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大米的逆襲:微小RNA操縱了我們的身體嗎?

科學松鼠會_96
・2011/10/13 ・2993字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

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[編按:從今日起,PanSci泛科學很榮幸能與科學傳播界的網路先驅科學松鼠會展開更多元的內容合作,本文為首篇發表於PanSci的松鼠原創文章,PanSci作者的原創文章也將出現在科學松鼠會的首頁上]

吃飯時,菜葉和果實被我們的牙齒大卸八塊,在腸胃裡粉身碎骨。這個過程釋放出的蛋白質、碳水化合物、脂類進入人體,順著血液發配各處,給身體添磚加瓦。但這可能不是故事的全部——南京大學生命科學學院的張辰宇教授發現,植物中還有一些小分子也會進入人體,可能反客為主,控制人體的基因活性,以更主動的方式影響身體。這些囂張的小分子就是微小核糖核酸(微小RNA,miRNA)。這項研究發表在《細胞研究》(Cell Research)。為了深入瞭解這項顛覆常識的研究,筆者採訪了張辰宇。

顧名思義,微小RNA個頭很小,只有19-24個核苷酸;它不是植物的專利,動物也有。不管植物還是動物,它們對細胞生長代謝非常重要。但學界一直認為,自產的微小RNA只供自己使用;從沒想過植物的也可能在人體內存活,甚至履行殺手職責。張辰宇尋思,為什麼不行?

那些頑強的微小RNA

為了試探一下猜想,張辰宇的團隊先找了一幫人,抽他們的血,在裡面尋找植物微小RNA的蹤影。結果發現,人的血液中竟然藏匿了至少40種植物特有的微小RNA!植物中本有上千種微小RNA,按照前人的認識,這些微小RNA應該經受不了消化道的歷練,但現在張辰宇的實驗證明,確有極少數能存活下來,這是一個驚人的發現!

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為什麼這些少數微小RNA能存活下來,張辰宇說他也不知道。不過他發現,在存活下來的40多種微小RNA當中,兩種編號為MIR156a和MIR168a的尤為頑強,濃度竟和人體內本身的微小RNA濃度在同一量級。再一查,這兩種微小RNA可是有頭有臉,它們在大米和大白菜中最為豐富(生米中最多,米飯煮熟大約還能剩下近4成)。除了稻米,在小麥中MIR156a也含量不菲,而和前人的研究結果不同的是,MIR156a在張辰宇團隊的檢測中卻不見蹤跡。

好,既已在人體內發現源自植物的微小RNA,那它們是否確實來自飲食?在動物體內又能起到什麼效果呢?張辰宇團隊拿大米裡含量很多的MIR168a開刀分析。

[水稻(Oryza sativa)微小RNA MIR168a 的二級結構。圖片來源]

老鼠愛大米……實驗就拿小鼠做。

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微小RNA跨物種「謀殺」

通過給小鼠餵食生大米,科學家發現它們的血液和肝臟中,MIR168a的濃度確實因為飲食中MIR168a的增加而增加了。增加後會產生什麼其他的影響呢?

要預測植物微小RNA的增加能造成什麼樣的生理結果,得先明白微小RNA是如何工作的。在細胞裡,DNA像寫滿遺傳信息的藍圖,在適當的時候被「複印」成信使RNA(mRNA),再去指導蛋白質的合成。而微小RNA就像殺手,非常有目標地找到自己要謀殺的信使RNA,讓它們沒法繼續變出蛋白質。當然,微小RNA找目標不看照片,而是看信使RNA和它的匹配度,要是信使RNA上某些片段它們恰好能結合上去,這些信使RNA就被視為該死的目標。那麼來自植物的MIR168a在動物體內的謀殺目標是誰呢?

經過序列比對,科學家們推測,它在動物體內確實有一個信使RNA目標,這個信使RNA指導合成「綁架」低密度脂蛋白的蛋白,這個綁架者主要分佈在肝臟。也就是說,MIR168a這個微小RNA專門對付綁架者,MIR168a若是升高了,肝臟裡綁架者就少了,低密度脂蛋白不受綁架,在血液裡的濃度就會慢慢積累變高。

果然,他們發現,吃了大米以後,小鼠體內MIR168a很快升高,3天後,血液中低密度脂蛋白膽固醇也變多了。這一切都驗證了張辰宇的猜想,同時讓科學界難以置信:來自植物的微小RNA竟然是一個超級殺手,可以跨物種執行謀殺任務!

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一方水土養一方人

可是,如果植物這麼厲害,吃下去還能調節我們的基因,那我們是不是該對它們敬而遠之?張辰宇認為這種擔心毫無必要:「不用怕,這種現象要在人體內成立,還需進一步證明。而且,即使這種調節途徑是存在的,我們在億萬年演化中也一直被調節著,身體早就達到了平衡。」

不過,他指出,他的這項研究或許為中國老話「一方水土養一方人」找到了科學註腳,因為,如果小鼠實驗裡得到的結果真的能推演到人類,或許就能解釋為什麼東方人和西方人相比,雖然不那麼胖,也會得糖尿病——因為東方人以大米為主食,西方人的飲食則以麵包為主,「因此吃米和吃麵可能是不一樣的」,張辰宇說。當然,飲食能影響人體的因素很多,微小RNA的調節只是一種猜測。(關於東方人和西方人的差異,大家可以各抒己見。)

歸根結底,目前生物體的實驗還處在小鼠的階段,將小鼠的結論直接推廣到人還有些大膽。而且最重要的是,微小RNA的跨「界」調節到底是通過什麼機制發生的呢?只有明確發生機制,才能更好地解釋現象,更好地指導未來的應用。這是擺在張辰宇面前的一道難題。

機制研究尚待更精彩實驗

根據以前的研究,張辰宇知道血液中的小囊泡可以把微小RNA裝載起來,運送到身體其他部分,於是他猜測,小腸絨毛也可能把游離在附近的來自植物的微小RNA吞進來,包裹進小囊泡,再吐到血管裡。隨後,囊泡順流而下,若是行至肝臟,這些囊泡可能被肝細胞吸收,微小RNA被釋放,於是結合它的目標信使RNA,讓低密度脂蛋白的綁架者減少,造成血液裡的壞膽固醇升高。 這個過程聽起來像破案故事一樣激動人心!然而要想證明卻非易事——想想,怎麼才可能親眼看到這個過程呢?到現在,科學家們也還沒能在完整的生物體裡證實這個猜想,只能說向這個方向做出了努力。

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張辰宇團隊使用人體細胞模擬了上述場景。他們首先把大量合成的MIR168a微小RNA「餵」給體外培養的(也就是在平皿裡培養的)人上皮細胞(小腸絨毛就是一種上皮細胞)。接著收集這些上皮細胞分泌的小囊泡。再轉移給在另一個平皿裡培養的肝臟細胞。然後他們發現, MIR168a所要謀殺的綁架者在肝臟細胞裡的量果然減少了。

這樣的細胞實驗確實證明了張辰宇的猜想的機制是可行的,然而它畢竟是在相互分隔的兩種培養細胞之間做的,而不是在生物體的層面,所以這套機制只是被初步驗證,遠非確鑿。想要確鑿地說清植物微小RNA對人體的作用機制,還有待更精彩的實驗。 由於張辰宇的研究顛覆常識,而且在幾十種存活於人體的植物微小RNA中,只發現MIR168a這一種會對動物產生作用,因此有人認為他的結果或許是巧合。來自捷克科學院分子遺傳學研究所(Institute of Molecular Genetics in the Czech Republic )的Petr Svoboda認為,在張辰宇的實驗中,植物的微小RNA在人體內檢測到的量很少,這個濃度的微小RNA是否真的能對人體產生影響值得懷疑。

張辰宇對此進行反駁,他認為「含量少是要看和什麼對比」,MIR168a的濃度雖然占人體微小RNA的總量少,但它和人體自身的一些微小RNA濃度相當,足以發揮功能。

不管怎麼說,植物裡能對動物起作用的因素有很多。這項研究僅僅說明,植物或許還存在這樣一種途徑,來對動物的身體進行調節。可以相信的是,在演化的尺度上,雖然動物同植物共同走過的歲月短得無足掛齒,在分類學上,雖然它們確實被歸納在遙遠的兩端,但動物和植物一直在用各種方式共同影響、彼此滲透,甚至傳遞信息。我們正絞盡腦汁,試圖參透這段距離間千絲萬縷的聯繫。

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本文為修改版,已發表於果殼網 健康朝九晚五主題站 《大米的逆襲:植物操縱了我們的身體嗎?》。感謝網友Boston和[S]Kaelthas對文章的指正。老貓 對此文亦有貢獻。

本文引用自科學松鼠會[2011-10-07]

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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研究自閉症成因的新思路:環狀 RNA——專訪中研院基因體研究中心莊樹諄研究員
研之有物│中央研究院_96
・2023/09/22 ・5439字 ・閱讀時間約 11 分鐘

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本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 採訪撰文|寒波
  • 責任編輯|簡克志
  • 美術設計|蔡宛潔

自閉症研究的新方向

臺灣民眾大概都聽說過「自閉症」這個名詞,自閉症是腦部發育障礙導致的複雜疾病,同時受到先天遺傳以及後天環境因素的影響,具體成因依然是個謎,科學家須對遺傳調控方面有更多了解。中央研究院「研之有物」專訪院內基因體研究中心的莊樹諄研究員,他的團隊結合生物學、資訊學以及統計學方法,發現自閉症的風險基因與 RNA 之間有複雜的交互作用,在自閉症患者與非患者的腦部有很大差異。如果持續研究 RNA 的調控機制,或能開闢新的方向進一步理解自閉症。

遺傳性疾病成因——致病基因

根據衛生福利部 2023 年統計數據,我國自閉症患者超過一萬九千人。自閉症的全稱為「自閉症譜系障礙(autism spectrum disorder,簡稱 ASD)」,常見症狀是溝通、表達、社交上有困難,經常出現反復固定的狹窄行為,目前尚無有效的治療藥物。雖然經典電影《雨人》的主角雷蒙或是韓劇《非常律師禹英禑》的禹英禑都令人印象深刻,不過天才或高智商的自閉症患者只是極少數,而且不同患者的症狀輕重差異很大,故稱之為「譜系」(spectrum)。

理解遺傳性疾病,可利用遺傳學與基因體學的研究方法,比較患者與非患者之間的遺傳差異,便有機會尋獲致病的遺傳成因。過往研究得知,有些遺傳性疾病只取決於單一或少數基因的強力影響,例如亨廷頓舞蹈症(Huntington’s disease)、纖維性囊腫(cystic fibrosis)等,致病原因較為單純。

自閉症自然也受到先天遺傳基因影響,然而,它涉及許多影響力不明顯的基因,而且影響每名患者的基因又不盡相同,讓遺傳與症狀的關係更加複雜。如果從 RNA 研究路徑出發呢?RNA 是核糖核酸,具有承載 DNA 訊息和調控基因等功能,相比於其他疾病,在 RNA 層次研究自閉症的另一挑戰是取樣極為困難,自閉症患者的病因位於大腦內部,通常無法直接從人腦取樣分析。所幸的是,若檢視去世者捐贈的大腦樣本,仍有機會一窺自閉症的腦內奧秘。

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莊樹諄分析的數據來自公共存取的 Synapse 資料庫,包括上百位自閉症患者與非自閉症者的資料。人數乍看不多,卻已是當今想同時探討同一個人的基因體(DNA 層次)與轉錄體(RNA 層次)間因果關係的最佳的選擇。藉由此一資料庫蒐集的人類腦部組織轉錄體資料,可全面探討各式各樣的 RNA,包含信使 RNA(messenger RNA,簡稱 mRNA)、小分子 RNA(microRNA,簡稱 miRNA),以及莊樹諄鎖定的研究目標:環狀 RNA(circular RNA)

自閉症成因不明,目前尚無治療用藥物。有自閉症的人需要社會與家人的支持及陪伴,透過療育和行為輔導的協助,慢慢活出自我。
圖|iStock

不能轉譯,但似乎會互相影響?非編碼 RNA

莊樹諄的教育背景是資訊學博士,博士後研究的階段投入生物資訊學,之前主要從事 RNA 與靈長類演化方面的研究,探討多樣性切割、RNA 編輯(RNA editing)等議題,環狀 RNA 則是他近年來特別感興趣的題材。

根據生物資訊學的預測,環狀 RNA 這類長鍊的 RNA 分子有數萬個,但實際上有多少仍不清楚。它們在大腦神經系統特別常見,似乎涉及許多基因調控的工作。莊樹諄目前最關注環狀 RNA 對自閉症的影響,不過他指出這番思路不限於自閉症,阿茲海默症、帕金森氏症、精神分裂症(schizophrenia)等疾病也能用同樣的方法探索。

不過,什麼是環狀 RNA 呢?按照序列長度、作用,可以將 RNA 分為很多種類。DNA 轉錄出的 RNA 經過處理,有些形成 20 多個核苷酸長的短鏈 RNA,如 miRNA 屬於此類。一些較長鏈的 mRNA 又會轉譯成氨基酸,產生各式蛋白質。還有些長鍊的 RNA 不會轉譯,仍然維持長鍊 RNA 的形式發揮作用,統稱為長鍊非編碼 RNA(long noncoding RNA,lncRNA),莊樹諄研究的主角環狀 RNA 大致上被歸屬於一種非編碼 RNA。這麼多種類的 RNA 彼此會互相影響,導致複雜的基因調控。

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長鍊非編碼 RNA(lncRNA)是 Pre-mRNA 選擇性剪接的產物,根據不同的生成方式,產生各種類型的環狀 RNA。
圖|研之有物(資料來源|International Journal of Oncology

由 DNA 轉錄而成的 RNA 是線形,至於「環狀」RNA 一如其名,是 RNA 長鏈首尾相接後形成的環形結構,相比線形 RNA 更加穩定,不容易遭到分解。這些長期存在的圈圈,假如序列可以和短鏈的 miRNA 互補,兩者便有機會結合在一起,讀者可以想像為類似「海綿」(sponge)的吸附作用。

miRNA 原本的工作是結合 mRNA,使其無法轉錄為蛋白質,抑制基因表現。可想而知,一旦 miRNA 被環狀 RNA 吸附,便無法再干擾 mRNA 作用,失去抑制基因表現的效果。因此環狀 RNA 能透過直接影響 miRNA,來間接參與調控其他的下游基因。這便是環狀 RNA 的許多種調控功能中,最常被研究的一種。

左圖是 miRNA 抑制 mRNA 轉譯的一般流程。右圖是環狀 RNA 像海綿一樣吸附 miRNA,讓 miRNA 原本抑制 mRNA 轉譯的「剎車」功能失去作用。因此環狀 RNA 透過直接影響 miRNA,就能間接參與調控其他的下游基因。
圖|研之有物(資料來源|Frontiers in Cardiovascular Medicine

自閉症的成因要往腦部深究,環狀 RNA 又在腦部表現最多,使得莊樹諄好奇當中的奧秘。然而儘管如今 RNA 定序已經很發達,環狀 RNA 由於結構的關係,一般的 RNA 定序方法無法抓到這類環形分子。莊樹諄指出這也是 Synapse 資料庫的一大優點,此一資料庫罕見地包含能找出環狀 RNA 的 RNA 定序資料,配合 miRNA、mRNA 與基因體等資料交叉分析,才有機會闡明環狀 RNA 的角色。

尋找環狀 RNA 和自閉症的關聯

莊樹諄率領的團隊已經發表 2 篇環狀 RNA 與自閉症的研究論文,第一篇論文著重於尋找哪些環狀 RNA 和自閉症有關,研究假設是環狀 RNA 透過 miRNA 間接影響自閉症風險基因 mRNA 的表現。由於環狀 RNA、miRNA 和 mRNA 都多達數萬個,需要統計分析的幫忙。

