

一般的感冒(common cold)又稱傷風,由於成因複雜,醫生多半都會囑咐患者多喝水、多休息或開些減緩鼻塞、發燒、頭痛等症狀的藥,改善病人不適的症狀。不過,流行性感冒(influenza)則是完全不一樣的故事。

流行性感冒(流感)主要是由屬於正黏病毒科(Orthomyxoviridae)的流感病毒所引起的,它是一種以 RNA 為基因體的病毒,有別於一般生物以DNA為遺傳物質的情況。一般而言,流感的症狀比一般傷風嚴重許多,除了前述的症狀之外,還伴隨著強烈的肌肉痠痛與併發腸胃道不適等症狀,對於老人與小孩也有較高的致死率。

到目前為止,科學家發現超過200 種以上的病毒與感冒的發生有關。圖/Myriams-Fotos@pixabay

近年來,藥廠已針對病毒生理研發治療流感的專屬藥物—— 包括國人所熟知的「克流感(Tamiflu)」,這種藥物是以流感病毒的唾液酸酶(neuraminidase)為主要的抑制標的。在病毒感染細胞、製造了數億顆病毒後代之後,需要唾液酸酶的作用才能順利地釋放散播,所以,克流感藥物的使用可以阻礙並減緩病毒散播的速率,替體內的免疫系統大軍爭取寶貴的時間。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

對於一般性的感冒而言,由於病毒的作用機轉並不相同,克流感藥物幾乎沒有什麼效果,這也是醫師在用藥之前,會使用快篩試劑檢驗病人罹患感冒種類的原因。

變異太快,流感疫苗

若說疫苗之間也有想成為「網紅」的種類,我想流感疫苗應該是最能搏版面的疫苗了吧!似乎每年都會出現令人難以忽視的、有關流感疫苗的相關新聞。前些日子新聞報導, 由於世界衛生組織(World Health Organization, WHO)的預測失準,2017 年的流感疫苗保護效力欠佳,所以無法達到有效控制疫情的目的。

或許有人心中會納悶,怎麼疫苗的製作,是用「猜」的呢?

這是由於流感疫苗所要對付的是一種 RNA 病毒。地球上的生物對遺傳訊息的看法大多希望保持其忠實性,精確的將族系繁衍下去,但其實有另一類的生物則喜歡求新求變,像是以寄生為主的生物,會不斷的進行突變,來迷惑宿主的免疫系統,在夾縫中尋求生存。就像是 RNA 病毒,一般而言就比 DNA 病毒更容易產生變化,這就是傳統疫苗多半設計用來對付 DNA 病毒的原因。

圖/Judy Schmidt @publicdomainfiles

由於流感對人類健康具有相當之威脅性,因此從 1973 年起,世界衛生組織便開始提供流感疫苗來防堵疫病的擴散。也因為流感病毒的變化多端,世界衛生組織建立了「全球流感監控網路系統(Global influenza surveillance network)」。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

這個網路主要由散佈於世界各地的實驗室所組成,在這些實驗室中的主要工作,就是分析當地流感病例中病毒的型別,並對它們的 RNA基因體進行基因解序的工作,然後將結果向上匯報給世界衛生組織。世界衛生組織的專家會議會將這些匯報彙整之後,歸納出未來數個月內病毒的流行趨勢,決定啟用病毒庫中的哪株病毒進行疫苗的製備,整體的工作有點像是氣象預報員,預測未來可能擴散的病毒類型。

Google 創投挹注研發廣效流感疫苗

最近生技界的一大新聞是Google 集團旗下的創投單位,最近挹注了一筆高達 2700 萬美元給英國的 Vaccitech 公司,協助該公司所發展的廣效型流感疫苗(universal _u vaccine)在北美進行近年來規模最大的臨床試驗(clinical trials)。

Vaccitech 公司是由劍橋大學(University of Cambridge)的研究團隊所組成,他們宣稱,有別於以往流感疫苗需要逐年施打,該公司的廣效型流感疫苗可以提供長達數年的保護效力,其關鍵技術在於疫苗的設計揚棄原本以病毒外部蛋白為主要抗原,而以病毒內部的蛋白為主。相對於外鞘蛋白,病毒內部的蛋白質基於執行特定功能的需要,一般會有高度的保留性。又或者說在天擇的壓力之下,產生突變的病毒株會因為無法執行功能而被淘汰,只有能執行正確功能的病毒才可存活。

via giphy

整個故事聽起來宛如童話故事般的美好,不過我想,稍微具備病毒學與疫苗學的科學家們,應該都會想到這樣的策略關鍵在於:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

如果說抗原位置是位在病毒的內部,人體內免疫系統又該如何偵測到它們,將其辨認後殲滅呢?

像是目前世界疫苗大廠—— 賽諾菲(Sanofi)、格蘭素克林(GlaxoSmithKline)還有諾華(CSL’s Seqirus)等生技製藥公司就對這樣的說法存疑。

Vaccitech 公司是由牛津大學金納研究所的研發團隊所創立,而這所以牛痘疫苗發明人——金納(Edward Jenner)醫師為名的研究所在2005 年成立,並以發展新型態疫苗防治全球性傳染疾病為主要的研究宗旨,我想,應該能在這樣的問題上有其解決方案,只是礙於商業機密,恕不奉告。另外值得一提的是,Vaccitech 公司的這項計畫並不只有 Google 這個金主,其他的名單當中也包括中國的紅杉資本中國資金(Sequoia China),充分顯示對岸積極跨足國際生技醫療產業的強烈企圖心。

 

 

〈本文選自《科學月刊》2018年3月號〉

什麼?!你還不知道《科學月刊》,我們48歲囉!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

入不惑之年還是可以當個科青

 

文章難易度
科學月刊_96
249 篇文章 ・ 3485 位粉絲
非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。

