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細胞可以長生不老?海佛列克極限說不行!

劉馨香_96
・2019/02/12 ・1653字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 558 ・八年級

江湖上曾經流傳著一種傳說,認為只要在適當的溶液裡,細胞就可以無數次地複製自己,永生地活著。

這項傳說來自於對血管縫合與器官移植有重大貢獻,獲得 1912 年諾貝爾生理或醫學獎的亞歷克西.卡雷爾(Alexis Carrel)。他改良了細胞培養技術,宣稱成功在體外培養了雞心細胞,但神奇的是,每年他都會宣布這些雞心細胞還活著,如此持續數十年。「或許有一天能實現長生不老的美夢!」大眾媒體興奮地渲染著。

然而多年來,其他科學家都無法複製這項結果。

細胞能無止盡地分裂嗎?圖/pixabay

直到 1960 年代,李奧納多.海佛列克(Leonard Hayflick)才正式推翻卡雷爾的說法。

當時他在威斯達研究所(Wistar Institute)負責培養細胞提供研究所內的實驗室使用。他觀察到正常的人類細胞不能無限地分裂下去,而是有其極限。在進一步研究之後確認,不管是來自胎兒還是成人的多種細胞,大約都只能分裂40-60次,就會停滯不分裂或者細胞凋亡而死亡。他認為分裂能力的限制和細胞的衰老有關,而細胞衰老可能導致了身體的老化。

就像一部機器使用久了,零件自然會磨損,系統愈來愈容易故障,最終走向報廢一途。生命其實也是一樣的道理。細胞作為生物體的單位,如同構成一部機器的零件,老化的現象在細胞層級就發生了。

一部機器用久了,零件自然會磨損。圖/pixabay

日後,細胞分裂極限的概念被稱為「海佛列克極限(Hayflick limit)」。

到了 1980 年代,科學家們對於染色體末端的端粒(telomere)結構有愈來愈深入的認識,他們發現細胞每分裂一次端粒就會變短一點,於是隨著細胞分裂的次數增多,端粒長度也愈來愈短。當端粒短到無法再保護染色體結構及基因時,細胞就會抑制生長、停止複製,邁入衰老。

儘管仍有人反對海佛列克極限,認為細胞無法持續分裂,只是因為細胞有受損,或者是實驗室培養環境的問題,更多科學家則認可了海佛列克極限的概念,並套用在關於細胞老化的研究上,尤其是隨著細胞分裂愈來愈短的端粒,就像細胞內建的生命倒數計時器,應證了海佛列克極限的概念。

咦,所以「端粒」是什麼?

端粒是染色體末端的特殊結構,由不斷重複的 DNA 序列「TTAGGG」所構成,具有維持染色體結構穩定性的功能。當細胞要一分為二,就需要複製 DNA。但是 DNA 複製機制本身具有「末端問題(End replication problem)」,最末尾的 5 端處會有一小段序列沒辦法被複製到,因此 DNA 複製完成後的兩端都會損失一些序列,端粒因此愈來愈短。

隨著細胞分裂,DNA(端粒)會愈來愈短。圖/wikipedia

如果帶有遺傳資訊的 DNA 序列(也就是基因)丟失就太糟了,於是,位於染色體末端的端粒其實也扮演了重要的砲灰角色,每次 DNA 複製後,都能因著犧牲端粒一小段無意義的重複序列,得以保全染色體內的其他基因。如此看來,端粒雖然是生命倒數計時器,但其實它是在保護我們的生命,直至粉身碎骨啊!

身體的老化是每個人逃也逃不了的命運。圖/pixabay

那麼是不是只要把端粒加長,就能打破海佛列克極限,逃脫寫在細胞裡的老化命運了呢?

在細胞層面來說,或許是喔!

其實我們身體中的幹細胞有端粒酶(telomerase)在工作,能夠合成 DNA 末端的序列、加長端粒,讓幹細胞可以不斷分裂出新的細胞。然而,端粒酶活性的調控非常複雜,人人聞之色變的癌細胞往往具有失控的端粒酶活性,才獲得永生不死、不斷分裂的能力,進而侵害人體其他組織,癱瘓身體機能。如果我為了永生,開啟端粒酶基因,一個不小心,永生的只有癌細胞,我是活不下去的啊!

那麼還有可能長生不老嗎?來來來看動畫吧:

 

參考資料:

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劉馨香_96
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生科系畢業,喜歡腦、神經與心智。

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鑑識故事系列:狗咬狗,滿嘴…mtDNA
胡中行_96
・2023/08/14 ・1957字 ・閱讀時間約 4 分鐘

愛犬慘死,兇手逍遙法外。縱然不是每個人都如電影《捍衛任務》的 Johon Wick,身懷絕技,謀求私刑正義;[1]透過科學管道,至少可以討個答案,獲得心靈平靜。義大利某隻母的傑克羅素㹴(Jack Russell Terrier),橫屍寵物旅館的院子,得年 8 歲。犬舍的網子破裂,有向內拉扯的痕跡。寵物旅館老闆養的3隻荷花瓦特犬(Hovawart),嫌疑重大;然而事後到場的獸醫,卻認為野生狐狸或海狸才是罪魁禍首。傑克羅素㹴的主人心有不甘,遂找上波隆那的一所動物疾病預防研究機構(L’Istituto Zooprofilattico Sperimentale della Lombardia e dell’Emilia-Romagna)。[2]

