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從細胞分裂動作片中 王慧菁找出B肝致病機制——拜見科學界女力(四)

彭 琬馨
・2016/06/07 ・2719字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 525 ・七年級

俐落短髮、爽朗笑聲,榮獲 2016 年吳健雄傑出女科學家新秀獎的清華大學分子與細胞生物研究所副教授王慧菁,其實很「學生樣」,若非特別說明,要從學生群中認出她可得費一番功夫。

王慧菁2

對社會貢獻所學 研究聚焦 型肝炎

「我們發現 型肝炎病人的毛玻璃肝細胞(ground glass hepatocytes, GGH),若發生 preS2 突變,未來得到肝癌的機率也比較高」。

王慧菁笑著說,研究 肝完全是個意外。雖然家中沒有人得到這個疾病,但基於「科學家要做對大眾有益的事」的想法,進入成功大學微生物及免疫學研究所之後,王慧菁就跟著指導老師蘇益仁,在成大醫院的病理部實際觀察 B 肝病人的臨床病理檢驗。而「真實看到檢體」的經驗,也讓她的研究更貼近醫療現場,為患者著想。

被稱為國病的 型肝炎,其實是一種世界性疾病,只是較常見於亞洲、非洲、南歐、拉丁美洲等地。根據長年從事肝病研究的台大醫學院名譽教授許金川,從民國 85 年到 94 年、針對全國各縣市十六萬民眾的流行病學調查研究指出,民國 96 年時,台灣大約有 17.3% 的 肝帶原者(約 300 萬人),比例不算太低。由於過去研究已經證實,肝帶原者肝炎若持續發作,有 15~20% 會發展成肝硬化,最後導致肝癌,罹癌機率比非帶原者高上數十倍。

B型肝炎是一種世界性疾病,只是較常見於亞洲、非洲、南歐、拉丁美洲等地。圖/By below – CDC Travelers’ Health: Yellow Book Chapter 4 – Prevention of Specific Infectious Diseases: Hepatitis, Viral, Type B map based on http://i33.tinypic.com/mh37sx.png, CC BY-SA 3.0, wikipedia.

找出 肝致病機制 新藥設計對症下藥

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B型肝炎病毒。圖/CC0

這麼龐大的族群帶來健保沉重負擔,醫界卻還沒找出根治方法,只能透過干擾素或抗病毒藥物來抑制受感染的細胞反應。由於 型肝炎主要透過血液與體液感染,台灣在民國 73 年開始全面施打疫苗後,帶原者數量已經大幅下降。只是已經感染的病患卻因為沒有方法根治,終身都得跟病毒共處。

看見這個學術缺口,從研究所時就開始接觸 肝的王慧菁說,根治 肝病毒是這個領域科學家的最終夢想。她從研究中發現,肝病人肝臟中的毛玻璃肝細胞,基因若發生 preS2 蛋白突變,就會影響細胞有絲分裂,讓細胞不正常製造含有很多細胞核的突變細胞,這類細胞基因不穩定、往往就是癌細胞產生的前兆。

「我們希望可以找出被感染的細胞有什麼弱點、跟正常細胞有何不同,針對這個特性設計新藥」。

在有絲分裂過程中發生了什麼事?

所以有絲分裂是什麼?它又怎麼影響被 B 肝感染的肝細胞?

提到這個關鍵字,王慧菁眼睛一亮,彷彿開啟一道異世界之門。有絲分裂(mitosis)其實是指細胞分裂時將細胞核染色體分配到子核的過程,事實上細胞在進行分裂時,不單單只是將複製好的姊妹染色體粗暴的分開,其中需要許多調控機制的配合,才能確保細胞正確分離。

透過重重實驗王慧菁發現,細胞內的 PICH 蛋白會和拓撲酶(topoisomerase)一起作用,在拓樸酶剪斷姊妹染色體纏繞結構的過程中,PICH 蛋白會負責確認拓樸酶有剪斷所有 DNA,整個工作才算完成;換句話說,如果沒有 PICH 幫忙,姊妹染色體很容易在還沒完全剪斷前就被迫分開,損傷的 DNA 容易產生錯誤蛋白,而帶有 DNA 損傷的細胞「最後就很有可能成為癌細胞」,找到這個關鍵,等於找出細胞癌化的重要因子。