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首先,將樣本分為有自閉症/無自閉症。要注意每個自閉症患者的基因表現仍有差異,納入夠多樣本一起比較,才有機會看出端倪。

接著,尋找環狀 RNA 和風險基因有顯著相關的搭配組合。例如:高比例自閉症的人,某個環狀 RNA 含量較高時,某個風險基因的 mRNA 表達量也較高,那這組環狀 RNA 和基因就存在正相關;反之則為負相關。

不過相關性很可能只是巧合,所以莊樹諄團隊比對序列,找到符合上述相關性的中介因子「miRNA」。最後再觀察「當排除 miRNA 影響時,環狀 RNA 與風險基因的顯著關係即消失」的組合,這些消失的組合,就是真正共同參與基因調控的「三人組」(環狀 RNA、miRNA、mRNA)。

一番分析後,篩選出的環狀 RNA 共有 60 個,其中涉及與 miRNA、mRNA 的組合總共 8,170 組。人類一共 2 萬個基因,與自閉症有關的調控網路就有 8,000 組之多,數字相當可觀,顯示環狀 RNA 的重要性。莊樹諄用統計手法找出的自閉症風險基因,和過去科學家已知的部分風險基因相符合,未來可以繼續探究在這 8,000 組調控網路中,有哪幾組是真的作用在生物上。

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在資訊與統計分析之外,莊樹諄的團隊也有人進行分子生物學實驗,驗證 RNA 調控網路的相互影響。以體外培養的人類細胞為材料,人為誘導遺傳突變,精確分析特定環狀 RNA 在細胞內分子層次的作用。實驗證實選取的環狀 RNA,確實會結合 miRNA,又影響 mRNA 的表現。

環狀 RNA 會取消原本 miRNA 抑制 mRNA 轉譯的「煞車功能」,進而影響自閉症風險基因的表現。
圖|研之有物(資料來源|中研院基因體研究中心

基因調控是什麼?

莊樹諄強調,使用資料庫的公開資料,好處是經過多方檢視,避免資料品質不一致的問題,缺點是大家都能取得數據,必須要跳脫既有的思考模式才能發現新的結果。他在環狀 RNA 議題的新思路,成為第二篇論文的內容:探討環狀 RNA 的遠端調控(trans-regulation)對自閉症的影響

基因的表達會受到基因調控元件(regulatory element,一段非編碼 DNA 序列)的影響,若調控元件就在基因附近,稱為近端調控(cis-regulation);如果調控元件不在附近,甚至位於另一條染色體上,則為遠端調控。

研究基因調控,通常近端比遠端調控容易,因為近端調控元件(cis-regulatory element)的位置就在基因旁邊,不難尋找;但遠端調控卻沒那麼直觀,作用機制也比較難以想像。實際上常常能發現一個基因的表現,受到多處近端調控,加上多處遠端調控的影響。如果想全方位認識一個基因的表現與調控,最好能都能得知近端與遠端的影響,否則難以掌握調控的全貌。

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莊樹諄的想法是,某些基因被遠端調控的過程,是否有環狀 RNA 參與?具體說來就是某個調控位置,先近端調控其周圍的環狀 RNA 基因,再藉由環狀 RNA 影響基因體上其他位置的基因表現,發揮遠端調控的效果。

如圖顯示,環狀 RNA 表達數量性狀基因座(circQTL)近端調控了環狀 RNA,遠端調控其他基因。莊樹諄的想法是,某些基因被遠端調控的過程,是否有環狀 RNA 的參與?
圖|研之有物(資料來源|Molecular Psychiatry

為了避免用語誤解,有必要先解釋一下什麼是「基因」。基因的概念隨著生物學發展持續改變,如今一般人熟悉的定義,基因是由 DNA 編碼序列構成,能轉錄出 mRNA,再轉譯為蛋白質的訊息載體。不過若將基因定義為會轉錄出 RNA 的 DNA 序列,那麼即使沒有對應的蛋白質產物,只要其衍生的 RNA 產物有所作用,也能視為「基因」,如 miRNA 基因、mRNA 或長鏈非編碼 RNA 基因。既然是有 DNA 編碼的基因,便會受到近端、遠端調控位置影響。

探索遠端調控機制有很多想法,莊樹諄可以說又打開了一條新思路。遠端調控位置不在基因旁邊,亦即基因體任何地方都有機會。假如直接挑戰基因與遠端調控位置的關聯性,可能相關的數量可謂天文數字,而且缺乏生物性的理由支持,找到的目標往往令人半信半疑。

莊樹諄引進環狀 RNA 涉及其中的可能性,尋找「環狀 RNA 基因的近端調控位置」與「目標基因的遠端調控」之交集,大幅縮小了搜索範圍。

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莊樹諄透過「環狀 RNA 基因的近端調控位置」與「目標基因的遠端調控」之交集,找到環狀 RNA 參與遠端調控的證據。
圖|研之有物(資料來源|莊樹諄

一番分析後,研究團隊從自閉症患者的基因體上,定位出 3,619 個近端調控的 circQTLs,這些表達數量性狀基因座相當特殊,可能藉由直接或間接遠端調控兩種模式來調控遠端基因(如上圖)。而這 3,619 個 circQTLs,與環狀 RNA、遠端基因三者形成了八萬六千多組的遠端調控網路。接著團隊使用了不同的統計方法,其中 8,103 組通過多重統計測試,顯示較高的機率是屬於間接遠端調控模式。

莊樹諄團隊透過統計手法,找到相當多基因和調控路徑,雖然目前仍不清楚它們影響自閉症的具體細節,卻無疑讓我們新增一分對自閉症的認識。

莊樹諄指出,這套統計方法或可應用至人類的其他複雜疾病(如思覺失調症),找出基因調控的多個可能路徑,提供臨床醫藥研發更多線索。

生物與資訊的跨領域結合

訪談中問到:為何會從資訊科學跨入到生物領域?莊樹諄回憶,1998 他博士班畢業那年才第一次聽到「生物資訊」這個詞,他基於對生命科學的興趣,以及因為內在性格想往學術轉型的想法,引領他到了中研院。

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莊樹諄接著說,2003 年李文雄院士延攬他進入基因體研究中心,之前他們不曾認識。他感謝李院士帶他進入了分子演化的世界,就此打開了研究視野。在剛開始成立自己的實驗室時,缺少人力,李院士讓當時的博後陳豐奇博士(現為國衛院群體健康科學研究所研究員兼任副所長)與他共同工作。莊樹諄強調,他所有分子演化的觀念與基礎,都是陳博士幫他建立的,如果說陳博士是他的師父,那李院士就是師父的師父了。

如今,莊樹諄在中研院的研究生涯邁入第 25 年,從資訊學背景投入生物學研究,大量使用統計工具,他經常需要持續整合不同領域的觀念與工具,推動自己的新研究。在訪談中,他也感謝諸多研究同儕的協助,特別是幾年前建立分生實驗室時,蕭宏昇研究員及其團隊成員的鼎力相助。

莊樹諄的團隊包含資訊、統計、分子生物三個領域的同仁,來自不同領域,傾聽他人意見自然也特別重要,這是他們實驗室的核心價值之一。莊樹諄認為在科學面前,人是很渺小的,需要互相尊重和理解,方能一起解開科學之謎。

最後,莊樹諄特別強調他個人在相關領域的研究,仍有極巨大的進步空間,感謝研之有物的主動邀訪,期望將來能與更多先進交流學習,也企盼年輕新血加入這個生物資訊的跨領域團隊。

莊樹諄期望在環狀 RNA 與基因調控網路的研究基礎之上,可以對自閉症這個複雜疾病的調控機制,提供更多科學線索,幫助臨床上的診斷和治療。
圖|研之有物
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過重、過輕都會影響身體——健康減重、增肌減脂好處多!
careonline_96
・2023/02/21 ・1809字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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體重過輕可能造成哪些問題

以目前的標準,會建議 BMI 控制在 18.5 至 24。當體重過輕的時候,基本上身體裡面的一些營養素,就會開始吸收不夠。吃得不夠,就很容易造成一些貧血的問題;刻意不吃的時候,吸收也會變差,間接引起營養不良的問題,很常會開始這裡不舒服、那裡不舒服,甚至像是突然間暈厥,就是極度的營養不良;再來是我們在給予自己這麼大壓力的時候,刻意去減重的情況下,會引起一些生理跟心理的問題。

當過輕時,很常會肌肉不足,之後骨質流失開始加快;很常聽到 20 幾歲的人跌倒之後就骨折,其實就是骨質疏鬆,可是並不知道,因為我們還很年輕。

如何健康減重

目標要設實際一點,而且是可以達到的一些目標。比如可以設定一個禮拜內,要讓體重下降的正常合理範圍是 0.5 公斤,也就是一個月減重不應該超過 2 公斤;以這個為目標去設定一天可以攝取的熱量,很多人都會建議女生吃 1200 大卡至 1500 大卡,男生吃 1500 大卡至 1800 大卡,如果有在運動可以設更高一點。

很簡單地去想要吃得健康一點,巨量的營養包含醣質、蛋白質,還有脂質,就盡量吃原型的食物,去攝取足夠的蛋白質,在過程當中吃足夠的纖維質,比如像蔬菜,最後再去吃澱粉。

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增肌減脂有哪些好處

如果有在進行減脂的過程去抽血,就會發現其實我們的 LDL 會下降、HDL 會上升,三酸甘油脂也會下降,其實這就是反應了一個很健康的生活型態。

增肌有非常多的好處,而且是很生活化的好處。比如像老人家要去上廁所,很多時候意外都是發生在廁所;因為蹲下去、坐在馬桶上面之後,要起來時沒有力氣、平衡感又不好的情況下,就會很容易跌倒,發生很多不幸的一些意外。

我們的肌肉量會影響到肌力和肌耐力,就會間接影響到有沒有辦法去執行日常生活中需要做的事情。

減重過程中的飲食要如何安排

一個大原則是每一餐吃拳頭大的澱粉,不管是白飯、糙米飯,還是地瓜,吃一份的澱粉,就要吃兩份的蔬菜,盡量吃到兩份的蛋白質;以這種攝取方法,其實都可以吃得非常飽,而且非常滿足,身體就會得到它所需要的巨量及微量營養素。

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我自己很推崇的地中海型飲食,它不單單是一個飲食法,它是一個生活的模式。建議你吃很健康的食物,多吃海鮮、少吃一些飽合脂肪酸的東西,像紅肉;盡量吃乾淨,調味的部分就是避開重油、重鹽。

鼓勵多去跟人互動、多去戶外活動,基本上我們要先回到原點,肥胖本身是一個慢性生活型態的結果,所以要正視問題,先認識自己的身體,是在哪一個環節慢慢出錯,然後去做修正;什麼飲食法適合自己?這需要一段時間去探索、去調適,我相信沒有一個絕對對的飲食法,也沒有一個飲食法是適合全部人。

除了體重之外,還需要注意哪些指標

除了體重、BMI 以外,我們會去量腰圍,男性腰圍盡量要小於 90 公分,女性腰圍小於 80 公分。腰圍反應著你的中段有沒有囤積很大量的脂肪;當身體的中段在囤積脂肪的時候,就代表比較容易會產生一些代謝症候群。

其實最好的量測方法是一面鏡子,當在認真地減重或者增肌時,身體一定會反映出來;身體是非常誠實,體態在改變、線條在改變一定看的出來。不要被數字綁架,其實我們在運動也好、減重也好,我們就是希望可以活得健康,可以不要年紀大的時候臥床。

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最大的目標就是要活得好,不要在為了活得好的過程當中,去做傷害自己身體的事情,這也是最重要的部分。

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