非當事傑克羅素㹴。圖/Oskar Kadaksoo on Unsplash

解剖狗屍

這隻傑克羅素㹴死後,在日均溫 7 °C 的環境,被擱置 18 到 20 個鐘頭。接著於 − 18 °C 的冰庫裡,凍了 1 個月,才被研究機構拖出來驗屍。從外觀看來,牠生前的健康狀況良好。不過,毛皮沾血,且有 14 道 7 至 10 公厘,略呈橢圓,邊緣清楚的咬傷,分佈於頸、肩、胸、肋弓、大腿(照片)和鼠蹊。另外,腰部還有個 10 公分長,2.5 公分寬的大傷口。剝掉狗皮後,可見創傷頗深:左邊頸、胸的肌肉浸潤於血中;胸腔與腹腔內,也有輕微出血;肋間肌、肋膜及腹壁穿孔;並有一根肋骨骨折。綜合以上,牠顯然死於咬傷穿透胸部,[2]使空氣在肋膜腔中累積而壓迫肺臟,[3]所導致的氣胸(pneumothorax)。[2]那麼究竟是什麼動物如此殘暴?

nDNA vs. mtDNA

兇手遺留在死者身上的 DNA,是指認身份的好線索。[2]細胞中的細胞核(nucleus)和粒線體(mitochondria)都含有 DNA,[4]分別簡稱為 nDNAmtDNA,兩者並不相同。以人類為例,前者包含從雙親得來的 2 至 3 萬個基因;後者則有 37 個,主要遺傳自母親。[5]分析 nDNA 的短縱列重複序列(short tandem repeat;STR),也就是一些鑑別度高的小片段;[4]或是單核苷酸多型性(single nucleotide polymorphism;SNP),即DNA序列中單一鹼基的變異,[6]便能辨識個體。[2]

以此案來說,最理想的作法,當然是從㹴犬身上的咬傷取樣,分析 nDNA,再比對兇嫌的樣本。可惜屍體於運送的過程中,大概已經受到汙染,驗了也未必準確。再加上寵物旅館的老闆,絕不可能讓3隻荷花瓦特犬配合調查,這個辦案方向根本毫無希望。[2]

好在天無絕人之路,數根 5 到 10 公分不等,顏色有深有淺的毛髮,不僅卡在死者的牙縫裡(照片),還纏於腳掌上。它們出現的位置奇怪,長得又跟梗犬的不同,或許正是來自兇手。儘管鑑識採集的毛髮時常不帶毛囊,[2]而髮幹的 nDNA 含量又極低,不過會有相當充足的 mtDNA,[7]可以辨識物種。於是,鑑識人員挑了最長又最完整的 4 根送驗。[2]

死者的腳掌,纏著兇嫌的毛髮。圖/參考資料 2,Figure 3(CC BY 4.0)

狼 vs. 犬

毛髮 mtDNA 分析的結果,顯示其來源非狼即犬,才不是獸醫瞎說的狐狸或海狸。如果進一步由傷口位置,回推攻擊方式,嫌疑範圍又會縮得更小:[2]

(Canis lupus)作為掠食者,攻擊講求效率。最好不太耗費能量,便獵得豐美肉食。特別是遇到傑克羅素㹴,這種小型犬的時候,會朝頸部直接咬死,然後狼吞虎嚥。此外,該寵物旅館附近,沒有狼出沒。[2]

相對地,(Canis lupus familiaris)打起架來,才會全身從頭到尾胡亂咬。好不容易把對方搞癱了,卻放著全屍一口沒吃。因此,本案的兇手應該是中、大型犬,而且當時有機會與死者接觸的,唯有那 3 隻毛髮長度和顏色,與證物完全吻合的荷花瓦特犬。[2]

非當事荷花瓦特犬。圖/Oxborrow on Wikimedia Commons(Public Domain)

身後貢獻

鑑識團隊完成狗主人託付的任務後,撰文介紹將 mtDNA 的細胞色素 b 基因(cytochrome b gene),放大並定序,最後確認物種的細節。[2]雖然不曉得他們的努力,是否有助司法公道,但是好歹已為學術研究貢獻心力。天下蒼生多少默默無聞,死後被立碑著傳的又有幾個?一隻備受寵愛的傑克羅素㹴,能榮登學術期刊,也算不枉此生。

  

參考資料

  1. John Wick’. IMDb. (Accessed on 02 AUG 2023)
  2. Roccaro M, Bini C, Fais P, et al. (2021) ‘Who killed my dog? Use of forensic genetics to investigate an enigmatic case’. International Journal of Legal Medicine, 135, 387–392.
  3. McKnight CL, Burns B. (15 FEB 2023) ‘Pneumothorax’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
  4. Department of Emergency Services and Public Protection. ‘Nuclear DNA’. U.S. Connecticut’s Official State Website. (Accessed on 01 AUG 2023)
  5. Storen R, Smith E. (11 JUN 2021) ‘Mitochondrial donation in Australia.’ FlagPost by Parliament of Australia.
  6. Gunter C. (01 AUG 2023) ‘Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs)’. U.S. National Human Genome Research Institute.
  7. Tridico SR, Koch S, Michaud A, et al. (2014) ‘Interpreting biological degradative processes acting on mammalian hair in the living and the dead: which ones are taphonomic?’. Proceedings of the Royal Society B, 2812014175520141755.
胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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明明念化學,最後卻致力於生科?一段自我探索之路 —專訪陳律佑
研之有物│中央研究院_96
・2023/07/14 ・5762字 ・閱讀時間約 12 分鐘

本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 採訪撰文/林承勳
  • 責任編輯/簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

陳律佑是中央研究院分子生物研究所的副研究員,長期致力於端粒研究,並在該領域取得了豐碩的成果。此外,他也與臨床醫療機構合作,為兒童癌症治療制定一系列計畫。然而,即使是像陳律佑這樣的研究人才,也不是在一開始就確定自己想要投入的領域,他在學生時期經歷了一段自我探索的過程。他是怎樣一步步走進端粒研究?又是什麼機緣,促成學術研究與臨床醫療合作?請跟著中研院研之有物專訪一起看看。