0

3
1

文字

分享

0
3
1
研究自閉症成因的新思路:環狀 RNA——專訪中研院基因體研究中心莊樹諄研究員
研之有物│中央研究院_96
・2023/09/22 ・5439字 ・閱讀時間約 11 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 採訪撰文|寒波
  • 責任編輯|簡克志
  • 美術設計|蔡宛潔

自閉症研究的新方向

臺灣民眾大概都聽說過「自閉症」這個名詞,自閉症是腦部發育障礙導致的複雜疾病,同時受到先天遺傳以及後天環境因素的影響,具體成因依然是個謎,科學家須對遺傳調控方面有更多了解。中央研究院「研之有物」專訪院內基因體研究中心的莊樹諄研究員,他的團隊結合生物學、資訊學以及統計學方法,發現自閉症的風險基因與 RNA 之間有複雜的交互作用,在自閉症患者與非患者的腦部有很大差異。如果持續研究 RNA 的調控機制,或能開闢新的方向進一步理解自閉症。

遺傳性疾病成因——致病基因

根據衛生福利部 2023 年統計數據,我國自閉症患者超過一萬九千人。自閉症的全稱為「自閉症譜系障礙(autism spectrum disorder,簡稱 ASD)」,常見症狀是溝通、表達、社交上有困難,經常出現反復固定的狹窄行為,目前尚無有效的治療藥物。雖然經典電影《雨人》的主角雷蒙或是韓劇《非常律師禹英禑》的禹英禑都令人印象深刻,不過天才或高智商的自閉症患者只是極少數,而且不同患者的症狀輕重差異很大,故稱之為「譜系」(spectrum)。

理解遺傳性疾病,可利用遺傳學與基因體學的研究方法,比較患者與非患者之間的遺傳差異,便有機會尋獲致病的遺傳成因。過往研究得知,有些遺傳性疾病只取決於單一或少數基因的強力影響,例如亨廷頓舞蹈症(Huntington’s disease)、纖維性囊腫(cystic fibrosis)等,致病原因較為單純。

自閉症自然也受到先天遺傳基因影響,然而,它涉及許多影響力不明顯的基因,而且影響每名患者的基因又不盡相同,讓遺傳與症狀的關係更加複雜。如果從 RNA 研究路徑出發呢?RNA 是核糖核酸,具有承載 DNA 訊息和調控基因等功能,相比於其他疾病,在 RNA 層次研究自閉症的另一挑戰是取樣極為困難,自閉症患者的病因位於大腦內部,通常無法直接從人腦取樣分析。所幸的是,若檢視去世者捐贈的大腦樣本,仍有機會一窺自閉症的腦內奧秘。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

莊樹諄分析的數據來自公共存取的 Synapse 資料庫,包括上百位自閉症患者與非自閉症者的資料。人數乍看不多,卻已是當今想同時探討同一個人的基因體(DNA 層次)與轉錄體(RNA 層次)間因果關係的最佳的選擇。藉由此一資料庫蒐集的人類腦部組織轉錄體資料,可全面探討各式各樣的 RNA,包含信使 RNA(messenger RNA,簡稱 mRNA)、小分子 RNA(microRNA,簡稱 miRNA),以及莊樹諄鎖定的研究目標:環狀 RNA(circular RNA)

自閉症成因不明,目前尚無治療用藥物。有自閉症的人需要社會與家人的支持及陪伴,透過療育和行為輔導的協助,慢慢活出自我。
圖|iStock

不能轉譯,但似乎會互相影響?非編碼 RNA

莊樹諄的教育背景是資訊學博士,博士後研究的階段投入生物資訊學,之前主要從事 RNA 與靈長類演化方面的研究,探討多樣性切割、RNA 編輯(RNA editing)等議題,環狀 RNA 則是他近年來特別感興趣的題材。

根據生物資訊學的預測,環狀 RNA 這類長鍊的 RNA 分子有數萬個,但實際上有多少仍不清楚。它們在大腦神經系統特別常見,似乎涉及許多基因調控的工作。莊樹諄目前最關注環狀 RNA 對自閉症的影響,不過他指出這番思路不限於自閉症,阿茲海默症、帕金森氏症、精神分裂症(schizophrenia)等疾病也能用同樣的方法探索。

不過,什麼是環狀 RNA 呢?按照序列長度、作用,可以將 RNA 分為很多種類。DNA 轉錄出的 RNA 經過處理,有些形成 20 多個核苷酸長的短鏈 RNA,如 miRNA 屬於此類。一些較長鏈的 mRNA 又會轉譯成氨基酸,產生各式蛋白質。還有些長鍊的 RNA 不會轉譯,仍然維持長鍊 RNA 的形式發揮作用,統稱為長鍊非編碼 RNA(long noncoding RNA,lncRNA),莊樹諄研究的主角環狀 RNA 大致上被歸屬於一種非編碼 RNA。這麼多種類的 RNA 彼此會互相影響,導致複雜的基因調控。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
長鍊非編碼 RNA(lncRNA)是 Pre-mRNA 選擇性剪接的產物,根據不同的生成方式,產生各種類型的環狀 RNA。
圖|研之有物(資料來源|International Journal of Oncology

由 DNA 轉錄而成的 RNA 是線形,至於「環狀」RNA 一如其名,是 RNA 長鏈首尾相接後形成的環形結構,相比線形 RNA 更加穩定,不容易遭到分解。這些長期存在的圈圈,假如序列可以和短鏈的 miRNA 互補,兩者便有機會結合在一起,讀者可以想像為類似「海綿」(sponge)的吸附作用。

miRNA 原本的工作是結合 mRNA,使其無法轉錄為蛋白質,抑制基因表現。可想而知,一旦 miRNA 被環狀 RNA 吸附,便無法再干擾 mRNA 作用,失去抑制基因表現的效果。因此環狀 RNA 能透過直接影響 miRNA,來間接參與調控其他的下游基因。這便是環狀 RNA 的許多種調控功能中,最常被研究的一種。

