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從雙胞胎來看免疫系統發育的個體差異

王晴瑩
・2015/02/02 ・1829字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 553 ・八年級
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credit: Tim Arnold

如果你家有對雙胞胎,你大概會希望他們有相同的作息,在同一個時間睡覺、一起去同一間學校上學,但你一定萬分不希望他們同時感冒。照顧一個就已經夠頭大了,還一次來兩個!

雙胞胎會不會比較容易同時感冒呢?同卵雙胞胎擁有同一套基因,因此身高、長相都可能非常相近,那他們的免疫系統也會長得一樣嗎?雙胞胎的免疫反應,可以幫助科學家們進一步瞭解免疫系統的發展和變異的原因。

我們的免疫系統極度複雜,是由多種白血球及傳訊蛋白組成的軍隊,隨時準備好對可疑的入侵者發動攻擊。這些不同的細胞和蛋白質會以獨特的比例構成,造就了每個人身上不盡相同的防禦系統。到底是什麼驅使了免疫系統的個體差異呢?

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免疫細胞。credit: RUSSELL KIGHTLEY/SCIENCE SOURCE

免疫系統會受到先天基因的影響,同時也會因為後天接觸的環境而有所不同(因此我們有了疫苗的發明),究竟哪一個免疫系統的影響比較大?

為了解開這個「先天v.s.後天」的謎題,史丹佛大學的Mark Davis教授與他的團隊進行了黃金標準試驗:雙胞胎研究。研究的背景原理是根據雙胞胎基因的相似度:同卵雙胞胎在基因上幾乎完全相同,異卵雙胞胎則有一半的基因一樣。所以如果某個特徵是從遺傳而來的,同卵雙胞胎之間就會比異卵雙胞胎更容易彼此相同,如此一來科學家就可以進一步找出調控的基因。

在這篇來自美國史丹佛大學和瑞典Karolinska研究所的研究中,Davis教授與他的團隊找來了從8歲到82歲一共210對的同卵及異卵的雙胞胎、抽血檢驗了超過200項免疫指標,其中包含了95種免疫細胞和51種蛋白質。研究發現,同卵雙胞胎的免疫系統差異甚大,許多免疫指標無法回推到共同的基因組合。這項研究登上了今年1月15日出版的《細胞》(Cell)期刊。

研究顯示,在75%免疫指標中,環境的影響比起基因遺傳來得顯著。此外,免疫系統在年齡較小的雙胞胎之間也比年長的雙胞胎來得相似,證明了隨著年歲增長、暴露的環境不同,免疫系統會發展成不同的樣貌。

作者也試驗了雙胞胎對流感疫苗的反應。不同人對於疫苗的反應強弱不同,有人的反應比較強,會產生較多的抗體來對抗外來的抗原。如果這個特徵有遺傳性,那麼同卵雙胞胎應該要有相似程度的反應。但是實際上,研究中發現反應強弱的差異是以環境影響為主,推論可能跟個體之前接觸過的流感病毒株相關。

科學家們也研究雙胞胎的免疫系統如何對抗巨細胞病毒。巨細胞病毒(cytomegalovirus)通常潛伏在人體裡,很少會造成症狀。就理論來說,若雙胞胎中一個有感染,而另一個沒有,那麼他們的免疫系統變異就比兩個都沒有感染的雙胞胎來得大。結果發現,巨細胞病毒的感染會影響超過60%的免疫指標,Davis教授認為這就是後天環境因素影響免疫系統的最佳證據。

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圖片來源:Cell

「這個研究不只做了雙胞胎試驗,還測試了極多種免疫指標,真的非常新穎。」洛克菲勒大學(Rockefeller University)免疫學家Jean-Laurent Casanova說。他認為這項研究已經突破了過去相關研究的規模。

加州理工學院(California Institute of Technology)的免疫生物學家諾貝爾獎得主David Baltimore則說:「這項研究雖然沒有革命性的結果,結論也符合主流的想法,但研究發現:隨著我們年紀增長,免疫系統就會變得越來越個人化,這點非常令我印象深刻。」

這篇論文巧妙地對真實世界了的人類雙胞胎進行研究,對免疫系統的可塑性提供的強大的證據。除了更進一步證明施打疫苗引法特異性免疫反應 (acquired immunity) 的重要性,也替發育早期經由自然免疫 (innate immunity) 刺激,調整發育後期免疫相關疾病(如過敏或其他自體免疫疾病)發生機會的可能性提供實證性的基礎。

至於一開始的大哉問:「雙胞胎是不是容易一起感冒?」牽涉的因子或許沒有實驗室研究這麼單純。研究雖然指出環境因子對免疫系統的影響較大,但如果家裡的雙胞胎年紀還非常小,接觸的環境不多(兩個人接觸的環境還可能非常類似),甚至還因為玩在一起而交叉感染,都是可能讓雙胞胎們容易同時感冒。或許隨著他們慢慢長大,他們的免疫系統就會變得越來越不同了。

參考資料:

  1. 2015/01/15 Environment, more than genetics, shapes immune system. ScienceMag.
  2. Brodin, P., Jojic, V., Gao, T., Bhattacharya, S., Angel, C., & Furman, D. et al. (2015). Variation in the Human Immune System Is Largely Driven by Non-Heritable Influences. Cell, 160(1-2), 37-47. doi:10.1016/j.cell.2014.12.020

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王晴瑩
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不論在醫院或是泛科學,都是菜鳥實習生。


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小鼠研究指「間歇性禁食」可延年益壽——重點不在總熱量,延長用餐間隔才是重點!

台灣科技媒體中心_96
・2021/10/24 ・2679字 ・閱讀時間約 5 分鐘

2021 年 10 月 18 日,國際期刊《自然醫學》(Nature Medicine)公開的一篇研究論文,探討飲食模式和改善生理健康之間的關係。研究將小鼠總共分為五組:(1)自由取食、(2)限制 30% 的熱量攝取,但沒有禁食期、(3)限制 30% 的熱量攝取,半天內給食三次,另外半天禁食、(4)限制 30% 的熱量攝取,每天只給食一次,其他 21 小時禁食、(5)熱量攝取總量不變,但每天禁食 21 小時。

研究運用液相層析質譜儀(Liquid chromatography–mass spectrometry),以及轉錄組分析(Transcriptional profiling)等方法,發現僅「禁食」而沒有減少攝取的總熱量,就足以得到在限制熱量的飲食模式時出現的大部分代謝與核酸轉錄的特徵,以及延長壽命、防止衰弱等健康上的好處。

該研究歸納出以下三大結論:

  1. 過往研究限制熱量攝取的好處時,無法分辨原因是「總卡路里攝取下降」還是「有規律的長時間禁食」。這篇研究協助釐清熱量限制帶來好處的原因,發現單純禁食而並不減少總熱量攝入,就足以達到有助代謝和延緩老化這些健康效果。
  2. 研究是在特定的條件下所觀察到的現象,不同性別及不同品系的小鼠,禁食的效果就不同,無法廣泛推論於不同物種或不同飲食文化的個體。
  3. 禁食很可能是限制卡路里攝取時,可改善健康和長壽所必需的關鍵。如果可以證明適用於人類,未來可能幫助人們在不需要減少卡路里攝取總量的情況下,也能延緩老化、促進健康。
圖/Pixabay

大爆吃再間歇性禁食更健康?仍有待證實

臺大醫學院腦與心智科學研究所教授王培育指出,適當的飲食限制對於促進代謝、預防疾病及延長壽命的益處已是廣為人知。然而在早期用酵母菌、線蟲及果蠅作為實驗對象的研究中,受限於實驗模式,大多是以稀釋食物中的營養成份且自由飲食的方式來觀察飲食限制的好處 [1][2][3]

而在哺乳類中,小鼠或猴子實驗則是以每日一到二次或數日一次的方式,餵食正常食量的 40-80% [4][5],因此,一直以來飲食限制所帶來的好處被認為是降低日常飲食中卡路里的總量所導致。但是這些傳統的觀點在近年來的研究中已是備受挑戰,例如每日限制時間或食物量的餵食或禁食(於幾個小時內自由飲食或吃完定量的食物),也可明顯的達成健康長壽的好處 [6]

所以,重要的究竟是卡路里減量,還是禁食?本篇研究利用特定品系的小鼠,以系統性的方法實驗數種飲食的模式並且分析多種代謝及生理指標。結果顯示適當的禁食,可能是影響健康指標的關鍵,然而這是否意味著大吃大喝但間歇性的禁食是比少量及少餐更好的選擇呢?有待日後有更多的研究證據來說明。

規律禁食/進食,比總熱量攝取更重要

王培育也指出,這份研究僅使用了兩種品系的公、母小鼠進行研究,便可觀察到飲食限制對於不同性別及兩種品系小鼠的生理反應造成許多的差異,顯示本研究是在特定的條件下所觀察到的現象,無法廣泛推論於不同物種或不同飲食文化的個體。

這份研究提供一個重要的概念,適當的禁食可以達成傳統的飲食限制(禁食加上卡路里減量)對身體健康的好處,因此營養均衡、不必在卡路里上斤斤計較,一樣可能擁有健康長壽。

王培育指出,這份研究詳盡的比較了長期限制總熱量攝取與間歇性禁食,對代謝、老化以及壽命的影響,結果也顯示了有規律的間歇性禁食也許就足以帶給我們健康上的各種好處。這告訴我們,吃什麼、吃多少固然重要,何時吃以及飲食是否規律也許更重要。這結果與上月一篇發表在期刊《自然》(Nature)上的果蠅間歇性禁食實驗結果不謀而合 [7]

這份研究提供一個重要的概念,適當的禁食可以達成傳統的飲食限制(禁食加上卡路里減量)對身體健康的好處。圖/Pixabay

「禁食」才是有助代謝的關鍵

國立中興大學食品暨應用生物科技學系特聘教授蔣恩沛指出,過去許多研究都發現「限時進餐」或「限制進餐量」具有代謝益處,並延長小鼠的壽命。然而這些發現並無法釐清,哪些是純粹因為減少熱量攝入引起的好處,而哪些是因實驗要控制卡路里而無形中施加了禁食所致。

本研究在小鼠實驗中發現,限制卡路里的飲食方式,促成葡萄糖代謝、虛弱和壽命的各項改善,其實需透過「禁食」來達成。研究推翻了長期以來認為卡路里限制飲食對哺乳動物有益僅是由於減少總熱量攝取的觀點,並強調當中的「禁食行為」才是有助代謝(例如提升胰島素敏感性)和延緩老化這些保護作用的重要原因。

研究結果揭示了我們何時以及吃多少食物,如何調節代謝健康和壽命,並證明每天延長禁食,而不僅僅是減少熱量攝入,可能是熱量限制飲食對改進代謝和延緩老化的原因。過去已有研究表明,延長兩餐間隔對健康有益,本研究結果與過去研究也有相當的一致性。

蔣恩沛表示,人類老化過程中所伴隨的退化過程和疾病,有許多變因,除了攝食量、飲食方式、種類,還有基因、環境因素,甚至腸道菌相,均可能扮演角色,遠比實驗動物複雜。然而可以確定的是,限制熱量攝取可提供代謝上的益處,並可能減緩衰老、延長壽命。

圖/Pexels

本文編譯自科學期刊文章,完整文章來源:

參考資料:

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