1

0
1

文字

分享

1
0
1

小小的 miRNA 如何調控基因表現?

研之有物│中央研究院_96
・2018/08/21 ・5100字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 574 ・九年級

  • 採訪編輯|林任遠 美術編輯|張語辰

miRNA 研究為何重要——影響癌症的小小螺絲釘

miRNA 可調控許多生物的基因表現,並影響人類癌症的發生機制,是現代醫療的關鍵分子。詹世鵬副教授以 miRNA 為主要研究領域,現職於臺大醫學院微生物學科暨研究所,曾在中研院鄭淑珍院士門下求學,並將研究成果發表於《Science》,迄今持續拓展 miRNA 的基礎知識。而他的研究生涯起點,是高中時來到中研院參與的輔導實驗計畫。

調控基因表現的 miRNA

人類體內有上千個 miRNA 已完成定序,它們可調控 60% 的人類基因表現。而詹世鵬實驗室的主要研究領域是微核糖核酸的基因調控機制 (microRNA-mediated gene regulation) 以及小干擾核醣核酸 (small interfering RNA) 生成與作用機制的基礎研究。

詹世鵬在碩、博士班時期,於中研院鄭淑珍院士門下研究訊息核醣核酸剪接 (pre-mRNA splicing) 反應中的重要蛋白複合體 PRP19-complex,成果於 2003 年發表於《Science》,至今學界的最新研究仍引用為理論基礎。他隨後加入耶魯大學 Frank Slack 博士的團隊進行博士後研究。Slack 是發現 let-7 miRNA 的重要研究團隊成員,他的研究也證實 let-7 可調控致癌基因 RAS,並發現 let-7 的表現與肺癌有高度相關性。

到了博士後時期的研究主題,詹世鵬則探討微核醣核酸 (miRNA) 調控線蟲基因表現的機制。miRNA 的功能是近十多年來的重要生命科學發現,它們經由核醣核酸序列的互補性,辨認並結合標的訊息核醣核酸 (mRNA),抑制其訊息的轉譯功能、並促使其降解。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
miRNA 彷彿在幫 mRNA 踩剎車,暫停後續轉譯蛋白質,藉此調控基因表現。圖說設計/張語辰

RNA(核糖核酸)在生物體內不僅是基因傳訊者,更以其他形式調節著基因表現,扮演個體發育、細胞凋亡、細胞分化等機制的關鍵角色。

提到 RNA,多數人會直覺想到分子生物學的中心原則,在基因表現過程中,mRNA (信使核糖核酸)擔綱訊息傳遞功能,也可說是夾在 DNA 和蛋白質之間的傳訊者。當 DNA 序列轉錄 (transcription) 成 mRNA 之後,mRNA 會再擔任模板、轉譯 (translation) 出蛋白質,進而展現生物化學層面的功能,而 tRNA、rRNA 則輔助此機制運作。

此外,miRNA (微核糖核酸) 與 siRNA (小干擾核糖核酸)廣泛存在於細菌、植物、動物體中,它們的功能不同於 mRNA ,自身沒有最終的蛋白質產物,卻能決定其他基因的表現。

研究證實 miRNA 的功能與人類癌症、個體發育關係緊密。但是,miRNA 調節基因表現的方式,仍是一面空白遍布的複雜拼圖。

藉由「線蟲」了解 miRNA

miRNA 是線蟲各發育階段的主要調控分子,巧妙貫串整個生命史;同時也因為 miRNA 的基因保守性,在其他生物與人類體內有許多基因是以相同機制調控,因此科學家會研究線蟲來了解 miRNA 的奧秘。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

史上第一個被發現的微核醣核酸是線蟲的 lin-4 miRNA ,來自線蟲發育早期被活化的 lin-4 基因,轉錄出的 RNA 僅有 22 個核苷酸;lin-4 miRNA 本身無法轉譯產生蛋白質,卻能影響另一基因 lin-14 的表現。lin-4 不抑制 lin-14 基因的轉錄功能,卻能壓抑下一步的轉譯階段,使 lin-14 的蛋白產物大幅減少。此機制在 1993 年開始揭露,當時被視為線蟲特有的發育調節機制,並未引起廣大注意。

直到 2000 年,Gary Ruvkun 的研究團隊發現 lin-14 可以調控下游基因 let-7 的表現,而線蟲晚期發育時被活化的 let-7 產生的 miRNA 可以抑制下游基因 lin-41 以及成蟲發育基因 lin-29。以 miRNA 貫穿線蟲生命史的基因調控機制開始得到矚目。

miRNAs lin-4 和 let-7 調控標靶基因的時間關係,貫穿線蟲的年幼時期到成蟲。資料來源│Vella, M.C., & Slack, F.J. (2005). C. elegans microRNAs. WormBook : the online review of C. elegans biology, 1-9.

另外,於 2000 年,Pasquinelli 的研究團隊也指出 let-7 RNA 具有物種間的基因保守性 (Gene conservation),由於人類體內也含有 miRNA,miRNA 開始在發育學研究激起波瀾。

數年內,let-7 基因被發現與人類癌症關係緊密,例如,與肺癌病人術後存活率有直接關係、可以直接調控人類癌症基因 RAS。此後,許多研究團隊開始投入 miRNA 研究:包含尋找新種 miRNA,預測與鑑定其調控目標基因;研究 miRNA 在癌症中的角色,並測試相關療法。miRNA 成為分子生物學與基礎醫學領域的要角。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

各種 miRNA 結合的輔助蛋白分子各異, 調控基因表現的機制也充滿複雜可能性。

miRNA 如何抑制基因表現仍存有爭論,某些研究支持 miRNA 抑制轉譯作用的起始 (initiation);同時也有學者發現,miRNA 抑制的是正在轉譯的核糖體 (post-initiation repression)。

miRNA 的作用途徑

【miRNA 和 siRNA 的生成與作用】 資料來源/詹世鵬,2010。〈小兵立大功─ 微小核醣核酸與小干擾核醣核酸〉,《化學》,68 (4),303 – 312。 圖說重製/林任遠、張語辰