左圖是 miRNA 抑制 mRNA 轉譯的一般流程。右圖是環狀 RNA 像海綿一樣吸附 miRNA,讓 miRNA 原本抑制 mRNA 轉譯的「剎車」功能失去作用。因此環狀 RNA 透過直接影響 miRNA,就能間接參與調控其他的下游基因。
圖|研之有物(資料來源|Frontiers in Cardiovascular Medicine

自閉症的成因要往腦部深究,環狀 RNA 又在腦部表現最多,使得莊樹諄好奇當中的奧秘。然而儘管如今 RNA 定序已經很發達,環狀 RNA 由於結構的關係,一般的 RNA 定序方法無法抓到這類環形分子。莊樹諄指出這也是 Synapse 資料庫的一大優點,此一資料庫罕見地包含能找出環狀 RNA 的 RNA 定序資料,配合 miRNA、mRNA 與基因體等資料交叉分析,才有機會闡明環狀 RNA 的角色。

尋找環狀 RNA 和自閉症的關聯

莊樹諄率領的團隊已經發表 2 篇環狀 RNA 與自閉症的研究論文,第一篇論文著重於尋找哪些環狀 RNA 和自閉症有關,研究假設是環狀 RNA 透過 miRNA 間接影響自閉症風險基因 mRNA 的表現。由於環狀 RNA、miRNA 和 mRNA 都多達數萬個,需要統計分析的幫忙。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

首先,將樣本分為有自閉症/無自閉症。要注意每個自閉症患者的基因表現仍有差異,納入夠多樣本一起比較,才有機會看出端倪。

接著,尋找環狀 RNA 和風險基因有顯著相關的搭配組合。例如:高比例自閉症的人,某個環狀 RNA 含量較高時,某個風險基因的 mRNA 表達量也較高,那這組環狀 RNA 和基因就存在正相關;反之則為負相關。

不過相關性很可能只是巧合,所以莊樹諄團隊比對序列,找到符合上述相關性的中介因子「miRNA」。最後再觀察「當排除 miRNA 影響時,環狀 RNA 與風險基因的顯著關係即消失」的組合,這些消失的組合,就是真正共同參與基因調控的「三人組」(環狀 RNA、miRNA、mRNA)。

一番分析後,篩選出的環狀 RNA 共有 60 個,其中涉及與 miRNA、mRNA 的組合總共 8,170 組。人類一共 2 萬個基因,與自閉症有關的調控網路就有 8,000 組之多,數字相當可觀,顯示環狀 RNA 的重要性。莊樹諄用統計手法找出的自閉症風險基因,和過去科學家已知的部分風險基因相符合,未來可以繼續探究在這 8,000 組調控網路中,有哪幾組是真的作用在生物上。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在資訊與統計分析之外,莊樹諄的團隊也有人進行分子生物學實驗,驗證 RNA 調控網路的相互影響。以體外培養的人類細胞為材料,人為誘導遺傳突變,精確分析特定環狀 RNA 在細胞內分子層次的作用。實驗證實選取的環狀 RNA,確實會結合 miRNA,又影響 mRNA 的表現。

環狀 RNA 會取消原本 miRNA 抑制 mRNA 轉譯的「煞車功能」,進而影響自閉症風險基因的表現。
圖|研之有物(資料來源|中研院基因體研究中心

基因調控是什麼?

莊樹諄強調,使用資料庫的公開資料,好處是經過多方檢視,避免資料品質不一致的問題,缺點是大家都能取得數據,必須要跳脫既有的思考模式才能發現新的結果。他在環狀 RNA 議題的新思路,成為第二篇論文的內容:探討環狀 RNA 的遠端調控(trans-regulation)對自閉症的影響

基因的表達會受到基因調控元件(regulatory element,一段非編碼 DNA 序列)的影響,若調控元件就在基因附近,稱為近端調控(cis-regulation);如果調控元件不在附近,甚至位於另一條染色體上,則為遠端調控。

研究基因調控,通常近端比遠端調控容易,因為近端調控元件(cis-regulatory element)的位置就在基因旁邊,不難尋找;但遠端調控卻沒那麼直觀,作用機制也比較難以想像。實際上常常能發現一個基因的表現,受到多處近端調控,加上多處遠端調控的影響。如果想全方位認識一個基因的表現與調控,最好能都能得知近端與遠端的影響,否則難以掌握調控的全貌。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

莊樹諄的想法是,某些基因被遠端調控的過程,是否有環狀 RNA 參與?具體說來就是某個調控位置,先近端調控其周圍的環狀 RNA 基因,再藉由環狀 RNA 影響基因體上其他位置的基因表現,發揮遠端調控的效果。

如圖顯示,環狀 RNA 表達數量性狀基因座(circQTL)近端調控了環狀 RNA,遠端調控其他基因。莊樹諄的想法是,某些基因被遠端調控的過程,是否有環狀 RNA 的參與?
圖|研之有物(資料來源|Molecular Psychiatry

為了避免用語誤解,有必要先解釋一下什麼是「基因」。基因的概念隨著生物學發展持續改變,如今一般人熟悉的定義,基因是由 DNA 編碼序列構成,能轉錄出 mRNA,再轉譯為蛋白質的訊息載體。不過若將基因定義為會轉錄出 RNA 的 DNA 序列,那麼即使沒有對應的蛋白質產物,只要其衍生的 RNA 產物有所作用,也能視為「基因」,如 miRNA 基因、mRNA 或長鏈非編碼 RNA 基因。既然是有 DNA 編碼的基因,便會受到近端、遠端調控位置影響。

