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表觀遺傳大革命:現代生物學如何改寫我們認知的基因、遺傳與疾病
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  • 表觀遺傳大革命:現代生物學如何改寫我們認知的基因、遺傳與疾病

  • 作者:奈莎.卡雷(Nessa Carey)
  • 出版社:貓頭鷹出版社
  • 出版日期:2016-11-01
  • 定價:520元
  • 優惠價:79折 411元
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本書適用活動
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內容簡介

◆全世界第一本表觀遺傳學科普書,也是台灣第一本,進入這個神奇領域的絕佳指引! ◆前陽明大學副校長徐明達博士專業審定、新增二○一六年最新科學發展 基因只是腳本! 全世界第一本專談「表觀遺傳學」的科普書 遺傳學的最尖端研究,台灣首度問世 人類DNA解碼後,我們以為得到人類所有型態的藍圖, 基因注定了未來的模樣, 然而,現在科學家發現,根本不是如此,裡面還有很多的開關…… 一樣的基因,為什麼會有不同的表現? 複製動物成功之後,科學家發現,被複製而出的動物都比牠們的母體還要體弱多病,其中有多數是母體沒有顯現的遺傳性疾病;遺傳病學家也發現,同卵雙胞胎雙方的遺傳性疾病發病率並不相等。不論是複製人或者雙胞胎的例子,兩者雙方都擁有著「完全相同」的DNA,但,為什麼DNA相同卻會產生不同的個性、甚至不同的遺傳性疾病呢?不都應該完全一樣嗎? 基因只是一個腳本 問題的答案就回到「表觀遺傳學」之上。從山中伸彌成功回溯出幹細胞奪得諾貝爾獎開始,人們才意識到,同樣的基因其實會因為外在環境而展現出不同的形態,比起每一次都照本宣科、複製相同結果,細胞更傾向依腳本做出不同的詮釋。甚至這些因外在環境開關所開啟的型態是可能遺傳下去的,例如奧黛麗‧赫本的苗條身形,其實可能源自於她的雙親經歷過的荷蘭飢餓之冬,導致基因被不同的方式詮釋,而一輩子都無法肥胖起來。 十多年的遺傳學深厚累積,唾手可得的科學故事,清晰明瞭的圖說講解 作者生花妙筆,使用不同的案例、科學研究上的各式故事以及清楚的圖說,引領讀者一睹表觀遺傳學近年令人振奮的發展現況。她透過荷蘭飢餓冬天事件、小鼠實驗、蜜蜂雌雄遺傳、果蠅突變,分析了與人類相關的肥胖、衰老、癌症等諸多問題,探索了這一門學科對人類的深遠影響,並提示在即將到來的未來,表觀遺傳將為我們創造何等驚人美妙的發展。原書於2013年問世,不僅為全世界第一本深入探討表觀遺傳學的科普書,正體中文版更特別邀請陽明大學生化學家徐明達教授全文專業審定,並且增補了至2016年為止的最新科學成果,讓您一起走在基因研究最神奇的前端領域。看完本書,我們更可以理解到,基因其實只是一個腳本,更重要的,是培育我們的環境。 【各界聯合推薦】 (按姓氏筆畫序) 王雯靜/清華大學生命科學系特聘教授 李家維/《科學人》雜誌總編輯 林正焜/醫師、科普作家 郭博昭/國立陽明大學腦科學研究所及神經科學研究所所長 許翱麟/國立陽明大學生化暨分子生物研究所教授 「表觀基因學是最近5-10年間熱門的生物研究領域之一,它對了解生物的胚胎發育、細胞分化、基因表現調控和新穎醫藥的發展,皆已是不可或缺的一環了。這本2011年出版的書雖然不能包括過去5年間的新發展,但Dr。Nessa Carey由淺入深,並介於科普與專業之間的寫法,再加上譯者黎湛平先生的筆調與徐明達教授的引讀,應可使得它可以很生動地讓讀者了解表觀基因學的趣味性及重要性。」 ——沈哲鯤(中央研究院分子生物所特聘研究員、中央研究院院士、台灣大學/台北醫學大學/高雄醫學大學合聘教授) 「人類往往無可避免地會被自己的主觀意念決定事物的重要性,在科學的領域,研究方向及資源也時常受到主流論點的影響。時而忽略生命其實有許多機制,也扮演著重要的角色,等著我們去發掘。其實,有時候證據就在眼前,線索及關聯性也隱匿在細節中,端看我們是否以合適的工具和洞察力去發現而已。人類DNA 定序完成後,曾認為已解開生命的藍圖,然而其實那只是冰山的一角,全貌並非如此簡單。生命的細緻與複雜度往往超乎想像,不停的探索, 質疑及驗證這些未知的可能,才是讓這門學問更顯迷人之處。『表觀遺傳大革命』這本書探討了表觀遺傳學如何驅動生命的藍圖。閱讀此書就如同帶領讀者攀爬表觀遺傳學的這座山脈,即使有許多問題仍懸而未解,但沿途探訪不同科學家的突破,亦逐漸描繪出其與生命錯綜複雜的脈絡,讓這座山的輪廓逐漸清晰,使得讀者得到啟發,同時更對這些竭盡一生心力,以及堅持不解的科學家們,致上最深的敬意。」 ——黃富楠(「基因線上」總編輯) 「若將DNA序列比喻成電腦的硬體,表觀遺傳學則可喻成電腦的軟體,控制著基因在何時,何處,及如何表現。單憑DNA序列是無法完全解釋生命的複雜性,表觀遺傳學則可幫助我們發現生命的奧秘,決非隨機碰撞而成。」 ——賴亮全(國立台灣大學醫學院生理學研究所副教授) 【國際好評】 「對於我們是誰和我們如何運作深感興趣的人都應該讀這本書。」 ——英國《衛報》 「作者帶領讀者了一趟認識最新表觀遺傳機制及其關於老化和癌症的影響之旅。」 ——《焦點雜誌》 「這本書結合輕鬆的呈現方式與教科書的縝密……勇敢的嘗試將表觀遺傳學帶給廣大讀者。」 ——《Nature》 「作者為發展快速的表觀遺傳學研究所做的報告,能幫助非科學家在公共政策、投資與醫療保健的決策。」 ——Booklist書評 「在全新領域的振奮人心的探索,也是獻給正在尋找職涯方向的生物學學生的最好禮物。」 ——柯克斯書評 「將科學家在過去十年對表觀遺傳學的認知做了富有啟發的介紹。」 ——《華爾街日報》 「這本書為這個迷人的新領域提供了精采的介紹,徹底改變我們對人類健康和疾病的認識。強烈推薦。」 ——《圖書館學刊》 「一本給所有想知道現代科學發生了什麼事的聰明讀者必看的書。」 ——紐約讀書月刊 「她為迷人且變動快速的現代生物學提供了一個很棒且精準的論述。」 ——《泰唔士報》文學副刊 「作者以動人的筆法,使用日常的譬喻來闡明複雜的觀念,並利用定義清楚的圖表,寫出了一本蘊含智慧及專業的超優秀好書。」 ——《NSTA Recommends》

