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睡著了也能殺人?—《邊做夢邊冒險:睡眠的科學真相》

PanSci_96
・2014/01/02 ・2223字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 523 ・七年級

罹患異睡症的人在睡覺時做的事情,幾乎涵括人類一切基本行為,包括講話、進食、開車、手淫和做愛。有異睡症患者向醫師道出種種情節,好比進入車中開了十多哩路到一個親戚家中,或者奔下街道時被一群狗追咬後腳跟,還有人險些動手把旁人的頸子扭斷。

列張清單來判別某人是不是睡著,那張檢查表會顯得相當簡短。雙眼緊閉,打勾、呼吸速率緩慢,打勾、對周遭沒什麼反應,打勾;或許會出現低語或輕微踢腳,卻絕對不牽涉到開車,也肯定不包括謀殺。然而就如帕克斯無意間發現的事實,我們有可能打破這所有規則,自己卻依然沉睡。依我們如今所知,大腦從來不曾在夜晚真正關機。實際上,分別職司不同執掌的各處腦區,卻會在睡眠循環的不同時點或開或關。這就很像二十四小時營運的汽車工廠,負責噴漆的工人在正午抵達,安裝座位的員工則六點到廠上工。一旦出了某種狀況,讓這種細膩調校的時間循環出現變化,結果就會發生怪事。

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夢遊是所謂異睡症最為人熟知的臨床狀況,異睡症指稱一群包羅萬象的問題,起因是大腦某區在不該上班時現身工作,或者在輪值時間完全缺勤。就某些病例,這就會造就出名副其實半醒半睡的人。某人夢遊時,負責控制運動和空間覺識的腦區都醒著,同時負責意識的腦區,則都依然沉睡。這就表示夢遊人有可能雙眼睜開,還能對周遭事件做出反應,卻沒有意識思維,也不記得任何事情。儘管我們到了一九八○年代早期,才完全清楚異睡症是一類病症,莎士比亞筆下有關馬克白夫人的夢遊描述,卻正確得令人心驚。其中一幕她夢遊進入一個房間,裡面兩名男子正在談話。馬克白夫人走過時,其中一人說道,「你看,她的雙眼都睜著。」另一個回答道,「是啊,不過她雙眼的官能是關閉的。」

儘管原因仍不清楚,每約五人就有一人一輩子至少夢遊過一次。不過等長大到中學階段,多數人都不會再發。夢遊的孩童都比較溫和而且睡意濃烈,至於夜間遊蕩的成人則往往動作很快,彷彿他們急著去做什麼事情。科學家還說不清為什麼有這種差異,夢遊並不是有可能在你夢中出現的唯一複雜行為。事實證明,罹患異睡症的人在睡覺時做的事情,幾乎涵括人類一切基本行為,包括講話、進食、開車、手淫和做愛(這種現象稱為「睡眠性愛症」sexsomnia〕,就我們所知,這種人有的在夢中還比在清醒時更討配偶歡心。有位醫師就曾告訴我,「這種狀況只有在你的枕邊人不喜歡的時候才會造成困擾。」)。唯一的差別是他們並沒有意識察覺自己的所作所為,彷彿他們的身體造反,決定不待大腦輸入就自行其事。

1980 年代早期,明尼亞波利市明尼蘇達地區睡眠障礙中心(Minnesota Regional Sleep Disorders Center)兩位醫師開始造冊登錄自訴睡覺時傷到自己或枕邊人的患者人數。除了造冊紀錄之外,馬克.馬荷瓦德(Mark Mahowald)和卡洛斯.軒克(Carlos Schenck)兩位醫師決定再納入一個研究部分,為每位睡在醫院實驗室中至少一晚的病人分別拍攝錄影帶。他們的發現為一個奇異世界開啟一道視窗。和藹可親的老先生到了半夜就變成怒髮衝冠的水手,咒罵連連還揮拳猛擊身邊牆壁;另有些患者會突然起身,緊盯著牆壁,接著就一頭栽向床頭櫃;當中還至少有一人會坐在床尾,邊沉睡邊大聲吟唱音樂劇名曲。