【miRNA 和 siRNA 的生成與作用】
一般路徑 (圖片由上至下):
1. DNA 與 RNA 聚合酶轉錄出上百至上千核苷酸長的 Pri-miRNA,透過 Drosha 切割為 60~70 核苷酸長的 pre-miRNA。
2. pre-miRNA 經過輸送蛋白 Exportin-5 進入細胞質,由 Dicer 切割為約 22 核苷酸長度的 miRNA 和互補股 miRNA* (將被移除降解的一股)。
3. miRNA 和 AGO 蛋白結合成 RISC ,尋找並結合目標 mRNA。完美結合就可以迅速切斷、降解 mRNA。結合不完全,形成突起 (bulge) 的話,就會抑制核糖體轉錄功能,進而由來自 RISC 的去腺嘧啶酶 (deadenylase) 複合物降解 mRNA。
—–
較少見的 Mirtron 路徑 (圖片右上至右下):
1. 來自中介子 (intron) 的 miRNA 序列,不經過 Drosha,而是由 RNA 剪接反應形成 pre-miRNA。此後的步驟與一般路徑相同。
—–
siRNA 路徑 (圖片左側至左下):
1. 外來雙股 DNA 進入細胞質,由 Dicer 切割為數十核苷酸長度的雙股 RNA 。
2. 其中一股與 AGO 等蛋白組成 RISC,可以和目標 mRNA 完美結合,並將其切斷降解。

如上圖所示,miRNA 的生成包含兩種核醣核酸內切酶: Drosha 與 Dicer ,接著和 Argonaute 蛋白質組成「核醣核酸沉默複合體」 (RNA-induced silencing complex, RISC) 抑制 mRNA 的轉譯作用或促使其降解。siRNA 則來自生物體外的長段 DNA,經 Dicer 切割而來,siRNA 亦可組成 RISC 引發目標 mRNA 降解。

詹世鵬在博士後研究中,就發現線蟲的 let-7 miRNA 形成的核醣核酸─蛋白複合體具有序列特異性,某幾種蛋白質僅與 let-7 miRNA 的特定序列結合,顯示 miRNA 形成 RISC 的特異性與多樣性。

此外,當 mRNA 的轉譯作用被 miRNA 抑制後,來自 RISC 的去腺嘧啶酶 (deadenylase) 複合物會進一步引發 mRNA 降解 (degradation)。因此在 miRNA 作用時,可以觀察到蛋白質合成被抑制,也可以發現到 mRNA 減少。然而,不同 miRNA 引發 mRNA 減少的幅度與速率,也在各種研究中都出現差異。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

詹世鵬說,因為這些特點,miRNA 很可能因為「序列差異」,以及不同的「輔助蛋白分子」組合, 決定目標 mRNA 的命運。他在研究中發現,核糖體上的特定蛋白質會影響 let-7 miRNA 功能,該蛋白質所在的核糖體區域很可能是 miRNA 發揮抑制作用之處。

至今,詹世鵬仍然常常做實驗到三更半夜,致力將這些複雜且精微的反應,研究地更加透徹;為的是好奇心,也為了有朝一日能立基於這些知識發展醫藥應用。這樣的他,是怎麼踏上研究之路的呢?

踏入實驗室的契機

詹世鵬認為:研究這些小分子的作用機制,除了滿足純學術好奇心,更是將 miRNA 與 siRNA 應用在治療人類疾病的重要基礎。攝影/張語辰

與實驗室一門之隔的辦公室中,詹世鵬檢查著待送檢的基因序列,一面回憶 33 年前加入第二屆「北區高中生物學習成就優異學生輔導實驗計畫」,從最基礎的生物學實驗雜務開始,踏上今天在臺大醫學院的分子生物學研究之路。「高一時,隔週日去中研院,上午聽課、下午做實驗,這樣的假日很棒!」詹世鵬回想。

但當時離開實驗計畫的同學,不是因為沒興趣做研究或想要玩樂,是因為他們去準備考醫學系了。

少年詹世鵬參與的是今日中研院「高中生命科學資優生培育計畫」之前身,當時由植物所協同動物所主持。由實驗計畫改組為今日的規模,共有 80 多位研究員參與指導,超過 2000 名高中生得以接受優秀的生物學家當面傳道解惑。而 30 多年來,能夠全程參與培育計畫的高中生大約是十分之一。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

因為參與計畫,詹世鵬得到諾貝爾獎得主 Sanger 之門生──周德源博士、水稻基因定序計畫共同主持人──鄔宏潘博士指導。度過三分之一世紀,他還依稀記得師長們的風格,他笑著坦承:「上課內容當然已經忘了,有些老師也僅記得面貌。印象中有位老師很豪邁、有江湖味,但是名字卻遺失在腦海裡。」

Q:研究基礎生物學,有得到家人的支持嗎?

我當年成績也可以考上醫學系,但我用輔導實驗計畫的資格,甄選進臺大植物系。這算是比較非主流的選擇,我爸就在潮州老家跟鄰居埋怨我:「醫生不當,跑去讀個種花種草的科系。」當年輔導實驗計畫第一名的同學,最後的確是成為醫師了。

Q:在鄭淑珍院士門下學習將近十年,印象最深刻的是什麼事情?

鄭老師很嚴謹,不接受任何實驗沒有控制組的圖;會仔細確認每個學生的實驗結果能否重複再現,同時記得所有學生實驗的細節。這種治學風格下,每張實驗圖表都要重複操作改進,累積相當紮實的技術與研究成果。我的博論口試花了三個小時,愈講聽眾愈多,很多其他實驗室的學生中途加入。

鄭老師很重視學生的成長,希望我這種「土博士」能出國磨練。而且不會因為我們很熟,就幫學生打理各種推薦門路,她希望我們培養一切自理的能力。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

Q:是否也在自己的實驗室中,再現了鄭老師的風格?

我從鄭老師那邊繼承的,大概就是經常和學生說:「實驗,沒有什麼到時候再做。」平常我們相處很輕鬆、沒有禁忌。但是我不接受學生對實驗說:「做到這樣就好了」、「到時候再做」、「如果要做的話…」這類不踏實的話。

我常和他們說:「做實驗,要就現在。沒有什麼到時候!」

Q:相對於其他職業,研究工作的特點是什麼?

做研究的好處,就是時間可以自理。有自由與資源可以去探索自己好奇的事情,這樣非常棒。當然,每個人的屬性不同,有些人的性格適合坐下來追根究柢;有些人比較坐不住,就未必能享受研究工作。像我是每天在實驗室跑膠也十分快樂的那種人。

Q:對有志於投入生物學研究的學生,有什麼建議?

生物學工作當然也有現實面的壓力。我這個世代和職位的學者,也常會被上級或長輩認為「還不夠努力」或「不夠聰明」,論文發表數或研究成果不盡理想。但是真的想求知、想滿足好奇心的學生,我想他們不需要尋求建議,就趕快開始動手,馬上設法做實驗吧!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

Q:研究基礎科學,設定研究問題時是否該回應特定的「社會需求」呢?

啊,非常難回答的問題。(從地板掃視到天花板,苦思)

從歷史的角度看,生物學的起點其實是依附在帝國主義與殖民活動之下的博物學工作。當時的生物學家目的很明確,就是為歐洲強權搜集海外珍禽異獸、奇花怪木、甚至是異國人類,作為展示或娛樂之用。

現代基礎生物學相對以「求知」為導向,不像過往為了帝國貴族或殖民商人的喜好而做。這樣看來,我會說不必為了任何人的目的,而純為求知而假設研究題目比較好。

不過我在國立大學工作,而且國內大多數研究經費來源都來自政府,確實是奠基在公共資源上進行研究。當然必須要考慮「回饋社會」,但哪一群人的需求可以代表「社會需求」?或是說生物學家應該優先在意誰的需求呢?這是每個學者自己必須拿捏的。

對我來說,在基礎科學領域,以自己的知識與好奇心出發,進行實驗設計就好。但是基礎科學研究者在挑選主題、進行實驗時,心中抱持著「以研究成果回饋社會」的期待與信念是非常重要、而且必要的。要放在心裡的是,違背科學倫理、甚至虛假的實驗就遠低於這個基本要求。

 

延伸閱讀:

本著作由研之有物製作,原文為《從「高中生」到「分子生物學家」 專訪詹世鵬》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

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

在網站上看不過癮?研之有物出書啦!

研之有物:穿越古今!中研院的25堂人文公開課》等著你來認識更多中研院精彩的研究。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度
所有討論 1
研之有物│中央研究院_96
296 篇文章 ・ 3616 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
0

文字

分享

0
2
0
地震之島的生存法則!921地震教育園區揭開台灣的防災祕密
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/09/20 ・4553字 ・閱讀時間約 9 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

為什麼台灣會像坐在搖搖椅上,總是時不時地晃動?這個問題或許有些令人不安,但卻是我們生活在這片土地上的現實。根據氣象署統計,台灣每年有 40,000 次以上的地震,其中有感地震超過 1,000 次。2024年4月3日,花蓮的大地震發生後,台灣就經歷了超過 1,000 次餘震,這些數據被視覺化後形成的圖像,宛如台北101大樓般高聳穿雲,再次引發了全球對台灣地震頻繁性的關注。

地震發生後,許多外國媒體擔心半導體產業會受影響,但更讓他們稱奇的是,台灣竟然能在這麼大的地震之下,將傷害降到這麼低,並迅速恢復。不禁讓人想問,自從 25 年前的 921大地震以來,台灣經歷了哪些改變?哪些地方可能再發生大地震?如果只是遲早,我們該如何做好更萬全的準備?

要找到這些問題的答案,最合適的地點就在一座從地震遺跡中冒出的主題博物館:國立自然科學博物館的 921地震教育園區。

圖:跑道捕捉了地震的瞬間 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

下一個大地震在哪、何時?先聽斷層說了什麼

1999年9月21日凌晨1點47分,台灣發生了一場規模7.3的大地震,震央在南投縣集集鎮,全台 5 萬棟房子遭震垮,罹難人數超過 2,400 人。其中,台中霧峰光復國中校區因車籠埔斷層通過,地面隆起2.6公尺,多棟校舍損毀。政府決定在此設立921地震教育園區,保留這段震撼人心的歷史,並作為防災教育的重要基地。園區內兩處地震遺跡依特性設置為「車籠埔斷層保存館」和「地震工程教育館」。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

車籠埔斷層保存館建於原操場位置,為了保存地表破裂及巨大抬升,所以整體設計不採用樑柱結構,而是由82根長12公尺、寬2.4公尺、重約10噸的預鑄預力混凝板組成,外觀為曲線造型,技術難度極高,屬國內外首見,並榮獲多項建築獎。而地震工程教育館保留了原光復國中受損校舍,讓民眾親眼見證地震的驚人破壞力,進一步強調建築結構與安全的重要性。毀損教室旁設有由園區與「國家地震工程研究中心」共同策劃的展示館,透過互動展示,讓參觀者親手操作,學習地震工程相關知識。

國立自然科學博物館地質學組研究員蔣正興博士表示,面積上,台灣是一個狹長的小島,卻擁有高達近4000公尺的山脈,彰顯了板塊激烈擠壓、地質活動極為活躍的背景。回顧過去一百年的地震歷史,從1906年的梅山地震、1935年的新竹-台中地震,到1999年的921大地震,都發生在台灣西部,與西部的活動斷層有密切關聯,震源位於淺層,加上人口密度較高,因此對台灣西部造成了嚴重的災情。

而台灣東部是板塊劇烈擠壓的區域,地震震源分佈更廣。與西部相比,雖然東部地震更頻繁,但由於人口密度相對較低,災情相對較少。此外,台灣東北部和外海也是地震多發區,尤其是菲律賓海板塊往北隱沒至歐亞板塊的隱沒地震帶,至沖繩海槽向北延伸,甚至可能影響到台北下方,發生直下型地震,這種地震因震源位於城市正下方,危害特別大,加上台北市房屋非常老舊,若發生直下型地震,災情將非常嚴重。

除了台北市,蔣正興博士指出在台灣西部,我們特別需要關注的就是彰化斷層的影響,該斷層曾於1848年發生巨大錯動。此外,我們也需要留意西南部的地震風險,如 1906 年的梅山地震。此兩條活動斷層距今皆已超過 100 年沒活動了。至於東部,因為存在眾多活動斷層,當然也需要持續注意。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

我們之所以擔心某些斷層,是因為這些區域可能已經累積了相當多的能量,一旦達到臨界點,就會釋放,進而引發地震。地質學家通常會沿著斷層挖掘,尋找過去地震的證據,如受構造擾動沉積物的變化,然後透過定年技術來確定地震發生的時間點,估算出斷層的地震週期,然而,這些數字的計算過程非常複雜,需要綜合大量數據。

挑戰在於,有些斷層的活動時間非常久遠,要找到活動證據並不容易。例如,1906年的梅山地震,即使不算久遠,但挖掘出相關斷層的具體位置仍然困難,更不用說那些數百年才活動一次的斷層,如台北的山腳斷層,因為上頭覆蓋了大量沉積物,要找到並研究這些斷層更加困難。

儘管我們很難預測哪個斷層會再次活動,我們仍然可以預先對這些構造做風險評估,從過往地震事件中找到應變之道。而 921 地震教育園區,就是那個可以發現應變之道的地方。

圖:北棟教室毀損區 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

921 後的 25 年

在園區服務已 11 年的黃英哲擔任志工輔導員,常代表園區到各地進行地震防災宣導。他細數 921 之後,台灣進行的六大改革。制定災害防救法,取代了總統緊急命令。修訂了建築法規,推動斷層帶禁限建與傳統校舍建築改建。組建災難搜救隊伍,在面對未來災害時能更加自主應對。為保存文化資產,增設了歷史建築類別,確保具有保存價值的建築物得到妥善照料。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

最後,則是推行防災教育。黃英哲表示,除了在學校定期進行防災演練,提升防災意識外,更建立了921地震教育園區,不僅作為教育場所,也是跨部門合作的平台,例如與交通部氣象署、災害防救辦公室、教育部等單位合作,進行全面的防災教育。園區內保留了斷層線的舊址,讓遊客能夠直觀地了解地震的破壞力,最具可看性;然而除此之外,園區也是 921 地震相關文物和資料的重要儲存地,為未來的地震研究提供了寶貴的資源。

堪稱園區元老,在園區服務將近 19 年,主要負責日語解說工作的陳婉茹認為,園區最大的特色是保存了斷層造成的地景變化,如抬升的操場和毀壞的教室場景,讓造訪的每個人直觀地感受地震的威力,尤其是對於年輕的小朋友,即使他們沒有親身經歷過,也能透過這些真實的展示認識到地震帶來的危險與影響。

陳婉茹回憶,之前有爸媽帶著小學低年級的小朋友來參觀,原本小朋友並不認真聽講,到處跑來跑去,但當他看到隆起的操場,立刻大聲說這他在課本看過,後來便聚精會神地聽完 40 分鐘的解說。

圖:陳婉茹在第一線負責解說工作 / 圖片來源:921地震教育園區

除了每看必震撼的地景,園區也透過持續更新策展,邀請大家深入地震跟防災的各個面向。策展人黃惠瑛負責展示設計、活動規劃、教具設計等工作。她提到,去年推出的搜救犬特展和今年的「921震災啓示展」與她的個人經歷息息相關。921 大地震時的她還是一名台中女中的住宿生,當時她儘管驚恐,依舊背著腿軟的學姊下樓,讓她在策劃這些展覽時充滿了反思。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在地震體驗平臺的設計中,黃惠瑛強調不僅要讓觀眾了解災害的破壞力,更希望觀眾能從中學到防災知識。她與設計師合作,一樓展示區採用了時光機的概念,運用輕鬆、童趣的風格,希望遊客保持積極心態。二樓的地震體驗平臺結合六軸震動臺和影片,讓遊客真實感受921地震的情境。她強調,這次展覽的目標是全民,設計上避免了血腥和悲傷的元素,旨在讓觀眾帶著正向的感受離開,並重視防災意識。

圖:地震體驗劇場 / 圖片來源:921地震教育園區

籌備今年展覽的最大挑戰是緊迫的時間。從五月開始,九月完成,為了迅速而有效地與設計師溝通,黃惠瑛使用了AI工具如ChatGPT與生成圖像工具,來加快與設計師溝通的過程。

圖:黃惠瑛與設計師於文件中討論設計/ 圖片來源:921地震教育園區

蔣正興博士說,當初學界建議在此設立地震教育園區,其中一位重要推手是法國地質學家安朔葉。他曾在台灣指導十位台灣博士生,這些博士後來成為地質研究的中堅力量。1999年921大地震後,安朔葉教授立刻趕到台灣,認為光復國中是全球研究斷層和地震的最佳觀察點,建議必須保存。為紀念園區今年成立20週年,在斷層館的展示更新中,便特別強調安朔葉的貢獻與當時的操場圖。

此外,作為 20 週年的相關活動,今年九月也將與日本野島斷層保存館簽署合作備忘錄(MOU),強化合作並展示台日合作歷史。另一重頭戲則是向日本兵庫縣人與自然博物館主任研究員加藤茂弘致贈感謝狀,感謝他不遺餘力,長期協助園區斷層保存館的剖面展品保存工作。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
右圖:法國巴黎居禮大學安朔葉教授。左圖:兵庫縣立人與自然博物館主任研究員加藤茂弘
/ 圖片來源:921地震教育園區

前事不忘,後事之師

盡力保存斷層跟受創校舍,只因不想再重蹈覆徹。蔣正興博士表示,921地震發生在車籠埔斷層,其錯動形式成為全球地質研究的典範,尤其是在研究斷層帶災害方面。統計數據顯示,距離車籠埔斷層約100公尺內,住在上盤的罹難率約為1%,而下盤則約為0.6%。這說明住在斷層附近,特別是上盤,是非常危險的。由於台灣主要是逆斷層活動,這一數據清楚告訴我們,在上盤區域建設居住區應特別小心。

2018年花蓮米崙斷層地震就是一個例證。

在921地震後,政府在斷層帶兩側劃設了「地質敏感區」。因為斷層活動週期較長,全球大部分地區難以測試劃設敏感區的有效性,但台灣不同,斷層活動十分頻繁。例如 1951 年,米崙斷層造成縱谷地震,規模達 7.3,僅隔 67 年後,在 2018 年再次發生花蓮地震,這在全球是罕見的,也因此 2016 年劃設的地質敏感區,在 2018 年的地震中便發現,的確更容易發生地表破裂與建築受損,驗證了地質敏感區劃設的有效性。

圖:黃英哲表示曾來園區參訪的兒童寄來的問候信,是他認真工作的動力 / 圖片來源:921地震教育園區

在過去的20年裡,921地震教育園區不僅見證了台灣在防災教育上的進步,也承載著無數來訪者的情感與記憶。每一處地震遺跡,每一項展示,都在默默提醒我們,那段傷痛歷史並未走遠。然而,我們對抗自然的力量,並非源自恐懼,而是源自對生命的尊重與守護。當你走進這座園區,感受那因地震而隆起的操場,或是走過曾經遭受重創的教室,你會發現,這不僅僅是歷史的展示,更是我們每一個人的責任與使命。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

來吧,今年九月,走進921地震教育園區,一起在這裡找尋對未來的啓示,為台灣的下一代共同築起一個更堅固、更安全的家園。

圖:今年九月,走進921地震教育園區 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

延伸閱讀:
高風險? 家踩「斷層帶、地質敏感區」買房留意
「我摸到台灣的心臟!」法國地質學家安朔葉讓「池上斷層」揚名國際
百年驚奇-霧峰九二一地震教育園區|天下雜誌

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度

討論功能關閉中。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
207 篇文章 ・ 312 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

0

2
0

文字

分享

0
2
0
從遺傳學角度剖析:女性能在體育場上超越男性嗎?——《運動基因》
行路出版_96
・2024/08/10 ・3712字 ・閱讀時間約 7 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

科學期刊的預言:女性能追趕甚至超越男性?

我在 2002 年還在讀大四時,第一次看到兩位 UCLA 生理學家的論文〈不用多久女性就會跑得比男性快?〉,當時我覺得這個標題很荒謬。在那之前我花了五個賽季,進行 800 公尺中距離跑步訓練,成績已經超越世界女子紀錄。而且我還不是自己接力隊上跑最快的。

但那篇論文發表在《自然》(Nature)期刊上,這是世上極具聲望的科學期刊,所以一定有些道理。大眾就是這麼認為的。《美國新聞與世界報導》雜誌在 1996 年亞特蘭大奧運之前,對一千個美國人做了調查,結果其中有三分之二認為,「終有一天頂尖女運動員會勝過頂尖男運動員」。

1996 年亞特蘭大奧運前,一千位美國人中有三分之二認為,「終有一天頂尖女運動員會勝過頂尖男運動員」。 圖/envato

《自然》期刊上那篇論文的作者,把男子組和女子組從 200 公尺短跑到馬拉松各項賽事歷年的世界紀錄畫成圖表,發現女子組紀錄進步得遠比男子組急速。他們用外推法從曲線的趨勢推斷未來,確定到 21 世紀前半葉,女性就會在各個賽跑項目擊敗男性。兩名作者寫道:「正因進步速度的差異實在非常大,而使(兩者)差距逐漸縮小。」

2004 年,趁著雅典奧運成為新聞焦點之際,《自然》又特別刊出一篇同類型的文章〈2156 年奧運會場上的重要衝刺?〉(Momentous Sprint at the 2156 Olympics?)──標題所指的,正是女子選手會在 100 公尺短跑比賽中,勝過男子選手的預計時間。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

2005 年,三名運動科學家在《英國運動醫學期刊》發表了一篇論文,省去問號開門見山在標題宣稱:〈女性終將做到〉(Women Will Do It in the Long Run.)。

難道男性主導世界紀錄的情況,始終是歧視女性、把女性排除於競技場外的結果?

20 世紀上半葉,文化規範與偽科學嚴重限制了女性參與運動競技的機會。在 1928 年阿姆斯特丹奧運期間,有媒體(捏造)報導指稱,女性選手在 800 公尺賽跑後筋疲力竭地躺在地上,這讓一些醫生和體育記者十分反感,使得他們認為這個比賽項目會危害女性健康。《紐約時報》上有篇文章就寫:「這種距離太消耗女性的體力了。」〔1〕那幾屆奧運之後,在接下來的三十二年間,距離超過 200 公尺的所有女子項目,都突然遭禁,直到 2008 年奧運,男女運動員的徑賽項目才終於完全相同。但《自然》期刊上的那幾篇論文指出,隨著女性參賽人數增多,看起來她們的運動成績到最後可能會與男性並駕齊驅,甚至比男性更好。

運動能力的基因密碼:性別差異的生物學根源

我去拜訪約克大學的運動心理學家喬.貝克時,我們談論到運動表現的男女差異,尤其是投擲項目的差異。在科學實驗裡證實過的所有性別差異中,投擲項目一直名列前茅。用統計學術語來說的話,男女運動員的平均投擲速度相差了三個標準差,大約是男女身高差距的兩倍。這代表如果你從街上拉一千個男子,其中 997 人擲球的力氣會比普通女性大。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

不過貝克提到,這種情形可能是反映女性缺乏訓練。他的太太是打棒球長大的,輕輕鬆鬆就能贏過他。他打趣說:「她會發出一束雷射光。」那麼這是生物學上的差異嗎?

男性和女性的 DNA 差異極小,僅限於在女性身上為X或男性為Y的那單一染色體。姊弟或兄妹從完全相同的來源取得基因,透過重組母親和父親的 DNA,確保兄弟姊妹絕對不會相近到變成複製人。

性別分化過程大部分要歸結到 Y 染色體上的「SRY 基因」,它的全名是「Y 染色體性別決定區基因」。若要說有「運動能力基因」,那就非 SRY 基因莫屬了。人類生物學的安排,就是讓同樣的雙親能夠同時生育出男性的兒子和女性的女兒,即使傳遞的是相同的基因。SRY 基因是一把 DNA 萬能鑰匙,會選擇性地啟動發育成男性的基因。

我們在生命初期都是女性──每個人類胚胎在形成的前六週都是女性。由於哺乳動物的胎兒會接觸到來自母親的大量雌激素,因此預設性別為女性是比較合算的。在男性身上,SRY 基因到第六週時會暗示睪丸及萊氏細胞(Leydig cell)該準備形成了;萊氏細胞是睪丸內負責合成睪固酮的細胞。睪固酮在一個月之內會不斷湧出,啟動特定基因,關閉其他基因,兩性投擲差距不用多久就會出現。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

男孩還在子宮時,就開始發育出比較長的前臂,這使得他們日後投擲時會做出更有力的揮臂動作。儘管男孩和女孩在投擲技能方面的差異,不如成年男性和女性之間那麼顯著,但這種差異在兩歲幼童身上已經很明顯了。

性別分化過程大部分要歸結到 Y 染色體上的「SRY 基因」,會選擇性地啟動發育成男性的基因。 圖/envato

文化與訓練的影響:投擲項目中的性別差距

為了確定孩童之間的投擲差距有多少與文化有關,北德州大學和西澳大學的科學家組成團隊,共同測試美國孩童與澳洲原住民孩童的投擲技能。澳洲原住民沒有發展出農業,仍過著狩獵採集生活,他們教導女孩丟擲戰鬥及狩獵用武器,就像教導男孩一樣。這項研究確實發現,美國男孩和女孩在投擲技能上的差異,比澳洲原住民男孩和女孩之間的差異顯著許多。不過儘管女孩因為較早發育長得較高較壯,男孩仍比女孩擲得更遠。

普遍來說,男孩不僅比女孩更善於投擲,視覺追蹤攔截飛行物的能力往往也出色許多;87% 的男孩在目標鎖定能力的測試上,表現得比一般女孩好。另外,導致差異的部分原因,至少看起來是因為在子宮的時期接觸到了睪固酮。由於先天性腎上腺增生症,而在子宮裡接觸到高濃度睪固酮的女孩,上述項目的表現會像男孩一樣,而不像女孩;患有這種遺傳疾病的胎兒,腎上腺會過度分泌男性荷爾蒙。

受過良好投擲訓練的女性,能輕易勝過未受訓練的男性,但受過良好訓練的男性,表現會大幅超越受過良好訓練的女性。男子奧運標槍選手擲出的距離,比女子奧運選手遠大約三成,儘管女子組使用的標槍比較輕。此外,女性投出的最快棒球球速的金氏世界紀錄是 65 mph(相當於時速 105 公里),表現不錯的高中男生的球速經常比這還要快,有些男子職業球員可以投出超過 100 mph(相當於時速 160 公里)的球速。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在跑步方面,從 100 公尺到 1 萬公尺,經驗法則是把菁英級表現差距定在 11%。從短跑到超級馬拉松,不管任何距離的賽跑,男子組的前十名都比女子組的前十名快大約 11%。〔2〕在職業等級,那就是個鴻溝。女子組的 100 公尺世界紀錄,跟 2012 年奧運男子組的參賽資格還差了四分之一秒;而在一萬公尺長跑,女子組的世界紀錄成績,與達到奧運參賽資格最低標準的男選手相比落後了一圈。

不論距離,男子組前十名的跑步速度普遍比女子組快約 11%。圖/enavato

投擲項目與純爆發力型運動項目的差距更大。在跳遠方面,女子選手落後男子 19%。差距最小的是長距離游泳競賽;在 800 公尺自由式比賽中,排名前面的女子選手,與排名前面的男子選手差距不到 6%。

預言女性運動員將超越男性的那幾篇論文暗示,從 1950 年代到 1980 年代,女性表現的進展遵循一條會持續下去的穩定軌跡,但在現實中是有一段短暫爆發,隨後趨於平穩──這是女子運動員,而非男子運動員進入的平穩期。儘管到 1980 年代,女性在 100 公尺到 1 英里各項賽跑的最快速度,都開始趨於穩定,但男子運動員仍繼續緩慢進步,雖然只進步一點點。

數字很明確。菁英女子選手並未趕上菁英男子選手,也沒有保持住狀況,男性運動員則在非常慢地進步。生物學上的差距在擴大。但為什麼原本就有差距存在?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

註釋

  1.  各報上氣不接下氣地報導 800 公尺女子選手紛紛倒在跑道上。正如運動雜誌《跑步時代》(Running Times)2012 年的一篇文章指出的,實情是只有一個女子選手在終點線倒下,其餘三名都打破了先前的世界紀錄。據稱人在現場的《紐約郵報》記者寫道,「11 位淒慘的女性」當中有 5 人沒有跑完,5 人在跑過終點線後倒下。《跑步時代》報導說,參賽的女運動員只有 9 個,而且全部跑完。
  2. 過去普遍認為,隨著比賽距離拉長,女子賽跑選手會超越男子選手。這是克里斯多福.麥杜格(Christopher McDougall)在《天生就會跑》這本很吸引人的書裡談到的主題,但不完全正確。成績非常優秀的跑者之間的 11% 差距,在最長距離和最短距離同樣穩固存在。儘管如此,南非生理學家卻發現,當一男一女的馬拉松完賽時間不相上下,那個男士在距離短於馬拉松的比賽中通常會贏過那個女士,但如果競賽距離加長到 64 公里,女士就會跑贏。他們報告說,這是因為男性通常比較高又比較重,比賽距離越長,這就會變成很大的缺點。然而在世界頂尖超馬選手當中,男女體型差異比一般群體中的差異小,而 11% 的成績差距,也存在於超級長距離的最優秀男女選手之間。

——本文摘自 大衛・艾普斯坦(David Epstein)運動基因:頂尖運動表現背後的科學》,2020 年 12 月,行路出版,未經同意請勿轉載

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

討論功能關閉中。

行路出版_96
21 篇文章 ・ 8 位粉絲
行路為「讀書共和國」出版集團旗下新創的出版社,出版知識類且富科普或哲普內涵的書籍,科學類中尤其將長期耕耘「心理學+腦科學」領域重要、具時代意義,足以當教材的出版品。 行路臉書專頁:https://www.facebook.com/WalkPublishing

1

20
0

文字

分享

1
20
0
不抽菸也會得肺癌?PM2.5 如何「叫醒」沉睡的癌細胞?
PanSci_96
・2024/06/25 ・4403字 ・閱讀時間約 9 分鐘

不好意思,你很可能會得這種癌症。其實,我也是。

它就是台灣十大癌症榜首,肺癌。

現在,根據 2023 年 11 月衛福部發布的最新統計數字,肺癌一年的新增病人數已經超越大腸直腸癌,成為台灣每年癌症發生人數之最,堪稱臺灣人的「國民病」。

可怕的是,肺癌在癌症之中有三個之最:死亡率最高、發現時已經是晚期的比例最高、醫藥費也最高。現在再加上發生人數最高,堪稱從癌症四冠王。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

你說肺癌是抽菸的人的事?錯!台灣抽菸人口比例在全球排名 30,比日本、韓國、中國和多數歐洲國家都還低!顯然抽菸並不是肺癌的唯一主因!那難道是二手菸?還是空污惹的禍?還是台灣人的基因天生脆弱?我們到底要怎麼做才能遠離肺癌?

臺灣人的肺癌特別在哪?癌症和基因有關嗎?

根據衛福部國健署的說法,肺癌人數的增加,其實與 2022 年 7 月開始推動肺癌篩檢的政策有關。

隨著篩檢量的上升,近年內肺癌的確診人數預期還會再往上。

原來是因為篩檢量啊,那就不用擔心了。但換個角度想,這才是肺癌最可怕的地方,它可能已經存在在很多人身體裡,而我們卻沒能發現它。肺癌早期幾乎沒有症狀,高達 50% 的患者發現時已經是第 4 期。屆時不只肺部遍布腫瘤,癌細胞可能還轉移到大腦、骨頭等器官,讓治療變得加倍困難。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

對付肺癌,最關鍵點是愈早發現愈好。按照國健署統計,如果第 1 期就發現,5 年存活率可達九成以上,第 2 期發現降為六成,第 3 期存活率大約三成,一旦到第 4 期,僅僅剩下一成。

當然,最好的方法,就是做好預防,打從一開始就不讓癌細胞誕生。

那麼我們就要先了解問題到底是出在環境,還是你、我身體中的基因? 過去關於肺癌的遺傳研究,多半以歐美國家為主,套用到我們身上總有些牛頭不對馬嘴。幸好,我這裡一份以臺灣人為主角的大規模研究報告,將為我們揭露答案。

這份研究是由中央研究院團隊主導,結合臺灣大學、臺北醫學大學、臺中榮總等單位的研究,還登上生物領域頂尖期刊《Cell》2020 年 7 月的封面故事。非常具有權威性,不能不看。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

同時,這也是全球第一次完整剖析東亞地區肺癌的成因。他們的主題很明確:「為什麼不吸菸也會得肺癌?」

在西方,肺癌病人裡面只有 20% 左右的人不吸菸。但是在臺灣,卻有超過一半的肺癌病人都不抽菸,顯示有其他致癌要素潛伏在基因裡作怪。另外,臺灣肺癌病人的男女比例和西方人也大不同,臺灣女性通常更容易罹患肺癌。 為了瞭解肺癌,研究團隊取得肺癌病人的腫瘤和正常組織,解讀 DNA 序列和蛋白質表現量,最後鑑定出 5 種和西方人明顯不同的變異特徵。

其中最受關注的,是一種 APOBEC 變異,因為它有可能是臺灣女性為什麼容易罹患肺癌的關鍵。

這種變異特徵屬於內生性的,也就是人體機制自然產生的 bug。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

APOBEC 不是指單一基因,它是細胞內負責編輯 mRNA 的一組酵素,包含 11 個成員。主要功用是把胞嘧啶核苷酸(C)轉變尿嘧啶核苷酸(U)。簡單來說,APOBEC 原本是細胞正常活動的一環。但因為它有改寫核酸序列的能力,在 DNA 修復過程同時活躍時,就很有可能出事。這就像是一個創意豐富的阿嬤,看到破損的古畫,就在沒和別人討論的情況下上去東湊西補,用自己的方式重新修復了這件藝術。一個與原本不同的突變細胞可能就這樣產生了。

APOBEC 變異在臺灣女性病人身上特別明顯,舉例來說,60 歲以下沒有吸菸的女性患者,就有高達四分之三有這種變異特徵。研究團隊認為,APOBEC 出錯造成的基因變異可能是導致女性肺癌的關鍵。 除了內生性變異,另外一個容易導致肺癌發生的,就是周遭環境中的致癌物。

致癌物有哪些?

研究團隊總結出 5 種肺癌危險物質:烷化劑、輻射線、亞硝胺(Nitrosamine)、多環芳香烴(PAHs),還有硝基多環芳香烴(Nitro-PAHs)。

其中,亞硝胺類化合物主要來自食品添加物和防腐劑,多環芳香烴大多來自抽菸和二手菸,硝基多環芳香烴則是透過汽機車廢氣和 PM2.5 等毒害肺部。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
圖/unsplash

他們進一步分析,大略來說,女性在不同年紀,致癌因素也有差異。60 歲以下的女性肺癌病人,APOBEC 特徵的影響比較明顯;70 歲以上的女性患者,和環境致癌物的相關度比較高。 既然找到致癌原因,我們該如何著手預防呢?你知道肺癌,其實有疫苗可打!?

空氣污染和肺癌有關嗎?有沒有癌症疫苗?