探索遠端調控機制有很多想法,莊樹諄可以說又打開了一條新思路。遠端調控位置不在基因旁邊,亦即基因體任何地方都有機會。假如直接挑戰基因與遠端調控位置的關聯性,可能相關的數量可謂天文數字,而且缺乏生物性的理由支持,找到的目標往往令人半信半疑。

莊樹諄引進環狀 RNA 涉及其中的可能性,尋找「環狀 RNA 基因的近端調控位置」與「目標基因的遠端調控」之交集,大幅縮小了搜索範圍。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
莊樹諄透過「環狀 RNA 基因的近端調控位置」與「目標基因的遠端調控」之交集,找到環狀 RNA 參與遠端調控的證據。
圖|研之有物(資料來源|莊樹諄

一番分析後,研究團隊從自閉症患者的基因體上,定位出 3,619 個近端調控的 circQTLs,這些表達數量性狀基因座相當特殊,可能藉由直接或間接遠端調控兩種模式來調控遠端基因(如上圖)。而這 3,619 個 circQTLs,與環狀 RNA、遠端基因三者形成了八萬六千多組的遠端調控網路。接著團隊使用了不同的統計方法,其中 8,103 組通過多重統計測試,顯示較高的機率是屬於間接遠端調控模式。

莊樹諄團隊透過統計手法,找到相當多基因和調控路徑,雖然目前仍不清楚它們影響自閉症的具體細節,卻無疑讓我們新增一分對自閉症的認識。

莊樹諄指出,這套統計方法或可應用至人類的其他複雜疾病(如思覺失調症),找出基因調控的多個可能路徑,提供臨床醫藥研發更多線索。

生物與資訊的跨領域結合

訪談中問到:為何會從資訊科學跨入到生物領域?莊樹諄回憶,1998 他博士班畢業那年才第一次聽到「生物資訊」這個詞,他基於對生命科學的興趣,以及因為內在性格想往學術轉型的想法,引領他到了中研院。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

莊樹諄接著說,2003 年李文雄院士延攬他進入基因體研究中心,之前他們不曾認識。他感謝李院士帶他進入了分子演化的世界,就此打開了研究視野。在剛開始成立自己的實驗室時,缺少人力,李院士讓當時的博後陳豐奇博士(現為國衛院群體健康科學研究所研究員兼任副所長)與他共同工作。莊樹諄強調,他所有分子演化的觀念與基礎,都是陳博士幫他建立的,如果說陳博士是他的師父,那李院士就是師父的師父了。

如今,莊樹諄在中研院的研究生涯邁入第 25 年,從資訊學背景投入生物學研究,大量使用統計工具,他經常需要持續整合不同領域的觀念與工具,推動自己的新研究。在訪談中,他也感謝諸多研究同儕的協助,特別是幾年前建立分生實驗室時,蕭宏昇研究員及其團隊成員的鼎力相助。

莊樹諄的團隊包含資訊、統計、分子生物三個領域的同仁,來自不同領域,傾聽他人意見自然也特別重要,這是他們實驗室的核心價值之一。莊樹諄認為在科學面前,人是很渺小的,需要互相尊重和理解,方能一起解開科學之謎。

最後,莊樹諄特別強調他個人在相關領域的研究,仍有極巨大的進步空間,感謝研之有物的主動邀訪,期望將來能與更多先進交流學習,也企盼年輕新血加入這個生物資訊的跨領域團隊。

莊樹諄期望在環狀 RNA 與基因調控網路的研究基礎之上,可以對自閉症這個複雜疾病的調控機制,提供更多科學線索,幫助臨床上的診斷和治療。
圖|研之有物
研之有物│中央研究院_96
296 篇文章 ・ 3407 位粉絲
研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

0

2
2

文字

分享

0
2
2
長達 5 億年的空白:真核生物從何而來?「洛基」是人類起源的解答嗎?──《纏結的演化樹》
貓頭鷹出版社_96
・2022/08/06 ・2927字 ・閱讀時間約 6 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

有細胞核的真核細胞,究竟從何而來?

當渥易斯去世時,還在爭議中的最大謎團之一便是真核細胞的起源,也就是說,我們生命最深處的開端,直至今日仍然沒有定論。

當時真核細胞的起源目前還沒有一個定論,不過可以確定的是,粒線體扮演著相當關鍵的角色。圖 / Pixabay

如果像渥易斯在一九七七年宣布的那樣,存在三個生命領域,其中一個領域是真核生物,包括所有動物、植物、真菌,和所有細胞裡面含有細胞核的微生物,那麼這個最終演化出人類和我們可見的所有其他生物的譜系的基礎故事是什麼?是什麼讓真核生物如此不同?

是什麼讓牠們走上如此不同的道路,從細菌和古菌的微小和相對簡單,走向巨大而複雜的紅杉、藍鯨和白犀牛,更不用說人類和我們對地球的所有特殊貢獻,像是美國職棒、抑揚五步格和葛利果聖歌?哪些部分以及哪些過程組合在一起,形成了第一個真核細胞?

如此重大的事件大概發生在 16 億到 21 億年前之間。這個足足有 5 億年之久的窗口,反映當前科學不確定性的程度。

最關鍵的線索?粒線體與「內共生理論」

不同陣營的意見強烈分歧,都提供了一些假設。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

岩石中早期微生物形式的化石證據,並沒能提供多少解答,科學家還是從基因體序列中發掘出更精確多樣的線索,並且其中一些線索仍然來自 S 核糖體 RNA,這要歸功於渥易斯當初的洞察力,以及後來四十多年間他的追隨者的心血。

但是這些數據的涵義為何則見仁見智。現在所有的專家都同意,當年內共生作用發揮了重要作用:不知何故,某個細菌被另一個細胞(宿主)捕獲並且在體內被馴化,然後成為粒線體

它們一旦存在早期真核細胞中並且數量變多後,就會提供大量能量,遠遠超出當時可用的任何能量,讓這些新細胞可以增加體積與複雜性,進而演化成多細胞生物。

粒線體的構造,成為了生物學家探索原生生物起源的重要線索。圖/Elements Evato

複雜性增加的一個顯著特徵,就是控制,特別是對遺傳材料的控制。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

從生命的起源之地尋找答案——前往深海

更具體地說,這意味著將每個細胞的大部分 DNA 包裝在一個內部胞器中,也就是由膜包圍住的細胞核。

因此,真核生物起源之謎包含三個主要問題:

一,原始宿主細胞是什麼?