此外,因為癌細胞的新陳代謝與正常細胞不同,往往需要產生更多蛋白質來應付細胞所需,而熱休克蛋白是製造(摺疊)蛋白質的重要因子。王慧菁發現,被 B 肝病毒感染的毛玻璃肝細胞,需要很多熱休克蛋白、製造比一般正常細胞更多的蛋白質才能存活,一旦破壞這個平衡,細胞很快就會因為失去能量而死亡。

也就是說,只要「抑制熱休克蛋白,就能幫助清除被 型肝炎感染的細胞」,若能將目前進展到小鼠階段的實驗,推進到製作「能清除被 型肝炎感染細胞的新藥」,也許根治 B 肝就不會只是夢想,王慧菁這樣形容。

喜歡看細胞動作片 一頭栽進有絲分裂領域

修過生物基礎課程的人應該都知道,細胞有 90% 的時間都處在分裂的準備期(又稱為「間期」),只有進入有絲分裂時,才會真的「動起來」。相較於動也不動的細胞,王慧菁說自己超級喜歡看「細胞動作片」,這也是她在國家衛生研究院完成博士後研究、到德國馬普生化所研究時的意外發現。

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細胞有 90% 的時間都處在分裂的準備期(又稱為「間期 Interphase」),只有進入有絲分裂(Mitotic phase)時,才會真的「動起來」。圖/drs18@flickr, CC BY-NC-SA 2.0.

只不過像分子生物這種針對細胞間訊息傳遞的基礎研究,往往和臨床應用還有一大段距離,正因為如此,王慧菁時刻提醒自己,不管做得再認真「基礎研究的最終目的,還是希望幫助患者」。

採訪即將結束之際,王慧菁指著牆上一幅貓頭鷹畫像,笑著說這是帶她入門的恩師蘇益仁,送來祝賀她當選吳健雄傑出女科學家獎的賀禮,以整夜不睡覺、掛著厚重黑眼圈的貓頭鷹,代表老師眼中日以繼夜做研究的自己。

甫離開辦公室,我心裡想的是,用研究成果回饋社會,大概就是科學家最浪漫的事吧。


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彭 琬馨
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一路都念一類組,沒什麼理科頭腦,但喜歡問為什麼,喜歡默默觀察人,對生活中的事物窮追不捨。相信只要努力就會變好,相信科學是為了人而存在。 在這個記者被大多數人看不起的年代,努力做個對得起自己的記者。


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就是想知道十萬個植物的為什麼!解開植物生長之謎的駭客兼翻譯——蔡宜芳專訪

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・2022/04/06 ・3848字 ・閱讀時間約 8 分鐘

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

2018 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第十一屆傑出獎得主

  • 中研院分子生物研究所特聘研究員蔡宜芳,畢業自台灣大學植物系,在美國卡內基美隆大學(Carnegie Mellon University, CMU)取得博士,後於加州大學聖地牙哥分校(University of California, San Diego, UCSD)進行博士後研究,研究專長為植物分子生物學。主要從事細胞膜蛋白的功能研究,在硝酸鹽轉運蛋白研究領域有卓越貢獻。2021 年蔡宜芳特聘研究員榮獲美國國家科學院(National Academy of Sciences, NAS)外籍院士(international members)。

如果妳撿到蔡宜芳掉的手機,可能很難立即知道失主是誰,甚至有點摸不著頭緒:因為她手機裡超過 80% 的照片,都是植物。為何會選擇植物作為研究領域?身為中研院分子生物研究所特聘研究員,在植物分子生物學領域貢獻卓著的她卻說,這個決定其實「不太科學」,因為起心動念是自己「真的很喜歡植物」。

因為喜歡所以好奇,因為好奇而想要知道更多:許多 love story 都是這樣開始的,而研究領域的開展又何嘗不是一場超浪漫故事呢?也因為一般人都不夠認識植物,聽不懂植物的細語呢喃,更需要蔡宜芳這般熱愛植物的科學家,擔任植物駭客兼翻譯,讓不辨菽麥者也能偷聽花開的聲音。