這似乎是男性專屬特點。有些患者的太太開始抱怨,前一晚丈夫睡覺時,對她施出一招抱頭鎖,或者想把她勒死。也難怪這些夫妻通常到最後都會分房睡。兩位醫師接連進行訪談,其中一位女性表示,她的丈夫本性敦厚,睡到半夜卻會起床蹲在屋角,像野獸那樣嚎叫。另一位則說,她的丈夫睡覺時會一再破壞家具「他打壞的臥室照明燈太多了,」她說。「你不想再花錢買燈,因為你知道,到時它們都會被甩出去飛越臥房。」其他同樣有異睡症的患者則說,他們曾經在睡覺時把自己甩出二樓窗口。通常這只發生一次:第一次過後,患者深恐自己在不經意間自殺,於是開始在晚上把自己綁在床上。患者向醫師道出種種情節,好比進入車中開了十多哩路到一個親戚家中、或者奔下街道時被一群狗追咬後腳跟,還有人險些動手把旁人的頸子扭斷,全部是在睡夢中做的事情。從這些個案和其他相關事例,馬荷瓦德和軒克醫師成為最早辨識如今所稱暴力異睡症(violent parasomnias)並區分類級的先驅。就如夢遊的情況,這幾乎全都是肇因於大腦局部覺醒所致。

如同金髮或高足弓,異睡症也在某些家族中流傳。舉例來說,我自己的夢遊習性,就有可能是遺傳來的。動手寫這本書之後,我的父親才告訴我,當初在堪薩斯州他長大那家農場發生的種種夢遊情節。他告訴我,不只一次,他醒來時發現自己身穿睡衣待在玉米田中。

從帕克斯家譜不容易找出正常的睡眠模式,還有乾床單。帕克斯氏男性到了十幾、二十多歲都還有令人困窘的尿床習性,科學家給這種狀況起了個好名字,叫做遺尿症(enuresis)。醫師指稱禍首是待在深度睡眠太久所致。隨後長大成人所有人都開始夢遊。肯恩的祖父對消夜有種奇異新解,他經常夢遊進入廚房,點起爐火煎洋蔥蛋,接著卻不吃就上床睡覺。這種家族特質沒有放過肯恩。他十一歲時,祖母曾逮到他夢遊時想爬出六樓窗口。

睡眠剝奪有可能誘發異睡症,特別是夢遊。當大腦費勁彌補不足的睡眠時數,它待在較深度睡眠的時間就會延伸拉長,卻不見得總是能平順過渡到下一個睡眠階段,這種簡陋的交接過程會引發古怪行為。前兩晚肯恩都失眠,為婚姻和他欠下的債務操心,這就為夢遊事件奠定了理想基礎。


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摘自漫遊者文化出版的《邊做夢邊冒險:睡眠的科學真相》


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為何新冠病毒突變之後傳染力更強?——關鍵在於變異株的棘蛋白結構

研之有物│中央研究院_96
・2022/01/25 ・5088字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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。

  • 採訪撰文/寒波
  • 美術設計/林洵安

為何新冠病毒突變之後傳染力更強?

COVID-19 至今仍深深影響全人類,新冠病毒持續演化,例如曾經造成臺灣大規模社區感染的 Alpha 變異株、傳染力更強的 Delta 變異株,近期出現的 Omicron 變異株等,它們逃避免疫系統的能力都不一樣,關鍵就在不同的棘蛋白(spike protein)結構。「研之有物」專訪中央研究院生物化學研究所徐尚德副研究員,他的團隊陸續解析各種新冠病毒變異株的棘蛋白結構,不但能釐清新的突變帶來的威脅,後續也可作為研發人造抗體的指引。

徐尚德手上拿著新冠病毒的棘蛋白模型,顯示棘蛋白與兩種不同抗體結合的情況。圖/研之有物

解析新型冠狀病毒棘蛋白

COVID-19 的病原體是一種冠狀病毒,和 SARS 病毒是近親,正式命名為 SARS-CoV-2,中文常稱作新型冠狀病毒。為了知道病毒如何感染人體細胞,以及如何逃避免疫系統的辨識,我們需要進一步瞭解冠狀病毒表面的棘蛋白結構。

結構為什麼重要?因為結構會影響蛋白質功能。蛋白質是由不同的氨基酸所組成的長鏈,實際作用時會摺疊形成特別立體結構,而冠狀病毒的蛋白質中,又以棘蛋白最為關鍵。

徐尚德強調,棘蛋白是冠狀病毒暴露在表面的蛋白質之一,絕大多數被感染者的免疫系統所產生的抗體都是辨識棘蛋白。因此現今臨床使用的蛋白質次單元疫苗、腺病毒疫苗以及 mRNA 疫苗,都是以棘蛋白為基礎來研發。