二,粒線體的獲取是否觸發了最關鍵的變化?或者,是由它引起的嗎?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

三,細胞核是從何而來的?

更簡化的提問方式則是:一個東西跑到另一個東西裡面,形成複雜之類的東西?這些「東西」到底是什麼?

關於前兩個問題,最近的新證據來自一個意想不到的地點:大西洋底部。它來自於格陵蘭和挪威之間,一個近兩千四百多公尺深的區域所挖掘出的海洋沉積物,這地區附近有一個稱為洛基城堡的深海熱泉。

洛基是北歐神話中既狡猾又會變形的神;挪威主導團隊在發現這個熱泉後取了這個名字,因為這個礦化的噴口看起來就像一座城堡,而且所在位置難以尋找。

為了尋找證據,科學家將目光投向了一般生物無法安然生長的海底熱泉,而科學家也把這個發現洛基古菌的地點命名為「洛基城堡」(Loki’s Castle)。圖 / Youtube

他們與其他科學家一起分析這些海洋沉積物裡面所包含的 DNA,發現這代表了一個全新的古菌譜系,這些細菌的基因體與已知的任何東西都截然不同,似乎代表一個獨特的分類門(門是非常高的分類位階;比方說,所有脊椎動物都同屬於一個門)。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

帶領這項基因體研究的生物學家,是任職於瑞典一所大學的年輕荷蘭人,名叫艾特瑪。他結合深處城堡和狡猾神祇的語義,將這個族群命名為洛基古菌

全新的發現!最接近真核生物的古菌:洛基古菌

艾特瑪團隊於二〇一五年公布這項發現。這項發現具有廣泛報導的價值,因為洛基古菌的基因體,似乎與我們人類譜系起源的宿主細胞非常接近。

實驗室培養出來的洛基古菌在顯微鏡底下的樣貌。圖 / biorxiv

《華盛頓郵報》的一則標題說:「新發現的『失落的環節』顯示人類如何從單細胞生物演化而來。」這些從深海軟泥中提取的古菌,真的是二十億年前那些,自身譜系在經過激烈分化後,變成現代真核生物的古菌的表親嗎?這些古菌是我們最親近的微生物親戚嗎?也許真的是。這一點引起大眾的注意。

但是,使艾特瑪的研究在早期演化專家當中引發爭議的,還有另外兩點。

首先,艾特瑪團隊提出證據,表明洛基古菌等細胞在獲得粒線體之前,就已經開始發展出複雜性。也許是重要的蛋白質、內部結構、可以包圍並吞噬細菌的能力。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

若是如此,那麼偉大的粒線體捕獲事件,就是生命史上最大轉變的結果,或一連串變化其中之一的事件,而不是原因。某些人,例如馬丁,會強烈反對。

雖然科學家發現了洛基古菌,但也引起了許多爭議和討論,真核生物的演化謎團仍然沒有被完全解答。圖 / Pixabay

其次,艾特瑪團隊將真核生物的起源置於古菌中,而不是古菌旁邊。如果這個論點正確的話,便意味著我們又回到一棵兩個分支的生命樹,而兩大分支不管哪一支,都不是我們長久以來珍而重之、視為己有的。

這也就是說,我們人類就是古菌這種獨立生命形式的後代,這在一九七七年之前是無法想像的。(這種情況會產生錯綜複雜的糾葛,牽扯到在我們的譜系開始之前,細菌的基因水平轉移到我們的古菌祖先中,結果導致細菌也混入我們的基因體內,但本質仍然是:喔,我們就是它們!)

某些人,例如佩斯,會強烈反對。渥易斯也不會同意,只是他在世的時間不夠長,無緣被艾特瑪二〇一五年發表在《自然》期刊上的論文激怒。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

六月的一個早晨,在多倫多的一間會議室裡,艾特瑪向一屋子全神貫注的聽眾描述這項研究,其中包括杜立德和幾十名研究人員,還有我。

當我之後與杜立德碰面時,他用一貫的自嘲式幽默說:「我有點被洗腦了。」也是後來,我坐下來與艾特瑪對談。我們談到他當時仍未發表的最新研究,這會把同樣的涵義推得更進一步:粒線體是大轉變的次要因素,人類祖先植根於古菌中,位於兩分支的生命樹上。他很清楚反對的觀點,也清楚自己將會遭遇何等激烈的爭論。

他說:「我真的有在為某些可能迎面撲來的風暴做準備。」

——本文摘自《纏結的演化樹》,2022 年 7 月,貓頭鷹,未經同意請勿轉載。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
貓頭鷹出版社_96
62 篇文章 ・ 26 位粉絲
貓頭鷹自 1992 年創立,初期以單卷式主題工具書為出版重心,逐步成為各類知識的展演舞台,尤其著力於科學科技、歷史人文與整理台灣物種等非虛構主題。以下分四項簡介:一、引介國際知名經典作品如西蒙.德.波娃《第二性》(法文譯家邱瑞鑾全文翻譯)、達爾文傳世經典《物種源始》、國際科技趨勢大師KK凱文.凱利《科技想要什麼》《必然》與《釋控》、法國史學大師巴森《從黎明到衰頹》、瑞典漢學家林西莉《漢字的故事》等。二、開發優秀中文創作品如腦科學家謝伯讓《大腦簡史》、羅一鈞《心之谷》、張隆志組織新生代未來史家撰寫《跨越世紀的信號》大系、婦運先驅顧燕翎《女性主義經典選讀》、翁佳音暨曹銘宗合著《吃的台灣史》等。三、也售出版權及翻譯稿至全世界。四、同時長期投入資源整理台灣物種,並以圖鑑形式陸續出版,如《台灣原生植物全圖鑑》計八卷九巨冊、《台灣蛇類圖鑑》、《台灣行道樹圖鑑》等,叫好又叫座。冀望讀者在愉悅中閱讀並感受知識的美好是貓頭鷹永續經營的宗旨。

0

1
1

文字

分享

0
1
1
研究的樂趣來自於「不知道答案」——專訪林淑端
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/07/18 ・6048字 ・閱讀時間約 12 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

本文由 台灣萊雅 L’Oréal Taiwan 委託,泛科學企劃執行。

不論是在分子生物研究所的實驗室裡,還是在中研院區內悠閒的林蔭步道上,我都沒辦法跟上林淑端的腳步,更遑論她話語中的資訊高密度,而我不是唯一跟不上的人。「最早從美國回來的時候,跟學生面試,問問題、看反應。學生竟然說『老師你講話好快、走路好快』,讓他有壓力。」談到自己怎麼挑人進實驗室,風格數十年不變的林淑端說「這樣就挑掉一些了」。

嗯,還好我只是來採訪的。

看不出來還有三年便七十歲的林淑端,身著輕便無印風的苔蘚綠寬鬆 T 恤與岩石灰長褲,圍著一條藏青色的短圍巾,像位遁居山林的高人,卻也像個躍躍欲試的孩子。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

身為科學家,她表示做研究不外乎是因為現象「很有趣」,以及想了解此現象的「重要性」。1982 年,她毅然結束四年的中學教職,前往美國德州大學念博士班。起初她待的研究室重點是癌基因,當時學術界認為任何化學物質都會引發突變、產生癌化,但其實不然。因此觀察細胞一年之後,找不到重要性的她決定換一個研究室。

林淑端的新老師 Hans Bremer 研究細菌生長。細菌很小,眼睛看不到、種類繁多,「有許多有趣的想像空間」,又有重要的抗藥性議題,就這麼吸引了她。Bremer 博士當時研究的是 rRNA(核糖體 RNA)的轉錄調控,這機制跟細胞的生長快慢有關係;順著這個理路,她想那不妨來看質體(Plasmid)上的轉錄,質體是細胞染色體或核區外,能夠自我複製的 DNA 分子,而有些細菌的質體帶有抗藥基因,便產生了抗藥性。

「質體 DNA 的複製源頭其實是由兩個 RNA 在調控,但我想了解是正調控還是負調控。」簡單來說,正調控(positive control)是指能促發生物活性啟動,而負調控(negative control)則是抑制活性,使基因不表達。

當時林淑端讀了富澤純一(Junichi Tomizawa)這位日本科學家的研究,覺得驚為天人。「怎麼能把 RNA 的序列、突變的結合、次級構造,複製如何開始等等細節研究得那麼好!」見賢思齊且一向認真的她,當然也要把研究做到同等級。為了偵測細胞中的相關 RNA 濃度,林淑端不斷嘗試,她說自己運氣好,當時實驗室有好幾位來自德國的研究者,「他們的自製機械技工很好,但通常是做 DNA 電泳槽,但我想研究 RNA,他們就手工幫我做。」

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

使用毛細管轉移(Capillary Transfer)到膜上,透過探針偵測,她一步步逼近目標,「後來發現都對啊!」透過實驗,她證明 RNA 降解的快慢的確跟質體 DNA 的複製有關,作為博士班階段第一篇研究,也是她成為國際級 RNA 研究者的基礎。

現在歸納來看,林淑端認為好的研究要同時具備獨特切入點(例如極小的 RNA)與重要性(質體 DNA 複製的機制),這也是後續她做所有研究的必備條件。

然而若回到當時,身為 RNA 降解這一研究方向的拓荒者,她坦言「其實很 suffer」。

「大家做的都是 RNA 的剪接,問要切哪個位點結構才會對;好像做衣服,剪完不要的布就丟掉了,人家覺得降解是沒有用的。」林淑端坦言自己回到台灣之後,足足悶了五年,每一年進度報告審查,都被委員質疑「RNA 降解有什麼用?不是就沒了嗎?」但就像每一位貨真價實的科學家,她表示「我好奇、我有熱情、我感興趣,我就是要問到底。」

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

自從第一篇研究發現 RNA 降解的生物功能,林淑端已經有很清楚的概念:從穩定度可以知道半衰期,也就是濃度降低到一半所消耗的時間;半衰期跟 DNA 複製有關,從 DNA 可以看出強度、複製量。其中必須有特定的 RNA 酶,它的突變變得對溫度敏感並決定細胞存活,而這又帶出很多問題,例如為什麼細胞需要這個酶、為什麼失去活性細胞會死掉?她說,很多問題到現在還沒有很清楚的答案。她從多方著手解謎,從讀博士班到現在即將退休,從未停歇。

她說,科學家就是很執著的一群人,不然做研究這件事「95% 的時候是失敗的」,很難撐下去。然而重點不是 5% 做對了什麼,而是那 95%,「因為沒有那 95%,就沒有那 5%。」她形容到後來 5% 的時候,會感到「That’s it !」而在那個當下,整個團隊都進入了另一個狀態。這個最後一步的感覺,要靠累積磨練出來。

然而一道門開了,後頭有無限道門。為了研究室裡年輕研究者的職涯,將退休的林淑端已鎖定最後一道門,要在三年內找到鑰匙,「我要去證明這個領域裡一直沒有答案的問題。」她說,現階段想加入她實驗室的新人,需要全心全神認同她要問的問題,有共識且極為專注。

如今,因為冠狀病毒是 RNA 病毒,新冠疫苗也利用 mRNA 技術開發,全世界的人都知道 RNA 了,但知道歸知道,研究 RNA 獲得的新知還可以用在哪裡呢?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

林淑端感嘆,回台灣前五年她之所以苦悶,就因當時學界普遍認為 RNA 降解根本不值得關注,何必研究?然而回頭看,不論是在大腸桿菌表現或藉由昆蟲細胞來量產蛋白,所有要在體外表現蛋白的醫藥,都要製造一個模板,讓 mRNA 表現蛋白,而要做到這件事需要先了解脆弱的 RNA 在細胞的穩定度如何維持,這時她自基礎研究發展的知識立刻派上了用場。

「我現在常常在想,RNA 疫苗如果要不那麼快降解,可以透過修改核苷酸,因為核糖核酸酶(RNase)是用正常的 RNA,又例如利用富含腺苷酸跟尿苷的元件(AU-rich elements, AREs,這是哺乳類動物細胞中 RNA 穩定性的最常見決定因素),控制 ARE 穩定性的分子機制,細胞表現的 RNA 就可不會降解……這個應用性很高,是吧!」對她來說,基礎研究科學的應用性不必強求,因為主要是增加新知識。當基本功扎實,想得到或者需要應用的人跟場景自然會刺激研究人員去想怎麼解決、如何應用。

打開學術生涯最後一道門

如前面提到,林淑端在退休前要解開一個問題:大腸桿菌在腸道最後段的缺氧環境會切換成厭氧消化,然而厭氧菌分解同樣多葡萄糖獲得的能量,比起有氧狀態下少了十倍以上,那麼 RNA 降解的機制是否也跟實驗室有氧狀態下的降解很不一樣?而這對人體的腸道微菌叢生態以及腸道代謝會有什麼影響?

分解葡萄糖產生能量,簡稱糖解(glycolysis),在生物分子層次可劃分出十個步驟、牽涉到十個蛋白酶,烯醇化酶(Enolase)是其中之一。林淑端團隊在 2017 年發表的論文中發現烯醇化酶在 RNA 降解中也有作用,並確認了它的功能,「證明烯醇化酶對無氧環境下細菌細胞分裂很重要,而且必須要在核糖核酸酶 E 上面,沒有烯醇化酶跟核糖核酸酶,大腸桿菌就活不了。」

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在此基礎上,林淑端與研究團隊提出假說:糖解過程跟 RNA 降解兩者之間有某種交流,可能是蛋白與蛋白直接接觸,或是藉由「第二訊息」,比如被稱為能量貨幣的三磷酸腺苷(ATP)。例如,兩個過程可能對 ATP 互相需求而產生合作,因為葡萄糖最終產生 ATP,而 RNA 最終降解成為一個一個核苷酸,其中的二磷酸腺苷(ADP),就是 ATP 的前驅物。「RNA 沒有用,一定要降解,否則它的核苷酸沒辦法回收再利用。在細胞裡面沒有任何廢物,百分之百再利用,他們中間就是有默契,這就是我要證明的。」林淑端說,她們已經找到了完整的拼圖,只是還不知道怎樣拼起來,但方向看起來可行。

作為她研究生涯最後的計畫,在之前申請計畫階段,中研院邀請了外部審查委員審查,委員意見都給予很高的肯定,但也強調失敗的風險很大。「但風險越大,回饋也越大,所以他們其實很期待,風險是我在擔心。」林淑端笑著說。

師道無他,以身作則而已

大學畢業後,林淑端曾當過四年初中老師。這段不長不短的歷程,對她後來出國改走學術路線,有莫大的影響。

「我本來就住梧棲,到處都是養鴨的。從鄉下怎麼走到今天,想來也不可思議,非常感恩。」林淑端表示由於父親做生意,使得「家裡很多狀況」,但即使如此,林淑端的母親曾對她說,她這輩子最難過的是自己不識字,因此只要林淑端能念,就不要擔心。跟她只差一歲的姊姊,只唸到小學畢業,便選擇扛起家計,讓林淑端能專心唸書。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

「還好我們需要很少,獎學金也夠,我教書四年一毛錢沒拿,薪水紙袋全都交給家裡,在家裡就是睡覺吃飯。」一直到要出國,林淑端才驚覺需要錢。當時她幫一位大學老師做研究,這位老師得知之後,二話不說將郵局存款給她,作為她可以在國外生活的證明。

「總之我沒有富裕過,也沒有缺乏過,也不覺得錢很重要,反正夠用,就這樣走過來了。薪水少或多,從來也沒有在意過,但興趣一直驅動著我,也一直很感恩。

雖然自己一路都是好學生,但林淑端不是典型的老師。當時補習風氣已盛,填鴨式教學成為時代產物,林淑端這位年輕教師反而帶學生跑操場、露營,這讓家長覺得很另類,也有點擔憂。

「我在大安教一年,童軍競賽就得獎,梧棲的校長就拿聘書到我家要聘我回家鄉,後來到梧棲任教才知道,所有老師教職員的孩子都在我的班級。」但是她發現,學生考試補習早班晚班排得滿滿的,壓力大、又被動。身為新來的導師,跟學生只差 10 歲的她就像大姊姊,把學生帶到操場上課、帶去露營,家長質疑「這個老師在搞什麼?」

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

不過這就是林淑端教學的秘訣。在當時的梧棲鄉下,她用非典型方式帶的班級升學屢破最佳紀錄,她說「我沒有什麼模板,但我知道我要把學生的興趣提起來,刺激他們做到最好。」自己求學過程中遇到很多好老師,當老師後深覺當時教育現況有很多問題,自己一個人無法辦到,然而如果想要影響教育體系,林淑端知道自己得爬得更高,加上她本身就熱愛研究,便決定結束教職與先生一同赴美深造。出國時,學生跟家長包了兩部遊覽車來歡送。「那時候不覺得怎樣,現在想起來才覺得自己就是做什麼就進入狀況。每個人只要找到他的熱情,投入做,就能做得好。

回台灣之後,林淑端建立自己的研究團隊,成員大多是讀過她論文、慕名遠來的外國人。外國人來台灣做研究,從簽證邀請函到落地租房,很多問題都要解決,來了也不像台灣學生,可以不合就走,林淑端對待外國研究者就像對家人一樣,唯有如此才能讓他們在自己的實驗室穩定發展,「雖然收的人不多,但都待很久」,她謙虛地說只有更好的學生,沒有更好的老師,老師可以啟發,但做出成果的是年輕人。她要為社會培育出能找問題跟解問題的博士級人才,這能產生最大影響,也能代代相傳。

她的團隊如家人般互相照料,但工作極具挑戰。每週一對一討論與每月大 Meeting 上,學術問答針鋒相對,有如不見血的拼搏,透過這樣的過程,林淑端認為重點是讓團隊中每個人都感到有幫助,才能落實科學求真的價值。曾經有印度學生一時無法接受而選擇回國,但反思之後,寫信對林淑端說:「我永遠是你的學生,因為我學到太多了。」

學術也是技術,技術就得從觀察中學,包括觀察團隊領導人對事情的投入、熱情、嚴謹、對問題的批判性,對成員的要求。「他每天都看到你,你每天都這樣,他就會學。」林淑端強調,做研究不要害怕,不知道就說不知道,不要假裝好像知道又好像不知道,「其實只有真的不知道,你的理論跟假說才不會亂講。一直那麼多年,我覺得真的就這樣而已。」

再來就是享受過程,「結果不是關鍵,過程才是關鍵」。她說這其實不是苦中作樂,因為思考過程,想到底缺了什麼,就是樂趣本身。

最後,驗證出來的結果要有趣地、有故事性地、有邏輯地說出來。發表是為了激發讀者思考。這些讀者可能是新一代的研究者或是同儕,把文章寫好才能刺激領域發展。

女性需要的是機會

身為 2020 年第十三屆台灣傑出女科學家獎傑出獎得主,林淑端表示 1987-1990 年在史丹佛做博士後時,就發現當上教授的女性很少,而且性別不同還影響薪資。回到台灣後,雖然跟美國比起來,學術工作薪資不高,但不分性別大家都平等,特別在中研院分子生物研究所,女性比例超過 50%,「我們蠻強勢的,而且男性同事都很紳士。」她說。

不過,在中研院處長,院長、副院長等主管中,女性就很稀有了。林淑端在 2007 年負責創建中研院國際處,並擔任國際處長一直到 2016 年,「我很幸運地跟翁啟惠院長同事,他很信任我,知道我對教育很感興趣。」林淑端知道要提高中研院的能量,需要學生加入研究,因此她創建並擔任處長的目標就是要將國際學生制度化,提出跟大學不同的獨特教育價值,也推動中研院能全英文運作。那段時間常跑教育部開會的她,也注意到當時教育部的科長、專員、司長大多是男性,「自然規律,性染色體是 ½,如果女性的資源也 ½ 的話,那社會就會不一樣。」

「我做行政的幾年的確有看到男女差異,但我在教育裡沒有歧視,不會偏好女孩。」林淑端認為提供機會最重要,而若有一些因素系統性地讓女性無法獲得機會,就該改變。例如研究單位必須提供日間幼兒照顧。她也指出,遇到 COVID-19 這樣的情況,若小孩生病,待在家照顧孩子的大多都是媽媽,這或許是女性的天性,但仍須思考這造成的影響。

少子化對學術界的衝擊很大,因此只要有研究熱情的年輕人進入林淑端的團隊,她都希望按照個性予以激發,讓他們成功。當她 2020 年起開始參與吳健雄基金會與台灣萊雅為女高中生舉辦的高中女校科學巡迴活動,就覺得特別振奮與開心。

「到高中去,讓我覺得很有成效,因為許多高中女生在一個非常單純的學校,很多在鄉下,對未來的願景不是很清楚,當我們去的時候可以告訴他這一路的風景,讓她們知道做的事是有用的。」例如林淑端在分享時會將國家生技研究園區的轉譯計畫、基因編輯嬰兒等跟 RNA 相關的新事件融入,讓台下的女高中生知道:「事情不是停在這,在你們的時代不知道會碰到什麼新知,但是你們做出來才會有新知。」只要聽眾中有一個人繼續走,她覺得就很值得。

她想起自己剛回台灣,學界同儕從她身上,往往只看到她老師史丹佛大學醫學院教授 Stanley N. Cohen 的影子,看不到她對研究的貢獻,曾有一段時間很不服氣、孤單、挫折,「但都要走過來,所以我現在才能幫年輕人。」

作育英才」短短四字,林淑端用一輩子來實踐,儘管即將退休,她的腳步與思緒仍舊飛快,吸引更多後進追逐;而當她被超越,也是她最欣喜的時刻。

台灣傑出女科學家獎設立於 2008 年,是台灣第一個專為表彰傑出女科學家、並鼓勵女性參與科學而成立的獎項,由台灣萊雅及吳健雄學術基金會共同主辦。

「創新 RNA 研究、貢獻醫藥基礎科研,並深具教育家精神的林淑端博士 – 第十三屆台灣傑出女科學家獎得主」。影片/台灣萊雅

本文由 台灣萊雅 L’Oréal Taiwan 委託,泛科學企劃執行。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
196 篇文章 ・ 302 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia