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模式生物生活環境豐富化,是大勢所趨、還是研究者的新挑戰呢?

科學月刊_96
・2018/06/30 ・4288字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 507 ・六年級

  • 文/李依庭 │ 東海大學生命科學系生物醫學組碩士。在領略過實驗百態後,嘗試承擔起文字的重量,但目光總不自覺被生醫產業吸引,現任《科學月刊》編輯。

在穿過滅菌設備、緊急沖淋器與無塵系統等相關設備後,從穿廊望去,一字排開的是 3 間並排房間。

左邊緊閉的門上透明玻璃窗,映入眼簾的是一個個堆疊放置在特殊架上的系統缸,架下的泵浦則隆隆作響的負責水缸內的各種恆定;持續往前走,在還沒走至下一道門前,就能聽到陣陣撞擊金屬的聲響,金屬架上安放著一個個的塑膠籠,上頭覆蓋著不鏽鋼網蓋;走廊盡頭的房間,是在聽到逐漸靠近的腳步聲後,從房門的另一側傳來的騷動聲響也漸趨急促,倚著玻璃窗,可以看到一個個巨大的飼養籠。

這裡是動物房,是斑馬魚、小鼠與兔子等各種模式生物的家,也是承載著每位研究者夢想與希望的所在。

實驗小鼠的動物房。圖 / kennethr @Pixabay

模式生物的試驗

各種大大小小的生物學研究、基礎的生物醫學實驗或新藥開發前的臨床試驗皆離不開模式生物,牠們幫助人類預測出許多可能會發生的結果,找到全新的發現。長年以來,為了減少實驗中的變異,研究人員選擇讓模式生物居住在獨立且空無一物的空間中,以提升實驗的準確性。

然而,越來越多的研究發現這樣的實驗方式可能會物極必反,不僅是實驗室之間再現性低之外,近期的研究也發現 9 種通過動物試驗的新藥,最終只有 1 種通過人類臨床試驗,這是否也代表著模式生物所生活的環境或許也是造成這些問題的一部份?

最為人所熟悉的模式生物莫過於小白鼠了。牠們在看似「純淨」的實驗室中生長,真的就「無雜質」嗎?這非自然的生活是否真能帶來「準確」? 圖/Kapa65 @Pixabay

現今實驗室中的小鼠,一隻隻住在只有約鞋盒大的籠子中,大鼠甚至無法站直身體;兔子也只能坐在與自己身形相去不遠的鐵籠中;有別於水族箱裡華麗的造景,透明的水缸內僅有幾隻斑馬魚游動著。負責提升實驗動物福祉、史丹佛大學(Stanford University)的行為學家加納(Joseph Garner)表示,

「如果人們期望透過動物得知在人類身上會發生的事情,那必須對待牠們更像個人類一樣。」

但實驗動物終究不是人類,要如何對待牠們更像人類一樣?科學家提出增加設備、使牠們生活豐富化(enrichment)的想法,提供相關設備讓牠們有機會探索、活動,臨摹動物在野外的生活。

歷史上的豐富化實驗

現今的實驗兔子只能如圖中一般,坐在與自己身形相去不遠的鐵籠中,這樣狹小的環境讓他們的生長不再「自然」,卻能讓科學家掌控一切可能變因。(示意圖,非真實實驗兔) 圖/hifijohn @Pixabay

其實,實驗動物並不是一直都生活在這些狹小且荒蕪的空間中。19 世紀中期,研究人員開始飼養大鼠(rat)來進行科學性的實驗,當時的鼠籠中還會擺放相關設備供牠們挖洞與跑步。但到了 1960 年代,由於動物規範與控制變因等因素,各實驗室開始選擇單一、小型且便宜的無菌籠,因為對於研究而言,若實驗動物沒有明顯的外傷或痛苦,動物的天然習性就顯得為次要,並且不受到關注。

現在,科學家所提出來欲提升實驗動物生活豐富化的這個想法,從長久以來的文獻中也有跡可循。

1947 年,心理學家赫布(Donald Hebb)發現比起飼養在實驗室中的小鼠,飼養在家中能夠自由跑動的小鼠有更好的學習能力。到了 1960 年代,研究人員在飼養籠中放置木製積木和旋轉迷宮,能擴大大鼠腦中的感覺區域(sensory redions)。2000 年,澳洲墨爾本大學(University of Melbourne)神經學家漢納(Anthony Hannan)受到文獻中豐富化會激發新神經元生長的啟發,嘗試為實驗室裡的小鼠增添生活樂趣,他準備了築巢的紙板、鮮艷色彩的球、爬梯和繩索,供小鼠攀爬和玩樂,發現相較於住在一般飼養籠中的小鼠,在這種豐富多彩的環境生長,能成功地延長亨丁頓舞蹈症(Huntington’s disease, HD)的發病時間,這也是豐富化第一次被證明,它確實會在神經退化性疾病上的產生影響。爾後研究團隊遵循相同模式進行研究,結果在自閉症、憂鬱症和阿茲海默症(Alzheimer’s disease, AD)的實驗也都得到相似驗證。

許多實驗結果都顯示,將小鼠放在猶如遊樂園的多采多姿環境中,會產生正向影響。 圖/Free-Photos @Pixabay

時間推移至 2010 年,科學家甚至將豐富化應用在癌症上。俄亥俄州立大學(The Ohio State University)的癌症學家曹(Lei Cao)在 1 平方公尺的場地中擺滿滾輪、迷宮和各種不同顏色的拱形圓頂小屋,此布置被她女兒戲稱為小鼠的迪士尼樂園。實驗先將癌細胞打入小鼠體內,一段時間後檢查腫瘤,發現 80% 生活在樂園中的小鼠腫瘤小於對照組,有些甚至沒有腫瘤的形成。在這份報告中更提出一種可能的機制:環境的豐富會活化腦內的下視丘,影響著從情緒到癌症擴散的賀爾蒙調節。

模式生物的福利與法規

縱使研究顯示飼養模式生物不能只是餵食,也必須豐富其心靈,然而,至今卻鮮有任何改變,唯一有所改變的是靈長類動物。1985 年,美國動物福利法要求實驗室需正視猴子、猩猩心理狀態,提出給予更大空間、玩具和同伴等相關規定;1996 年更進一步增加條件,包括提供毯子製作巢穴、適時給予音樂聆聽和電影觀賞等。

依動物的天性,盡可能使之擁有接近其原始生活的豐富度,是目前豐富化提倡者的倡議核心。 圖/Free-Photos @Pixabay

2011 年,日益漸增的豐富化相關文獻讓國家研究委員會(National Research Council)修改指南,表示具社會化的物種就應依照社會化的方式飼養,並且提倡各物種的豐富化,而不侷限於靈長類動物。然而,若科學家認為豐富化之間會存在差異性或影響研究,則可省去。畢竟,豐富化製造更多的快樂,使模式動物生活得更相似人類,但並不足以證明能在每一個研究中發展出最好的科學研究,仍有許多科學家希望有更多證據能證明豐富化能提升實驗結果的質量。

提升各種模式生物的生活環境豐富化

為了證明豐富化會有更佳研究成果,不只是加納,世界各地都有實驗室進行了豐富化革新。

密西根大學(University of Michigan)的獸醫洛夫格倫(Jennifer Lofgren)在 2014 年也擬定一項計畫,目標是為更了解動物的生活經歷,因此嘗試在不同模式生物中增加豐富的設備。她在斑馬魚缸中放入一些五彩的彈珠;試圖讓魚缸內的造景模擬魚類在野外的生活。將兔子飼養在一起,並放入充滿乾草的紙袋讓兔子能夠一起玩樂,也提供許多塑料物品讓牠們啃咬。

科學家期望增加鼠籠中的豐富度,包括滾輪、拱形圓頂小屋、管狀迷宮與小木頭等。圖/科學月刊提供

加拿大英屬哥倫比亞大學(University of British Columbia)生物學家威爾利(Daniel Weary)則準備 4 倍大的鼠籠,讓大鼠可以站立、爬梯子或提供真實土壤牠們挖洞。葡萄牙的米尼奧大學(University of Minho)動物中心更建造出一個包含多種不同類型的活動區域(PhenoWorld),將空間隔成運動區、用餐區和實驗區,大鼠若想穿梭自則必須學會如何打開當中的隔間,帶給牠們不同的挑戰。中心負責人卡洛斯(Magda João Castelhano Carlos)表示,這些動物生活在更為自然的環境,對於研究精神障礙而言是更好的模型,因為牠們較不會產生非自然的焦慮與抑鬱。

持反證的聲音

當然,有贊成的論點必定會有反對的聲浪,有些學者擔心涉及到研究時,這些豐富化設備帶來的缺點可能會多於優點。例如,當科學家試圖透過塑膠管,降低每週更換鼠籠所帶給實驗小鼠壓力的同時,伴隨而來的是費用問題。增加的相關設備每週的清洗、滅菌,無疑是需增加大量的人力與時間,更不用說是龐大的添購費用。

俄亥俄州立大學的神經科學家戈德布特(Jonathan Godbout)和其他的科學家也質疑豐富化是否真能提升研究、抑或只是破壞研究的一致性?當每個實驗室使用不同的豐富化設備,導致其他實驗室無法重現實驗結果,是否會造成再現性困難的危機?況且,他也認為在實驗室中的實驗動物生活在食物無虞、無掠食者的環境,已是十分美好的生活,不需要建造遊樂園讓牠們更快樂。

利用實驗小鼠研究酒精中毒行為的行為遺傳學家克拉布(John Crabbe)則表示,或許某些疾病類型,如癌症,可能適合豐富化的實驗設計,但不意味豐富化適用於所有實驗,尤其是精神疾病。

針對研究的支出,漢納也不可諱言地表示,豐富化的確會增加研究的花費,但若此方法能模擬出更接近人體內真實的情況,從長遠來看實是節省科學家們的時間與金錢,或許做的研究會變少,但做出來的研究會更好

儘管面對諸多質疑與挑戰,洛夫格倫仍對於豐富化的推動充滿信心,因為相較於 21 世紀初,在2016 年,已有超過 160 篇實驗動物設備豐富化的相關文獻,且在美國實驗動物科學協會會議上, 171 個報告中有 83 個是關注在動物設備豐富化,是 2009 年的 2 倍之多。

結語

對於曾參與實驗室研究或執行動物試驗的人而言,設備豐富化固然會增加研究經費與工作量,畢竟現今在臺灣,對於研究經費年年壓縮的實驗室主持人而言,每一筆實驗支出都必須花在刀口上,更不遑論人力的分配。

不過,試想人類若被關在固定、制式的空間中,只提供食物和生活最低需求的設備、進行各種測試或實驗時,是否也能忠實呈現人體內的各項生物機制,對醫學研究做一個合理的詮釋?儘管豐富化的好壞為何目前尚不得而知,但誠如洛夫格倫所說,無論是為了科學或是動物本身,豐富化應逐漸成為規則而不是例外。人們必須盡可能地給予實驗動物最好的生活,因為,牠們是用珍貴的一生換得人類汲取欲知的真相。

我們不是模式動物,難以知曉牠們是否滿意自己的生活,但想像一下,自己從出生到死亡都生活在單一潔白的空間,那樣的人生是真正的「人生」嗎? 圖/RyanMcGuire @Pixabay

延伸閱讀:

  1. David Grimm, Are happy lab animals better for science?, Science, 2018/2/7.
  2. Refinement & Enrichment Advances Laboratory(REAL)

 

本文編修自《科學月刊》2018 年 6 月號,原文為〈如何忠實重現人類醫學模式的樣貌?〉

什麼?!你還不知道《科學月刊》,我們 48 歲囉!
入不惑之年還是可以當個科青!





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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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想研究再生又沒有金剛狼,幸好我們還有斑馬魚!
科技大觀園_96
・2021/07/03 ・2779字 ・閱讀時間約 5 分鐘

手指斷了可以再生嗎?科學家正在從斑馬魚的再生能力尋找解答。圖/fatcat11 繪

我們該怎麼研究金鋼狼的再生能力?一般人的想法或許是:詳細解剖金鋼狼。不過更實際的策略其實是:養很多很多金鋼狼,看看誰的再生能力出現問題,再從他下手!

用斑馬魚研究再生

陳振輝的研究領域是「再生」,作為中央研究院細胞與個體生物學研究所(中研院細生所)的成員,其研究團隊目前有數個有趣的題目正在進行,其中「斑馬魚尾鰭的再生」率先問世。

陳振輝在博士後研究時,研發出標記與追蹤細胞的「Skinbow」技術,登上《Developmental Cell》期刊封面。圖/劉馨香攝

再生為什麼值得研究?和遺傳、發育、生理、免疫等領域相比,人們對再生的認識仍然不多,學術上有許多深入開拓的空間。另外再生研究也有具體的應用價值:人類壽命大幅增長後,癌症、心臟病、老化成為主要的健康問題,增廣再生的知識,有助於對抗老化、退化,增進生活品質。 做研究,材料很重要,這就是選擇斑馬魚的原因。

為了方便實驗進行,多數基礎研究都圍繞在幾種科學社群精心建立的「模式生物」(model organism)上,然而,常用的模式動物,如果蠅、線蟲、小鼠,卻不太有再生能力,不適合用於研究再生;相比之下,斑馬魚擁有十分全面的再生能力,不只鰭與皮肉能再生,甚至遭受脊椎、大腦受損的重傷害,一段時間以後照樣可以再生、恢復正常生活。

斑馬魚房的一角。自己的實驗動物自己養!中研院細生所提供充足的基礎設備支援。圖/劉馨香攝

陳振輝是勇於踏出舒適圈的探險家,他在博士後研究時才轉換跑道,投入美國杜克大學的 Ken Poss 門下,與尚在起步階段的斑馬魚再生領域一同成長。一番歷練以後,他帶著新研發的技術與創意回到台灣,開始大展身手,而尾鰭再生是他完成的第一項研究計畫。

再生是重要的問題,斑馬魚是好用的研究工具,但是尾鰭乍看不太起眼,為何探討尾鰭的再生呢?主因是觀察尾鰭再生的過程相對容易。尾鰭由皮膚、血管、神經等不同種細胞組成,構造夠複雜卻又不會太過複雜,切掉多少面積,再生長回來多少、多快,都可以精確地量化。選擇較為單純的身體外部器官來研究再生反應,有助於釐清調控再生過程的複雜機制。

用正向遺傳學,尋找失去正常再生能力的突變種

從突變的異常樣本著手,比較它和正常個體之間的不同,抓出關鍵的差異,這就是「養很多很多金鋼狼,看看誰的再生能力出現問題,再從他下手!」的道理,又稱作「正向遺傳學」(forward genetics)。

概念說來簡單,但是光是尋找在誘發突變後,表徵可以穩定遺傳的突變品系,就需要耗時兩到三年;順利找到後又要花費同樣久的時間,確定突變點發生的位置,努力加上運氣,一共經過五到六年,才有我們如今在論文中見到的成果。 

採取正向遺傳學的策略,篩選失去正常再生能力、且其表徵可以穩定遺傳的突變品系,最後進一步找到具體的基因。圖/沈佩泠繪,資料來源:寒波

動物身上每一個細胞的基因組都是一樣的,透過調控不同的基因表現,卻能產生各式變化。具備再生能力的動物,細胞中儲存了一套復活的遺傳「記憶」,如同電腦的重開機程式一般,有需求的時候就會啟動。尾鰭再生的過程中有許多基因牽涉其中,重要的基因倘若失去作用,尾鰭會喪失再生能力,了解哪些基因是「再生基因」?這些基因如何影響再生?是陳振輝實驗室努力的方向。 

經由這個研究方法,陳振輝與其研究團隊,發現有個基因 pola2 ,其表現活性竟然可以影響尾鰭再生後的形狀或大小!也就是說,指引尾鰭重建的「再生記憶」其實也可以改變。

超過五億年,指引再生的動物方程式

原本以為按部就班,一成不變的再生過程,人為介入後卻可以改變再生的結果。累積更多這方面的知識後,是不是有反過來應用的機會:讓原本不會再生的組織也能重新生長呢?比方說,手指被夾斷是常見的職業傷害,假如能讓斷掉的手指再生,將是多麼實際的用途! 

當然,離那一天仍然遙遠,不過這類想像卻不是癡人說夢。陳振輝的研究工具不侷限於斑馬魚,為求了解找到的機制是否只是斑馬魚的特例,他與細生所的同事游智凱與蘇怡璇合作,發現另外兩種具有再生能力的動物:文昌魚和水蚯蚓,在「再生記憶」的調控上也具備類似的機制。

人類、斑馬魚、文昌魚、水蚯蚓的親戚關係。這些動物在五億年前有共同祖先。圖/沈佩泠繪,資料來源:寒波

文昌魚、水蚯蚓和斑馬魚,如今是差異很大的動物,演化上的共同祖先能追溯到超過五億年前;然而,它們依舊保有類似的機制維持再生記憶,表示這是一套非常遠古的調控之道。而人類也身為可再生動物的後裔,儘管早已喪失大部分的再生能力,或許仍存在一絲潛力,只待我們找到激活的辦法。

跨領域合作,挑戰再生經典難題

上述研究聽起來很有趣嗎?其實這只是陳振輝實驗室許多研究主題之一,再生研究的領域還有許多基礎問題等待回答。

應用「Skinbow」技術所產生的斑馬魚。利用此技術,準確掌握細胞行蹤,有機會繪製完整的「再生藍圖」。圖/陳振輝提供

陳振輝利用博士後研究時研發的「Skinbow」技術,精確標記細胞,追蹤再生時詳細的變化過程,是進一步探討不同題材的基礎。此外,中研院也有多元的人才庫,有需求時能發出穿雲箭,尋訪其他領域的專家合作。 

例如再生過程中有一個普遍的現象:「受傷愈重,再生愈快」。像是蠑螈有再生能力,切掉一隻手或一支手指都會再生,可是失去兩者後傷勢不同,長回來的時間卻是一樣。此一至今仍然無解的有趣現象,在陳振輝與中研院物理所、化學所的同儕一同努力之下,似乎已經見到曙光,而且真相令人非常驚喜。至於詳情如何,目前先賣關子,還請各位讀者耐心等待。 

成為世界上第一個知道這件事的人,這就是做研究最大的樂趣啊!

參考資料

  1. Chen, C. H., Puliafito, A., Cox, B. D., Primo, L., Fang, Y., Di Talia, S., & Poss, K. D. (2016). Multicolor cell barcoding technology for long-term surveillance of epithelial regeneration in zebrafish. Developmental cell, 36(6), 668-680.
  2. Wang, Y. T., Tseng, T. L., Kuo, Y. C., Yu, J. K., Su, Y. H., Poss, K. D., & Chen, C. H. (2019). Genetic Reprogramming of Positional Memory in a Regenerating Appendage. Current Biology, 29(24), 4193-4207.e4. 
科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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重要基因被刪除後,酵母菌的絕地求生!
研之有物│中央研究院_96
・2020/10/12 ・3976字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 545 ・八年級

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。

  • 採訪編輯|歐宇甜、黃曉君;美術編輯|林洵安

生物有許多不可或缺的必要基因,例如:小小的酵母菌體內就有一千多個,如果某個必要基因消失,生物一定會死亡嗎?中研院基因體研究中心張典顯研究員發現,如果人為刪除酵母菌的必要基因 PRP28,酵母菌依然能勉強存活,甚至經過三百代演化後,還能恢復原本活力!論文成果於 2018 年 10 月登上國際學術期刊《自然生態演化》(Nature Ecology and Evolution)。

張典顯,中研院基因體研究中心研究員,他發現酵母菌去除必要基因,仍然能夠絕處逢生的演化奧秘。攝影/林洵安

生物體內的「必要基因」

每種生物都有一群不可或缺的「必要基因」(Essential gene)。它們不只是從遠古流傳下來的基因,也是生物基因體的核心。

「在我們研究的細胞體系裡,如果人為把一個重要基因拿掉,細胞幾乎必死無疑。從基因的角度來看,這是細胞發生突變、重要基因消失,就像電影中的邪惡勢力殺掉正義聯盟的領袖,然而……」張典顯話鋒一轉:「在電影裡,正義之師仍然會繼續對抗惡勢力、等待復興的時機。那麼,如果去掉細胞內重要基因,細胞是否會隨演化發生轉機,繼續存活甚至恢復繁盛,出現宛如《星際大戰:原力覺醒》的戲劇性轉折?」

但生物演化通常需要漫長的歲月,怎麼研究?張典顯挑選酵母菌下手,酵母菌跟人類細胞一樣,都是真核細胞,除了用來釀酒和烘焙,也是分子生物學重要的模式生物。更重要的是,

人類一個世代傳承要花 60 年,更需要十萬年、百萬年的時間才看得出演化結果。酵母菌每 90 分鐘分裂一次、產生一個新世代,短時間就能看到演化歷程。

仔細研究酵母菌,它約有六千個基因,其中一千多個是必要基因,特別是與「遺傳資訊複製」相關的基因,一旦缺少恐將死亡……但,這是真的嗎?

張典顯的研究指出,即使刪除了一個必要基因 PRP28,酵母菌依然能勉強存活,演化三百代後甚至恢復了活力!?

顯微鏡下的酵母菌,90 分鐘即可產生一個世代,非常適合進行演化實驗。圖片來源/維基百科

基因 PRP28:RNA 的剪接師

基因 PRP28 是什麼?它負責協助 DNA 轉錄後,不可或缺的「剪接」工作!

生物所有基因的資訊全部是在 DNA 上,好比身上的「硬碟」,保存重要資料。細胞要使用這些資料,第一步是「轉錄」,把細胞核裡的 DNA 的資訊,轉成 RNA,這個步驟好比用「隨身碟」把硬碟資料拷貝出來。然後,RNA「隨身碟」的資訊會進入細胞質,進行「轉譯」,製作各種有用的蛋白質,好比把隨身碟內的資料列印成有用的文件。

生物所有基因的資訊全部是在 DNA 上,好比身上的「硬碟」。細胞要使用這些資料時,必須把細胞核裡的 DNA 的資訊,轉錄成為 RNA—-好比用「隨身碟」把硬碟資料拷貝出來。接下來,RNA「隨身碟」的資訊進入細胞質,進行轉譯,製造各種蛋白質,好比把隨身碟內的資料列印成實體文件。資料來源/張典顯;圖說設計/黃曉君、林洵安

但在轉錄、轉譯之間,還有一個很重要、一般人不熟悉的步驟,稱為「剪接」。因為 DNA 基因不是呈連續性的,中間穿插一些不需要的片段稱為內含子(introns)。因此 DNA 拷貝成 RNA 之後,必須剪去內含子,把有用片段接起來,變成信使 RNA(mRNA),細胞才能使用。

DNA 基因不是呈連續性的,中間穿插一些不需要的片段稱為內含子(introns),轉錄後的 RNA 必須剪去中間不需要的部分,把有用片段接起來,變成信使 RNA(mRNA),細胞才能根據它製作蛋白質。資料來源/張典顯;圖說設計/黃曉君、林洵安

這個剪接步驟是在細胞核內的 RNA 剪接體(Spliceosome)中進行。每個人體內都有這部剪接機,它能將 pre-mRNA 中不需要的片段剪掉。這個剪接體與剪接步驟的正確性很重要,如果剪接體壞了,細胞沒有正確資訊可用就會死亡。

「我們的研究曾發現,酵母菌的剪接體中有一個很重要的蛋白質叫做 Prp28,能讓細胞的剪接過程運作順利,如果把 Prp28 拿掉,細胞就無法運作可能崩垮。」張典顯說。

顯然的,製作蛋白質 Prp28 的基因,是酵母菌的必要基因之一。

張典顯決定把 Prp28 的基因拿掉,看看酵母菌失去 Prp28 之後,是否可以存活?更進一步說,它們能不能透過一代代演化,重新爬回高峰?這在生物學稱為「彈性恢復力策略」,是指生物進入新的困難環境,一開始可能變很糟、掉入谷底,但經過一段時間,最後重新適應環境並恢復活力,重回高峰。

演化,讓酵母菌從破車變超跑!

「我們做的實驗很簡單,高中生也可以做!」張典顯笑著說。他們將一組保有 Prp28 蛋白質基因的酵母菌(野生型,wild type),種在培養基裡,分別放在攝氏 20 度、22 度和 28 度的環境培養,作為對照組。另一組是去掉 Prp28 蛋白質基因的酵母菌,也分別放在上面三種溫度的環境,觀察其生長情況。

一開始他們發現,如果將 PRP28 搭配的零組件進行互補性改變,細胞可以不需要 PRP28。但這種缺少 PRP28 的酵母菌,RNA 剪接效率低,生長得很緩慢,特別在低溫攝氏 20 度的培養基。

不過,隨著細胞不斷分裂,一個變兩個、兩個變四個 ……最後酵母菌仍可慢慢長滿培養基。等到酵母菌長滿,研究人員就取出其中一部分,種到新的培養基,直到再次長滿,再移到新的培養基……。

最後,神奇的現象發生了!失去 Prp28 蛋白質的酵母菌,起初要花 14 天才能長滿培養基,但一代傳一代,生長速度變越來越快,最後只花 5 天就長滿了!張典顯說:

這些酵母菌經過許多代演化,已產生有用的突變,活力變得越來越好,簡直像從一部破車,重新變回一部超跑!

一開始的白色細胞均為失去 Prp28 的酵母菌,活力非常差,但細胞分裂可能出現有利突變(紅色細胞),活力和繁殖力較好,如果繼續繁衍,紅色細胞會取代其他活力和繁殖力差的白色細胞,白色細胞越來越少。一代代傳下去,最後幾乎只剩下紅色細胞。資料來源/張典顯;圖說重製/黃曉君、林洵安

細胞在分裂過程,DNA 複製可能出現錯誤而產生新突變,當突變對細胞有利即會被保留,而突變後的細胞的活力和繁殖力較好,會逐漸取代其他細胞。如果一代代傳下去,新的有利突變陸續加進來,可能走向另一條演化的道路,讓細胞恢復活力,就像電影的原力覺醒、瀕死復活一樣!

這個成果於 2018 年 10 月獲刊在《自然生態演化》,也是臺灣首度刊登於該期刊的論文。

wild type(WT)列為帶有 Prp28 的正常酵母菌細胞,在不同溫度下的生長情況(每個溫度下又分成不同濃度的酵母菌樣本)。不管 20 度、22 度、28 度,正常酵母菌都長得很好。Anc = 還沒有經過演化的 「老祖宗」(Ancestor)細胞,Prp28 已被去除,因此活力很低,特別是 20 度長得最差。其他 EvX 列則是從這種老祖宗細胞開始,循著不同演化路徑的結果。經過一代代培養,Ev3 列的細胞與 wild type 列生長情況一樣,代表這些細胞已經恢復活力,新突變把酵母菌救回來了,其他如 Ev6、Ev9 列也是同樣情況。資料來源/張典顯

破解酵母菌絕處逢生的秘密

下一個問題是:到底在酵母菌裡發生什麼事,居然可以起死回生?張典顯的團隊繼續追查,找到答案:酵母菌是透過降低 RNA 聚合酶進行轉錄作用的速度,讓細胞恢復健康。

把細胞想像成一座工廠,DNA 一直拷貝,轉錄成 RNA,再進行轉譯,最後變成蛋白質,中間有許多機器在工作。如果下游的機器(剪接機)壞了,但前面的機器(轉錄機)仍然一直生產,後面的機器無法及時處理,會產生一大堆廢料,導致這個細胞死亡。

不過,如果演化讓上游轉錄機也放慢速度(發生另外的突變),讓上下游機器速度再度同步,有種負負得正的概念,最後細胞仍可恢復活力,這就是酵母菌絕處逢生的秘密。

張典顯團隊用漫畫方式呈現酵母菌絕處逢生的秘訣:雖然細胞的剪接機慢了下來,但藉由演化讓上游轉錄機也減慢速度(發生了另外的突變:蛋白質 Luc7 和 SAGA),於是上下游速度再度同步,使細胞恢復活力。圖片來源/張典顯

「我們的實驗結果顯示,生物系統中有許多錯綜複雜的基因表現路徑,不同步驟可以互相影響(例如:RNA 轉錄與 RNA 剪接),讓我們更了解細胞運轉的邏輯與生物系統的演化。」張典顯繼續延伸:「這個觀念可以被運用到生物系統的優化,提供未來設計調控生物系統的新方法,比如說,在開發治療疾病的藥物時,可針對標的物的上下游進行調整,以達到系統的整體平衡。」

生命的韌性、演化的奧妙,真的比電影劇情更曲折離奇、引人入勝,等待更多的科學家挖掘與發現。

延伸閱讀

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為《酵母菌的原力覺醒:瀕死復活的演化大戲—-專訪張典顯》,泛科學為宣傳推廣執行單位

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