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連黃帝都想知道的問題:1902年第二屆諾貝爾生理學醫學奬得主Ronald Ross的文獻回顧(下)

hemmings
・2013/04/07 ・2200字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 602 ・九年級

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文 / Hemmings Wu(比利時魯汶大學博士生,醫學背景,專攻功能神經外科/神經科學)

(為方便理解文章內容,建議尚未閱讀前篇的讀者從上篇開始讀起。)

接續先前的研究工作,Ross於1898年在《英國醫學期刊》上進一步發表了最新關於瘧原蟲與蚊的研究成果。

Ross, R. (1898). Pigmented Cells In Mosquitos. British Medical Journal,1(1939), 550.

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首先,Ross再次確認只有某種翅上帶有斑點(dapple-winged)的蚊吸了帶有瘧原蟲的血之後,其胃內才會生出色素細胞(pigmented cell)。此外,他讓灰蚊(grey mosquito)吸了帶有大量間日瘧原蟲患者的血後,他在該蚊胃內除了發現大量色素細胞之外,還發現了某種游動孢子(swarm spore)。讓自願者喝下帶有這些孢子的水以後五天,該名自願者就出現了發熱症狀(瘧疾的主要症狀)。

文章結尾,Ross重申了蚊胃內色素細胞和瘧原蟲之間的聯繫,但仍然無法完整證明蚊就是傳播瘧疾的元凶。

瘧蚊(又稱按蚊)。翅膀上可見斑點,因此被Ross稱做dapple-winged。  Image courtesy of http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2411553/pdf/brmedj08618-0001.pdf
瘧蚊(又稱按蚊)。翅膀上可見斑點,因此被Ross稱做dapple-winged。

1900年,始終在幕後的高人終於出手了。Ross的老師、人稱「熱帶醫學之父」的Patrick Manson發表了題為《Experimental Proof of the Mosquito-Malaria Theory》的文章,在20世紀的黎明之際確定了蚊與瘧疾的關係。

Manson, P. (1900). Experimental proof of the mosquitomalaria theory. British Medical Journal, 2(2074), 949.

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文章開頭首先表明了這篇文章的目的:

“Although the theory that the malaria parasite is transmitted from man to man by particular species of mosquito is now accepted by all biologists and medical men… it cannot be said that the general public unreservedly believe in, much less practically apply it… Impressed with this fear, and bing anxious to see some fruit from a theory which I knew to be true and for which I was in a measure responsible, I cast about for means by which the conversion and cooperation of the public might be secured.”

雖然『蚊是瘧疾傳播主要途徑』在醫學界已被廣為接受,但Manson感覺到這一與大眾健康息息相關的重要理論在一般民眾之間仍然難以推行。身為該理論的重要奠基人之一,Manson肩負起他身為科學家的責任,於是起草這篇面向大眾的科學文章。

文章中包含兩個實驗:讓來自羅馬的、帶有瘧原蟲的蚊去叮咬倫敦的自願者;讓從沒感染過瘧疾的英國人全副防蚊武裝地去當時正處在瘧疾發病高峰的意大利。

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從實驗內容就不難看出:這真的是專門針對普羅大眾的科學論文。

其實在1898年,意大利醫學家Bignami和Grassi等人就已經證明了「人被帶有瘧原蟲的蚊叮咬後會感染瘧疾」,只是因為實驗是在羅馬進行,而羅馬是瘧疾發病區,「實驗對象極有可能是在實驗進行過程中接觸其他感染源而感染瘧疾」,因此該理論始終無法令大眾信服;同時他們心裡總認為要用「蚊是傳播瘧疾的主要途徑」這一理論解釋千年來未解之謎,也未免太天真了些。於是Manson才有「將羅馬的蚊送到倫敦」的想法,因為當時倫敦並不是瘧疾發病區。

用來將蚊從羅馬送到倫敦的特製運輸籠(左)和特製叮咬籠(右)  Image courtesy of  http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2588736/pdf/yjbm00006-0044.pdf
用來將蚊從羅馬送到倫敦的特製運輸籠(左)和特製叮咬籠(右) Image courtesy of http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2588736/pdf/yjbm00006-0044.pdf


實驗結果簡單明確:在倫敦(非疫區)的自願者被來自羅馬(疫區)的蚊叮咬後三天,瘧疾發作。

在第二個實驗中,來自英國的學者們在意大利瘧疾活動區域高峰季健康滴生活了三個月時間。他們並未服用任何抗瘧疾的藥物,只準備了防蚊裝備(蚊帳)。該實驗對大眾證明了再簡單不過的道理:防蚊就能防止瘧疾傳播。

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瘧疾傳播之謎,在經過眾多優秀醫學家的不懈努力下,終於完全解開。

最後,還想提些有趣的軼事。

其實來自意大利的Bignami和Grassi是最早提出「蚊是瘧疾傳播媒介」理論的醫學家。Bignami、Grassi和Ross與Manson這兩組來自意大利和英國的醫學家們始終在瘧疾研究上是處在相互質疑、互不相讓的敵對狀態中。

1897年Ross在《英國醫學期刊》上發表了題為“Observations on a Condition Necessary to the Transformation of the Malaria Crescent”關於瘧原蟲生命週期的一篇論文。

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Ross, R. (1897). Observations on a condition necessary to the transformation of the malaria crescent. British medical journal, 1(1883), 251.

開篇第一段就是:

“Bignami, in the Policlinico, July 15th, 1896, gives a lengthy critique of Dr. Patrick Manson’s views, expressed in the Goulstonian Lectures for 1896, as to the mosquito being the alternative host of the malaria parasite… Refusing to admit either water or air as the medium of malarial infection, he (Bignami) arrives at the conclusion that infection must be produced by inoculation, namely, by the mosquito; and assumes for these reasons that the mosquito is the alternative host of the parasite. “

針鋒相對的辨證基調從開頭貫徹到結尾,全文讀起來有如讀一篇精彩的法官判決書一樣的高潮跌宕、扣人心弦。在介紹自己實驗方法之前,Ross清楚地羅列出了正反兩方(Involution vs Evolution theories)的理論基礎,同時引述了各自證人的證詞(其他醫學家的理論),雙方人馬壁壘分明,關於瘧原蟲演化理論的大戰一觸即發。(事實上是,Bignami對Ross老師Manson的觀點提出了批評,Ross以這篇文章進行了回擊。可單純從文章開頭敘述來看,Bignami團隊的瘧疾傳播理論在當時似乎領先於Ross團隊。)

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有趣的是,兩國老百姓(意大利農民 vs 英屬印度人民群眾)也加入了戰局:

“Bignami cites the general opinion of Italian peasants in favour of the view that water is not the medium; in India, however, an opposite opinion is frequently expressed, not only by natives, but by forest and survey officers, and sportsmen who are intelligent men, and who are continually in contact with malaria.”

該文章中對實驗步驟細節描述非常詳細,同時也直接指名道姓地指出其他醫學家之所以沒有得到相同結論是因為他們少做了哪些步驟等等,科學戰場上勝者的光榮與輝煌、敗者的羞辱與沒落,有如羅馬競技場上的血腥與殘酷一般真實呈現在這一百多年前的醫學文獻裡。

最終,Ross贏了1902年的諾貝爾獎的光榮,但後人認為Bignami與Grassi在瘧疾研究上的成就不小於Ross和Manson。Bignami也在其他領域上名留青史:Marchiafava–Bignami Disease就是以他的姓氏命名的神經系統疾病。

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順帶一提,這兩位醫生在研究過程中都感染了瘧疾:一個是意外,一個是自願。他們對醫學研究的狂熱程度,真是令人羨慕得五體投地。

上篇

原文刊載於此

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hemmings
9 篇文章 ・ 1 位粉絲
認為科學必須從基礎紮根,相信經典必有其價值和意義。 通過介紹諾貝爾大師們的研究工作和嚴謹態度,在大眾科學的汪洋中推廣經典科學理論以及科學精神的重要性,並冀望藉此能讓讀者以一個更寬廣的角度來欣賞現代社會之包羅萬象。

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今夏登革熱來勢洶洶,該怎麼防治?有疫苗嗎?
PanSci_96
・2023/09/21 ・2675字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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「啊!蚊子!」

登革熱好嚴重,但,還會更嚴重。過往紀錄顯示登革熱的疫情高峰,常常到 9 月才大規模爆發?這聽起來有點反直覺,我本來還以為應該是最熱的 7、8 月?但其實啊,就是要等天氣稍微降溫,當大家開始出門,不是躲在冷氣房的時候,反而比較容易傳播登革熱。

而根據近期疾管署的統計顯示,台灣各地的登革熱已經發生 4,338 例本土病例,是從 2015 年登革熱在全台造成 43,419 例之後,登革熱疫情最嚴重的一年,我們真的要注意小心!只要出門,防蚊措施不能免!

不過……話說回來,難道就沒有疫苗可以一勞永逸預防登革熱嗎?

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好幾年沒聽說的登革熱,怎麼突然又「熱」起來?

這個我們就要講到台灣登革熱的發生模式,其實台灣沒有登革熱本土病毒株,所以每當登革熱疫情過去之後,登革熱病毒就會在台灣消失,而下一次的登革熱發生,就必須是境外移入的登革熱患者由國外輸入到國內,而且必須要在登革熱可被傳播的期間,被病媒蚊叮咬並傳播出去,才會造成本土的病例,所以從這點我們可以知道登革熱流行,有兩個有效的控制條件:第一、即時發現境外移入病例,直接隔絕病毒在境外。第二、控制台灣本土病媒蚊數量,以及密度,讓登革熱病毒難以傳播出來。

那過去幾年為什麼都沒有發生登革熱的流行呢?因為 2020 年開始因為 COVID-19 疫情封鎖國境,根據疾管署的資料,2020 年到 2022 年,這三年加起來全國僅有 144 例登革熱境外移入病例,而 2023 年至今已經有 158 例登革熱境外移入案例,而在 2015 年登革熱大流行時,更有 354 例境外移入案例,這也表示台灣登革熱疫情的發生,與境外移入登革熱案例息息相關。

臺灣 2023 年登革熱病例分布。圖/衛福部疾管署

尤其,台灣許多行業仰賴東南亞國家的移工,很多台灣廠商也在東南亞國家設廠,彼此之間的旅遊往來也越來越多,所以東南亞國家的登革熱疫情嚴重與否,與台灣是否會發生登革熱流行,有著高度相關。

把積水倒掉!杜絕登革熱,從減少病媒蚊產卵點開始

每年到了春夏交際時,政府都會宣導要防治病媒蚊,做好居家附近的環境衛生管理,大家耳熟能詳的【巡、倒、清、刷】四字口訣,為的是減少積水,那麼孳生源的減少,真的能夠有效防治登革熱發生嗎?

