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抗病基因的祕密:疾病形塑人類

探索頻道雜誌_96
・2015/04/08 ・3083字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 593 ・九年級
024-037 抗病基因的秘密1
伸出一根偽足的巨噬細胞。出自《探索頻道雜誌國際中文版》

撰文:瑞秋.蘇利文(Rachel Sullivan)

即使在最嚴重的疫情中,總也有人倖存下來埋葬死者,這些倖存者為何與眾不同?這種看似隨機的天擇又如何決定人類的樣貌呢?答案就在基因裡。科學家對人類基因體的探索日新月異,目標是解開我們基因遺產、免疫系統的祕密,找到 方法抵禦現今砲火猛烈的入侵者,現在就跟《Discovery 探索頻道雜誌》一起聽聽這些科學家的說法吧!

當今是對抗疾病最告急的時刻。2014 年年末,伊波拉病毒的感染呈指數成長,突破各種防疫措施,各界益發擔憂即將上演全球大爆發。這種疾病具高度傳染性,且未治療情況下的致死率高達 90%,即便接受治療也高達 70%。西非的致死案例持續增加,伊波拉成為全球數一數二致命的疾病。

這並不光榮。1346 年到 1350 年間,黑死病扭轉了歐洲歷史,在歐洲、中東、 俄羅斯和北亞地區奪走約三分之二感染者的性命;19 世紀霍亂肆虐全球,在未治療情況下的致死率為 50%到 60%;甚至人人聞之色變的天花也只有 30%的致死率(儘管歐洲探險家將天花帶到不曾接觸此疾病的新大陸,導致高達 90%的感染者死亡)。

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相較之下,嚴重急性呼吸道症候群(SARS)的致死率頗低,近 10%,儘管 2002 到 2003 年間 SARS 從香港傳到世界各地 37 個國家時,曾引起悲觀的預測和大眾恐慌。這些數據雖然有如一記記警鐘,卻也點出了令人玩味的重要事實, 那就是在還沒有現代醫學插手的年代,無論是再要命的疾病、再嚴重的疫情,都有人存活;因此「殺不死我的,使我更堅強」這句話其實能得到科學背書,至少以物種來說是如此。

此HIV感染已臻成熟,病毒在人類淋巴組織中蔓延。出自《探索頻道雜誌國際中文版》,點擊看看它在雜誌裡的樣子。

疾病形塑人類

無論我們願不願意承認,疾病都是形塑人類今日樣貌的一大推力。我們都曉得人類起源於非洲,但約莫 10 萬年前出現了一個扭轉乾坤的事件,將當時的人類數量削減到少於 1 萬人。而現代人類就從中演化而來,數量遽增,取代了尼安德塔人等其他早期的人種。

針對這所謂的演化瓶頸和隨之而來的指數性人口成長,各界提出不少理論, 包括基因突變、語言文化發展,以及大型火山爆發等氣候變遷事件,然而還有另一項可能的重要因素,那就是疾病。

目前有美國科學家認為,在 10 萬到 20 萬年前間的某段時期,曾出現橫掃早期智人的流行病,使智人的數量銳減,僅有具特定突變基因的人存活下來。

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其中一位科學家是聖地牙哥加州大學的阿吉特.瓦基(Ajit Varki),他表示, 無論當年的罪魁禍首是什麼疾病,遭受最大衝擊的很可能是年紀小的人。「我們在人類身上找到兩個無作用的基因,是其他人類近親的靈長類動物體內沒有的, 這很可能就是病菌攻擊的目標,而對新生兒和幼兒來說更是致命。」瓦基是聖地牙哥加大的細胞與分子醫學教授,他告訴我們,該流行病的「幼小戰術」可能是削減人口的高效方式。「殺死年幼個體對繁衍有極大殺傷力──在那之後物種的存續就看該物種能否抵抗病原體或清除對病原體有利的標的蛋白。」

瓦基指出,這兩個與免疫系統有關的基因(Siglec-17 和 Siglec-13)失活, 很可能使得現代人類祖先更能抵禦兩種會引發人類胚胎和嬰幼兒罹患敗血症和腦膜炎的細菌(大腸桿菌和鏈球菌)。他表示:「在規模有限的小型群體中,一個小突變就可能發揮大影響,一個稀有等位基因(在成對染色體相對位置上的相對遺傳基因)可能享有很高的基因頻率。」瓦基認為這種病原威脅很可能發揮了「選擇性清除」的作用,只讓少數具備現代人類生理結構的人存活;確切來說,這些祖先繁衍到今天的 70 億人口都擁有無功能的 Siglec-17 基因,而 Siglec-13 基因更是完全消失。

