DNA 為遺傳物質嗎？為何早期科學家不相信？——《生物學學理解碼》

我們先前詳細介紹過用細菌以毒攻毒對付癌細胞的新進展，另一種我們也很熟悉但是避之惟恐不及的微生物，現在居然也華麗轉身，成了抗癌新利器，那就是——病毒。

科學家已經製造出基因改造病毒，注射到癌症患者體內，讓病毒感染癌細胞，把惡性腫瘤像一坨冰淇淋般溶化。這些超微型對癌必殺兵器是怎麼打造出來的呢？而且這樣做，就像開大門放一群餓狼進來咬老虎，難道不會害死正常細胞嗎？

能殺死癌細胞的病毒是什麼？請叫我「溶瘤病毒」！

很多病毒能感染人體，造成各種不舒服和損害，舉個例子，疱疹病毒讓人長出一片又熱又痛的水泡，腺病毒害人發燒、眼睛佈滿血絲或腹瀉。更具體地說，病毒有鑽進活細胞的特殊能力，接著搶走細胞裡面製造各種生物分子的生產線，用來組裝和複製它自己，最後一窩蜂的病毒再一起打破或鑽出細胞，繼續向四面八方擄掠燒殺。經歷過 covid-19，大家應該都很清楚了。 

從另一個角度看，病毒就像是一群強行入侵人體的超微型機器人，準確鎖定攻擊目標，把細胞的物資掠奪個精光，臨走前還從內部爆破活細胞，手段可說相當的惡劣。

然而病毒這種高效率的惡劣，就如同其他危險且糟糕的事物一樣，吸引了科學家的好奇心，激發了他們的創意，有科學家就問啦：那有沒有辦法挑選出病毒煉成新藥，去爆破癌細胞呢？打一針兇惡的病毒去獵殺狡詐的癌細胞，使腫瘤崩潰溶解，以毒攻毒，豈不是一等巧招。

而且，溶瘤病毒可以引發後續一連串針對癌細胞的免疫反應，繼續擴大戰果。也因為病毒會激發免疫反應，所以溶瘤病毒也歸類為癌症免疫治療的一種。

我們在之前介紹免疫新藥的影片，有說明過癌細胞躲過免疫系統偵查的三大詭異功夫，這邊超快速回顧一下：第一招是癌細胞把身上的識別分子減少，使自己隱形；第二招是癌細胞戴上面具假裝成好細胞，矇騙過關；第三招是強行踩下免疫細胞的剎車板，中斷免疫攻擊。

溶瘤病毒的根本原理，是只要癌細胞的細胞膜表面存在著病毒的受體，病毒就能強行突破防禦、攻進細胞，無視癌細胞的第一和第二招。這就好像癌細胞耍大刀耍得虎虎生風，病毒根本不管這些，直接先給它一槍就對了。

2015 年，美國食品及藥物管理局（FDA）核准一款治療黑色素細胞瘤的 T-VEC 溶瘤病毒上市，使用的素材是第一型單純疱疹病毒（HSV-1），被視為是這個領域的里程碑。這種病毒其實我們很熟悉，它就是唇疱疹的病原體，感染後容易在嘴唇、鼻子、下巴這一帶長出一片水泡或潰瘍。

T-VEC 也是目前唯一一款世界多國普遍核可使用的溶瘤病毒。其他像是中國 2005 年核准治療鼻咽癌的 H101，或是日本 2021 年核准治療腦部惡性腫瘤的 Delytact，取得的都只有本國或少數幾個國家的許可證。

病毒連續技，打得癌細胞難以招架

病毒為什麼能溶解摧毀腫瘤？大致來說，溶瘤病毒能以三連發的連續技來攻擊癌細胞。

第一擊，經過基因改造的病毒先感染癌細胞，侵入細胞內，開始繁殖，然後破壞癌細胞。這些病毒先經過人工移除掉一些致病基因，降低危險性，同時放入能增加治療效果的基因，例如常用的一種基因是顆粒單核球群落刺激生長因子，簡稱 GM-CSF，這種因子能活化和吸引更多免疫細胞來圍攻癌細胞，這個功效就和病毒的第二擊有關係。

第二擊，癌細胞死掉後散落出大量抗原和分子訊號，會吸引免疫系統的注意，將樹突細胞、T 細胞等多種免疫細胞從身體各處召喚過來。還有，病毒一進到人體，很短時間內樹突細胞就會辨識出病毒，接著釋放第一型干擾素。第一型干擾素是一種能刺激免疫系統的細胞激素，經過一連串下游反應，可以直接造成腫瘤損傷。同時，第一型干擾素也會促使 T 細胞聚集到腫瘤所在地，一起圍剿癌細胞。

接著是第三擊，病毒殺掉癌細胞以後也有機會連帶引發遠端效應（abscopal effect）。什麼是遠端效應呢？破掉的癌細胞散出抗原，身體借由這些抗原當作教材，培育出一群擁有辨識癌細胞能力的免疫細胞。這些免疫細胞順著血液循環，跑到遠方沒有感染病毒的腫瘤位置，把這些癌細胞一併消滅掉，這就叫做遠端效應，可說是「犯我免疫者，雖遠必誅」。

看到這裡，你應該會好奇，病毒會感染癌細胞，難道健康細胞就不會一同遭殃嗎？這就要回到剛剛提到的干擾素下游反應。正常情況下，第一型干擾素能啟動人體細胞內建的清除入侵病毒的機制，但是大多數癌細胞的干擾素反應路徑有缺陷，換句話說，同樣都會被病毒感染，健康細胞有能力排除掉病毒，癌細胞卻沒辦法，到最後矜不住，傷重斃命。這種效應是溶瘤病毒能瓦解腫瘤，同時減少傷害患者身體的重要關鍵。

但是，可不是每種病毒經過基因改造以後，都能像魔法少女般華麗變身。天底下病毒那麼多，怎麼樣才能找到合適的病毒來改造成抗癌的超微型機器人呢？

哪些「人選之毒」能變身對癌細胞特攻兵器？

病毒萬萬種，要從裡面挑到合適的素材，簡直像大海撈針。不過，以目前的醫療技術，還是有一些路徑可循。

一般來說，基因體比較大的病毒相對於基因體小的病毒，有更大的空間能加入其他基因來修飾病毒，因此在製造過程上，大病毒比小病毒容易操作。

除此之外，DNA 病毒比較容易透過重組 DNA 的分子工程技術來改造，例如治療黑色素細胞瘤的 T-VEC 溶瘤病毒就是 DNA 病毒，改造 RNA 病毒所需的技術相對比較困難。

不過臨床上的真實需求比技術層面的考量複雜得多，像是基因體較大的病毒雖然容易操作，但是病毒的體積也大，很難通過血腦障壁。血腦障壁是一層包圍在腦部外面的緊密組織，就好像城牆一樣，是身體對腦的保護措施，只有小尺寸的物質才能通過牆上的孔隙。

大病毒過不去，小病毒卻有機會藉由一些特殊的生化機制潛入，因此想要治療腦部惡性腫瘤，或是其他血液或淋巴系統擴散到腦內落地生根的癌細胞，選擇小病毒就比較有利。

另一個臨床上的考量是，DNA 病毒雖然技術門檻相對低，但因為天然環境裡很多種 DNA 病毒容易感染人類，許多人的血液裡已經存在抗體，病毒注射進患者體內後很快被抗體中和，還來不及抵達腫瘤就沒力了。

在這種情況下，通常會考慮不把病毒輸注進靜脈血管，而是直接注射到病灶位置，避免病毒在血液循環過程中被清除。或者是，不使用 DNA 病毒，改用更容易在體內自行複製的 RNA 病毒，而且一般來說，人體帶著有效的 RNA 病毒抗體的機率比較低，就有機會減少這一類問題。

還有最關鍵的一點，就是癌細胞表面一定要有病毒的受體，病毒才能鑽進癌細胞，否則就算病毒的殺傷力再厲害，也無用武之地，所以癌細胞的種類和性質會直接決定能選擇哪些病毒來製成藥物。

最後還有一些實務上的環節要克服，像是製作、儲存、搬運到醫院和注射的過程中，病毒必須能保持穩定，不因為熱、光線、酸鹼度等因素而分解。這難度可不低啊。

這樣一關一關篩選下來，目前只有少數的病毒能滿足這些需求。根據 2023 年 1 月《Nature Reviews Clinical Oncology》和 4 月《Nature》旗下子刊《訊息傳遞與標靶治療》的回顧性文章，現在用來開發溶瘤療法的病毒有疱疹病毒、腺病毒、麻疹病毒、克沙奇病毒和水疱性口炎病毒等等。

溶瘤病毒還要突破哪些關卡？

溶瘤病毒雖然吸引全球許多的關注，一批批科學家和企業投入大筆時間金錢往這個方向衝刺，不過，擋在前面等待突破的難關一點也不比其他癌症新療法少。

一個很骨感的現實是，雖然溶瘤病毒已經發展超過 20 年，截至 2023 年 6 月為止，各國核准的溶瘤病毒只有四款而已，可見得把病毒煉成抗癌藥這條路並不好走。

大致來說，溶瘤病毒療法需要通過三關的考驗。第一個關卡是腫瘤異質性。腫瘤來自身體細胞突變誕生的壞細胞，腫瘤在長大過程中，內部各處的細胞也會繼續發生突變和複製，因此會演變成一顆腫瘤是由一小群一小群帶有不同基因突變的癌細胞聚集起來的情況，這種現象叫做異質性。

打一針病毒瓦解了一部分腫瘤，但其他帶有不同突變的癌細胞因此訓練出抗藥性，下一針再打同樣的病毒可能效果就變差了，這是臨床治療的一個難題。

可能的解套辦法之一，是注射了幾次病毒以後，換成其他病毒，就好比替換抗生素使感染身體的細菌來不及適應，因而遭到殲滅。

第二個關卡是腫瘤微環境，腫瘤內部這個狹窄空間是一個大魔境，免疫細胞攻進來以後，面對的是一個會壓抑免疫活性的嚴苛環境。打個比方，就像是特種部隊好不容易攻進恐怖分子大本營，結果發現房間裡布滿催眠瓦斯和詭雷。病毒雖然能滲透進腫瘤內部進行破壞，但是接到消息趕來增援的免疫細胞很快變得疲軟無力，因此能獲得的戰果就少了。

結合不同免疫療法，多拳出擊！

現在科學家認為，結合溶瘤病毒和免疫檢查點抑制劑（immune checkpoint inhibitor），是一種有希望的做法。我們先前詳細介紹過免疫檢查點抑制劑，這一群新藥能活化免疫系統，用病毒先打頭陣，摧毀一部分癌細胞，吸引免疫細胞參戰，接著藥物強化免疫細胞戰力，好像補師給戰士上 BUFF，一擁而上擊垮癌細胞。有興趣可以點這支影片來看。

像是 2023 年 5 月，一款使用腺病毒搭配免疫檢查點抑制劑 Pembrolizumab 的新療法，用來治療腦部膠質母細胞瘤，初步臨床試驗結果刊登在《Nature Medicine》，成功延長部分患者的存活時間。

另一方面，先前在 2022 年 8 月《Cancer Cell》的一項研究也顯示，溶瘤病毒加上 CAR-T 或 TCR-T 這類免疫 T 細胞療法，有機會產生加乘效果，甚至可能突破以往 CAR-T 只用於治療血液和淋巴癌症的侷限，讓 CAR-T 也能破壞實體腫瘤。

還沒大顯身手就衰弱了？溶瘤病毒護送計劃！

第三個關卡是病毒在長途行軍到病灶的過程中減弱。這是什麼意思呢？前面有說到，如果在注射前，患者血液裡已經有自然環境中同類病毒誘發產生的抗體，病毒部隊在還沒趕到目的地之前就潰敗了。再加上血管和器官的內皮細胞會擋住病毒，還有體內的其他多種免疫反應也會快速清除病毒，因此遞送病毒的效率低落，是現階段溶瘤療法的一個關鍵瓶頸。

雖然可以嘗試把病毒直接打進腫瘤病灶，但是如果腫瘤長在內臟，會需要特別的注射技術。要是患者已經到了晚期，癌細胞轉移到遠處器官，就還是必須把病毒輸注到靜脈血管，讓血液循環把病毒送到全身。

或是假如腫瘤分布在腦室、肋膜腔、膀胱或脊髓腔等腔室，也可以用特殊技術注射進這些位置。尤其是針對腦部惡性腫瘤和腦轉移的癌細胞，因為大多數病毒通不過血腦障壁，經常需要採用這種方式。

不過這些方法還是相對屬於高侵入性，對病人傷害可能比較大，因此科學家研發了另一種聰明的方法，那就是用活細胞當做載體，等於讓病毒搭便車兼提供一層保護殼，運送病毒抵達腫瘤。

2021 年《Molecular Therapy Oncolytics》的一項動物研究使用自然殺手細胞（natural killer cell）來搭載病毒，自然殺手細胞是免疫系統的一員，可以繞過身體的阻擋機制，好像一架漆著友軍識別標誌的運輸機穿過我方領土，把空降部隊載到敵人陣地上方。同年 12 月底《Pharmaceutics》一篇回顧報告列出研發中的載體細胞，還包括了 T 細胞、巨噬細胞和樹突細胞等。

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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]

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 nDNA 與 mtDNA，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]

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]

狼（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，狗（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]

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.

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。

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。

「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！

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。

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！

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。

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。

延伸閱讀

• 中研院生物多樣性研究中心。〈尋找會對抗新冠病毒的人類及其他靈長類的ACE2突變〉。
• 李名揚（2008）。〈從數學出發的生物學大師──巴仁獎得主李文雄〉，《科學人》。
• 涂世宗、邱燕淇（2005）。〈李文雄〉，《十年有成—中大菁英名人錄》。
• Kyoto Prize. (2014). Message from Dr. Masatoshi Nei -The 2013 Kyoto Prize Laureate
• McGowen, M. R., Tsagkogeorga, G., Álvarez-Carretero, S., Dos Reis, M., Struebig, M., Deaville, R., . . . Rossiter, S. J. (2019). Phylogenomic resolution of the Cetacean Tree of life using target sequence capture. Systematic Biology, 69(3), 479-501. 
• Shedlock, A.M. and Okada, N. (2000), SINE insertions: powerful tools for molecular systematics. Bioessays, 22: 148-160.
• The Pennsylvania State University. (2015). Kyoto Prize awarded to Penn State’s Masatoshi Nei
• Tsagkogeorga, G., McGowen, M. R., Davies, K. T. J., Jarman, S., Polanowski, A., Bertelsen, M. F., & Rossiter, S. J. (2015). A phylogenomic analysis of the role and timing of molecular adaptation in the aquatic transition of cetartiodactyl mammals. Royal Society Open Science, 2(9), 150156. 
• University of California Museum of Paleontology. Molecular clocks. Understanding Evolution.