以工程手法處理人類基因之路,源於 1972 年史丹佛大學教授保羅.伯格。他發現了一種方法,可以取出猴子身上所發現的一種病毒的一點 DNA,與另一種完全不同病毒的 DNA 剪接在一起。哇啦!他就這樣製造出了他命名為「重組 DNA」的東西。接著赫伯.博耶與史丹利.柯漢找到了可以讓這些人造基因更有效的方式,複製出上百上千萬的複製品。就這樣,基因工程的科學以及生物科技的商業開始啟動。
科學家又花了 15 年,才開始把工程手法處理過的基因送到人體細胞內,目標與製造藥物的目的相似。由於沒有試圖變更患者的 DNA,所以不是基因編輯。這種基因療法將一些基因工程 DNA 送入患者細胞內,修正致病的基因。
基因療法的初次實驗發生在 1990 年,對象是一名 4 歲的小女孩,她因為基因突變而導致免疫系統失效,一直活在感染威脅中。醫生找到一種方法,把缺失基因的有效副本移入小女孩血液系統中的 T 細胞內。作法是從她體內取出 T 細胞,放入缺失的基因,再將 T 細胞重新移回她體內。這個作法為她的免疫系統帶來了戲劇化的改善,也讓她能過健康的生活。
除了透過基因療法治療基因問題,研究人員開始設法從源頭解決問題,目標是針對患者體內相關細胞的 DNA 瑕疵序列進行編輯。稱為基因編輯的努力就此誕生。
哈佛教授傑克.索斯達克,同時也是道納的論文指導教授,在 1980 年代發現了編輯基因其中一個關鍵:必須讓 DNA 雙螺旋的兩股都斷裂,即雙股斷裂。當 DNA 的雙股斷裂時,任何一股都無法再成為修復另一股鍵的模版。基因有兩種自我修復的方式。
第一種方式被稱為「非同源性末端接合」(英文名稱 nonhomologous end-joining 中的「Homologous」源於希臘字,意思是「匹配」。)在這樣的例子中,只要簡單地把兩端接起來,不需要找一條相配的序列,就完成 DNA 修復。這種修復方式相當馬虎,可能造成遺傳物質不必要的插入與刪除。
另一種較為精準的過程被稱為「同源基因引導修復」(homology-directed repair),是被切斷的 DNA 在附近找到一個合適的取代模版時的狀況。當雙股斷裂出現時,細胞通常都會複製並插入可以取得的同源性序列。
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基因編輯的發明需要兩個步驟。第一,研究人員必須找到可以在 DNA 內裁切出雙股斷裂的正確酵素。第二,他們必須找到一個嚮導,帶領酵素抵達他們想要在細胞 DNA 內進行裁切的精準目的地。
有能力裁切 DNA 或 RNA 的酵素稱做核酸酶。為了建立基因編輯系統,研究人員需要一個可以遵守指令,裁切選定的任何序列目標的核酸酶。到了 2000 年,他們找到了一種可以做到這一點的工具。
在某些土壤與池塘細菌體內發現的 FokI 酵素有兩個區域,一個區域可以充當裁切 DNA 的剪刀,另一個區域則是可以成為剪刀的嚮導,告訴剪刀該往哪裡去。這兩個區域可以分離,其中第一項區域也可以透過重新設定,去任何研究人員想要它去的地方。
研究人員能夠設計出擔任嚮導的蛋白質,引導裁切區域到目標 DNA 序列之處。鋅指核酸酶(ZFNs)是一種系統,將裁切區域與一種蛋白質融合在一起,而這種蛋白質有一根根因為鋅離子存在而凸起的小小指頭,可以抓住特定的 DNA 序列。另一種類似但甚至更靠得住的方法被稱為 TALENs(類轉錄活化因子核酸酶),是指將裁切區域與可以引導這個區域到較長 DNA 序列處的一種蛋白質融合的做法。
基思.艾倫.哈沃德可以說是一名倖存者。他被維吉尼亞州錯誤定罪,但是逃過死刑執行。而且還是兩次。梅克倫堡矯正中心在一九八四年爆發了所謂的「大逃亡」(The Great Escape)1,那是有六名死囚越獄的空前維安漏洞,哈沃德面對其後的嚴密禁閉也倖存了下來。哈沃德面臨過殘酷的獄警、僅存的希望全被澆熄、父母的死訊,他的身分也被侵蝕到只能淪為 1125797 號罪犯,但是他倖存了下來。
當我們發現特蕾莎用過的性侵採證套組、把它送去做 DNA 檢驗時,維吉尼亞州的監禁率已經超過每十萬名居民有四百五十多名囚犯,每十萬名黑人居民則是超過兩千四百人。2在那個看不見的國度裡,到底住著多少無辜的 1125797 號囚犯,我們不會知道。但是統計顯示,在維吉尼亞州和全國有數千名無辜的人被關在牢裡;他們大部分人都永遠不會再拿回他們的名字了。
即使用催眠誘導的指認可以相信,不過駐衛也只是說在襲擊案發生當晚,他有看到哈沃德回到基地。是的,他是說那個人穿了血跡斑斑的制服,不過那人其實不是基思.哈沃德,而且在當時的紐波特紐斯,喝醉酒的水手在酒吧跟人打架,然後滿身是血回到船上,也不是什麼罕見的事。歸根究柢,不論證人指認的這番話具有多少分量,它都不代表哈沃德那天晚上有進入佩隆家。只有洛威爾.萊文和阿爾文.凱吉的專家證人證詞明確說出了這一點。而 DNA 也證明了兩位牙醫是錯的。
哈沃德在監獄裡的朋友們都為他打氣。他們開始從監獄圖書館的報紙上剪下與哈沃德案件有關的新聞剪報,並保留給他。隨著哈沃德的案件從一團混亂的垃圾科學訴訟,轉變成教科書等級的 DNA 平反案件,格林的報導刊登位置也越來越靠近頭版。當哈沃德的聲請在等待維吉尼亞州最高法院的決定時,他成了頭版新聞,而當 DNA 檢驗證明哈沃德是無辜的時候,他直接登上頭條。
既然已經在「聯合 DNA 索引系統」找到符合者了,但凡有一點基本的正當程序概念,都會覺得繼續監禁哈沃德是不可接受的。他顯然是無辜的。任何殘存的反對意見都消失無蹤了。
Bill McKelway, “From the Archives: How the 1984 Escape from Virginia’s Death Row Happened,” Richmond Times-Dispatch, May 30, 2009,瀏覽日期二○二一年七月五日,richmond.com/from-the-archives/from-the-archives-how-the-1984-escapefrom-virginias-death-row-happened/article_19ea1684-9af2-5d24-86ab-5875eaf2068c.html。 ↩︎
Prison Policy Initiative, Virginia profile,瀏覽日期二○二一年七月五日,www.prisonpolicy.org/profiles/VA.html。 ↩︎
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]
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。
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。
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。
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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。
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)。
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。
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。