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這時我們要提到登革熱病媒蚊的生殖營養週期。週期的開始是一隻未吸血的雌蚊,開始尋找適合的吸血對象,在吸飽血後,這隻雌蚊需要等待約 2 到 3 天,讓體內的卵發育成熟,接著雌蚊就會開始尋找有水的地方產卵。而埃及斑蚊或白線斑蚊產卵場,都偏好小型的水域,就像廢棄輪胎內的積水、盆栽下方的接水盆等等,當雌蚊把卵都產下來後,就完成了一個生殖營養週期,接著她會再繼續尋找下一個吸血的對象,不斷循環下去。在實驗室內條件充足的環境下,最快 3 天就可以完成一個週期,而在野外一般環境中,科學家認為 5 到 7 天可以完成一次週期。

雌蚊吸飽血後,等待卵發育成熟,就會開始尋找有水的地方產卵。圖/Giphy

猜猜看一隻雌蚊一次可以產下多少卵?答案是 50-200 顆卵。也就是說,一隻雌蚊經歷一次生殖營養週期,假設生男生女一樣多,也就可以有 25-100 隻新出生的雌蚊。吸血的蚊子等於放大了 25-100 倍的數量,所以一隻蚊子在適合環境下,經歷三代之後最多就可以有 1,000,000 隻雌蚊產生。

我們透過蚊蟲的生活史反推,這僅僅只需要一個月左右的時間。

所以回到一開始的問題,把積水容器清除可以減少蚊蟲數量嗎?如果把你居家附近的積水容器清除的話,其實會讓蚊子找不到產卵的地方,你家附近的蚊蟲的確就會減少,其中一個特殊的現象就是,如果蚊子一直沒有辦法產卵,就會將體內的卵回收成為自身的營養,等待再進入一次生殖營養週期,因此減少雌蚊下一代,自然整體蚊蟲的數量就會減少。

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ADE 效應是什麼?有沒有疫苗可以防治登革熱?

除了防治病媒蚊以外,有沒有可以預防登革熱感染的疫苗呢?

其實,登革熱疫苗的開發非常困難,主要的原因是在人類中流行的登革熱病毒有四種血清型別,而不同型別之間的前後感染,有時候會造成前一型感染產生的抗體,幫助後面另外一型的登革熱病毒感染細胞,使病毒就更容易感染細胞,而這個現象也就是抗體依賴增強效應,簡稱 ADE 效應。

當 ADE 效應產生,也就容易造成較嚴重的病症,而 ADE 效應也是登革熱出血熱產生原因之一,也正是因為有 ADE 效應,登革熱的疫苗開發的難度相當大,因此這隻疫苗需要同時產生對抗四型登革熱的有效抗體,還要避免 ADE 效應的產生。

雖然有 ADE 這個大魔王擋在前面,那麼究竟能不能做出登革熱疫苗呢?

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登革熱疫苗的難度在於要克服 ADE 效應。圖/pixabay

其實,在 2015 年賽諾菲巴斯德藥廠曾經有世界上第一支可施打的四價登革熱疫苗 Dengvaxia,但這隻疫苗僅能夠使用在「感染過登革熱」的人身上,主要的原因,還是因為這支疫苗打在「未感染過登革熱」的人身上,當他們感染登革熱時,會產生 ADE 效應,反而變得更嚴重。

不過近期有了轉機,日本武田製藥的 TAK-003 已經完成三期試驗,在歐盟、英國、巴西、印尼、泰國、阿根廷獲得上市許可,根據 TAK-003 在新英格蘭醫學雜誌 NEJM 和柳葉刀 Lancet 發表的論文,在施打 2 劑後,12 個月可以達到 80.2% 的不感染保護力,18 個月後即便感染,也有 90.4% 的重症保護力,而在施打後 4 年半的持續追蹤,仍然保有 61.2% 的不感染保護力,而且對重度登革熱保護力也有 84.1%,更重要的是,跟 Dengvaxia 相比,不論是否曾經感染過登革熱,都可以施打這個新疫苗,不用擔心 ADE,除了 TAK-003 外,台灣還參與了默沙東藥廠的 V181 和默克藥廠的 TV003 兩支候選疫苗的臨床試驗,可惜的是,台灣還沒有通過 TAK-003 的上市許可。

但自從 1970 年代開始研發的登革熱疫苗,面對一道又一道難關,過了五十多年後,似乎終於有疫苗可以幫助人類對抗登革熱了!

登革熱正在蔓延中,你有什麼好的防蚊秘方嗎?你或認識的人得過登革熱嗎?當時的感受是什麼呢?歡迎與我們分享。最後也想問問,你會想打最新的登革熱疫苗嗎?

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活體犧牲不再?讓蚊子吸食水凝膠去吧!
胡中行_96
・2023/03/02 ・2680字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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以往病媒蚊研究中,人類志願者及受試動物,得犧牲小我以造福蒼生。活生生地,讓蚊子叮咬並吸食他們的血液。現在,美國科學家用充滿動物血液的水凝膠餵蚊子;將來或許還能改為填充蛋白質營養液。[1]從此以後,科學家便能像主持以酒代血的天主教感恩祭,慷慨地對蚊子說:「你們大家拿去喝,這一杯就是我的血,新而永久的盟約之血,將為你們和眾人傾流,以赦免罪惡。」[2]

圖/Australian Department of Foreign Affairs and Trade on Flickr(CC BY 2.0)