故事,從一株異變的阿拉伯芥開始說起。

植物對於氮肥的攝取機制與調控方法正是蔡宜芳的研究主題。圖/劉志恒攝影

分子生物學突破:發現植物吸收硝酸鹽的關鍵蛋白 CHL1

上世紀 50 年代起的「綠色革命」,大幅提升了糧食生產量,餵飽了激增的地球人口,「氮肥」在其中功不可沒。它對植物開花結果至關重要,然而植物透過什麼機制攝取氮肥?如何調控才能更有效地吸收?蔡宜芳研究的正是其中的分子機制。

氮,是生物存活的重要元素;從推動光合作用的葉綠素、各種代謝反應的酵素,到與遺傳相關的核酸中,都有氮的存在。但對植物來說,要取得氮元素卻出乎意料地困難;大氣的組成中近五分之四為氮氣,但是除了藉由少數有固氮能力的微生物以外,植物只能使用在土壤中非常少量的氮源,吸收的型態有「氨鹽」與「硝酸鹽」,其中又以硝酸鹽為主。

但是,硝酸鹽是帶電離子,無法自行通過脂質構成的細胞膜,那到底植物如何利用硝酸鹽呢?為了解開這個長年來的謎題,蔡宜芳將目光投向一棵無法正常吸收硝酸鹽的阿拉伯芥突變株,並利用當時最新發展出來的分子生物技術,試圖找到出關鍵基因。蔡宜芳表示,這個無法正常吸收硝酸鹽的突變株,在她約 10 歲時就被荷蘭研究者發現,這麼多年來在傳統技術底下被研究得相當透徹;卻直到她開始進行博士後研究,伴隨植物分子生物相關技術發展,才有方法找到關鍵的轉運蛋白。

這樣的研究自然充滿了挑戰,因為新技術還不穩固,就連實驗室老闆都曾勸她放棄。不願投降的她,決定一邊持續研究氮代謝,一邊到其他研究室學細胞膜研究的新技術,1994 年,蔡宜芳從美國回到台灣,持續研究進一步發現, 位在植物細胞膜上的 CHL1 硝酸鹽轉運蛋白,除了作為硝酸鹽的「搬運工」,還有其他異想不到的功能。在你我的印象當中,植物是被動的吸收養分:但其實當土壤中的的硝酸鹽變化時,植物會主動改變硝酸鹽的運作模式,這就是蔡宜芳團隊在 2003 年的重大發現。運作模式的改變正來自於 CHL1 蛋白的磷酸化轉換,因此 CHL1 蛋白也具備作為「傳令兵」的功能。透過 CHL1,植物便能感應周圍的硝酸鹽濃度,幫助植物調控基因表現,以便能更有效率地利用硝酸鹽。

掌握硝酸鹽吸收的調控,在農業領域十分有發展潛力,蔡宜芳的研究進一步轉向,對接實際應用,期盼為農業的永續未來提供新解方。除了 CHL1硝酸鹽轉運蛋白的機制外,她也針對阿拉伯芥如何吸收與輸送硝酸鹽到不同組織的分子機制展開探索。近期更研究探討是否能以育種或基因調控的方式,增進植物吸收硝酸鹽的效率。由於硝酸鹽非常容易在環境中流失,因此多數的氮肥施放到田間後,植物也往往吸收不了;如果可以改善植物的吸收效率,就能減少施肥的浪費,連帶減少製造氮肥耗用的能源,也讓農作物長得更好。

好消息是,透過基因調控,蔡宜芳團隊已經在阿拉伯芥、菸草及水稻上實驗成功,並取得相關專利,期待未來將授權給生物科技公司進行下一步。

培養科學研究必備品:好奇心、科學思辯與毅力

蔡宜芳從事研究的初衷是因為對植物的喜愛與好奇心,對她來說和植物有關的十萬個為什麼,猶如始終永遠拼不完的大型拼圖,從小時候就在蔡宜芳的心中佔據了重要位子,於是她「追根究柢」(如字面上意義),想靠自己解開植物現象背後的秘密。

人們對自己不了解又無法回嘴的植物充滿了誤解,往往覺得植物跟動物一點也不同,然而在蔡宜芳看來絕非如此,她表示,已經有研究發現,當我們這些動物咬下蔬菜的瞬間,植物裡頭負責傳導的的鈣離子就會產生變化。「大家都覺得植物不會動不會叫,但其實植物是有感知的。」蔡宜芳表示,植物其實都知道,只是用我們不懂的方式在表達,要靠研究才能一句一句地破解植物的密語。

圖/劉志恒攝影

當然研究也不能自己埋頭苦幹,交流非常重要。蔡宜芳擔任植物學期刊 《Plant Physiology》 編輯多年,但回憶起剛建立獨立實驗室的階段,面對那麼多來自審稿人的刁鑽問題,當時的自己也難免生氣。一旦轉換身份成為審稿人,被審的經驗也讓她更明白審查論文時該注意的重點,一來一往的思辨與答辯,反而讓她覺得很好玩。

「我自己有個突破,是因為被質疑的時候很生氣,可是不能光氣,也要想辦法解決。就在生氣的時候,想出來的方法,最後變成我們實驗室很新的工具。」而她也認為自己在替《Nature》等重要期刊審稿時,認真地給出言之有物的評論,幫她累積了領域內的信譽,才讓期刊編輯的位置找到了她。

蔡宜芳曾擔任植物學期刊《Plant Physiology》編輯。圖/《Plant Physiology》網頁截圖

像投稿審稿這般來回思辨的訓練,對科學家的養成非常重要,然而蔡宜芳觀察,科學思辨在台灣教育裡比較缺乏。她舉例,在美國課堂上,老師會要學生先讀一篇論文,接下來整堂課則要學生批評論文有什麼問題。「我們在台灣被訓練的人,都會把 paper 當作傳世經書在讀,讀懂它就覺得很開心了——要去批評它,我們真的沒有習慣。」蔡宜芳坦言那過程對她來說曾經非常痛苦,但會痛就代表該變。

她就此改變了思路:面對知識,蔡宜芳要求自己不僅要讀懂,還要有餘力批評它,說出對、錯在哪裡。蔡宜芳認為,科學就是得永遠抱持著質疑的態度,在不疑處有疑,才能找到真正的答案。「在我自己的實驗室裡面,我也一直在逼學生要去思考」。

蔡宜芳在實驗室中,會不斷要求學生思考、批判。圖/劉志恒攝影

而除了好奇心及思辨能力之外,蔡宜芳認為「毅力」也是科學家在科學界持續前進的重要特質。經驗告訴她,在科學研究中遇見失敗比遇見成功的次數多太多了,革命十次稀鬆平常,如何二十次甚至三十次之後還能繼續往前走?那絕對需要強大的毅力來抗壓才行。

說到壓力,身為科學界的女性,蔡宜芳認為,自己的成長環境中,性別造成的影響並不大,以她所在的中研院分生所為例,研究人員性別比例很平均。但若深入細究,「無意識偏見」(unconscious bias)仍難以避免。她以自己帶過的學生為例,生科領域在大學時期男女比例大約是各半,但隨著碩士、博士一路往上,男性的比例逐漸多於女性。因為許多女學生在面臨職涯選擇的時候,往往會被迫以家庭或是男性伴侶的事業為優先,這種狀況回過頭來又讓部分老師覺得「教育女生有時會是浪費」,成為惡性循環。

榮獲過許多科學成就獎項的她,時常是唯一獲獎的女性,而就在接受採訪不久前,她又獲頒一個獎項,直到頒獎當天的照片寄回到所上,「一片黑西裝裡面,就我穿黃色!」她笑道。所上第五屆台灣女科學家傑出獎得主鍾邦柱老師看到照片時,也對她苦笑說:「哎,革命尚未成功,同志仍需努力。」

「先不要去想會有這個東西,做該做的事情。真正不平的時候,不要安靜不講。」儘管環境仍待改變,蔡宜芳建議女科學人自己先跨出一步,就如同她自己一路走來的態度。

一株莫名異變的阿拉伯芥,遇上一位不放棄的科學家兼植物迷,造就了改變農業、甚至是整體生態未來的契機。如果妳的手機也跟蔡宜芳一樣,裝的幾乎全是自己感興趣、想研究的東西的照片,請別質疑自己是不是怪怪的,或許妳也將靠著研究,改變世界,這是我能想到最浪漫的事了。

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年,台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想,讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎?妳絕對可以!傑出學姊們在這裡跟妳說:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。


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