但就像許多科學問題一樣,並沒有這麼簡單,瓦基指出,人類的演化瓶頸很可能是多重因素交互作用的結果。「促使物種形成(又稱種化、成種作用)的事很多,我們認為傳染原只是其中一項。」

深入了解免疫力

當然,戰勝疾病不只需要好基因。當我們生病時,年齡、地理環境和種族等各種複雜的因素相互作用,都會影響我們何時痊癒,以及究竟能不能病癒。

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感染暨免疫專家伊佛.穆勒(Ivo Mueller)教授任職於澳洲墨爾本的華特與伊莉莎霍爾醫學研究所和西班牙的巴塞隆納國際健康研究中心(CRESIB),他參與一項研究,調查非洲和巴布亞紐幾內亞的人口對於瘧疾的抵抗力強弱,他指出,我們對疾病的抵抗可分為兩層次,分別是免疫系統遺傳適應

「免疫系統是第一道防線,因為免疫系統能在被攻擊時快速調適、演化,所以免疫反應能迅速處理多數感染,」穆勒解釋,「免疫反應的後天適應能力意味著雖然我們的壽命比病原體長無數倍,但仍能跟上病原體演化的速度。」人的身體生來就具備抵抗多種病原體的防護力,能幫助我們戰勝多種常見疾病;此外我們也能從外界獲得被動免疫,好比母乳就能提供短期的抵抗力。隨著我們接觸各種疾病和疫苗,後天免疫力更逐漸演化。

免疫系統是由諸多細胞、組織和器官組成的協同網絡,而這道防禦機制的關鍵之一就是白血球。白血球位於脾臟、淋巴系統和骨髓內,其中兩種白血球能合力揪出入侵者並加以摧毀──吞噬細胞(phagocyte)能吞噬外來的毒素、細菌、 病毒、寄生蟲和真菌類;由骨髓製造的淋巴細胞(lymphocyte,即淋巴球)則幫助身體辨識曾經入侵的外來分子。

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巨噬細胞(黃色)正吞噬一隻疏螺旋菌(藍色)。出自《探索頻道雜誌國際中文版》,點擊看看它在雜誌裡的樣子。

淋巴細胞可分成兩個專精的種類。T 淋巴細胞(T 細胞)位於胸腺內,一旦依形狀辨識出外來分子,便會分泌細胞激素(cytokines),以便傳送化學訊息來警告免疫系統;至於 B 淋巴細胞(B 細胞)也扮演情報站的角色,能蒐集入侵物 的資訊,並分泌一批批抗體──就是特化的蛋白質,能攔截外來的抗原,阻止入侵。

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抗體基因由基因體中的去氧核糖核酸(DNA)片段組合而成,並隨免疫反應的迭代、突變和淘汰循環而演進,須經歷 20 到 40 次突變才能完美變形,鎖住並殺死外來分子。免疫系統就是如此調整來抵禦每年不斷突變的流行性感冒病毒。抗體擊敗病原後會留在體內,一旦再遇到類似的入侵者就能立即行動,這就是交叉抵抗性和免疫作用的成因,也解釋了為什麼水痘通常得過了就不會再得。

戰勝疾病、突破了演化瓶頸的早期人類迅速在世界各地開枝散葉,但疾病形塑人類基因體的工程可沒劃下句點,有些病毒 DNA 甚至融入了我們的基因藍圖。

愛麗諾.卡爾森博士(Dr Elinor Karlsson)解釋:「我們已經發現許多傳染病改變人類基因體的案例,而現今的健康問題其實正與這現象有關。」卡爾森在美國哈佛大學與麻省理工學院合辦的布洛德研究所(Broad Institute)擔任博士後研究員。

人類四處遷徙,各群體會遭遇不同的病原體,物競天擇也使等位基因更為普遍,對病原體和宿主都有利。古老的歷史到今天仍影響著人類對傳染病的易感染程度,也造就有地理差異的常見疾病,例如自體免疫疾病代謝疾病等。「以前人罹患這些疾病的死亡率比較高,而沒罹病的人則比較可能活下來, 繁衍更多子孫,」卡爾森說,「演化其實就是持續千萬年的浩大臨床試驗,我們不斷隨機調整基因體,看看能否變得更健康,而較健康的人通常會存活下來,沒這麼健康的人則被淘汰。」

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卡爾森解釋,科學日新月異,如今我們已能細細追溯人類歷史悠久的疾病大戰。「現在我們有新的基因體技術,能研究整個基因體,這是人類第一次有能力回溯演化史的臨床試驗帶來了什麼樣的成果。」

本文出自《探索頻道雜誌國際中文版》2015 年 03 月號第 26 期

還想知道更多:抗病基因的秘密:侵入者與宿主

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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。

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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。

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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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