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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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研之有物│中央研究院_96
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保留海洋中的絢麗色彩——海科館陳麗淑博士專訪

科學月刊_96
・2021/09/30 ・5120字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文由海洋保育署廣告企劃,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 作者:採訪撰稿 ∕ 謝育哲 ∕ 本刊主編

大海中美麗的珊瑚礁是許多海洋生物的棲地,但由於海洋環境汙染及氣候變遷等問題,珊瑚的生存不斷受到壓迫,珊瑚白化問題更是屢見不鮮。為了讓一般大眾也能保育珊瑚,由海科館陳麗淑博士等人團隊從澳洲引進的「珊瑚觀測」,用簡單色卡上的顏色與觀測珊瑚進行比對,就能評估該珊瑚的健康狀況。此外,海科館及海保署也進行更多的計畫與推廣,讓全民一起守護海底美麗的珊瑚。

圖/Pexels

海中有著形形色色的生物,如果要挑選出一種外觀最令人印象深刻的,肯定是色彩斑斕綺麗的珊瑚了!許多人常會誤認珊瑚是一種植物,但牠其實是不折不扣的動物。事實上,珊瑚是由許許多多的珊瑚蟲(coral polyps)所形成的群體。目前全世界共有 800 多種的珊瑚,而由珊瑚組成的珊瑚礁(coral reef)更是許多海洋魚類生存的家園。

但由於珊瑚生長速度極慢,每年僅增長約 10 公分,且十分脆弱,近年來又因氣候變遷與海洋汙染等問題,造成珊瑚的生存出現危機。因此,保護珊瑚人人有責,但身為一般人的我們又該如何保育這些美麗又珍貴的海洋生物呢?本次《科學月刊》專訪了國立海洋科技博物館(以下簡稱海科館)的研究員陳麗淑博士,看看有哪些保護珊瑚的方式,以及介紹從澳洲引進的珊瑚觀測(coral watch)方法吧!

珊瑚遇到了什麼危機?

關於珊瑚,我們最常聽到的是「珊瑚白化」(coral bleaching)。但珊瑚白化代表什麼?又是什麼造成了珊瑚白化呢?

白化的軸孔珊瑚(Acropora spp.)與背景中的健康軸孔珊瑚形成對比。圖/WIKIPEDIA

由於珊瑚對於生存環境的溫度十分敏感,一般來說,對珊瑚而言最自在的水溫環境為 23~28℃,而生存的極限溫度範圍則為 18~32℃,若超過這個溫度區間,對珊瑚來說即為太冷或太熱的環境。陳麗淑表示,一但海水溫度超過 32℃,珊瑚就會出現白化現象。當然不是所有的珊瑚都會同時白化,各種珊瑚因生長速度不同,白化現象發生的情形也會有所差異。一般來說,生長速度較快的枝狀珊瑚比較容易白化,而團塊狀珊瑚則比較有抵抗力。

不過珊瑚到底是怎麼「變白」的?其實珊瑚白化詳細原因,是因為當環境溫度出現劇烈變化時,珊瑚內部的共生藻數量就會下降。由於共生藻是珊瑚繽紛色彩的來源,因此在珊瑚內部的共生藻數量多時,顏色就會飽滿鮮豔,而當共生藻離開珊瑚後,珊瑚的顏色便會越變越淡,最後白化,若後續沒有適當保護與處置,珊瑚就可能會因而死亡。所幸珊瑚白化並不是不可逆的,只要海水溫度回到適合珊瑚生存的溫度,珊瑚就會逐漸穿上牠美麗的彩衣,恢復原本繽紛的色彩。

過去臺灣周遭海域曾出現過多次珊瑚大量白化的現象,陳麗淑表示,珊瑚大規模的白化的情形主要集中發生在夏季,甚至在去(2020)年夏季就曾發生珊瑚大量白化的現象,由於當時的海水溫度偏高,且維持時間較長,使得臺灣各地出現珊瑚白化的情形。不過好消息是,根據調查,今(2021)年還未發生大規模的珊瑚白化,且時節已進入秋季,海水溫度下降,至少目前珊瑚不會面臨溫度升高的生存壓力。不過,陳麗淑也語重心長地提醒:「近年來海水溫度過高的發生頻率相較以往提高了不少。」令人擔心的是,若海水溫度升高頻繁,將可能嚴重衝擊珊瑚的生存。因此,我們必須想辦法保護珊瑚。

圖/Pexels

一般人該怎麼保護珊瑚?老嫗能解的「珊瑚觀測」

對一般大眾來說,並不是所有人都具備珊瑚的相關知識,對此,陳麗淑一直在思考該用什麼方法,才能讓沒有專業知識背景的大眾能參與保育珊瑚的活動呢?在公民科學領域中,有個名為「珊瑚礁體檢」(reef check)的珊瑚監測計畫。但由於珊瑚礁體檢的入門門檻較高,需要先經過一定時數的課程訓練,且所費不貲,因此這並不是一項適合所有人的方法。

這時陳麗淑想到了「珊瑚觀測」。事實上,珊瑚觀測約莫在 2009 年就已有人引進臺灣,但當時並未受到大量關注。直到 2018 年,陳麗淑帶領的團隊開始重新研究珊瑚觀測的方式,發現其背後的科學大有學問,也可簡化成任何人都能理解並運用的珊瑚監測方式。

珊瑚觀測主要是透過一張卡片,上頭有 4 種由淺至深的色調。陳麗淑表示,這些色調涵蓋了約 70~80% 的珊瑚種類,即使無法囊括其他特殊顏色的珊瑚,但卡片上的設計對普通人來說已是綽綽有餘。而觀測方法也很簡單,任何人只要帶著這張卡片潛水至珊瑚旁,將卡片上的顏色與想觀察的珊瑚顏色進行比對與拍照即可。如果是前往水深 6 公尺以上的區域,則建議觀測時攜帶光源,以避免色差造成的誤判。前文有提到,珊瑚的顏色代表其內部共生藻早的數量,當共生藻數量越多,珊瑚顏色越深,也就代表越健康;反之,若顏色越淡則代表珊瑚的健康可能出現狀況了。

因藻類過度生長而造成的珊瑚白化 。圖/WIKIPEDIA

陳麗淑說明,珊瑚觀測背後的科學基礎十分紮實。這套由澳洲昆士蘭大學(The University of Queensland)學者馬歇爾(Justin Marshall)等人組成的團隊研發設計。團隊將珊瑚搬至實驗室中進行一系列實驗,觀察在各溫度區段中,不同溫度會如何影響珊瑚中的共生藻數量,並記錄珊瑚的顏色變化。在經過嚴謹的科學實驗後,馬歇爾團隊將其簡化並歸納成珊瑚觀測的色卡。陳麗淑表示,這套化繁為簡的觀測方式在經過推廣後,許多保育團體對於珊瑚觀測的接受度都非常高,能進而達到推廣珊瑚保育目的。

海洋公民科學知識報你知

珊瑚觀測

珊瑚觀測是一項由澳洲昆士蘭大學學者所辦理的非營利全球珊瑚礁監測計畫,將珊瑚的顏色變化標準化後,製作成珊瑚健康色卡,提供一種簡單的方法用以評估珊瑚健康,並為 CoralWatch 的全球數據庫做出貢獻。大家可以使用這些色卡協助科學家收及數據,支持珊瑚礁監測工作。

另外,珊瑚觀察也透過與世界各地的志願者合作,包括了潛水中心、科學家、學校團體、遊客參與其中,讓大眾更加了解珊瑚礁白化、氣候變化對於珊瑚礁的影響。

保育珊瑚面臨哪些困境?

雖然保育珊瑚是許多人的共識,但過程中依然面臨到許多的挑戰及困難。目前最常見的是海洋垃圾問題。由於珊瑚本身不會移動,當海洋垃圾在海中漂浮時不慎卡在珊瑚上,若沒有人為協助清理,則非常有可能造成珊瑚死亡。

圖/Pexels

陳麗淑舉例說明,由於今年 5 月起爆發 2019 冠狀病毒疾病(COVID-19)的本土疫情,位於基隆的潮境公園也為了防疫而禁止一般人下水。但當研究人員下水觀察後發現,因為沒人下水協助清理海洋垃圾,許多卡在珊瑚上的垃圾無法被及時移除,發現的當下已有許多珊瑚出現白化現象,這些珊瑚後續花了約一個月才慢慢恢復正常。

對此,陳麗淑曾與中研院學者邵廣昭等人討論,若保育區都沒有人進入可能並不是件好事,尤其當海洋汙染嚴重,垃圾很多的情況下,都還是必須定期有人去協助清理。因此,保育區在人為管理的情況下或許才是保育珊瑚好方法。

你我都可以為珊瑚盡一份心力

我們還有什麼方法可以保護珊瑚呢?陳麗淑表示,如果你是一個會下水觀測的人,使用珊瑚觀測是個好選擇。無須再多帶任何設備,只要準備珊瑚觀測的卡片,攜帶相機與光源,就可以拍攝並記錄珊瑚的健康狀況。不過若是沒有相關潛水經驗或半路出家的遊客,反而可能在潛水的過程中不慎踢到或傷害珊瑚,因此潛水者必須要具備一定的潛水技術。

海洋保育署(以下簡稱海保署)為推廣友善珊瑚礁生態旅遊,提出「珊瑚礁區你該注意的 8 件事」,包含不踩踏、不揚沙、合格玩家、保持適當距離、使用海洋友善防曬、不餵魚、不吃珊瑚礁魚、減塑行動。

即便沒有下水,在岸上也有許多可以保護珊瑚的方法。舉例來說,在我們常用的防曬乳中,多數含有可能傷害珊瑚的成份,因此在選購時可以優先考慮「海洋友善防曬」。此外,由於珊瑚礁魚類可以協助清理珊瑚礁之中的藻類,讓珊瑚順利生長,我們應盡量避免食用珊瑚礁魚類。所以最重要的,是希望大家一起落實節能減碳,全球暖化是影響珊瑚生存的主要原因之一,若減碳能從個人做起,也是保育珊瑚的積極作為。

「海洋友善防曬」 的成分較不會傷害珊瑚。圖/Pexels

出書、展覽、辦活動 海科館邀你一起守護珊瑚

除了上述的個人保育行為外,海科館也辦理了一系列保育珊瑚計畫。陳麗淑表示,海科館的研究人員會定期前往珊瑚礁進行監測,還會前往各地宣傳及教導大家如何使用珊瑚觀測。

至於在珊瑚復育方面,海科館內也有養殖珊瑚,研究人員會把這些珊瑚移植到野外,或是使用不同的材質,測試珊瑚附著生長的情形等。未來希望透過這些方法,協助加速珊瑚的生長。

在教育方面,去年海科館與行政院環境保護署及科技部等單位,共同主辦的「2020 海洋公民科學家行動計畫」中,包含了「珊瑚保育監測」的主題。對此,海科館團隊舉辦了一系列的「針織珊瑚」活動。「針織珊瑚」主要是前往各地的小學,除了教導珊瑚的知識,以及倡導珊瑚保育外,讓小朋友們藉由織毛線的方式,訴說一則關於珊瑚的故事。每所國小的作品都有自己的主題,也讓小朋友在織毛線的過程中,思考珊瑚對於生態的重要性,從小扎根珊瑚保育知識。並在後續收集作品後,舉辦「陸上造礁 針織珊瑚計畫特展」。

此外,海科館也曾於 2019 年出版《珊瑚很有事:珊瑚保育×環境藝術×手作針織×珊瑚教案》一書,並榮獲第 44 屆金鼎獎。今年更在海科館官網建置「海科館悠遊數位海洋行動學堂懶人包」,整合科普電子書、電子繪本、數位課程學習平台、海洋知識、動畫學習、影片等。陳麗淑表示,透過這些教材與教案的持續推廣,希望能讓更多人利用這些資源,一起守護海洋中的美麗珊瑚。

海洋保育署與臺灣珊瑚保育

海保署於今年透過「臺灣珊瑚監測交流網絡建立與保育策略規劃」計畫,建立珊瑚監測與保育示範點,以及珊瑚監測交流網絡,選訂全臺灣共 32 個地點進行水下珊瑚礁調查。調查結果截至今年 9 月底,澎湖、恆春半島、東部、北部珊瑚覆蓋率多呈現穩定狀態,但小琉球珊瑚礁卻多數已衰退,可見除了受到全球暖化影響,不當的遊憩踩踏行為也對珊瑚礁造成嚴重衝擊。

此外,海保署也與行政院農業委員會水產試驗所共同合作,針對澎湖池東淺坪海域的棲地環境現況進行調查及珊瑚復育,增加棲地多樣性。截至今年 9 月底,珊瑚移植面積已達到 100 平方公尺,其中珊瑚礁魚類包含青嘴龍占(Lethrinus nebulosus)、鸚哥魚(Scaridae)、隆頭魚(Labridae)等也逐漸聚集在移植區域,豐富當地生態。

棕吻鸚哥魚。圖/WIKIPEDIA

此外,有鑒於目前許多單位都在進行珊瑚保育及復育相關工作,海保署今年度與海生館合作成立珊瑚保育專案辦公室,除了作為各單位資料蒐集整合中心,提供數據科學家分析資料外,還能進一步轉化為資訊呈現給大眾,使珊瑚礁相關專家學者、單位,以及一般民眾等,都可藉由此互相交流,同時兼具諮詢、推廣功能,協助提供珊瑚保(復)育相關標準作業方式及技術指導。並設立臺灣珊瑚礁水質採樣點及進行水樣分析,了解水質狀態,以作為後續珊瑚復育棲地及規畫保育方式選擇的依據。

為了鼓勵更多在地民間團隊參與,海保署亦透過辦理「海洋保育在地守護計畫」,支持在地團體進行公民科學、清除珊瑚礁覆網及珊瑚復植,希望能夠結合在地生活方式及資源提出具體保育策略,發揮社會影響力,促進在地參與珊瑚保育及復育作業,並提高民眾對海洋保育的參與及投入。

從政策面、科學面,再到行動面,海保署將持續呼籲全民共同守護臺灣珍貴的珊瑚資源。

海洋委員會海洋保育署正在舉辦 海有問題 我來分析 | 第一屆海洋公民科學家數據松!為臺灣周遭的海洋生態盡一份心力吧!

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