餵食蚊子的水凝膠

1944 年科學家 Samuel Gertler 合成的化合物 DEET(中譯「待乙妥」或「敵避」),在二戰期間被美軍用來驅蚊。[3]之後各種防蚊成份的研究過程,仍免不了仰賴人類和動物的活體貢獻。隨著近年 3D 列印與生物相容水凝膠的技術發展,開發替代品的時機逐漸成熟。理想上,餵食蚊子的水凝膠製品,要具備高解析度的 3D 列印血管、擴散於組織中的血液、對多種蚊子的吸引力、低廉的成本,以及較少的動物實驗倫理問題。此外,最好還能搭配一組攝影器材,與相應的數據運算模型。[1]

2023 年 2 月,美國研究團隊於《前沿生物工程與生物科技》(Frontiers Bioengineering and Biotechnology)期刊上,介紹他們一體成形的嘗試成果。[1]

水凝膠的「食譜」

類似於做捲心酥,要先調配麵糊,烘烤定型,才能在裡面填充內餡。此實驗的第一個步驟,是製作稍後能注入血液,或者其他液體的水凝膠。研究團隊先把適當比例的聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)、明膠甲基丙烯(GelMA)、甘油(glycerol)、LAP 光敏劑檸檬黃食用色素(tartrazine),混合在一起。[1]透過數位光源處理(digital light processing),使原料遇光固化,將內有曲折空管的水凝膠薄片,3D 列印出來。[1, 4]每批產出3份水凝膠,費時約 23 分鐘。[1]

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接著,成形的水凝膠,被丟進磷酸鹽緩衝生理食鹽水(phosphate buffered saline),浸泡至少 2 天。這段期間內,多餘的色素會不斷流出,所以要勤換水,直到水質清淨。上述從頭到尾的程序,一旦商業量產,成本即可降低。如果在無菌環境中製造,還能冷藏儲存數月。[1]

注入液體

再來,就要幫捲心酥灌多元口味的內餡了。科學家購買了,已經去除凝血功能的研究級脫纖血(defibrinated blood)。[1, 5]依照要進行的實驗,將這些血液或是其他液體,裝進針筒。接著,用注射泵浦(syringe pump)和管路,將針筒裡的內容物以 100 μL/min的速率,推進水凝膠裡。此實驗過程中,一支針筒透過管路,最多連接 6 份水凝膠。[1]

蚊子實驗

美國科學家將多塊水凝膠,分別放置於幾個玻璃罩內。每個罩子裡,引進 20 至 30 隻母蚊子,當作主要的觀察對象。[1]由於母蚊子吸血是為了產卵,所以裏頭還加上幾隻公蚊子作陪,來促進其食慾。[1, 6]攝影機全程對準水凝膠,記錄蚊子的活動,時間總長約 30 至 45 分鐘。[1]基於個別實驗的目的,方法設計上稍有差別:

  1. 餵食觀察:使用充滿血液的水凝膠餵食蚊子,調整溫度與設備,替換蚊子的品種,並優化攝影機的紀錄。簡單講,就是做不同的嘗試,為後面的實驗打好基礎。[1]
  2. 食物選擇:為蚊子奉上動物血液、紅墨水和磷酸鹽緩衝生理食鹽水,三種「口味」的水凝膠,並貼心熱菜到37°C。後二者沒什麼營養價值,單純想看牠們好不好騙。[1]
  3. 防蚊成份:3個玻璃罩裡,血液飽滿的水凝膠,都溫熱至37°C,但分別為沒塗料、塗抹DEET,以及敷上一層檸檬尤加利油(lemon-eucalyptus oil)萃取物。測試蚊子會不會因為外層的化合物,放棄吸食水凝膠裡的血液。實驗重複5次,受試的蚊子也每次更換。[1]
A. 充滿血液的水凝膠;B. 配有攝影機的玻璃罩;C. 建立辨識蚊子的運算模型;D. 不同的蚊子品種、液體和防蚊成份。圖/參考資料1,Figure 1(CC BY 4.0)

結果與展望

餵食觀察的錄像,歷經截圖、挑選、標註和校正等程序,成果被拿來訓練電腦找蚊子。於嘗試及調整後,此運算模型不僅能辨識影片中的蚊子,還會分別「未進食」與「進食中或吸飽血」的腹部形狀,平均準確率高達 92.5%。這個模型,馬上被運用在後面的實驗裡。[1]

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在選擇食物時,紅墨水和磷酸鹽緩衝生理食鹽水,顯然騙不過受試的蚊子;牠們唯獨吸食有動物血液的水凝膠。未來研發蛋白質營養液時,也可以用雷同的方式,評估蚊子的接受程度。為了引誘牠們,以後也能加碼在水凝膠上,塗抹真實皮膚會有的化學物質,並且在附近散佈二氧化碳。若是成功了,成品就能在其他病媒蚊實驗中,替代動物血液。如此便減少血液傳播疾病的風險,[1]以及使用動物血液的倫理問題。

另一個實驗的 DEET 和檸檬尤加利油萃取物,一如預期地令蚊子完全不想靠近。倒是沒塗料的對照組,卻意外只有 13.8% 的低餵食率。科學家覺得應該歸咎於水凝膠太小,有些蚊子擠不進去。將來製作時,得加大表面積。[1]

A. 截圖、標註、校正、訓練運算模型,並評估成果;B. 未進食(正紅色)與吸血(桃紅色)。圖/改作自參考資料1,Figure 2局部(CC BY 4.0)

整體而言,論文的第一作者 Kevin Janson 博士,很滿意這個自動分析功能,迅速又穩定的運算模型。在研究驅蚊效果方面,身為論文作者之一的 Omid Veiseh 教授,則認為他們的設計,未來也可以用於測試其他化合物。至於病媒蚊的品種,此實驗主要採用的,是會傳播黃熱病(yellow fever)、登革熱(dengue fever)和茲卡熱(Zika fever)的埃及斑蚊(Aedes aegypti)。另一位作者 Dawn Wesson 教授表示,假使想套用此模型跟設備,在習性迥異的野生品種上,就得再花時間研究。[7]

  

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參考資料

  1. Janson KD, Carter BH, Jameson SB, et al. (2023) ‘Development of an automated biomaterial platform to study mosquito feeding behavior’. Frontiers Bioengineering and Biotechnology, 11:1103748.
  2. 教學方案」天主教台北總教區教理推廣中心(Accessed on 23 FEB 2023)
  3. American Chemical Society. (20 JUN 2020) ‘N,N-Diethyl-m-toluamide (DEET)’. Chemistry for Life.
  4. A Dowon, Stevens LM, Zhou K, et al. (2020) ‘Rapid High-Resolution Visible Light 3D Printing’. ACS Central Science, 6 (9), 1555-1563.
  5. Technical Support – FAQs’. Thermo Fisher Scientific. (Accessed on 23 FEB 2023)
  6. Harrison RE, Brown MR, Strand MR. (2021) ‘Whole blood and blood components from vertebrates differentially affect egg formation in three species of anautogenous mosquitoes’. Parasites Vectors 14, 119.
  7. Gillham AB. (09 FEB 2023) ‘Human test subjects may no longer be needed for mosquito bite trials thanks to invention of new biomaterial’. Frontiers Science Communications.
胡中行_96
169 篇文章 ・ 65 位粉絲
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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【2004諾貝爾化學獎】蛋白質的分解機器
諾貝爾化學獎譯文_96
・2022/09/12 ・6710字 ・閱讀時間約 13 分鐘

本文轉載自諾貝爾化學獎專題系列,原文為《【2004諾貝爾化學獎】蛋白質的分解機器

  • 譯者/蔡蘊明|台大化學系名譽教授

譯者前言:今年的諾貝爾化學獎又落入了生化學家的口袋,連續兩年頒給生化學者並不常見,我想這應該是反映了現在化學研究的熱門趨勢。今年的諾貝爾化學獎讓我們注意到細胞是如何精妙的去控制它的蛋白質系統,昨日(十月六日)我在中研院生醫所聽了一場 2002 年諾貝爾生理及藥學獎的得主 H. Robert Horvitz 的演講,那是另一個熱門的題目:細胞凋亡,真是一場精采的演講,同樣的我們看到這些蛋白質的另一種運作。前幾日與一位生技系的學生聊到他未來想走的方向,言談之間他似乎認為蛋白質的化學已經熱門了好一陣子了,恐怕熱潮已過。不過從現實來看,在諾大的生命體系中,我們對它的瞭解實在是太少了,由這些蛋白質的研究看來,我覺得蛋白質的化學仍應是方興未艾吧!

後記:  詹健偉是我在 2003 年教過的學生,他原在植微系,後來轉入了生化科技系,從起初對生物系統的興趣加上對化學的熱愛導致他轉入生化科技的領域,然而這些年他逐漸的體認:「只有化學才能完美的解釋生物體系」,現在他已經決定投入“化學生物學”的領域。健偉是個認真的學生,他讀我的翻譯文章極為仔細,更進一步的從一個學生化的背景看出我許多翻譯的謬誤以及不通順之處。約莫半年前碰到他,他主動的提及願意幫我修改,一直到最近才讓我如願。有學生如此,是我的福分,感謝健偉也祝福他!

— 蔡蘊明 謹誌於 2006 年 10 月 9 日

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一個人的細胞中含有上百萬種的不同蛋白質,它們具有無數的重要功能:例如以酵素(或稱為酶)的型式存在的化學反應加速者,以荷爾蒙的型式存在的訊息傳導物質,在免疫的防禦上扮演要角以及負責細胞的型態和結構。今年的諾貝爾化學獎得主:席嘉諾佛(Aaron Ciechanover)、赫西柯(Avram Hershko)以及羅斯(Irwin Rose)研究在細胞中如何對一些不需要的蛋白質加上一種稱為泛素(ubiquitin)的多胜肽標籤,藉以調節某些蛋白質的存在,他們的研究在化學知識上有重要的突破。這些被加上標籤的蛋白質,接著會在一個稱為蛋白解體(proteasome)的細胞"垃圾處理機"中迅速的降解。

透過他們發現的這個蛋白質調節系統,這三位學者使得我們能在分子的層次瞭解細胞如何的控制許多重要的生化程序,例如細胞週期、DNA 的修補、基因的轉錄以及新合成之蛋白質的品質管制。有關這種形式之蛋白質凋亡控制的新知識也使得我們能解釋免疫防禦系統如何的運作,這個系統的缺陷可造成包括癌症在內的不同疾病。

被貼上毀滅標籤的蛋白質

分解是否需要能量?

當大部分的注意力和研究都集中在企圖瞭解細胞如何的控制某些蛋白質的合成時(這方面的研究產生了五個諾貝爾獎),與其相反的蛋白質降解則一直被視為是較不重要的。其實有一些簡單的蛋白質降解酶是早就知道的,一個例子就是胰蛋白酶(trypsin),這是一個存在於小腸中,將食物中的蛋白質分解為胺基酸的一種酵素。類似的,有一種稱為溶體(lysosome)的細胞胞器也早就被研究過,它的功能是把由細胞外吸入的蛋白質降解。這些降解程序的共通性在於這些功能不需要能量。

不過早在 1950 年代的實驗就顯示要分解細胞本身所具有的蛋白質是需要能量的,這個現象一直困擾著研究者,這個矛盾也就是今年的諾貝爾化學獎的背景:亦即細胞內蛋白質的分解需要能量,但是其它蛋白質的分解卻不需要額外的能量。解釋這個需要能量的蛋白質分解過程是由 Goldberg 與其研究夥伴在 1977 年踏出了第一步,他們從一種稱為網狀紅血球(reticulocyte)之未成熟的紅血球,製造出一個不含細胞的萃取物,倚賴ATP(ATP = adenosine triphosphate;是一種細胞的能量貨幣)的能量,這種物質可以催化不正常蛋白質的分解。

運用這個萃取物,今年的三位諾貝爾化學獎得主在 1970 年代後期及 1980 年代初,透過一系列劃時代的生化研究,成功的顯示在細胞中的蛋白質分解,是透過一系列一步步的反應,導致要被摧毀的蛋白質被掛上一個稱為泛素(ubiquitin)的多胜肽標籤。這個過程使得細胞可以非常高的專一性分解不需要的蛋白質,而且就是這一個調控的過程需要能量。與可逆的蛋白質修飾例如磷酸化(1992 年的諾貝爾生理醫學獎)不同之處是:被聚泛素化(polyubiquitination)調控的反應,常是不可逆的,因為被掛上標籤的蛋白質最後被摧毀了。大部分的這些工作是在以色列 Haifa 大學的赫西柯以及席嘉諾佛在休假年,於美國費城的 Fox Chase 癌症中心的羅斯博士的實驗室所完成的。

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泛素的標籤

這個後來被發現用在需要分解掉的蛋白質上所貼的標籤,早在 1975 年就從小牛胸腺中被分離出來,它是一個由 76 個胺基酸所組成的多肽,該分子被認為參與在白血球的成熟過程中,其後由於這個化學分子在各種不同的組織和生物體中(細菌除外)亦被發現,因此被賦予了泛素(ubiquitin)的名稱(ubique在希臘文中有到處或廣泛的意思)(圖一)。

(圖一)泛素:一個共通的多胜肽代表"死亡之吻"

發現由泛素所媒介的蛋白質分解

在赫西柯取得博士學位之後,研究了一陣子肝細胞中倚賴能量的蛋白質分解,不過在 1977 年決定改為研究上述的網狀紅血球萃取物,這個萃取物含有大量的血紅素,嚴重的影響實驗,在企圖利用層析法來去除血紅素時,席嘉諾佛以及赫西柯發現這個萃取物可被分成兩個部分,二者個別都沒有生化活性,但是他們發現一旦二者混合在一起,那個倚賴 ATP 的蛋白質分解活性就恢復了。在 1978 年他們發表了其中一個部分中的具活性物質,是一個對熱穩定的多肽,分子量只有 9000,他們稱之為 APF-1,這個物質後來證實為泛素。

席嘉諾佛,赫西柯,與羅斯在 1980 年發表了兩份決定性的突破工作,在這之前 APF-1 的功能是完全不清楚的。這頭一份報告顯示 APF-1 是以共價鍵(就是一種很穩定的化學鍵結)與萃取物中的各種不同蛋白質結合。在第二部份的報告更進一步的顯示有許多個 APF-1 鍵結在同一個目標蛋白上,此一現象被稱為聚泛素化(polyubiquitination)。我們現在知道這個將目標蛋白質多次泛素化的步驟,是一個導致蛋白質在蛋白解體(proteasome)中降解的啟動信號;也就是這個聚泛素化反應,在蛋白質貼上降解的標籤,或可稱其為"死亡之吻"。

就這麼一擊,這些完全未預期的發現,改變了其後的研究方向:現在就可以集中力量開始鑑定那些將泛素接上蛋白質標靶的酵素系統。由於泛素普遍的存在於各種不同的組織和生物體中,大家很快的體認到,由泛素所媒介的蛋白質分解對細胞一定是很普遍而重要的。研究者更進一步的推測,那個倚賴 ATP 的能量需求,可能是為了讓細胞控制這個程序的專一性。

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這個研究領域就此大開,而在 1981 到 1983 年間,席嘉諾佛,赫西柯,羅斯與他們的博士後研究員及研究生發展了一套“多重步驟泛素標籤化假說”,這個假說是基於三個新發現之酵素的活性,他們稱這三個酵素為 E1、E2與E3(圖二)。我們現在知道一個尋常的哺乳類細胞含有一個或數個不同的 E1 酵素,大約幾十個 E2 酵素,以及幾百個不同的 E3 酵素,就是這個 E3 酵素的專一性,決定了在細胞中要為哪些蛋白質貼上標籤,然後在垃圾處理機中摧毀。

到這個節骨眼為止,所有的研究都是在沒有細胞的系統中進行的,為了也能夠研究泛素所媒介的蛋白質降解之生理功能,赫西柯與其協同工作人員發展了一種免疫化學方法:用數種放射性胺基酸,以瞬間脈衝的方式來培養細胞,可標定細胞內某一個瞬間所合成的蛋白質。但是泛素中剛好沒有這幾種胺基酸,所以在這瞬間合成的泛素並未被放射性標記。利用泛素的抗體,可以將 "泛素-蛋白質"複合體自該細胞中分離出來,而其中的蛋白質的確具有放射性標記。實驗結果顯示,細胞中也確實以泛素系統來分解有缺陷的蛋白。我們現在知道細胞中大約 30% 的新合成蛋白質都會被垃圾處理機分解,因為它們沒有通過細胞的嚴格品質管制。

(圖二)泛素所媒介的蛋白質降解
  1. E1 酵素活化泛素分子,這個步驟需要 ATP 形式的能量。
  2. 泛素分子被轉移到另一個不同的酵素 E2。
  3. E3 酵素可辨認需要摧毀的目標蛋白質,"E2-泛素"複合物和"E3酵素"結合的位置,非常接近目標蛋白質。這個非常接近的距離,使得泛素標籤足以被轉移到目標蛋白上。
  4. E3 酵素釋放出具有泛素標記的蛋白質。
  5. 最後一步重複數次直到一個由泛素分子構成的的短鏈接在目標蛋白質上。
  6. 這個泛素的短鏈在垃圾處理機的開口處被辨識後,泛素標籤脫落而蛋白質被允許進入並被切成碎片。

蛋白解體-細胞的垃圾處理機

什麼是蛋白解體?一個人類細胞含有約 30,000 個蛋白解體,這個桶狀的結構體可以基本上將所有的蛋白質分解為七到九個胺基酸長短的胜肽,蛋白解體的活性表面是位於桶的內璧,也就是與細胞的其它部份是分隔開來的,唯一能進入蛋白解體的桶中活性表面的方式是必須透過"鎖",鎖能夠辨認接有多個泛素構成的短鏈之蛋白質,藉由 ATP 的能量將蛋白質變性(denature),並在泛素構成的短鏈移除後允許蛋白質進入,並將之降解,降解出來的胜肽由蛋白解體的另外一端釋放出來。因此蛋白解體本身並不能挑選蛋白質,決定哪一些蛋白質需要貼上銷毀的標籤,是 E3 酵素的工作。(圖三)

(圖三)細胞的垃圾處理機。黑點代表具有蛋白質分解活性的表面。

最近的研究

當貼上泛素標籤的蛋白質分解過程背後的生化機制在 1983 年被暴露後,它在生理學上的重要性尚未能完全掌握,雖然知道它在銷毀細胞內具有缺陷的蛋白質上是非常重要的,但是再進一步的,就需要一個突變的細胞來研究泛素的系統,藉著仔細的研究一個突變的細胞與正常的細胞在不同的生長條件下有何不同,希望知道細胞中有哪些反應是與泛素的系統有關,這才能得到更清晰的概念。

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一個突變的老鼠細胞在 1980 年由一個東京的研究小組分離出來,他們的突變老鼠細胞含有一個因為突變之故而對溫度非常敏感的蛋白質。在較低溫度時它能發揮應有的功能,但是在高溫時則否,因此在高溫時培養的細胞會停止生長。此外,在高溫時它們顯示其 DNA 的合成會有缺陷以及一些其它的錯誤功能。一群在波士頓的研究人員很快的發現這個突變鼠細胞中對熱敏感的蛋白質是泛素活化酵素 E1,顯然泛素的活化對細胞的運作及複製是不可或缺的,正常蛋白質分解控管不僅對細胞中不正確蛋白質的銷毀很重要,也可能參與了細胞週期、DNA 的複製以及染色體結構的控管。

從 1980 年代末期開始,研究者鑑定出許多生理上很重要的基質是泛素所媒介的蛋白質分解機制中的標靶,在此我們僅提幾個最重要的為例子。

避免植物的自我授粉

大部份的植物是兩性或雌雄同株的,自我授粉將會導致基因多樣性的逐漸喪失,長期而言將造成該物種的完全絕滅,因此為了避免這個情形,植物利用泛素所媒介的蛋白質分解機制來排除"自身"的花粉,雖然完整的機制尚未明朗,但是已知 E3 酵素參與了運作,而且當加入蛋白解體的抑制劑時,排除自身花粉的能力就被削弱。

(圖四)細胞週期中控制染色體分離的機制:剪刀代表分解蛋白質的酵素而綁住剪刀的繩子代表它的抑制劑,APC 將這條繩子貼上標籤造成繩子的分解,剪刀就會釋放出來,接著將那條綁在染色體周圍的繩子切斷,最後造成染色體分離。

細胞週期的控制

當一個細胞要複製自己的時候會有許多的化學反應參與其中,在人體中的 DNA 有六十億個鹼基對必須複製,它們聚集成必須拷貝的 23 對染色體。普通的細胞分裂(也就是有絲分裂),形成生殖細胞(減數分裂),都與今年的諾貝爾化學獎的研究領域有許多交集。在此運作的 E3 酵素稱為"有絲分裂後期促進複合體"(anaphase-promoting complex簡稱 APC),其功能在檢查細胞是否離開了有絲分裂期,這個酵素複合體也被發現在有絲分裂及減數分裂過程中,對染色體的分離扮演了重要的角色。有一個不同的蛋白質複合體,它的功能就好像是一條綁在染色體周圍的繩子,將一對染色體綁在一起(圖四)。在一個特定的訊號出現後,APC 會在一個"降解蛋白質酵素"的抑制劑上貼上標籤,因此這個抑制劑就會被帶到蛋白解體中分解掉,而前述的那個降解蛋白質的酵素就會被釋放出來,在經過活化後將那條綁在染色體周圍的繩子切斷,一但繩子脫落,那一對染色體就會分離。在減數分裂時,錯誤的染色體分裂,是造成孕婦自然流產最常見的原因;一條多出來的人類第 21 號染色體會導致唐氏症;大部份的惡性腫瘤會具有數目改變的染色體,其原因也是由於有絲分裂時錯誤的染色體分裂。

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DNA 的修補,癌症以及細胞凋亡

蛋白質 p53 被封為"基因體的守護神",它也是一個腫瘤抑制基因(tumor-suppressor gene),這個意思是只要細胞能製造 p53 就可以阻擋癌症的發生。可以非常確定的,在所有人類癌症中有至少一半的蛋白質是突變的。在一個正常細胞中,蛋白質 p53 一直不斷的被製造和分解,因此其數量是很低的,而它的分解是透過泛素標籤化過程以及負責與 p53 形成複合體的相關 E3 酵素來調控;當 DNA 受到損傷後,蛋白質 p53 會被磷酸化而無法與 E3 酵素結合,p53 的分解無法進行,因此細胞內的 p53 數量迅速增高。蛋白質 p53 的功能是作為一個轉錄因子(transcription factor),換言之就是一個調控某些基因表現的蛋白質。蛋白質 p53 會與控制 DNA 修補以及細胞凋亡的基因結合,並調控該基因,當它的數量升高時會影響細胞週期藉以保留時間給 DNA 修補的運作,倘若這個 DNA 的損傷過於嚴重,計劃性細胞凋亡將會啟動而導致細胞的"自殺"。

人類乳突病毒的感染與子宮頸癌的發生有極大的關聯性,這個病毒避開了 p53 所控制的關卡,它的方法是透過它的蛋白質去活化並改變某一個 E3 酵素(稱為 E6-AP)的辨識行為,E6-AP 被騙去將蛋白質 p53 貼上死亡的標籤而造成 p53 的消失,這個後果是被感染的細胞無法正常的修補其 DNA 所受到的傷害或者引起計劃性細胞凋亡,DNA 突變的數目增加最後終於導致癌症的發生。

免疫與發炎反應

有某一個轉錄因子調控著細胞中許多與免疫防禦及發炎反應有關的重要基因,這個蛋白質,亦即這個轉錄因子,在細胞質中是與一個抑制蛋白質結合在一起的,在這個結合的狀態下,此一轉錄因子是沒有活性的。當細胞暴露到病毒時或有其它的訊號物質出現時,這個抑制蛋白質就會被磷酸化,接著被貼上銷毀的標籤而送到蛋白解體中分解掉,此時被釋放出來的轉錄因子被運送到細胞核中,在那裡它與某些特定的基因結合,進而啟動這些基因的表現。

免疫防禦系統中,被病毒感染的細胞,會利用泛素-蛋白解體系統,將病毒蛋白質降解到適當大小的多肽,這些多肽會被呈獻到細胞的表面。T 淋巴細胞會辨識這些多肽然後攻擊這些細胞,這是我們的免疫系統對抗病毒感染的一項重要防禦方式。

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纖維囊腫症(cystic fibrosis)

一個稱為纖維囊腫症的遺傳疾病,簡稱 CF,是由一種不具功能的細胞膜氯離子通道(稱為 CFTR;纖維囊腫跨膜通道傳導調節蛋白)所造成。大部份的纖維囊腫病患都具有一個相同的基因損傷,也就是一個在 CFTR 蛋白質上缺少了一個苯丙胺酸的胺基酸。這個突變導致了這個蛋白質的錯誤摺疊結構,使得該錯誤摺疊蛋白被保留在細胞的蛋白質品管系統中,這個品管系統要確實的將此一錯誤摺疊的蛋白質透過泛素-蛋白解體系統銷毀,而不能將之傳送到細胞膜上,一個沒有正常氯離子通道的細胞將無法透過細胞膜傳送氯離子,這就影響到肺部以及一些其它組織的分泌系統,造成肺黏膜液的增加而破壞其功能,更大幅的增加其受到感染的危險性。

這個泛素系統已經成為一個很有趣的研究領域,可用來發展治療各種疾病的藥物,在此的工作方向可以利用泛素所媒介的蛋白質分解機制去避免某些特定蛋白質的分解,也可以設計成讓這個系統將某一個不想要的蛋白質清除。已經有一個在進行臨床實驗的藥,那是一個稱為 Velcade(PS341)的蛋白解體抑制劑,可以用來醫治多重性骨髓瘤(multiple myeloma),這是一種會影響體內製造抗原的細胞的一種癌症。

今年的得獎者從分子的基礎上解釋了一個對高等細胞而言極為重要的蛋白質控制系統,由泛素所媒介的蛋白質分解機制所控制的細胞功能,現在一直不斷的有新的發現,而這方面的研究也在世界各地無數的實驗室中進行著。

參考資料

這份文章是譯自諾貝爾獎委員會公佈給大眾的閱讀資料:

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http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2004/public.html

有意進一步的瞭解就得詳讀以下資訊:

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2004/adv.html

原文附有一個很精采的動畫,對這個蛋白質控制系統有畫龍點睛之妙,推薦各位看看:

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2004/animation.html

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諾貝爾化學獎譯文_96
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「諾貝爾化學獎專題」系列文章,為臺大化學系名譽教授蔡蘊明等譯者,依諾貝爾化學獎委員會的新聞稿編譯而成。泛科學獲得蔡蘊明老師授權,將多年來的編譯文章收錄於此。 原文請參見:諾貝爾化學獎專題系列