陳律佑專注在端粒研究領域。圖/研之有物

染色體端粒的消長,牽動細胞老化與癌細胞發展,對於人的壽命有決定性影響力,端粒是當前人類健康與疾病的重要研究主題。陳律佑與他的研究團隊致力於端粒研究,揭開了 ALT 癌細胞如何逃避免疫機制的秘密,在「研之有物」之前的文章〈解密兒童癌症:ALT 癌細胞如何延長端粒、逃避免疫系統?〉有詳細討論,以下簡述研究內容。

首先是確認 ECTR DNA 會開啟 cGAS-STING 感知路徑,激發人體先天免疫反應;接著發現 ALT 癌細胞會讓 STING 蛋白消失,使 cGAS-STING 路徑失去作用,免疫機制無法啟動,癌細胞才能夠生生不息;目前,研究團隊正在積極尋找治療 ALT 癌症的潛在方法。

陳律佑的研究成果,不僅推進了端粒基礎研究,還與和信治癌中心醫院的陳榮隆醫師合作,結合學術研究與臨床醫療,在兒童罕病治療扮演重要角色。不過,擅長研究端粒的陳律佑,並非一開始就進到生命科學領域,他在求學時期也經歷了一段自我探索的過程。

陳律佑和研之有物團隊解釋端粒構造。圖/研之有物

唸的是化學 卻成功在生科找到自己的歸屬

「我高中其實沒有唸過生物,當時對化學比較有興趣。」陳律佑笑著說,依著高中時的興趣,陳律佑進到清華大學化學系。但是讀著讀著,他逐漸發覺所學內容似乎跟自己想像的不大一樣,於是陳律佑開始到各系所修課,接觸不同領域的知識。

他到物理系、數學系的課堂學習,也去修生命科學系的課,生科成功喚起陳律佑的興趣。「細胞生物學、分子生物學、遺傳學等等,這些課程內容就發生在我們身體,與生活息息相關,實在非常吸引我。」陳律佑說。就讀化學系的他不僅修完生命科學系的必修課,還主動去修實驗課,更進入細胞生物學實驗室裡面研究專題,就讀生命科學系碩士。

剛開始他是研究細胞的熱休克反應。「研究熱休克的方法,簡單來說就是燙一下細胞,然後觀察細胞的反應。」陳律佑解釋,溫度上升 5 度,就會讓細胞內化學反應發生錯亂,熱休克蛋白會大量表現,可協助其細胞穩定蛋白結構,因應環境改變,維持細胞生理。

雖然陳律佑專題和碩士班都在研究「細胞熱休克反應」,但是他到美國攻讀博士時,決定挑戰全新的領域。「我覺得,自己碩士班到博士班這段時間,都還是持續地在自我探索。」陳律佑說。

博士班一年級期間,除了修課以外,還投入時間進入三個不同領域的實驗室實習,兩個是研究蛋白質結構、一個是研究老化生物學。最終陳律佑選擇了與過去研究截然不同的主題:老化生物學,也就是研究端粒的實驗室進行博士論文研究。

「碩班是研究細胞生物學,但當時我想要投入自己沒有接觸過的領域。」陳律佑說。首先他在結構生物學的實驗室待了一年,閱讀文獻、純化蛋白質結晶、分析蛋白質結構,一年下來也頗有進展。

只是,陳律佑發現分析結構跟自己想要的不太相符。「我對細胞生物學還是比較有興趣,因為每個實驗的結果都可以學習新的生物學,有新的發現。」陳律佑提到,即使指導教授對於他想換研究主題這件事也頗為訝異,他還是決定照著自己的直覺走,轉換到研究端粒的實驗室。於是,陳律佑從 2005 年開始投入端粒研究,一直持續到現在。

回想起當初的決定,陳律佑認為,選擇實驗室的時候,首先要考量自己的興趣。「每一個時刻,都可以去思考:這是不是我想要的、是不是真的喜歡?」陳律佑強調,如果無法肯定的回答,那可能就是還沒找到真的興趣與題目。第二考量就是實驗室的風格與自己個性是否合適。陳律佑提到,自己的個性比較開放,喜歡自由發揮,同樣的,在帶學生時也會給很大的自主空間,不過,往往個性獨立的學生比較能夠適應這種方式。

陳律佑在學生時期也經歷了一段自我探索的過程,他強調每個時刻都要記得去思考:「這是不是我想要的?」。圖/iStock

有別於「美式」實驗室 到瑞士體驗獨特的「歐式」風格

結束博士班階段,陳律佑再度展開全新的研究旅程。原先他博士後研究曾考慮兩個實驗室,一個在美國史丹佛,另一個是位在瑞士洛桑的瑞士理工學院,陳律佑選擇了後者。「我會去瑞士,是因為我喜歡他們的端粒題目,這實驗室的端粒酶生化實驗技術是全世界最好的。」陳律佑笑著說。也因為從美國換到歐洲做研究,讓他見識到,世界上有別於美國的另一種實驗室。

「臺灣科學研究其實滿美式的,當初從臺灣到美國,我會覺得美國就是更進步、放大版的臺灣。」陳律佑說。美國地大物博,學術資源豐富,但研究氛圍跟臺灣很像,一樣是鼓勵埋頭努力工作,提倡競爭的精神。

位在歐洲的瑞士卻是截然不同的世界。「從美國德州到瑞士洛桑後,突然間什麼東西都縮小了,路上不見皮卡而盡是小車,更沒有 Costco 大量販店,換成了小超市,餐館,還有市集。」陳律佑提到,除了建築景物,研究的習慣也大相徑庭。一開始以為瑞士人比較悠閒、慵懶,但實際觀察後發現,其實他們做事非常有效率。

「不論是研究還是行政工作,都有建立完整的系統,讓大家能夠很有效率地處理事情。」陳律佑指出,因為做事有效率,所以工作日也會有許多時間可以喝咖啡聊天,而且沒有人會在晚上或週末到研究室加班。實驗室除了瑞士人,還有來自義大利、德國、法國、東歐……的人,聊天的內容除了實驗內容或科學新知,也可以是生活經驗。透過交流與腦力激盪,研究人員常常會有自發性的合作,也會靈光乍現,有新的創意想法。

瑞士國土比臺灣大一些,人口只有 800 多萬,大約是臺灣的三分之一多一些,但是瑞士諾貝爾獎獲獎人數卻有將近 30 位,遠多過臺灣。陳律佑認為,強調做事高效率,以及實驗室之間一起喝咖啡交流的「閒聊文化」,絕對是關鍵之一。

瑞士跟美國相比,國土、人才跟資源都有相當大的差距。美國資源多,況且美國實驗室裡,來自亞洲國家的學生與研究人員都還特別認真埋頭工作;而瑞士學術界是把有限的時間跟資源做到最有效率的使用,空出來的時間則用來休息、好好陪伴家人,這方面是值得臺灣思考的。

除此之外,歐洲實驗室裡的指導風格也不太一樣。「在美國,實驗室的指導教授會被稱為 Boss;而在瑞士,我的指導教授卻像是 Advisor 。」陳律佑解釋,會被稱作 Boss 是因為美國的指導教授比較像是老闆、頂頭上司的角色,學生做的研究題目通常會是指導教授大計畫中的一小部分或是子計畫。

在瑞士的話,指導教授比較像是同事、顧問,學生或博士後對自己的研究都很有想法與主見,有疑問可以向指導教授請教討論。在瑞士實驗室做研究的自主性、自由度高,有興趣的人做著自己喜歡的題目,才會有更多動力來發揮創意。陳律佑於瑞士完成博士後研究,2013 年底就進到中研院。

陳律佑提到,瑞士不論在研究還是行政工作,都有建立完整的系統,讓研究人員能夠很有效率地處理事情,沒有人會在晚上或週末到研究室加班,空出來的時間可以用來休息、好好陪伴家人。圖/陳律佑

一通電話 開啟臨床合作的新頁

目前陳律佑除了在中研院做基礎端粒生物學的研究,同時也與和信治癌中心醫院陳榮隆醫師合作,為患有端粒疾病的病人提供學術支援。談到他與臨床合作的開端,原來是一通請求協助的電話。

有天他接到一位病患家長的電話,「家長說小朋友被診斷出可能有遺傳疾病,想請我協助判斷是不是端粒相關的基因變異。」陳律佑說到,回想起當時情況,那位小朋友先在和信醫院,由陳榮隆醫師診斷出重度再生不良性貧血,但其他異常狀況也讓陳醫生懷疑可能有端粒功能缺陷的因素存在,於是家長想到要向國內研究的權威機構中研院來尋求協助。

陳律佑與實驗室團隊鑑定之後,確認端粒缺陷,也找到導致疾病的變異基因,證實病童的確患有端粒遺傳疾病,因此他得以接受特殊方式進行骨髓移植手術。「雖然他是造血功能有問題,但因為原因出在端粒身上,無法藉由一般標準的骨髓移植治療。」陳律佑解釋。

研究團隊與醫療機構合作,讓一位罕見疾病的兒童獲得醫治,這讓陳律佑留下深刻的印象。「之前都是做研究然後發表論文,但我第一次感受到,原來我們的研究工作確實可以直接幫助他人。」陳律佑表示,這次經驗對他來說意義非凡。

雖然成功移植骨髓解決造血問題,令人遺憾的是,三年之後病童還是因肺臟功能喪失而不幸離世。陳律佑提到,當時他們確認是端粒疾病,也找出合適的療法、解決造血系統的問題,然而病童全身細胞的端粒都有缺陷,還有很多問題並沒有得到解決。「對我而言,這又是另一個衝擊:原來我們的研究其實相當有侷限。」陳律佑說。

這也給陳律佑帶來一些啟發。他提到:「對我來說,做研究就是為了要解決問題。而這次的經驗,讓我思考如何將基礎端粒生物學的研究,更進一步導向與疾病相關的課題,期望未來的研究成果,有機會能為民眾解決問題。」

之後,陳律佑與和信治癌中心醫院的陳榮隆醫師保持著緊密合作。每當陳榮隆在臨床上碰到棘手的病例,就會聯繫陳律佑,一起尋找疾病的源頭。

「因為兒童罕見疾病個案不多,一年就幾個,除非是大型醫療機構,不然無法投入穩定資源。」陳律佑解釋,兒童罕見疾病在診斷或治療上,往往不易獲足夠的醫療資源,秉持著回饋社會的初衷,實驗室就盡量提供協助。

「中研院的研究資源相對豐富,所以在能力許可之下,我們會協助端粒疾病方面的鑑定。」陳律佑說,一開始他是自己撥出實驗室的研究能量來協助病童。行善的人不孤單,幾年之後,陳榮隆接觸到的病童家長們,便成立了「台灣重症兒童協會」,讓臨床治療與研究端能夠執行一系列計畫,為更多患者服務。

陳律佑(右 1)、陳榮隆醫師(右 2)與台灣重症兒童協會楊慈雲理事長(右 3)合影。圖/中央研究院分子生物研究所

為罕病建立基因資料庫

在協會支持之下,陳律佑與陳榮隆結合中研院研究資源與和信治癌中心醫院臨床醫療,開啟了「重症基因庫暨細胞/藥物研發」計畫,為的就是照顧更多的兒童癌症患者。計畫分為幾個部分:建立重症病人基因變異資料庫、製備特異性免疫細胞,以及精準化藥物治療與規劃。

首先要建立資料庫:一個症狀出現背後有非常多可能性,當患者來尋求醫療協助時,第一件要做的事情就是「檢查」,找出身體問題,了解生病原因。「兒童罕見疾病五花八門,我們從基因下手,先把患者的基因全部定序,然後跟一般人比對,找出可能導致疾病的『突變點』。」陳律佑說。

研究端建立病人的基因變異資料、找出致病突變,作為臨床診斷和治療的參考與指引。

另外,資料庫的資訊也會用來協助製備特異性免疫細胞。「簡單說,特異性免疫細胞就是被訓練好,專門對付某個特定目標的免疫細胞。」陳律佑解釋,以兒童癌症為例,就是把免疫細胞拿到體外,教會它認識癌細胞後,再增加數量、放回病人身體內,讓這些免疫細胞去消滅癌細胞。

除了跟和信治癌中心醫院合作之外,高雄醫學大學的團隊也有加入計畫,負責規劃患者用藥的部分。「治療疾病時,用藥是很重要的一個環節。」陳律佑指出,要用什麼藥物、要用多少劑量,就由高雄醫學大學團隊以藥物動力學來監測。透過建立基因庫,將設計特異性免疫細胞,還有精準的藥物治療方法,期待未來能提高兒童癌症重症治癒率,同時降低併發症或副作用。

建立平台、完善系統,讓研究有溫度、與社會連結

跟醫院的跨機構合作計畫所蒐集到的患者檢體與疾病資料,會經由實驗室定序、找出「突變點」,並且分析基因突變與疾病之間的關聯。不過,即使找出問題的可能關鍵,也不能直接在病人身上做實驗,所以都需要回歸到實驗室先從細胞或動物測試做起。

建立完善體外實驗系統是陳律佑接下來的課題。「我們想要建立一些平台,來進行體外細胞、以及動物的 ALT 癌症實驗。」他說。因為研究已經揭發 ALT 癌細胞逃離免疫系統的招數,之後如果想要做一些藥物測試,或是嘗試修復被中斷的 cGAS-STING 感知路徑,以找出消滅癌細胞的方法,這些工作都需要倚賴體外細胞或動物實驗系統的建立。

不論是 ALT 癌症,或其他端粒相關罕見疾病的研究,陳律佑的終極目標都是回饋社會、幫助有需要的患者。他認為,學者能夠無後顧之憂地埋頭做實驗,也是因為有國家、社會的資源支持,所以研究工作不是特權而是責任。

「研究不是只有發表文章、或自己開心就好,我想做的是跟大眾有關、『有溫度』的研究。」陳律佑笑著說。

陳律佑想繼續從事與大眾有關,同時也「有溫度」的研究。圖/研之有物

延伸閱讀

研之有物│中央研究院_96
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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

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用數學看見微觀的生物演變!深研分子演化學 50 年的巴仁獎得主——李文雄專訪
研之有物│中央研究院_96
・2023/04/20 ・7970字 ・閱讀時間約 16 分鐘

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

80 歲高壽的分子演化學家

您知道中央研究院有位相當低調的遺傳演化學大師嗎?此人開創了許多分子演化的數學分析方法,他就是生物多樣性研究中心的特聘研究員李文雄院士!數學是李文雄用來描述生物演化的工具,用 DNA 序列計算分子時鐘是他的重要貢獻。至今 80 歲高壽的李院士,是國內唯一獲得巴仁獎榮譽的得主,不僅培育眾多學生,並且依然在最前線探索未知。中研院「研之有物」專訪李文雄,邀請他分享在美國與臺灣的學研經歷及主要研究成果。

李文雄院士開創了許多分子演化領域的數學分析方法,對遺傳及演化學的發展影響甚遠。圖/研之有物

用數學在演化生物學領域開疆拓土

李文雄身為世界首屈一指的分子演化學家,也是經典教科書的作者,學分子演化的人肯定讀過他的書或論文。不過讓年輕學子們驚訝的是他大學就讀的科系,其實和生物及數學沒有直接關係,而是中原理工學院(中原大學前身)土木系。

李文雄表示,當年資訊閉塞,他像同學一樣照著聯考分數填志願,就這麼進了土木系。讀到大二接觸專業科目後,確認土木不是想要念的學門,便考慮投入數學或物理領域,又以數學比較得心應手。可惜他沒有考上數學碩士班,倒是考進了中央大學地球物理研究所。拿到碩士之後,李文雄更加確定比起物理,自己更適合念數學。

早年臺灣的進修資源很有限,李文雄選擇赴美深造,就讀布朗大學的應用數學博士班。當構思論文題目時,他想要找一個還沒有人用數學深入探討的領域,以便發揮所長。那時日本出身的遺傳學家根井正利(Masatoshi Nei)正好轉到布朗大學生物系授業,李文雄與他討論後,決定帶著數學專長投入尚待開拓的生物學,就此開啟 50 年輝煌的研究生涯。

李文雄在博士班前的求學之路,可以說比其他人多走了好幾步,但也練就了深思熟慮的精準眼光,「Make right choice!」是他學到最重要的能力。用數學來探討生物學,即為他一生最好的抉擇之一。

轉換跑道到生物學,李文雄幾乎沒有遇到太多困難,即使他是在博二暑假才開始學遺傳學,但數學好的人在群體遺傳學領域有些優勢,他受到師長賞識,只花費兩年就完成博士論文,再經歷一年威斯康辛大學麥迪遜分校的博士後研究,1973 年李文雄便前往德州大學休斯頓分校擔任助理教授,因為恩師根井正利在一年前已搬去那裏。

李文雄的恩師根井正利,國際知名分子演化學家,2013 年獲得日本京都獎。圖片為日本京都獎專訪片段。(Photo courtesy of The Inamori Foundation)資料來源/Kyoto Prize

