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「懷孕吃得好,寶寶少煩惱」是寫在基因裡面嗎?

葉綠舒
・2014/07/18 ・1330字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 500 ・六年級

最近在小鼠中一項新的研究發現,如果孕婦營養不良,會造成她尚未出生的孩子未來有較高的肥胖與第2型糖尿病的風險。這種「孕期營養記憶」可以透過精子傳遞給子輩,甚至孫輩…就如一句以前的人說的:你阿嬤吃什麼,你就吃什麼。

這個研究也讓研究人員問:表觀遺傳學(epigenetics)究竟是如何向下一代傳遞的?以及,這個影響將持續多久呢?

credit: CC by scribbletaylor@flickr
credit: CC by scribbletaylor@flickr

我們如何繼承父母的特徵的機制很容易理解。我們身上一半的基因來自母親,另一半來自我們的父親,所以我們會發現自己的有些特徵像爸爸,有些像媽媽。但是表觀遺傳學如何將我們的雙親所經歷的環境的「記憶」代代相傳,就不是很容易理解。表觀遺傳效應中最容易了解的,是經由所謂的「甲基化」(methylation)的機制:經由甲基分子(-CH3)附著於我們的DNA上,來開啟或關閉基因的表現造成影響。

研究團隊們發現,環境引起的甲基化改變。只發生在我們的基因組(genome,我們的整個遺傳物質)上的某些區域。但是,出乎意料的是,這些甲基化模式不會永遠傳遞下去。

劍橋大學和哈佛醫學院Joslin糖尿病中心的研究人員,使用小鼠模型發現,營養不良的母親(第一代)的雄性後代(第二代),如預期的小於平均;但是如果在出生後餵食一般飲食,很快就會發展出糖尿病。令人驚訝的是,就算研究人員為第二代提供了一般的飲食,第二代的雌性在懷孕時也提供了充足的食物,但是第三代還是體型偏小,且容易發展出糖尿病。

研究人員認為,當胎兒時期出現食物匱乏的現象,可能使得孩子在出生前就被「預設」好應對營養不良的狀況;因此,當食物突然變得豐富時,他們的身體無法應付,於是就發展出如糖尿病等代謝性疾病。如果能了解這個機制是如何發生的,就可以幫助我們理解我們今天如何在肥胖和第2型糖尿病上屢創紀錄。

為了要了解這個「營養記憶」如何傳遞,研究者在第二代糖尿病發病前檢查了他們的精子。他們發現,第二代的DNA有111個非編碼區域(non-coding region)的甲基化降低。非編碼區域主要的功能為負責調節基因的表現。他們還發現,在第三代,這些區域附近的基因都有功能不正常的現象,也就是說,第三代還是繼承了祖母(第一代)對於營養不良的「記憶」。

沒有預料到的是,當研究人員檢查第三代的DNA甲基化的變化時,他們發現這個變化已經消失:也就是說,第一代對於營養不良的「記憶」,已經由DNA被刪除;或者,至少不再透過甲基化傳遞到第三代。

研究人員認為,從進化的角度來看,「營養記憶」不傳承到第三代是有道理的。我們的環境年年在變,今年或許有飢荒,但過幾年或許會有大豐收;因此,我們的身體需要能夠適應這些變化。

表觀遺傳學的變化不必然會一直代代相傳,甚至可以去除的這個現象,讓我們對我們社會的肥胖和糖尿病問題可以有一些樂觀的看法。研究人員目前正在觀察,是否這個表觀遺傳現象不會對第四代、第五代產生影響。如果這是真的的話,那麼雖然我們可能會吃得像我們的阿嬤,但我們不見得會吃得像我們的阿祖。

筆者想,如果營養狀況可以透過表觀遺傳寫入基因,是否懷孕時的精神狀態也會寫到基因裡面呢?

原刊載於作者部落格Miscellaneous999 

參考文獻:

  1. 2014/7/10 Inherited ‘memory’ of poor nutrition during pregnancy passed through sperm of male offspring — ScienceDaily
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葉綠舒
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做人一定要讀書(主動學習),將來才會有出息。

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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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基因上的魔法師——不改 DNA 就可以調整性狀的「表觀遺傳調控」,為作物改良帶來新曙光
Jean
・2022/11/13 ・3085字 ・閱讀時間約 6 分鐘

  • 文/黃湘芹、謝若微、李映漾、陳柏仰|中央研究院植物暨微生物學研究所
資料來源/中研院植物暨微生物學研究所陳柏仰研究室。圖:Nien Illustration

可以在不改變 DNA 的狀況下,調整性狀?——表觀遺傳調控,幫助植物快速適應環境變化

DNA 是生物細胞內攜帶遺傳訊息的物質,當 DNA 發生變異時,會影響基因的表現進而改變性狀。但很多生物也可以在不改變 DNA 的情況下調節基因表現影響性狀,此方式稱為表觀遺傳調控,其中常見的機制包括 DNA 甲基化、組蛋白修飾、小分子 RNA 等。

其中「DNA 甲基化」為在 DNA 特定位置上添加甲基的化學修飾,當基因前端的區域——啟動子被高度甲基化時,常會導致基因表現量較低。

而「組蛋白修飾」是針對被 DNA 纏繞的蛋白質——組蛋白,在其尾端上做的各種修飾,如乙醯化、甲基化、磷酸化等,這些修飾會影響 DNA 纏繞的緊密程度,進而加強或抑制基因表現[1]。另外,由長度約為 18 到 30 個核苷酸構成的「小分子 RNA」,也會抑制基因表現。

對生物而言,表觀遺傳調控提供生物在基因序列突變外,另一種有效適應環境變化的反應方法。而這樣的反應對植物特別重要,它能幫助植物在面對氣候、環境快速變化時,迅速調整基因表現讓植物得以生存。

如果將表觀遺傳運用在改良作物性狀上,由於不需外來基因插入或是基因編輯,便能達到基因表現的變化,因此大幅減少食物安全上的諸多考量,免除基改作物對人體健康疑慮的爭議性,在農業發展上相對有利。

目前在作物中已有不少研究,分析基因體上特定位置的表觀遺傳變異,與抵抗逆境性狀之間的關聯性;例如在稻米基因體上,已發現數個特定位置的 DNA 甲基化程度與抗旱[2]、抗缺鐵[3]甚至碳儲存有顯著的關聯性。

番茄有機會作為培育優良性狀的作物。圖/Pexels

在番茄裡也發現,由小分子 RNA 對特定位點的基因調控,可影響番茄外型及抗旱性狀。顯示透過影響表觀遺傳機制,的確有機會用來培育出具有優良性狀的作物。

如何運用在作物改良上?

當應用於作物改良時,偵測表觀遺傳變異與性狀之間的關係為首要任務,其中一種用來偵測表觀遺傳變異的策略仰賴的是近年才逐漸普遍化的「全基因體定序」。由於每個作物的基因體序列不同,需逐一檢視不同作物在各種逆境條件下產生的表觀遺傳變異,然而在技術與基因體資料分析上仍是挑戰。現階段而言,利用表觀遺傳進行作物改良,雖有潛力但未能普及[4]

利用全基因體定序偵測表觀遺傳變異(圖表一):先透過外在刺激誘導表觀基因座產生變異,接著藉由分析眾多植株間表觀基因座變異的差別,並計算其與目標性狀的關聯性,進而推定能產生目標性狀的表觀基因座。

(圖表一)利用外在刺激誘導植株產生遺傳變異,透過生物資訊研究與目標性狀相關的表觀基因座。

在已知可誘導表觀基因座的策略中,以 DNA 甲基化為例 ,透過伽馬射線照射、DNA 甲基轉移酶抑制劑以及組織培養,皆可在稻米基因體產生隨機且有效的 DNA 甲基化變化[4]

種子如果曝露於伽馬放射線環境下,或是浸泡在含有 DNA 甲基轉移酶抑制劑的水溶液中,均會造成基因體去甲基化,而去甲基化的程度會隨著放射線強度或是 DNA 甲基轉移酶抑制劑的添加量而不同;如果同時使用上述兩種方法處理種子,則會對於去甲基化有加乘效果[5]

表觀遺傳因子變化,可改變玉米面對熱逆境的耐受性。圖/Pexels

除了水稻以外,玉米基因體上特定位點的表觀遺傳因子變化,可改變其對於熱逆境的耐受性。玉米在幼苗時期,如果受到短暫熱處理,便能促進與基因表現有關的組蛋白修飾,使得葉片的葉綠素含量與活性氧物質提高,以增強玉米在高溫環境下的耐受性[5]

面臨的挑戰——表觀遺傳變異重現與否

表觀遺傳變異與基因變異主要的不同在於其不穩定性,由於細胞有自我修復機制,因此表觀遺傳變異在細胞複製前、後未必能維持;此外,世代遺傳間的「表觀遺傳重組」(epigenetic reprogramming)會重置表觀遺傳的分佈,使得親代的變異未必能完整保留到子代。

儘管如此,不少研究仍發現部分表觀遺傳變異可以被遺傳至下一代。以茄科中常用的嫁接作物番茄、茄子與辣椒為例,這類的種間嫁接會影響 DNA 甲基轉移酶表現量,進而大規模影響接穗中的 DNA 甲基化分佈,其中有部分 DNA 甲基化的變動被證實可維持至下一代[5]

綜合上述,應用表觀遺傳在作物改良上需特別確認變異在跨世代間的一致性;植株進行處理後所產生的表觀遺傳變異,是否能在性狀植株或甚至下一代重現,以確保有效的作物改良。

甜椒的跳躍基因與 DNA 甲基化

甜椒被視為可利用表觀遺傳進行改良的高經濟價值作物之一。圖/Pixabay

甜椒 (Capsicum species)的基因體解序後,發現當中的跳躍基因(可以在基因體上移動的 DNA 序列)不僅增加了甜椒的多樣性,也能決定轉錄活性高的真染色質及不具轉錄活性的異染色質在基因體上的分佈[6],從而廣泛影響基因調控。

已知 DNA 甲基化是控制跳躍基因的主要因子,已有研究指出,甜椒基因上 DNA 甲基化程度的增加,與發芽、果實成熟及抗鹽性狀都有顯著相關[7][8];顯示透過刺激產生的 DNA 甲基化重新分佈,極可能影響跳躍基因的活性,進而引導出優良性狀。     

目前甜椒的基因體資料已完備,其重要性狀與表觀遺傳變化密切相關,被視為可積極利用表觀遺傳進行改良的高經濟價值作物之一。

翻開作物育種的新篇章

綜合以上,分析及尋找與目標性狀相關的表觀基因座並不容易,需要結合農藝學、基因體學及生物資訊學的知識與技術,考量表觀遺傳變異的不穩定性因素,為實現可代代相傳的作物改良,需要了解不同植物的基因體中有哪些特定的表觀遺傳變異能夠穩定傳到下一代。因此,若要使用表觀遺傳改良作物,雖有理想但非一蹴可及。

目前主流的基因改造工程,在食品、環境、與生物安全上有著錯綜複雜的影響,僅透過調控基因表現以達到性狀改良的表觀遺傳,更能消除大眾對於作物改良的疑慮。現今對於表觀遺傳的研究資料已經越來越多,在植物面臨逆境時,表觀遺傳能有效且迅速地幫助植物適應環境。在未來環境更加極端的情況下,生產作物將會面臨更嚴峻的挑戰,如何繼續維持高產量,成為農民及研究者必須解決的問題之一。

表觀遺傳調控提供植物學家與農民新的作物改良方法,儘管當前的流程尚不完善,也有許多困難需一一克服,但看好其在未來為作物育種開啟新篇章。

參考資料

  1. Tirnaz, S. & Batley, J. (2019). Epigenetics: potentials and challenges in crop breeding. Molecular Plant, 18, 1309–1311. 
  2. Sapna, H., Ashwini, N., Ramesh, S. & Nataraja, K. N. (2020). Assessment of DNA methylation pattern under drought stress using methylation-sensitive randomly amplified polymorphism analysis in rice. Plant Genetic Resour Charact Util, 18, 222–230.
  3. Sun, S., Zhu, J., Guo, R., Whelan, J. & Shou, H. (2021). DNA methylation is involved in acclimation to iron deficiency in rice (Oryza sativa). Plant J, doi:10.1111/tpj.15318.
  4. Springer, N. M. & Schmitz, R. J. (2017). Exploiting induced and natural epigenetic variation for crop improvement. Nat Rev Genet, 18, 563–575.
  5. Varotto, S. et al. (2020). Epigenetics: possible applications in climate-smart crop breeding. J Exp Bot, 71, 5223–5236.
  6. Kim, S. et al. (2014). Genome sequence of the hot pepper provides insights into the evolution of pungency in Capsicum species. Nat Genet, 46, 270–278.
  7. Xiao, K. et al. (2020). DNA methylation is involved in the regulation of pepper fruit ripening and interacts with phytohormones. J Exp Bot, 71, 1928–1942.
  8. Portis, E., Acquadro, A., Comino, C. & Lanteri, S. (2004). Analysis of DNA methylation during germination of pepper (Capsicum annuum L.) seeds using methylation-sensitive amplification polymorphism (MSAP). Plant Sci, 166, 169–178.
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沒有子宮的人類,想嘗試懷孕可以嗎?|【科科齊打交】
stage_96
・2021/02/22 ・1727字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 553 ・八年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

S編按:在【科科齊打交】中,泛科學編輯部會盡力蒐集資料,提供可以協助討論的科學內容,希望能塑造一個開放與理性討論的空間。

這次,我們想邀請你,在閱讀完內容後,於本文下方留言分享你的看法!說說你對於子宮移植手術的看法!

May the knowledge be with us.

網紅透過人體試驗懷孕?

2021 年 2 月 18 日,網紅「罔腰」在 IG 上宣布懷孕三個月的消息,引發軒然大波。

不少人質疑,罔腰雖然動過變性手術,但礙於沒有子宮,照理來說應該「沒辦法懷孕」,到底是怎麼辦到的呢?

面對一連串懷疑的聲浪,罔腰的男友 PO 出高醫人體研究同意書。這樣的舉動,引來高雄醫學大學不滿,第一時間出面駁斥,強調院內並未進行「無子宮受孕試驗」;高雄市衛生局也提出約談罔腰,確認事情的來龍去脈,釐清是否有接觸密醫……

事件仍持續延燒,我們先暫時放下目前社群上既有的討論,試著思考一下:如果沒有子宮的人類,想嘗試懷孕,到底該怎麼做呢?

子宮移植,有可能嗎?

腹腔懷孕基本上屬於魔法等級,但是,子宮移植其實是有可能達成的。

為了回應極少數婦女因缺乏子宮而無法懷孕的需求,醫學上已有「子宮移植」的技術,然而,子宮移植仍存在著許多未知的風險。 

2020 年,曾有義大利團隊進行研究,在 52 例移植案件中,記錄到 38 例移植後子宮恢復功能,其中僅有 16 人成功懷孕。而這 16 名婦女,有 6 位於孕期出現嚴重併發症,更有高達 10 人早產。

那麼,變性者接受子宮移植是有可能的嗎?此議題有不少科學家討論,以下提供手術示意圖供大家參考:

需要注意的是,除了手術風險外,有其他必須搭配的措施,例如:於術後服用雌激素以增厚子宮內膜備孕、生育必須採剖腹來排除骨盆差異造成的障礙等等。

更多內容,可以參考此文:《沒有子宮能懷孕嗎?淺談異位妊娠與移植子宮

透過子宮移植懷孕,你認為……?

承上資料,我們可以知道,現今的科學與醫療技術是可以協助無子宮女性與變性者接受子宮的。

然而,最難的或許不是技術本身,而是相關的法律規範與倫理。

現在,我們希望可以請你分享自己的看法,你認為透過子宮移植懷孕是可以的嗎?可以或不行的理由為何?

此外,子宮移植對象為女性/男性/變性者,會影響你的答案嗎?

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