Cryo-EM 讓蛋白質結構無所遁形

工欲善其事,必先利其器。解析蛋白質結構的方法很多,早期的 X 光晶體繞射(X-ray diffraction),就像將影片定格截圖,但不一定為蛋白質實際作用的狀態。

再來是核磁共振(Nuclear Magnetic Resonanc,簡稱 NMR),這是徐尚德留學深造時的專業,可以重現蛋白質在水溶液中的結構及動態,更接近實際作用的形態,可惜不適合分子量較大的分子。

目前結構生物學最具潛力的新技術是:冷凍電子顯微鏡(Cryogenic Electron Microscopy,簡稱 Cryo-EM),Cryo-EM 可以拍出原子尺度下高解析度的三維結構,此技術於 2017 年獲得諾貝爾化學獎。中研院則於 2018 年開始添購 Cryo-EM 設備,而 Cryo-EM 正是徐尚德用來解析棘蛋白結構的主要利器!

在 COVID-19 疫情爆發初期(2020 年 1 月),徐尚德就率先啟動新冠病毒的結構分析,當時他的研究團隊剛好已分析過感染貓科動物的冠狀病毒,對於解析棘蛋白結構有一定經驗,可說是贏得先機。

具體來說,如何用 Cryo-EM 解析新冠病毒的棘蛋白結構?

首先要大量培養新冠病毒、再分離、純化得到棘蛋白。接下來,將大量蛋白質樣本鋪成薄薄一層液體,之後以 -190℃ 急速冷凍,讓蛋白質分子保持凍結前的形態,最後用程式重建棘蛋白的三維影像。徐尚德譬喻,就像一匹馬在高速移動時,連續拍攝許多照片,再將照片疊加起來,重建馬的形狀。

棘蛋白的體積已經算大,假如又與其他蛋白質結合,體積將會更大。能解析如此龐大結構為 Cryo-EM 一大優點,但是也會創造很大的資料量。徐尚德強調,用 Cryo-EM 分析蛋白質結構不只做實驗,也要協調資料處理等疑難雜症。

冷凍電子顯微鏡可以紀錄同一時間下、不同狀態的蛋白質三維立體結構。圖/研之有物

關鍵 D614G 突變,讓新冠病毒棘蛋白穩定性大增

儘管已有貓冠狀病毒的經驗,徐尚德研究團隊初期仍經歷一陣摸索,一大困難在於,做實驗時發現不少棘蛋白壞掉,不再保持原本的結構。

這是因為一般取得蛋白質樣本後會置於 4°C 冷藏,但 4°C 其實不適合保存棘蛋白。接著徐尚德細心觀察到,具備 D614G 突變的棘蛋白,保存期限竟然比沒突變的棘蛋白要長,可以從 1 天增加到至少 1 週。

什麼是 D614G 突變呢?武漢爆發 COVID-19 疫情的初版新冠病毒,其棘蛋白全長超過 1200 個胺基酸,D614G 突變的意思就是:第 614 號氨基酸由天門冬胺酸(aspartic acid,縮寫為 D)變成甘胺酸(glycine,縮寫為 G)。

D614G 突變誕生後,存在感持續上升,2020 年 6 月時已經成為全世界的主流,隨後新冠病毒 Alpha、Delta 等變異株,皆建立於 D614G 的基礎上。

儘管序列僅有微小差異,許多證據指出 D614G 突變會增加新冠病毒的傳染力。有趣的是,它也能大幅增加棘蛋白在體外的穩定性。因此在研究用途上,變種病毒的棘蛋白反而容易保存,徐尚德更指出,對抗變種病毒的蛋白質次單元疫苗(subunit vaccine)穩定性也會增加。

圖片為徐尚德實驗室提供的新冠病毒模型與三種不同的棘蛋白模型,棘蛋白的主體為白色,棘蛋白的受器結合區域(receptor binding domain,RBD)為藍綠色。圖/研之有物

新冠病毒棘蛋白的「三隻爪子」:受器結合區域

徐尚德參與的一系列新冠病毒結構研究,除了棘蛋白本身,還包含棘蛋白與細胞受器 ACE2 的結合、棘蛋白和人造抗體的結合。

既然要解析結構,儀器「解析度」能看清楚多小的尺度就很重要!蛋白質結構學的常見單位是 Å(10-10 公尺),原子與原子間的距離約為 2 Å,Cryo-EM 的極限將近 1 Å,不過棘蛋白大約到 3 Å 便足以重建立體結構。

冠狀病毒如何感染宿主細胞,和結構又有什麼關係?棘蛋白位於冠狀病毒的表面,直接接觸宿主細胞受器 ACE2 的部分,稱為受器結合區域(receptor binding domain,簡稱 RBD),結構可能展現「向上」(RBD-up)或是「向下」(RBD-down)的狀態。向下,RBD 便不會接觸宿主細胞的受器,缺乏感染能力,;向上,RBD 方能結合受器,引發後續入侵。

徐尚德團隊透過冷凍電子顯微鏡,拍攝新冠病毒 Alpha 株的棘蛋白結構,其中有三類棘蛋白的 RBD 為 1 個向上(佔 73%),有一類(類別3)的棘蛋白 RBD 則是 2 個向上(佔 27%)。圖/Nature Structural & Molecular Biology

新冠病毒表面的棘蛋白有「三隻爪子」(3 RBD),RBD 有可能同時向上(3 RBD-up),也可能只有 1~2 個向上,結構會影響病毒的感染能力。更詳細地說,棘蛋白某些胺基酸位置的差異,會影響結構的開放與封閉程度。

棘蛋白向上或向下是動態的,假如能保持穩定性,延長向上的時間,也有助於新冠病毒的感染。這正是徐尚德一系列研究下來,實際觀察到不同品系的變化。

截至 2022 年 01 月 18 日的新冠病毒品系發展歷史,其中 Delta 變異株擁有最多品系,而 Omicron 變異株則開始興起。雖然 Omicron 的品系並不多,但已逐漸成為主流。圖/Nextstrain; GISAID

一網打盡所有高關注變異株的結構變化

和武漢最初的新冠病毒相比,D614G 突變帶來什麼改變呢?簡單說:棘蛋白向上的比例增加了,導致整個結構變得更加開放,增加新冠病毒對宿主受器的親合力(affinity)。

以 D614G 為基礎,接下來又獨立衍生出數款品系,皆具備多個突變,傳染力、抵抗力更強 。影響最大的是首先於英國現身的 Alpha(B.1.1.7)、南非的 Beta(B.1.351)、巴西的 Gamma(P.1),以及更晚幾個月後,於印度誕生的 Kappa(B.167.1)與 Delta(B.167.2)。Alpha 一度於世界廣傳,導致包括臺灣在內的嚴重疫情,不過隨後不敵優勢更大的 Delta。

對於上述品系,徐尚德率隊一網打盡。 Alpha 的棘蛋白結構解析已經發表於 《自然-結構與分子生物學》(Nature Structural & Molecular Biology)期刊,其餘新冠病毒變異株的論文仍在等待審查,目前能在預印網站 bioRxiv 看到,該研究一次報告 38 個 Cryo-EM 結構,刷新紀錄。

圖 a 顯示新冠病毒 Alpha 變異株棘蛋白的突變氨基酸序列,一共有 9 處突變, D614G 突變以紫色表示。
圖 b 顯示突變的氨基酸在立體結構中的位置。
圖/Nature Structural & Molecular Biology

Alpha 變異株的 RBD 向上結構穩定

一度入侵台灣造成社區大規模感染的 Alpha 株有何優勢?其棘蛋白除了 D614G,還多出 8 處胺基酸突變,徐尚德發現 N501Y(天門冬酰胺變成酪胺酸)、A570D(丙胺酸變成天門冬胺酸)的影響相當關鍵。

直覺地想,棘蛋白的外層結構才會與受器接觸影響傳染力,立體結構中第 570 號胺基酸的位置比較裡面,乍看並不要緊。但是徐尚德敏銳地捕捉到,A570D 突變會改變局部的空間關係,令「RBD 向上」的結構更加穩定。徐尚德形容為「腳踏板」(pedal-bin)── A570D 突變的效果就像踩著垃圾桶的腳踏板,讓桶蓋(也就是 RBD)穩定保持開啟。

事實上,棘蛋白總體向上的比例,Alpha 還比單純的 D614G 突變株更少,不過 A570D 增進的穩定性似乎優勢更大。研究團隊製作缺乏 A570D 突變的人造模擬病毒,嘗試體外感染人類細胞,發現感染力明顯減少,證實 A570D 突變頗有貢獻。

新冠病毒 Alpha 株棘蛋白的「A570D 突變」,會改變棘蛋白內部的空間,讓「RBD 向上」的結構更加穩定,就像踩著垃圾桶的腳踏板,讓桶蓋保持開啟。圖/研之有物(資料來源/徐尚德、Nature Structural & Molecular Biology

Alpha 變異株的棘蛋白親近宿主細胞,干擾抗體作用

另一個重要突變是 N501Y,不只 Alpha 有,Beta 等許多品系也有,Delta 則無。N501Y 在眾多品系獨立誕生,似乎為趨同演化所致。N501Y 能為病毒帶來哪些優勢?

第 501 號胺基酸位於棘蛋白表面,會直接與宿主受器 ACE2 結合。此一位置變成酪胺酸(tyrosine,縮寫為 Y)後,和受器的 Y41 兩個酪胺酸之間,容易形成苯環和苯環的「π–π stacking」鍵結,從而大幅提升棘蛋白對細胞的親合力。

新冠病毒 Alpha 株棘蛋白的「N501Y 突變」,讓 RBD 的胺基酸與宿主細胞受器 ACE2 形成「π–π stacking」鍵結,大幅提升棘蛋白對宿主細胞的親合力。圖/Nature Structural & Molecular Biology

另一方面,N501Y 突變也會干擾抗體的作用。中研院細胞與個體生物學研究所的吳漢忠特聘研究員,率隊研發一批針對棘蛋白的人造抗體,測試發現有一款抗體 chAb25 對 D614G 突變株相當有效,但是對 Alpha 株無能為力。徐尚德由結構分析發現:N501Y 改變了棘蛋白表面的形狀,讓抗體 chAb25 無法附著。

好消息是,另外有兩款抗體 chAb15、chAb45,依然能有效對抗 Alpha 病毒,不受 N501Y 影響。這兩款抗體會附著在棘蛋白 RBD 的邊緣,避免棘蛋白和宿主細胞接觸。而且抗體 chAb15、chAb45 會各占一方,可以同時使用,多面協同打擊病毒。

雖然新冠病毒 Alpha 株的棘蛋白表面讓某些抗體難以附著,還好仍有兩款抗體 chAb15(綠色)、chAb45(黃色)能有效「卡住」棘蛋白,干擾棘蛋白與宿主細胞結合。抗體 chAb15、chAb45 附著的位置,正好就是棘蛋白與宿主細胞結合的地方。圖/Nature Structural & Molecular Biology

棘蛋白結構不只胺基酸,還要注意表面的醣

有了 Alpha 的經驗,接下來分析 Beta、Gamma、Kappa、Delta 便順手很多。這批新冠病毒的棘蛋白變化多端,但是「RBD 向上」的整體比例皆超過 Alpha 和 D614G 突變株,可見適應上各有巧妙。徐尚德也發現,要釐清棘蛋白的結構,不能只關心蛋白質,還要考慮棘蛋白表面的醣基化(glycosylation)修飾。

蛋白質在完工後,某些胺基酸還能加上各種醣基。病毒蛋白質表面的醣基可以作為防護罩,干擾抗體和免疫系統的辨識。醣基化修飾就像替病毒訂作一套迷彩外衣,不同變異株的情況都不一樣,假如醣基化的位置和數量,由於突變而改變,便有可能影響立體結構,有助於它們閃躲抗體。例如和武漢原版新冠病毒相比,Delta 株棘蛋白少了一個醣化修飾,Gamma 株棘蛋白則多了兩處醣化。

還好從結構看來,並沒有任何突變組合能完美逃避抗體。例如由美國的雷傑納榮製藥公司(Regeneron)製作並通過緊急使用授權的抗體;以及中研院吳漢忠率隊研發,有望投入實用的多款人造抗體,對變異品系依然有效。這場人類與病毒的長期抗戰中,同時使用多款抗體的「雞尾酒」療法,仍然是可行的醫療方案。

回顧將近兩年來的研究之路,徐尚德表示:時間壓力真的非常大!COVID-19 疫情爆發後,全世界投入相關研究的專家眾多,只要稍有遲疑,便會落在競爭者後頭。但是即使跑在最前端的研究者,也只能苦苦追趕病毒演化的速度,一篇論文還在審查時,現實世界的疫情已經邁向全新局面。

人類要贏得勝利,必需全方面認識病毒,而結構無疑是相當重要的一環。


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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook