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2011 細胞影像分析比賽優勝:發現科學的內在美

espa.taipei
・2012/03/16 ・658字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 567 ・九年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

(GE Healthcare )生命科學部近日宣布了2011 年度細胞影像競賽(IN Cell Analyzer Image Competition )的3位獲獎者。他們分別是美國的 Geoffrey Grandjean ,意大利的 Marie Neguembor 和澳洲的Lesley Caron 。

GE Healthcare 的細胞影像競賽已舉辦多年。按照慣例,每年會從最初參選細胞影像中精選出30 張,所有這些影像都是用IN Cell Analyzer平台所拍攝的。通過網絡投票等環節,他們會從全球所有的參賽者中選出3 位優勝者(北美、歐洲和亞太區各一名)。這些優勝者將獲得免費赴美國紐約旅遊的機會,並且能夠在市中心的時代廣場巨型螢幕上看到他們的細胞影像的展示。

(GE Healthcare )生命科學部負責細胞技術的總經理 Amr Abid 表示:“ 每一年我們都收到很多參選影像,它們極富美感,讓人印象深刻,更重要的是,特有研發前線所產生的數據。此次競賽展示了 IN Cell Analyzer 系統的細胞成像能力以及科學的內在美。”
下面就讓我們來欣賞一下3 位獲獎者集科學和藝術為一體的大作吧。

Lesley Caron ,來自澳洲。這幅照片由人胚胎幹細胞分化而來的血管平滑肌細胞,其中DNA 染成藍色,平滑肌標誌物Smoothelin 呈紅色,Caldesmon 呈綠色。


Geoffrey Grandjean ,來自美國 MD Anderson Cancer Center。這幅照片展示了人卵巢癌細胞,其中DNA 呈紅色,微管呈綠色。

 

Marie Neguembor ,來自意大利 ALEMBIC-San Raffaele 科學研究所。這幅照片展示了 Myoblast 細胞,其中 DNA 呈藍色,肌球蛋白重鏈呈綠色,而甲基化的組蛋白H4 呈紅色。

 

資料來源:2011 IN Cell Analyzer Image Competition Winners

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espa.taipei
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顯微攝影也可以是一門藝術!顯微鏡不是單單的工具而已,其實只要善加利用,也能變成一幅美麗的藝術作品!

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【2003 諾貝爾化學獎】細胞膜的分子通道
諾貝爾化學獎譯文_96
・2022/06/03 ・4659字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文轉載自諾貝爾化學獎專題系列,原文為《【2003 諾貝爾化學獎】細胞膜的分子通道

  • 譯者/蔡蘊明|台大化學系名譽教授

譯者前言:今年的諾貝爾化學獎頒給了兩位醫生,或許有些奇怪,然而仔細的去瞭解他們所做的工作就會發現,其實他們的研究已經深入到了原子的層次,那不是化學又會是什麼呢!這其實也告訴了眾多對生命科學有興趣的年輕人,其實真正精采的還是在這個化學的層次。考慮加入我們吧。

所有的生命體都是由細胞所構成,一個人身上所擁有的細胞數目就好像銀河中的星星一般,約有上千億個,在每一個人身上,例如肌肉,腎臟與神經等不同的細胞,聯合的運作而形成一個精密的系統。透過他們有關細胞中水與離子通道的開創性發現,今年的化學諾貝爾獎得主, Peter Agre 與 Roderick MacKinnon,在增進瞭解細胞如何運作的基礎化學知識方面,有重要的貢獻。他們讓大家看到一個精采的分子機器家族:通道、閘門與活栓,這些元件是細胞功能所必須的。

通過細胞膜的分子通道

為了維持細胞內外壓力的平衡,讓水能通過細胞膜是非常重要的,這是早為大家所熟知的。然而這種通道的形狀與功能,卻成為生物化學中一個典型的久未解開的問題,一直等到約 1990 年 Peter Agre 發現了第一個水的通道,就如同細胞中許多其它功能所需一般,都是由於一個蛋白質。

水分子並非唯一能進出細胞的分子,為了讓成千上萬的細胞成功的運作而非聚集在一起的肉塊而已,協調是很重要的,因此細胞之間必須溝通,而細胞之間的訊號傳遞則是靠著離子或是一些小分子,由此導致一系列的化學反應,造成我們的肌肉緊繃,眼睛濕潤 ─ 實際上包括了整個身體的運作。在我們腦部的訊號亦與這些化學反應有關。當我們弄斷了一個腳趾時,一個訊號就會上傳至腦部,透過一連串的神經細胞以及化學訊號及離子的流動,訊息就好像接力賽的棒子般在細胞間傳遞。

在 1998 年 Roderick MacKinnon 第一次成功的展示了離子通道在原子的層次到底長的是什麼樣子 ─ 這個成就加上 Agre 的水通道之發現,打開了生化與生物學中一個嶄新的研究領域。

Agre 與 MacKinnon 的發現在醫學上的貢獻也是很重要的,有一些疾病的成因就是因為水與離子的通道不能流暢的運作有關。隨著逐漸的瞭解這些通道的長相以及它們如何運作,我們就有機會發展更新更有效率的藥物。

水通道

搜尋水通道

早在 19 世紀中葉,人們就知道細胞一定有一個管道讓水與鹽類流通。在 1950 年代中期,發現有一個只能讓水分子迅速進出細胞的通道存在,在這之後的三十年間,透過詳細的研究,結論是一定有某種選擇性的過濾裝置能阻斷離子通過細胞膜,但卻能讓中性的水分子自由通過,而且每秒鐘有成千上萬的水分子通過一個單一的通道!

雖然知道這些,但一直等到 1992 年都尚無人能指出這個分子機器到底長相如何;換言之,就是能找到一個或多個蛋白質所構成的真正通道。在 1980 年代中期,Peter Agre 研究紅血球細胞上的各種細胞膜蛋白質(插在細胞膜上),他也在腎臟中發現一個同類型的蛋白質,在解開了這個蛋白質的序列以及相對應的 DNA 序列之後,他體認到這一定就是在他之前的眾多學者所搜尋的那個蛋白質:細胞的水通道。

Agre 利用一個簡單的實驗(圖 1)來測試他的假設,在此實驗中,他比較含有此膜蛋白與不含此膜蛋白的細胞,當這些細胞放入水中時,那些含有此膜蛋白的細胞因為滲透壓之故會吸收水分而漲大,而那些沒有此膜蛋白者則聞風不動。Agre 又利用一種稱為 liposome 的人造細胞來測試,那是一種內外都是水的一種肥皂泡泡,他發現當此肥皂泡的膜上植有此膜蛋白時,水就可以自由進出。

(圖 1)Agre 在含有 aquaporin 與不含 aquaporin 的細胞所做的實驗。要有 aquaporin 在細胞上才能吸水而脹大。

由於 Agre 知道汞離子會阻礙細胞吸收及釋放水,因此他也證明了這個他所發現能控制水進出細胞的蛋白質,也會因為汞離子的存在而無法讓水通過。這使得他更確定這個蛋白質就是真正的水通道,他命其名為 aquaporin,即"水洞"之意。

一個結構與功能的問題:水通道如何運作?

在 2000 年,透過與其他研究團隊的合作,Agre 發表了一個 aquaporin 的高解析度 3D 圖像,藉這這些數據,就能按圖索驥,仔細的描繪出一個水通道是如何運作的(圖 2)。為何它只讓水通過而不讓其它的分子或離子放行?例如細胞膜是不允許質子(H+)滲漏的,這點非常重要,因為細胞就是靠著內外質子濃度的差異來維持細胞能量儲存的系統。

(圖 2)水分子通過 aquaporin AQP2 。由於通道中心的正電荷,如 H3O+ 般帶正電荷的離子會被驅逐,這可避免質子的滲漏。

選擇性是這個通道的主要性質,水分子必須順著由構成通道壁的原子所形成的電場方向,鑽過一個狹窄的通道,質子(或應稱之為 oxonium 離子,H3O+)將會在中途因為其所帶的正電荷而被驅逐。

水通道在醫學上的重要性

在過去十年裡,水通道已發展成為一個不斷被討論的研究領域。大家發現 aquaporin 是屬於一個蛋白質大家族的成員,它們存在於細菌與動植物中;僅在人體就發現至少有七種不同的變體。

這些蛋白質在細菌與動植物中的功能正被勘測中,特別集中在企圖瞭解它們在生理上扮演的角色。在人體的各組織中,水通道在腎臟扮演了重要的角色。

腎臟是一個人體用來排除廢棄物的精巧裝置,在它做為篩子用的線圈中(稱為絲球體),水、離子與其它的小分子與血液分離成為所謂的初尿,在 24 小時中,約生成 170公升的初尿,其中大部分透過一系列靈巧的機制被重新吸收,最終每日產生約 1 公升的尿排出體外。

初尿通過絲球體後繼續通過一個彎管,在其中約 70% 的水通過 aquaporin AQP1 而被重新吸收回血液中,在此管的末端,另外 10% 的水通過另一個類似的 aquaporin AQP2 而被吸收。除此之外,鈉、鉀與氯離子亦被吸收回血液中。抑制尿分泌荷爾蒙(vasopressin)的功能,是促進 AQP2 傳送到腎管壁的細胞膜,因此增加了初尿中水的回收,如果一個人缺乏這種荷爾蒙,將會得到一種稱為 diabetes insipidus 的疾病,每天產生10-15 公升的尿。

離子通道

鹽類產生的細胞訊號

第一個物理化學家奧斯華(Wilhelm Ostwald , 1909 年諾貝爾化學獎)在 1890 年就認為在活體組織中所量到的電流訊號,應該是來自於離子透過細胞的進出,這個電化學的想法很快的廣為接受。到了 1920 年代,又興起了一種看法,認為有某種狹窄的離子通道存在,有兩位英國的學者 Alan Hodgkin 與 Andrew Huxley 在 1950 年代初期得到了一項重大的突破,因此得到了 1963 年的諾貝爾醫學獎,他們的研究顯示,透過神經細胞膜的離子傳輸,所產生的訊號可透過一個個神經細胞,以接力賽的方式傳遞,這些反應裡面最主要的角色就是鈉離子(Na+)與鉀離子(K+)。

這也就是說,早在 50 年前就已經充分瞭解了離子通道的主要功能,這些通道必須選擇性的只讓一種離子通過,同樣的這些通道也必須有能力打開、關閉或只讓離子往一個方向流動。然而這個分子機器到底真正是如何運作的,卻長久以來一直是個謎團。

選擇性的離子通道

在 1970 年代的研究就已顯示,離子通道只能讓某些離子通過,是因為它裝有某種"離子過濾器"。特別有趣的是,雖然鈉離子比鉀離子要小,卻發現有一種通道只能讓鉀離子通過,卻不會讓鈉離子通過。猜測這可能是由於蛋白質中的氧原子們扮演了一個重要的"取代角色",取代了原先溶於水中的鉀離子周圍所包的水分子層,當鉀離子要進入通道中,必須先脫離這個水層的包圍。

但是進一部要證實這個猜測卻很困難,因為真正需要做的是需取得只有 X-射線晶體繞射才能得到的清楚圖像,問題是運用這種方式去解膜蛋白的結構是非常困難的,當然要去解鉀離子通道的結構也不會例外。動植物的膜蛋白比細菌中者要更複雜而更難研究,但是藉著與人類離子通道非常類似的細菌通道蛋白質之研究,或許能提供進一步的瞭解。

許多研究人員在這個方面的努力均無功而返,可是卻在另一個方向的研究中意外的得到了突破。 Roderick MacKinnon 在修完生化的學位後,轉入了醫學的領域,成為一個合格的醫師。在成為醫師之後若干年,他開始對離子通道產生極高的興趣,並開始了這方面的研究。他自承"我的研究生涯從 30 歲才開始",不過他的研究卻快速的起飛。由於體認到要瞭解離子通道如何運作,必須要有更好而且更高解析度的結構圖像,他決定從最基本的 X-射線結晶學開始學起,在短短的數年之後,他提出了一個清楚的離子通道圖像而震撼了整個學界,這個重要的事件正是發生在 1998 年的一個四月天。

(圖 3)離子通道只允許鉀離子通過而非鈉離子。在過濾器中的氧原子形成的環境與過濾器外的水中環境類似。細胞也可以透過閘門控制通道的開啟與關閉。

第一個被圖解的離子通道

在 1998 年 MacKinnon 所決定的第一個高解析度的離子通道結構稱為 KcsA,乃是由一個稱為 Streptomyces liridans 的菌株得到的。 MacKinnon 第一次展示了在原子的層次,一個離子通道是如何運作的,那個只允許鉀離子通過而拒絕鈉離子的離子過濾器,現在可以仔細的去研究,他不僅能弄清楚離子如何通過這個通道,其實在其晶體結構中甚至於可看到正在通道前被水包圍著的離子,在過濾器之中的離子,以及離開過濾器的離子,水是如何的來迎接它們(圖 3)。 MacKinnon 也能解釋為何是鉀離子而非鈉離子被允許通過此過濾器,說穿了,這主要是由於鉀離子在過濾器中,周圍所圍繞的氧原子之位置,與在外面被水分子包圍著時,水分子的氧原子之位置是相同的,但是對較小的鈉離子而言,它在過濾器中與氧原子的相對位置,就無法與在水中時一樣(圖 4),因此就較喜歡留在水中(因為有較佳的水合能)。這種能讓鉀離子脫離水層,通過通道而且不損失能量的做法,屬於一種所謂選擇性催化的離子傳輸。

圖 4. 上方為通道外,離子被一層水分子包圍著。下方為通道內,由於鈉離子太小,而與氧原子形成的孔洞不能搭配,造成了鈉離子因為能量的原因不願進入。

細胞也需要能控制通道的開啟與關閉, MacKinnon 也說明了這是藉著一個通道下方的閘門,這個閘門可開啟或關閉一個分子"感知器",這個感知器就在門的附近。不同的感知器會回應於不同的訊號,例如,鈣離子濃度的增加,或一個細胞膜兩邊的電壓差異,或與某種訊息分子的螫合,藉著不同的感知器與離子通道的連接,大自然創造了能回應於眾多不同訊號的各種通道。

瞭解疾病

膜上的通道是所有生命體的基本要件,由於此,增加對它們的認識就成為瞭解許多疾病狀態的重要基礎。各種不同的脫水現象,以及對熱的敏感度,就與 aquaporin 的效率有關;例如最近幾年歐洲的熱浪,導致了許多的死亡,這些死亡,有部分是歸諸於無法保持體液的平衡,在這些過程中 aquaporin 是非常重要的。

離子通道的功能一但受到干擾,就會導致神經系統方面的疾病,以及肌肉,例如心肌,方面的問題,這使得離子通道成為一個製藥界開發新藥的重要目標。

參考資料

這份文章是譯自諾貝爾獎委員會公佈給大眾的閱讀資料:

http://www.nobel.se/chemistry/laureates/2003/public.html

有意進一步的瞭解就得詳讀以下資訊:

http://www.nobel.se/chemistry/laureates/2003/public.html

諾貝爾化學獎譯文_96
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「諾貝爾化學獎專題」系列文章,為臺大化學系名譽教授蔡蘊明等譯者,依諾貝爾化學獎委員會的新聞稿編譯而成。泛科學獲得蔡蘊明老師授權,將多年來的編譯文章收錄於此。 原文請參見:諾貝爾化學獎專題系列

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顛覆過去發現!中研院團隊首揭細胞「無合成分裂」登上《Nature》期刊
PanSci_96
・2022/05/04 ・2311字 ・閱讀時間約 4 分鐘

  • 文/中研院新聞稿

德國植物學家馮莫爾 (Hugo von Mohl) 在 1835 年首次觀察到細胞分裂後,過去 180 年來,大家只知道兩種細胞分裂方式──有絲分裂、減數分裂。透過製造新的細胞,讓生物體的發育、生長與繁殖成為可能。

中央研究院 細胞與個體生物學研究所助理研究員 陳振輝團隊 在研究斑馬魚發育時,意外發現另一種獨特的細胞分裂方式,其分裂過程不需要進行遺傳物質(DNA)複製,因此命名為「無合成分裂」,於今(111) 年 4 月登上知名國際期刊《自然》(Nature),並獲專文推薦。

中研院 細生所 李奇鴻所長 表示,此研究顛覆過去百年來的細胞分裂發現,有助於後續對其他生物體進行深入探究,進一步了解其詳細的細胞生理調控機制。

「細胞分裂」是所有生命的基礎,長久以來,科學家認為細胞分裂方式有兩種:

第一,體細胞(如皮膚細胞、肌肉細胞、幹細胞等)要進行「有絲分裂」,1 個母細胞分裂為 2 個具有相同染色體數量的子細胞,讓個體發育生長。

第二,生殖細胞則透過「減數分裂」,將母細胞分裂成 4 個具有一半染色體數量的子細胞(如精子和卵子細胞),有性繁殖才有可能發生。

首度發現體細胞進行「無合成分裂」:僅增生、無 DNA 複製 

陳振輝以斑馬魚為研究對象,長期深入探索生物再生過程的細胞和分子機制,研發多顏色活細胞標誌工具(Palmskin),用上百種不同顏色來標誌不同的表皮細胞,並能即時、高解析度追蹤斑馬魚體表所有皮膚細胞的動態行為。

透過多顏色活細胞標誌(Palmskin),產生上百種不同顏色來標誌不同的表皮細胞,即時、高解析度追蹤斑馬魚體表所有皮膚細胞的動態行為。

團隊意外發現,當斑馬魚在個體發育的特定階段,最表層的皮膚細胞──原被認為是不會分裂增生的體細胞,其單一母細胞竟然可以分裂 2 次,共產生 4 個子細胞,且這些子細胞皆不具有完整的母細胞 DNA。

然而,陳振輝一開始也百思不得其解,為什麼斑馬魚的皮膚細胞需要這樣分裂?而且分裂後的子細胞形狀變小也變扁?多年來與斑馬魚為伍的他,認為答案可能與個體發育成長所遇到的特殊挑戰有關。

細胞由 1 增 4:有效增加斑馬魚體表覆蓋面積

研究團隊利用一個數學幾何模型作為基礎,與中研院 化學研究所 研究員許昭萍、顏清哲博士 跨領域合作,進行細胞體積變化的定量分析,他們發現斑馬魚單一表皮細胞經過兩次「無合成分裂」之後,整體的表面積可增加 6 成。

實驗觀察到斑馬魚表皮細胞由1增4的過程。圖/nature video Youtube 截圖

陳振輝表示,由於斑馬魚幼魚在特定的發育階段長得很快,體表面積需要快速增加。為了維持一個穩定的皮膚雙層結構,下層的表皮幹細胞以正常的「有絲分裂」來增生,但是上層已分化的表皮細胞,恐已失去此選項,轉而進行「無合成分裂」。

這種分裂方式能讓表皮細胞在資源有限的情況下,有彈性的快速延展,使生物個體有效率地增加體表局部面積,以維持表皮細胞穩定的覆蓋率。此為斑馬魚幼魚在特定發育階段所利用的應急策略。

研究團隊表示,目前對「無合成分裂」的了解尚在初步階段。由於斑馬魚是脊椎動物,也是科學家研究個體發育、再生反應及人類疾病常用的模式生物,他們預測此一新型的細胞分裂方式,或許不只限於斑馬魚體表的表皮細胞,仍有待更多研究探索。

投稿過程艱辛 屢屢重複多次實驗 

陳振輝回憶,此篇論文的投稿時間已經是前(109)年底的事,由於顛覆大家過去對於細胞分裂的認識,初期就收到很多審查意見,「但不只審稿人有意見,我們自己也想知道是否還有其它可能的解釋。」

一開始,陳振輝團隊原本只想觀察表皮細胞如何移動或脫落,沒想到卻看到此獨特現象,還以為會不會是研究工具出了錯,「怎麼跟教科書教的完全不同!」重複做了多次對照實驗。

本論文第一作者 陳潔盈,現為 中研院國際研究生學程 博士生,也在其中付出許多心力。面對長度僅約 0.5 公分的斑馬魚幼魚,為了反覆觀察其表皮細胞的分裂過程,她必須每 12 小時麻醉幼魚一次,小心翼翼地置於高倍顯微鏡下拍照,並且確定它在鏡頭下的姿勢每次都相同,結束後還得把麻醉後的幼魚喚醒,以持續進行活體實驗。像這樣的過程整整連續十天,重複循環多次。

即使投稿歷程艱辛,團隊成員們興致勃勃,畢竟不是常有這樣的機會可以跟大家分享,「嘿,我想告訴你還有另一種細胞分裂方式的可能。」陳振輝笑說,原來在太陽底下真的能發現新鮮事! 

  • 本論文第一作者為陳潔盈,研究團隊包括顏清哲、阮筱彧、許紹君、曾子倫、蕭崇德、許昭萍、陳振輝,經費由中研院及科技部支持。

延伸閱讀

新聞連絡人:
陳振輝助研究員,中央研究院細胞與個體生物學研究所
(Tel) 02-2789-9537,chcchen@gate.sinica.edu.tw
郭姵君,中央研究院秘書處媒體小組
(Tel) 02-2789-8821,deartree@gate.sinica.edu.tw
陳昶宏,中央研究院秘書處媒體小組
(Tel)02-2789-8059,changhung@gate.sinica.edu.tw

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PanSci_96
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敞開心胸挑戰未知,發現抗癌關鍵「KLHL 20 蛋白」——陳瑞華專訪
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/03/15 ・4333字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

2016 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第九屆傑出獎得主

  • 現為中研院特聘研究員的陳瑞華,大學畢業於臺灣大學生化系,隨後取得生化科學研究所碩士,並在 1991 年於美國密西根州立大學生化系取得博士學位。返台後任教在臺灣大學分子醫學研究所任教十年,而後轉入中央研究院生物化學研究所至今,於 2019 年接任中華民國細胞及分子生物學學會第 15 屆理事長。陳瑞華的專長為訊息傳遞、蛋白質修飾,研究範疇擴及細胞生物學與神經科學;研究成果在癌生物學領域有著創新性的突破。

「本來常常就會失敗,會和你想像的不一樣,」做過研究的人,聽了這句話肯定心有戚戚焉,卻也不免嘆口氣。在研究過程中不斷遭受挫折,不會讓人很漚很喪志嗎?發表過諸多突破性研究的中研院特聘研究員陳瑞華卻以柔和的語氣說:「就是跟你想像不一樣,才是最創新的發現。」

陳瑞華的研究有許多都與待解謎的生命分子有關,她破解這些謎般分子與不同分子的互動,從而得知細胞內各種現象的機制與功能。面對許多摸不著頭緒的未知跟必然的失敗,她是怎麼保持好奇心的呢?

不斷挖掘新事物、挑戰未知便是陳瑞華不斷持續的動力。圖/劉志恒攝影

由關鍵分子開啟研究,解答重要細胞調控機制

過去科學界曾發現,癌細胞在缺氧狀態下會快速生長,卻只知其然,不知其所以然。這個大謎題,於 2011 年獲得解答,攻破謎團的正是陳瑞華與研究團隊。在她們發表的「KLHL 20 蛋白藉由泛素化(ubiquitination)作用降解抑癌蛋白PML 的機制」相關研究中,揭曉了癌細胞在身體裡攻城掠地的手段。癌細胞為了稱霸,除了掠奪資源讓自己不斷成長、轉移之外,也要設法清除能阻礙它生長的對手,比如說抑癌蛋白;其中一個途徑,便是使抑癌蛋白被「泛素化」。

什麼是泛素化呢?泛素(ubiquitin)是一種存在於大多數真核細胞中的小蛋白,當細胞內的蛋白質被泛素標記時便會被分解,而泛素化指的就是這段被標記的過程。

當抑癌蛋白被泛素化時,反而自身難保,便沒辦法進行原本抑制癌症的任務。而陳瑞華團隊最受關注的研究主題之一,便是發現了關鍵蛋白質「KLHL 20」會在 HIF-1(缺氧誘導因子,會在缺氧情況被活化)的影響下,和其他分子(Cullin3 和 Roc1)組成「泛素轉接酶(ubiquitin ligase)」,讓能阻止癌細胞擴散的抑癌蛋白 PML 泛素化,進而導致其被分解,使癌細胞得以生長。

我們可以這樣想像:癌細胞是超級大魔王,而 HIF-1 是大魔王的主將,能抑癌的 PML 蛋白是身體裡的衛兵,KLHL 20 蛋白便是在主將 HIF-1 指揮下專剋衛兵的小嘍囉,會阻擋 PML 蛋白的抑癌作用。

發現 KLHL 20 蛋白,以及其如何透過泛素化降解 PML 蛋白的途徑,有如找到了一本關鍵秘典,能揭開癌細胞如何壓制抑癌蛋白的奧秘。研究團隊的守備範圍也不只在 KLHL 20 蛋白上,也包含其他泛素連接酶在癌症中的功能,和更多能調控細胞自噬的泛素化修飾機轉。

陳瑞華團隊在 2011 年發表 KLHL 20蛋白藉由泛素化作用降解抑癌蛋白PML 的機制。圖/研究圖片

正如陳瑞華所言,發現 KLHL 20 蛋白作用的關鍵,並非她與團隊天才橫溢、火眼金睛,而是「意外」加上源源不絕的好奇心。

陳瑞華解釋,她的研究多是從分子機制層面出發,研究某個蛋白質,並將有關的對象連接起來,從而了解其功能。而細胞各式各樣的生理現象都與蛋白質有關,不同研究領域、探討角度慢慢相連相扣,孕育了更多新發現。

以發現 KLHL 20 蛋白來說,一開始其實是團隊注意到抑癌蛋白 DAPK 會與 KLHL 20 蛋白互相結合,但是以前對於這類蛋白質了解不多,線索不足,無法進行深入研究。直到後來許多發表出現,指出這類構型的蛋白質很可能具有泛素轉接酶的功能,才帶來了進一步研究的方向——這是科學領域間互相刺激交流帶來的進展。

而開啟她另一個研究面向——細胞自噬研究——的契機也相當類似,團隊發現了 KLHL 20 蛋白的某個受質與細胞自噬有關,便展開探索。除此之外,陳瑞華也謙虛地表示,對於細胞自噬的研究,中研院生化所提供了非常良好的環境,加上同事間的協作提攜,都是幫助她完成好研究的重要助力。

享受未知,新領域關關難闖關關闖

陳瑞華畢業自臺灣大學農化系,研究所受教於恩師——臺灣大學生化所呂勝春老師,博士班在美國密西根州立大學生化系,研究致癌物質對 DNA 的影響與 DNA 修復機制;博士後研究又轉往了新領域:訊息傳遞(signal transduction),也就是研究細胞內不同的分子如何相互影響、促進或抑制其它分子的功能,來建構細胞內外的訊息網絡。

長期從事研究工作,科學早已成為生活的一部分,然而繁複的生命現象究竟有何魅力讓她樂此不疲?她笑著說:「生命現象總是有很多我們不知道、例外的東西。這些例外都是新的東西,等待你去發掘。」面對未知,對大多數人來說,就代表惱人的不確定感與挑戰,然而對陳瑞華來說,卻滿足了她樂於求知的性格:未知,代表了永遠有新事物可以挖掘跟挑戰。想知道更多,讓她持續探索生命迷宮,從不被牆擋下。

她曾有一位學生,原本做的是癌細胞的研究,並接觸到癌幹細胞的領域,於是主動表示想進一步鑽研神經幹細胞。然而以神經幹細胞——神經前驅細胞進行研究,是陳瑞華之前從未涉獵過的領域,但當她看到學生動機強烈且蓄勢待發,也點燃了自己內在的求知慾,她想,「好吧,那就來挑戰看看吧!」便和學生兩人一起從頭研讀自己也陌生的神經前驅細胞。

培養神經前驅細胞雖還落在陳瑞華熟悉的細胞培養範圍內,然而進行一段時間之後,院內神經科學的專家提出建議,如果只用細胞培養,而沒有實際進入動物實驗,研究會受到侷限。於是又開始與中研院細胞與個體生物學研究所的周申如副研究員合作,投入完全不熟悉的腦部發育。頭兩年因為尚未掌握神經科學的「眉角」,與學生吵架卡關、意見不合的時刻常常發生,但這當然沒讓她們停下。到現在,對於這類研究陳瑞華已經駕輕就熟,和學生討論也不再雞同鴨講。

儘管是未涉略的領域,陳瑞華也無畏的和學生一起鑽研探索。圖/劉志恒攝影

從充滿謎團的蛋白質出發,如遊戲闖關解鎖未知關卡,峰迴路轉的過程,在陳瑞華描述下顯得輕鬆快意,但她也坦言,「(所有新領域)一開始的時候都是超級新奇,同時也超級混沌。」她笑著表示,研究的每個領域著重的問題皆不相同,但她很享受串聯不同觀點、最終融會貫通的過程。

當然,過程中可以向許多專家請益求助,但是要熟悉一個領域,還是必須自己用心鑽研。「問問題可以獲得直接的答案,但要真正融會貫通,則得讓整個人浸泡在裡面。」她認為,發展科學領域,本來就需要盡量探索不同面向。一個領域題材中若能加入不同的角度、不同的技術,該領域就更能發揚光大。

別預設立場,勇敢找尋自己的核心價值

也許是因為自己做研究也是跨範疇、穿領域,陳瑞華在帶領實驗室團隊時,也讓學生自由探索喜歡的方向。她說,剛開始帶學生時,也曾經把自己的自我要求套在學生身上,但後來體悟到每個人的特質不同,「發現學生們辦不到(自己的標準),但也發覺沒有必要辦到。」陳瑞華說。

她進一步闡述,帶領學生的重點在於挖掘每一位學生的長處,並讓他們盡量發揮所愛與所長,就像細胞一樣,每個細胞都有各自的功能,「沒有」且「不能」用統一的框架衡量,把對的人放到對的位置,實驗室就能活絡地運轉起來,每位學生各司其職、也找到自己的核心價值。

陳瑞華在帶領團隊時會讓學生們自由探索喜歡的方向。圖/劉志恒攝影

陳瑞華建議有志進入科學界的年輕學生,傾聽內心的聲音,因為找到自己真正喜愛的事情是任何一行成功的不二法門,對於女性科學家來說也是如此。

陳瑞華說,曾遇過學生覺得自己「資質不夠」而害怕走學術研究,也聽說過有女學生因為想要生兒育女,而考慮放棄攻讀博士。她鼓勵年輕人,不要預設太多,以免躊躇不前,聽不見內心真正的渴望,反而該趁著年輕、適應力強的時候多方嘗試,通常自然而然就會了解自己的追求。

談到台灣女性科學家的處境,她以自己大學時期女性教授和學生的多寡為例說明,「以前系上一位女老師都沒有,多少會產生『這一行是不是不適合女生?』的想法,不過現在女老師漸多,有興趣的女孩們真的不用再多慮了!」

曾經缺乏女性楷模的科研領域,已經隨著時間出現了很大變化。社會無形的壓力也逐步減少,陳瑞華鼓勵女性多肯定自己,「從事研究當然需要毅力」,但只要別因性別而質疑自己,正視內心的渴望,就算身處迷宮,路就在前方。

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年,台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想,讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎?妳絕對可以!傑出學姊們在這裡跟妳說:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

參考資料

  1. Yuan, W. C., Lee, Y. R., Huang, S. F., Lin, Y. M., Chen, T. Y., Chung, H. C., … & Lu, L. T. (2011). A Cullin3-KLHL20 Ubiquitin ligase-dependent pathway targets PML to potentiate HIF-1 signaling and prostate cancer progression. Cancer cell, 20(2), 214-228.
  2. 中研院電子報:首度找到腫瘤細胞缺氧反應關鍵蛋白KLHL20 生化所陳瑞華提供癌研究新途徑
  3. 台灣女科學家創新研究卓著 推升醫藥技術和全民健康 中研院特聘研究員陳瑞華榮獲「第九屆台灣傑出女科學家獎」
  4. 中研院電子報 發現終止細胞自噬的關鍵因子 可防止細胞死亡及肌肉萎縮
  5. 中央研究院 生物化學研究所 陳瑞華博士
  6. Liu, C. C., Lin, Y. C., Chen, Y. H., Chen, C. M., Pang, L. Y., Chen, H. A., … & Chen, R. H. (2016). Cul3-KLHL20 ubiquitin ligase governs the turnover of ULK1 and VPS34 complexes to control autophagy termination. Molecular cell, 61(1), 84-97.
  7. Lee, Y. R., Yuan, W. C., Ho, H. C., Chen, C. H., Shih, H. M., & Chen, R. H. (2010). The Cullin 3 substrate adaptor KLHL20 mediates DAPK ubiquitination to control interferon responses.The EMBO journal, 29(10), 1748-1761.
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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