想預防肺癌,有 2 種對策,一種是「打疫苗」,一種是「抗發炎」。

是的,你沒聽錯,英國牛津大學、跟佛朗西斯.克里克研究所,還有倫敦大學學院在 2024 年 3 月下旬公布,他們正在研發一款預防性的肺癌疫苗,就叫 LungVax。它所使用的技術,和過往牛津大學協同阿斯特捷利康藥廠製造 COVID-19 AZ 疫苗時的方法相似。

他們已經募到一筆 170 萬英鎊的經費,預計未來兩年資金陸續全數到位,第一批打算先試生產 3000 劑。不過,關於這款肺癌疫苗,目前透露的消息還不多,我們挺健康會持續追蹤這方面研究的進展。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在疫苗出來之前,我們還有第二個對策:抗發炎。發炎和肺癌有什麼關係呢?這就要先回到一個問題:為什麼空污會提高得肺癌的機率呢?

一個很直觀又有力的推測是,空污會導致肺部細胞 DNA 突變,因此而催生出腫瘤。

圖/unsplash

但是修但幾勒,科學要嚴謹,不能只看結果。科學史上發生過很多次表象和真實截然不同的事件,空污和肺癌會不會也是這樣?

2023 年 4 月《Nature》的一篇封面故事,明確地說:Yes!肺癌真的和我們想的不一樣。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

其實早在 1947 年,就有以色列生化學家貝倫布魯姆(Isaac Berenblum)質疑主流觀點,他提出的新假設是:除了 DNA 突變以外,癌細胞還需要其他條件才能坐大。用白話說,就是肺癌是個會兩段變身的遊戲副本頭目,正常細胞先發生變異,接著再由某個條件「扣下扳機」,突變細胞才會壯大成腫瘤。

也就是説,只要攔住任一個階段,就有機會能防範肺癌。假如這論點正確,全球肺癌防治的方向將會直角轉彎。

《Nature》的研究支持這個假說,扭轉了過去 70 多年來的看法。在這項里程碑研究中,臺灣也是要角。

時間回到 2020 年,《Nature Genetics》上發表了一份針對 20 種致癌物質的研究報告,包括鈷、三氯丙烷和異丙苯等,但注意,這研究指出這些致癌物大多沒有增加實驗鼠的 DNA 變異量。

這個現象實在太違反直覺,過了 3 年,疑團還是懸而未決。直到《Nature》的跨國研究出爐,才解開部分謎底。

英國倫敦佛朗西斯.克利克研究所主導 2023 年的一項研究,他們鎖定對象為肺腺癌。肺腺癌是典型「不吸菸的肺癌」,台灣每 4 個肺癌病人就有 3 人是肺腺癌,尤其是女性肺腺癌患者有高達九成不抽菸。 為了抽絲剝繭探明空污和肺癌的關係,研究團隊聚焦在肺腺癌患者常發生的表皮生長因子受體基因變異,縮寫 EGFR。他們收集英國、加拿大、韓國和臺灣四國大約 3 萬 3 千名帶有 EGFR 突變的病人資料,進行深入分析,並且發現 PM2.5 和肺腺癌發生率有顯著關聯。研究團隊進一步用小鼠做試驗,把小鼠分成吸入和未吸入 PM2.5 兩組,結果發現吸入組更容易長出惡性腫瘤。

圖/pexels

到目前為止都還不算太意外,然而,團隊切下肺部細胞、分析 DNA 以後發現,DNA 的突變量居然沒有明顯增加!但是有另一件事發生了:堆積在肺的 PM2.5 顆粒會吸引免疫細胞從身體各處聚集過來,並分泌一種叫做 IL-1β 的發炎因子,導致肺組織發炎。

這下子有趣了,根據克利克研究所團隊的檢驗結果,估計每 60 萬個肺部細胞有 1 個帶有 EGFR 突變,這些細胞在發炎環境裡會快馬加鞭生長。相反的,當他們給小鼠注射抑制 IL-1β 的抗體,肺癌發病率就跟著下降。 《Nature》一篇評論引述美國加州大學舊金山分校分子腫瘤學專家波曼(Allan Balmain)的看法。他總結說,空污致癌的主要機制,可能不是因為空污誘發了新突變,而是持續發炎會刺激原本已帶有突變的細胞生長。換句話說,本來在熟睡的壞細胞會被發炎反應「叫醒」。

這會給肺癌防治帶來巨大衝擊,這樣一來,問題就從「用公衛或醫療方法防止 DNA 變異」變成了「如何抑制發炎」。

人體的細胞每天不斷分裂,用新細胞替換老舊細胞。但是這就像工廠生產線,良率無法百分百,組裝幾十萬產品難免會做出幾件瑕疵品,也就是帶有基因突變的細胞。換句話說,從自然界角度來看,DNA 變異是一種自發現象,醫療手段實際上幾乎不可能阻止。

但是,降低發炎卻是有可能做到的,例如注射抑制 IL-1β 因子的抗體。不過,就公共衛生來說,要給幾千萬人施打抗發炎因子藥物根本不切實際,因為太花錢,而且也可能造成其他的副作用。 波曼在《Nature》評論裡建議,透過簡易可行的飲食方式來降低體內發炎,或許有機會減少某些癌症的風險。這也就是說,科學家應該重新回來審視,怎樣把每天的生活點滴點石成金變成防癌手段。

圖/unsplash

這也等於預告了肺癌的下一階段研究方向,除了內科、外科醫療科技持續精進,尋求預防惡性疾病的最佳飲食要素,也成為聚焦重點。

也想問問你,關於肺癌,你最看好的下一個突破是什麼呢?

  1. 希望有篩檢技術 2.0,不但百發百中,如果連X光都不必照,只要抽血就能順便驗出有沒有癌細胞,那該多好。
  2. 當然是癌症疫苗,最好是能一勞永逸。
  3. 科學證實有效的抗發炎防癌食物組合,我一定立刻加入菜單,不過還是希望味道要好吃啦。

留言告訴我們你的想法吧,如果你覺得這集的內容特別實用,記得分享給你的親朋好友!

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
所有討論 1