「分子演化」探討微觀的生物演變

分子演化(molecular evolution)和我們一般認知的演化有什麼不同?生物以 DNA 承載遺傳訊息,基因又會產生蛋白質。分子演化學簡單說來,是以 DNA、蛋白質這類遺傳資訊探討生物隨時間演變的學問。

分子演化學在 1960、1970 年代,木村資生(Kimura Motoo)、威爾森(Allan Wilson)等前輩主要是以蛋白質序列作材料,由於蛋白質定序很慢成本也高,李文雄並沒有跟風投入研究。直到後來桑格(Sanger)的 DNA 定序方法 1977 年問世後,陸續有 DNA 資料發表,李文雄認為時機已到,便全心擁抱分子演化學的新天地,大獲成功,成為引領潮流的先驅者。

李文雄開始研究分子演化時已經有電腦,但當時還是卡片打孔的時代,計算過程相當繁複,不像現在有各種套裝軟體可以做數學統計分析。值得一提的是,今日相當受歡迎的分析軟體「MEGA」(Molecular Evolutionary Genetics Analysis),便是恩師根井正利與弟子們一起開發而成的。

在詳細講分子演化之前,我們還是先來複習一下遺傳學吧!

DNA、DNA 密碼子與氨基酸的對應案例。圖/研之有物(資料來源/Wikipedia

基因編碼以三個核苷酸為一組密碼子,並對應一個氨基酸(蛋白質的基本單位)。DNA 有 A、T、C、G 四種核苷酸,可以形成 64 種組合,而氨基酸只有 20 種,所以有些氨基酸對應兩種以上密碼子。

因此改變 DNA 的核苷酸,有時候不會改變氨基酸,此時稱為同義突變(synonymous mutation);有時候會改變氨基酸,此時稱為非同義突變(nonsynonymous mutation)。比較 DNA 序列和胺基酸序列變與不變之比例,就能大約估計天擇力量的影響,推測天擇是傾向去除突變還是選擇突變。這是分子演化常見的分析之一,李文雄的實驗室開發了數個被廣泛應用的分析方法。

在分子演化興起前,不同生物間的親疏關係,可以透過生物形態的相似程度建構演化樹,但形態資料很有限。比較生物 DNA 或蛋白質的資料,可以細緻地釐清物種間的親緣關係,對分類學的貢獻很大。

比方說早期演化學家會比較一群鳥類的嘴喙特徵,兩種鳥喙的形態差異較小,便代表其親緣關係較近;而分子演化學家則是比較這群鳥類的 DNA 或蛋白質序列的差異,更能釐清彼此的親緣關係。

形態是巨觀的,分子是微觀的。但我們也可以說每一處 DNA 或氨基酸位置都相當於一種形態。分子資料通常更容易取得,可提供比較的特徵數量也比形態還多很多,更容易計算。

現今探討親緣關係,最好能考慮不同材料,有多重證據的支持,因此分子演化的分析方法就相當重要。李文雄在親緣樹建構及統計評估的方法上有重要貢獻。

李文雄回憶,他的好朋友古德曼(Morris Goodman)當初便靠著分子生物學的方法,釐清人類和黑猩猩(chimpanzee)的遺傳親緣關係,要比和大猩猩(gorilla)更近,解決了爭議了數十年的「大猩猩—黑猩猩—人類的三角問題」,是一大貢獻。

大師傳承的軌跡:中性演化和分子時鐘

今日分子演化之所以和 50 年前有很大差別,其中就有來自李文雄的重要貢獻。李文雄建立了數學方法讓「分子時鐘」(molecular clock)理論得以實際應用至生物演化的分析。

分子時鐘的概念是:DNA(或蛋白質)序列的演化以等速進行。如果這個假設成立,則透過兩個物種之間 DNA 序列的差異,就可以估計分化的時間。也就是以分子的變化量為時鐘來計算這兩個物種分離後時間的流逝。

之所以可以這樣假設的基礎,是生物在一代代傳承下,由於突變之故,遺傳序列不斷累積新的變化,稱為「取代」(substitution);而取代的數量正比於世代數,例如每一代新增 5 處取代,差異 50 處便可回推經過 10 代。

分子時鐘的示意圖,DNA 序列的變化量正比於世代數。假設每條 DNA 序列花費 2500 年取代一個鹼基,圖中兩個現代物種的 DNA 相差四個鹼基,我們可以估計這兩個物種的演化時間相差一萬年,而共同祖先至少生活於 5000 年前。圖/研之有物(資料來源/University of California Museum of Paleontology

然而,這假設與傳統達爾文的天擇概念有很大的出入;因為分子時鐘這樣假設的意思就是說:大部分突變不會影響天擇,對生存競爭的影響可謂中性(neutral)。上述觀點也就是根井正利和李文雄的前輩:木村資生提出的「中性演化理論」。

木村資生認為,大多數遺傳分子的改變未必和天擇有關,個體間的遺傳多樣性往往是隨機變化的結果。當初這個論點引發很大爭議,後來又經過許多改版與補充,如今中性演化的觀點已被許多學者接受,分子層次的遺傳變異,常常不影響其天擇;新突變取代舊的遺傳訊息,未必是因為其有利於生存競爭,也常常只是運氣好而已。

中性演化理論提供了分子時鐘的理論基礎,帶來許多突破。例如受到注目的智人(Homo sapiens)起源問題,於 1980 年代根據各地人群間的遺傳差異程度,判斷歐亞人與非洲人分家只有數萬年,而非多地智人起源論主張的上百萬年,這便是「單地起源,智人出非洲說」的有力證據。

李文雄自己在 2000 年代初期也指導博士生陳豐奇(現職為臺灣國家衛生研究院的研究員),比較人類與人猿非編碼區的 DNA 序列,便估計出人類與黑猩猩分家約 600-700 萬年。

李文雄院士證明分子時鐘的運行速度和世代長短有關,世代愈短,演化速度愈快。圖/研之有物

李文雄在 1980 年代的一關鍵貢獻就是,率先用 DNA 序列評估分子時鐘的正確性,發現取代的速度並非等速。他證明分子時鐘運行的速度和世代長短有關:世代愈短,時鐘愈快。例如大鼠、小鼠的世代比人類的世代短得多,而牠們之間演化的速度,也是人類與人猿間的大約 5 倍。此一發現有助於更準確地估計兩個物種間的分家時間。

李文雄另一重大發現是,同一物種的兩性之間,生殖細胞的突變速度可能不一樣,男比女快。這在生物學上的理由是:生殖細胞的複製及分裂次數不同。女生的卵在出生前便已儲備好了,而男生的精子則是一輩子持續複製,所以男生生殖細胞的突變速率比女生快。

關於同一物種的性別演化差異,李文雄表示這是前輩霍爾丹(J. B. S. Haldane)提出的觀點。李文雄設計好 DNA 定序區間及物種,產生適合材料,於是就驗證了此假說。雖然講起來雲淡風輕,但若讀者了解遺傳學發展史應該會深受震撼,因為霍爾丹正是奠定族群遺傳學的三大名家之一,從霍爾丹到李文雄,我們可以看見大師傳承的軌跡。

遺傳與演化學最高榮譽:巴仁獎

靠著數學和分子生物學的分析,李文雄解決了許多演化生物學的難題。比如,他在 1991 年就以很有限的人類 DNA 序列資料,預估人類的 DNA 多樣性低於 0.1%,比果蠅的低不少,十年後大量的資料證明他的預估是正確的!還有,在 2001 年當黑猩猩的基因體資料還很有限時,他就預估出人類與黑猩猩的基因體相差只有 1.2%,這個預估引起很大的震撼,因為人類與黑猩猩看起來很不一樣,但當黑猩猩的基因體於 2005 年發表時,得到的答案與李文雄的預估完全一樣!

承上,李文雄陸續受到各界肯定,他於 1998 年被挖角到芝加哥大學擔任 George Beadle 講座教授(Beadle 為一位諾貝爾獎得主),並當選中研院院士。2003 年更獲得兩項重大榮譽:美國國家科學院院士和巴仁獎(Balzan Prize for Genetics and Evolution)。

要成為美國國家科學院的院士並不容易,對學者而言是極大的榮譽。例如:以中研院為例,最近的三任院長廖俊智、翁啟惠、李遠哲;以及超導物理學家吳茂昆、公衛學家陳建仁、經濟學家朱敬一、植物學家蔡宜芳等,每一位都是該領域世界級科學家。

獲頒巴仁獎則更為難得,李文雄是史上第三位得獎的遺傳與演化學家,也是第一位亞洲出身的巴仁獎得主。巴仁獎從 1978 年以來獎勵人文、哲學、物理科學、生物科學,或促進和平的傑出人士或組織。對演化學家來說,巴仁獎就是遺傳與演化學的最高榮譽。

李文雄在 2003 年獲得遺傳與演化學最高榮譽:巴仁獎。(Courtesy of The Balzan Prize)圖/李文雄

李文雄獲得巴仁獎時的引文如下:

「李文雄對分子演化做出了許多基礎性的貢獻。他開發並應用了數學技術來解決非常廣泛的問題,他的方法是屬於該領域最常用的方法。

隨著 1980 年代以來 DNA 序列數據的爆炸式增長,李文雄一直是通過比較 DNA 序列來推斷演化關係的方法的設計師。他在建立估計演化樹的準確程度和可以放在其中的統計置信度的方法方面特別有影響力。

以往解釋 DNA 數據的一個關鍵假設是 DNA序列的變化在演化時間上以恆定速率進行(所謂的分子時鐘)。該假設常被用於估算譜系分歧的時間。1980 年代,李文雄第一個證明分子時鐘的運行速度取決於世代的長短:世代越短,時鐘越快。因此,時鐘在大鼠和小鼠之間的演化速度是猴子和人類之間的演化速度的五倍。這一發現有助於更好地估計兩物種的分歧時間。

李文雄在證明 DNA的突變率在男性生殖細胞高於女性生殖細胞的工作也很有影響力。他已經在包括人類在內的高等靈長類動物以及囓齒動物證明了這一點。

除了開創性研究外,李文雄還在分子演化領域的教育上 扮演一核心人物。他的書被認為是該領域的權威。」

在獲得巴仁獎的遺傳及演化學家之中,第一位為 1984 年得獎的萊特(Sewall Wright,美國人),與前述提及的霍爾丹,同為族群遺傳學三大開創者之一;第二位則是 1991 年英國的梅納德史密斯(John Maynard Smith),再來就是 2003 年的李文雄。生物科學包含那麼多領域,遺傳及演化大約十年才得獎一次,讓李文雄覺得這項肯定十分難得。

李文雄的成就受到芝加哥大學的肯定,在 2004 年為他設立 James Watson 講座教授(Watson 以雙螺旋 DNA 模型得諾貝爾獎,是一家喻戶曉的名字),並提供研究資源。然而,過了四年之後,李文雄決定回到臺灣,提攜後進。

回歸臺灣,培育後進

2008 年,李文雄終於回到這塊多年成長的土地,擔任中研院生物多樣性研究中心的主任。除了自己的研究外,他特別重視兩件事:首先是和臺灣師範大學合辦「生物多樣性國際研究生博士學位學程」,在臺灣本土培育新生代的研究人員。

再來他號召成立「臺灣演化與計算生物學會」,成立的初衷是因為李文雄覺得臺灣研究演化的人不多,希望讓演化、生物資訊領域的人集中起來交流,尤其是讓年輕的研究者有練習發表的舞台,增加被認識的機會。擔任兩屆理事長後,李文雄交棒給臺灣大學的丁照棣教授,以及陽明交通大學的黃宣誠教授。

學會在李文雄奠定的基礎上持續前進,2012 年開始年年舉辦國際研討會,除了邀請外國學者參加,也會特別安排新進學者演講的場次,至於博士生、博士後,則設有專屬的口說與壁報比賽。另外為了兼善臺灣各地,年會舉辦的地點一年在臺北,另一年在臺北以外輪流,包括高雄、臺南、臺中、苗栗等地,展現兼顧不同區域的用心。

李文雄也鼓勵大家,多參加不同的研討會與加入學會。獲取新知對做研究的人相當重要,參加活動多看多聽多交流,都是寶貴的機會,不只能增加知識,有時候也能獲得他人幫助,有助於自己的研究。

回到臺灣以後,李文雄除了指導學生,本人依然站在研究的第一線,而且兼顧學術與應用的方向,合作對象眾多,議題包括鳥類羽毛的發育演化、微生物固氮作用的起源與演化,還有開發 C4 水稻(水稻是 C3 植物,希望能改造為光合效率更好的 C4 型態)等等。

近期值得一提的是,李文雄與合作團隊發表在分子演化頂級期刊《Molecular Biology and Evolution》的研究。他們探討新冠病毒棘蛋白(spike protein)的受體蛋白 ACE2 的演化,發現一些非人類的靈長類動物,有大量降低親和力的 ACE2 突變,讓這些猴子的 ACE2 不容易和病毒的棘蛋白結合,因此對病毒有很強的抵抗力。又發現有少數人的 ACE2 也帶有會抵抗病毒的突變。李文雄也說,如果人類與舊世界猴子的共同祖先的 ACE2 沒有突變成與棘蛋白更容易結合的話,也許新冠病毒就不會造成全球大流行,或是病毒的危害不至於那麼廣、那麼深!

李文雄與合作團隊分析了靈長類動物的 ACE2 的演化,ACE2 是新冠病毒感染宿主的結合受器。研究顯示,左側的舊世界猴子(獼猴、大猩猩、長尾猴)和人類一樣容易感染新冠病毒,右側的眼鏡猴與兩種新世界猴子(松鼠猴、金絨猴)則對新冠病毒具有很強的抵抗力。圖/研之有物(資料來源/中研院生多中心)

勇於追求「跨領域」研究,尋找新鮮的問題

李文雄入行 50 餘年一直活躍在第一線,作為參與者和見證人,最有資格回答「分子演化學在過去和現在有什麼不同?」。他表示,以前容易找到重要的題目,但是取得資料的速度很慢。現在隨著分子生物學及資訊科學技術的進步,比較容易取得大量資料,資料多就容易找到題目,寫論文不難,內容也會比較豐富。可是期刊的要求也變高,而且比較不容易找到新鮮的議題,如今剩下的題目,多半是舊題目的延伸,或是難度很高。還好,現在科技發展迅速,目前的難題也許在不久的將來,就可以解決!

李文雄還是如年輕時一般,善於尋覓突破機會。像是微生物的固氮作用,無疑是重要的問題,氮是所有生物的必要元素,但只有非常少數的微生物可以固氮!可是從前卻少有演化學者研究這個問題,這就會成為好的題材。

另一方面隨著技術進步,以前難如登天的問題,現在也可能有機會解答。上面提到人類與黑猩猩的 DNA 分歧只有 1.2%,但兩者間的差異除了非編碼區外,也有很多來自基因調控不同的區域,尤其是腦部發育。過去這幾乎是不可能探索的議題,如今難度雖大,卻是有希望解決的難題。總之,在李文雄的視角中,一直都有新鮮的問題。

科學隨著歲月累積,現在入行的新人,必須先具備的知識遠超過李文雄當年,必須勇於追求「跨領域」研究。李文雄建議大家,不論時代如何改變,都要確認自己的喜好與專長,才能有計劃地學習和投入。李文雄以自己為例,他不會做實驗,但為了解決他很感興趣的生物問題,他設立一分子生物學實驗室,拿到了很多實驗資料,進而解決了不少演化難題!

讓李文雄院士印象最深刻的研究是⋯⋯

演化生物學時常有驚奇的新發現。身為世界級的演化大師,李文雄漫長的研究生涯中,對哪件科學發現的印象最深刻呢?

答案十分有趣,竟然是「河馬是鯨魚和海豚最親近的親戚」!

鯨魚、海豚是由陸地回到海洋生活的哺乳類,很難想像牠們在演化樹上的位置很相近。然而,透過 DNA 分子的比對,演化學者發現在現存動物中,鯨豚最接近偶蹄目的河馬。

鯨豚與偶蹄類的親緣關係,偶蹄類動物中的河馬和鯨豚最為相近。圖/研之有物(資料來源/Systematic BiologyWikipedia

此外,李文雄認為黑猩猩與人類的差異也相當有趣!威爾森(Allan Wilson)在 1970 年代發現黑猩猩與人類的蛋白序列幾乎相同,雖然它們在外觀與行為上有很大的不同,所以威爾森認為基因調控的演化是造成黑猩猩與人類有不同外觀和行為的主要原因,但到底是哪些基因調控上的不同,至今還是個謎!

最後,李文雄對非洲維多利亞湖(Lake Victoria)慈鯛魚(cichlids)的大量種化現象,也感到非常的奧妙,為什麼在同一個湖泊裡可以演化出這麼多慈鯛魚物種呢?!

投身科學研究 50 多年,取得一項又一項重大成果,李文雄依然由衷保持對新知識的好奇與樂趣。

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研之有物│中央研究院_96
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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