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「八文字」DNA誕生:八種字母的人造遺傳物質能被生物體利用嗎?

活躍星系核_96
・2019/04/03 ・2980字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 540 ・八年級

  • 作者/陳磬揚│泛科學新手實習生,化學系畢業但不想待實驗室或科技廠,看到什麼知識都想一頭栽進去。希望能從跳出來的視角看科學,翻譯引介更多科學界的趣聞給讀者。

DNA 是生物遺傳資訊的載體,但這樣的載體有沒有可能人工加上新的「字母」呢?

今年 2 月「八文字DNA」(Hachimoji DNA)的文章在《Science》上發表。1八文字DNA相較於自然存在的DNA是由我們熟知的A、T、C、G四種鹼基組成,多出了額外四種人工合成的鹼基 Z、P、S、B。

DNA 的天然結構裡如何「混進」人工的鹼基?甚至於有機會順利被生物體的酵素辨識?又,為什麼要做出這樣結構?要回答這一切的疑問,需要先從 DNA 到底為什麼能成為遺傳資訊的載體開始。

八文字DNA相較於自然存在的DNA是由我們熟知的A、T、C、G四種鹼基組成,多出了額外四種人工合成的鹼基 Z、P、S、B。圖/pixabay

非週期性晶體:既穩定又有資訊的化學晶體

1944 年薛丁格(對就是那位跟貓過不去的量子物理學家),在一本題為《什麼是生命?》(What is Life?)的書中,由物理學的觀點,猜測當時仍然沒有人知道真面目的「基因」會是怎樣的化學物質。他提出了「非週期性晶體」(aperiodic crystal)的假說:「要儲存大量的資訊,簡單的鍵結不夠穩定,不足以提供複製上的保真度(fidelity),因此必須要由具有狹窄熔點範圍的晶體來儲存」。但完全週期性的結構,例如我們所熟悉的鹽類、石英等,並不能承載資訊(因為每個單元都是重複的)。因此,這種構想中的「基因分子」必須要能在規律的晶體結構裡塞進不同的小單元。

這個假說啟發了後續的研究,也就是 1953 年華生和克立克所提出的雙股螺旋DNA。雙股DNA 的骨架確實是週期性的結構,不會因為組成鹼基的不同而有所差異,而兩組鹼基對也確實可以任意排列記載資訊,符合薛丁格的假說。

遺傳物質去氧核糖核酸(DNA)的組合:腺嘌呤與胸腺嘧啶 AT 配對,鳥糞嘌呤與胞嘧啶CG配對。圖/wiki commons

從後見之明來看,四種鹼基的配對並不是上帝神來一筆、萬中選一的創造,而就只是兩個非常簡單的規則:

大的嘌呤 (Purine) 配小的嘧啶 (Pyrimidine),以及氫鍵提供者和接受者位置的配合。

而既然這是一個物理-化學的限制,科學家當然會想要突破界線,想辦法製造出一個人工的「遺傳物質」。這樣的物質還需要能夠進行「達爾文式演化──這樣的分子必須要能夠複製資訊,並且能容忍、傳遞複製中發生的錯誤。最後在天然的遺傳物質外加的鹼基配對系統,就被稱為「人工擴展的遺傳訊息系統」(Artificially expanded genetic information system, AEGIS)。

Z、S和C、T 一樣是具有兩個環的嘌呤,P、B 和 G、A 是只有一個六員環的嘧啶。氫鍵的電子提供者(紅色,電負度較大的氮、氧)和接收電子的氫原子位置(藍色)相對應。

八碼 DNA 是否和一般的 DNA 有相同的結構?

DNA擴展的相關研究已經發展許久,在本篇研究發表之前,其他研究者已經發現六碼 DNA可以有和一般的 DNA 完全相同的表現:可以複製、轉錄成RNA和轉譯出非標準的胺基酸(Non-carnonical Amino Acids)2,甚至是讓大腸桿菌複製六碼的 DNA3。這些研究引入的鹼基各有不同,Z:P 和 S:B 都有人採用,也有非嘌呤-嘧啶結構的 dNaMTP、d5SICSTP。4

八文字 DNA 則是一次引入 Z:P 和 S:B 兩對非標準的鹼基合成雙股DNA。

研究中首先檢驗了八碼 DNA 的熱力學性質,測量其單股結合成雙股時的能量變化。在標準DNA的熱力學性質中9,有一項假設稱為「最近相鄰模型」(Nearest-Neighbor Model),即一個鹼基對的分開為單股能量只由自己和下一個鹼基對所決定。如此一來,由 ATCG 四個鹼基任取兩個排列出 10 種可能,以此可預測長鏈雙股DNA斷裂成單股的耗能。結果顯示,含有人工鹼基的雙股DNA也具有與標準 DNA 相似的熱力學特性。研究中預估了48種相對應的能量,進而預測核苷酸鍊的斷裂溫度。預測值的誤差與標準 DNA 的誤差範圍相近,表示八碼 DNA 也具可預測的熱力學穩定性,即與天然的ATCG相比,沒有哪個鹼基的組合特別容易分開或難以分開。另外,本研究中也以三種不同八碼DNA 做晶體結構分析,證實其結構的相似性。

雙股聚合的總能量G(n)是每個鹼基能量的總和;而每個鹼基對的能量取決於氫鍵強度和與其相鄰的鹼基。

八碼DNA是否能被生物體的酵素辨識?

雖然八碼 DNA 的結構與標準 DNA 相似,並能符合非週期性晶體的形狀,但生物體內的核酸酶並不一定能順利辨識。

八碼DNA結晶的結構。Z:P 鹼基對(左上)和C:G(左下)的比較;S:B(右上)和C:G(右下)的比較,可見額外的鹼基對可以符合雙股螺旋的結構。

S核苷酸,因為胺基上的電子密度較低(圖上綠色處)而無法順利被一般的 RNA 聚合酶辨識。為了解決此問題,研究團隊從許多 RNA 聚合酶的變體中,找出了一個能順利將非天然鹼基轉錄成 RNA 的變體。

為了檢驗 RNA 轉錄的效果,實驗中使用了菠菜的 RNA 適體(aptamer)和相應的螢光探針來測試。這段 RNA 序列左上角的環狀未折疊區域能接上螢光探針而使其發光。在與螢光發光無關的摺疊區域中,換上非標準的鹼基(即本次新加入的 Z、P、S、B),並不影響發光,表示 RNA 鏈的折疊並沒有被破壞;反之,把非標準鹼基放在螢光分子連接的區域,因為螢光探針無法辨識出非標準的鹼基,則會讓螢光消失。

這樣的結果可以支持八文字DNA的非標準鹼基部分有正確完成轉錄。因為如果發生配對錯誤的話,不是造成摺疊破壞,就是因為非標準鹼基位在環狀未摺疊的區域,兩者都會造成螢光消失。

八文字DNA完成,下一步呢?

圖/pixabay

八文字DNA除了增加資訊密度而有潛力應用於資料儲存,更重要的是加入額外的鹼基並未影響了雙股螺旋結構的穩定性,而具有達爾文演化的能力。

DNA之所以特別,不在於能儲存資訊,因為很多分子都能做到這點。對合成生物學家帶來最大的挑戰是:「如何做出能進行達爾文演化的分子」。

值得思考的是,當核酸能承載更多的資訊時,我們要如何有相應的分子來讀取這些資訊?以及更進一步地,我們要利用這些資訊的空間來製造出什麼,有可能真的製造出具有八碼 DNA 且能自行繁衍演化的生物嗎?

RNA 轉錄成功是第一步,後續如何合成出新的胺基酸則有待科學家們繼續努力。

參考資料:

  1. Hoshika, S., Leal, N. A., Kim, M. J., Kim, M. S., Karalkar, N. B., Kim, H. J., … & DasGupta, S. (2019). Hachimoji DNA and RNA: A genetic system with eight building blocks. Science363(6429), 884-887.
  2. Zhang, Y., Ptacin, J. L., Fischer, E. C., Aerni, H. R., Caffaro, C. E., San Jose, K., … & Romesberg, F. E. (2017). A semi-synthetic organism that stores and retrieves increased genetic information. Nature551(7682), 644.
  3. Zhang, Y., Lamb, B. M., Feldman, A. W., Zhou, A. X., Lavergne, T., Li, L., & Romesberg, F. E. (2017). A semisynthetic organism engineered for the stable expansion of the genetic alphabet. Proceedings of the National Academy of Sciences114(6), 1317-1322.
  4. Dien, V. T., Holcomb, M., Feldman, A. W., Fischer, E. C., Dwyer, T. J., & Romesberg, F. E. (2018). Progress Toward a Semi-Synthetic Organism with an Unrestricted Expanded Genetic Alphabet. Journal of the American Chemical Society140(47), 16115-16123.
  5. The Nearest-Neighbor model
  6. Karalkar, N. B., & Benner, S. A. (2018). The challenge of synthetic biology. Synthetic Darwinism and the aperiodic crystal structure. Current opinion in chemical biology46, 188-195.
  7. GeneOnline 基因線上《八種遺傳字母 DNA 誕生 生命遺傳系統將改寫?
  8. Benner, S. A., Karalkar, N. B., Hoshika, S., Laos, R., Shaw, R. W., Matsuura, M., … & Moussatche, P. (2016). Alternative Watson–Crick synthetic genetic systems. Cold Spring Harbor perspectives in biology, 8(11), a023770.
  9. DNA duplex stability
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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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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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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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從遺傳基因能發現人類起源?在我們 DNA 上銘刻的故事!——《我們源自何方?》
馬可孛羅_96
・2023/03/17 ・2580字 ・閱讀時間約 5 分鐘

遺傳基因如何記錄歷史

要理解遺傳學為何能協助我們探究人類的過去,必須了解基因組(我們由雙親繼承來的所有遺傳密碼)如何紀錄資訊。

一九五三年,法蘭西斯.克里克(Francis Crick)、羅莎琳.富蘭克林(Rosalind Franklin)、詹姆斯.華生(James Watson)和莫利斯.威爾金斯(Maurice Wilkins)證明,基因組是由大約三十億個化學構件組成的雙長鏈(總共有六十億個單元)。

我們可以把這些構件想成字母,包括腺嘌呤(adenine,A)、胞嘧啶(cytosine,C)、鳥糞嘌呤(guanine,G)和胸腺嘧啶(thymine,T)1。我們所謂的「基因」是由一段段短鏈組成,每段的長度通常是一千個字母左右。

基因的功能是模板,用來合成執行細胞內各項工作的蛋白質。基因之間是非編碼 DNA ,有時稱為垃圾 DNA (junk DNA)。在 DNA 片段上進行化學反應的機器能讀取這些字母指令,在反應沿 DNA 序列行進時放射閃光。

A、C、G、T 等字母進行化學反應時放射的色彩各不相同,所以字母序列能用攝影機掃描後輸入到電腦。

  

現代人演化年表。圖/《我們源自何方?》

絕大多數科學家只留意基因包含的生物訊息,但 DNA 序列之間偶爾也會有些差異。這些差異源自基因組過去複製時出現在某些時刻的隨機誤差(稱為突變〔mutation〕)。這些差異的發生機率大約是一千分之一,基因和垃圾 DNA 都可能出現。遺傳學家探究過去時要研究的正是這些差異。

在這大約三十億個字母中,無關的基因組之間通常有大約三百萬個差異。兩個基因組的片段之間差異密度越高,這兩個片段的共同祖先年代就越久遠,因為突變隨時間增加的速率大約是固定的。所以差異密度就像生物碼表,紀錄了以往發生的重要事件距離現在大約多久。

基因組序列差異/《我們源自何方?》

粒線體夏娃

透過遺傳學研究過往,最令人驚奇的應用途徑是粒線體 DNA 。粒線體 DNA 是基因組中非常微小的一部分(大約只有二十萬分之一),透過母親、女兒和孫女等母系親屬代代相傳。一九八七年,艾倫.威爾森(Allan Wilson)等人採集世界各地多個人種的粒線體 DNA ,定序出數百個字母。他們比較這些序列之間的突變差異,建構母系親屬系統樹。

他們發現,系統樹中最長的分支(也就是最早脫離主幹的分支)現在只出現在撒哈拉以南的非洲人後裔身上,表示現代人的祖先生活在非洲。相反地,現在非洲以外的人全都源自系統樹中年代較晚的分支。

依據一九八○和一九九○年代發現的考古、遺傳和骨骼證據下提出的主流整合結果中,這項發現成為十分重要的部分,支持現代人的祖先數十萬年前曾經生活在非洲的理論。

威爾森等人依據突變累積速率,估算出所有分支的共同祖先中,距離現在最近的粒線體夏娃(Mitochondrial Eve)大約生活在二十萬年前。目前最可靠的估計年代是十六萬年前左右,但我們必須了解,這個數據和大多數遺傳年代一樣不大精確,因為人類突變的實際發生速率並不確定。

科學家藉由基因突變率估計人類共同的祖先約出現在二十萬年前。圖/envatoelements

共同祖先年代距離現在如此之近,相當令人興奮,因為這打破了多區域說(multiregional hypothesis)。根據這個假說,生活在非洲和歐亞大陸許多地區的現代人類大多源自直立人(Homo erectus)早年的擴散(距今至少一百八十萬年)。直立人能製作粗糙的石造工具,腦容量大約是現代人類的三分之二。

多區域說則指出,直立人的後代在非洲和歐亞大陸各地分別演化,形成現在生活在相同地區的族群,因此多區域說預測,現代人類身上有些粒線體 DNA 序列在兩百萬年前左右分化開來,也正是直立人擴散的年代。

人類擴散與文化演變

然而,遺傳資料完全不吻合這個預測。所有現代人類的共同粒線體 DNA 祖先距今只有兩百萬年的十分之一,代表現在的人類大多源自年代晚近許多的擴散,從非洲前往世界各地。

人類學證據指出當時可能的狀況。最古老的「解剖上具有現代人類相同特徵」的人類骨骼(也就是在球狀顱骨和其他表徵方面位於所有現代人類的變異範圍內)年代約為二十∼三十萬年前,而且全部出自非洲。但在非洲和近東地區外,解剖學上的現代人目前還沒有年代早於十萬年前的可信證據,年代早於五萬年前的證據也相當有限。

石造工具種類的考古證據也指出五萬年前開始出現重大改變,西歐亞大陸考古學家稱這個時期為舊石器時代晚期(Upper Paleolithic),非洲考古學家則稱之為石器時代晚期(Later Stone Age)。

這段時期之後,製造石造工具的技術大幅躍進,此後每幾千年改變風格一次,改變步調比冰河還慢。這段時期的人類也開始留下更多展現美學與精神生活的文物:鴕鳥蛋殼串珠、拋光的石質手鐲、以紅色氧化鐵製作的身體塗料,以及全世界最早的具象藝術。

目前已知全世界最古老的小雕像是長毛象牙刻成的獅子人(lionman)雕像,發現於德國的霍倫斯坦—施泰德洞穴(Hohlenstein-Stadel),年代約為四萬年前。法國蕭維岩洞(Chauvet Cave)中的前冰川時期動物畫的年代約為三萬年前,現在仍被認為是傑出的藝術作品。

尼安德塔的骨骼。圖/wikipedia

從大約五萬年前開始,考古紀錄變化大幅加快,同時也反映在族群變化上。尼安德塔人大約四十萬年前出現在歐洲,由於骨骼形狀不在現代人類變異範圍內,所以被視為「古代」人類,於四萬一千年∼三萬九千年前在西歐滅絕,此時現代人類到達西歐只有數千年。

歐亞大陸其他地方也有族群反轉現象,非洲南部也是如此,證據包括某些地點遭到棄置以及石器時代晚期文化突然出現。

這些變化最自然的解釋是解剖上具有現代人類相同特徵的某個人類族群擴散,這個族群的祖先包括擁有先進新文化的「粒線體夏娃」,並且取代了原先居住在這些地方的人類。

——本文摘自《我們源自何方?:古代DNA革命解構人類的起源與未來》,2023 年 3 月,馬可孛羅出版,未經同意請勿轉載。

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