目錄

致謝 / 引言 第一章:醜蛤蟆與俏紳士 第二章:重回起點 第三章:我們所知的生命—過去 第四章:我們所知的生命—現在 第五章:應該一模一樣的同卵雙胞胎為什麼還是不一樣? 第六章:父親的原罪 第七章:世代遊戲 第八章:兩性戰爭 第九章:X世代 第十章:訊息與傳令兵 第十一章:對抗內在敵人 第十二章:境由心生 第十三章:走下坡 第十四章:天佑女王 第十五章:綠色革命 第十六章:何去何從 註記 / 字彙表

序跋

【審定序】表觀遺傳學是什麼?
◎文/徐明達(前陽明大學副校長,生化學家)   這本書是介紹現在生物的熱門研究領域——表觀基因學——給一般大眾,但這本書出版到現在已經有多年時間,因為這個領域進展非常快速,在書裡的一些資訊已經過時,而且表觀基因學是一個相當專門的領域,有些觀念並不很容易懂,因此出版社希望我能夠寫一點導讀的文章,幫助讀者瞭解這個新興研究領域。      大家現在都很熟悉基因這個名詞,但看到表觀基因就不知道是什麼東西,其實基因這個名詞本身就是一個很難說清楚的東西,最早孟德爾在1833年提出用遺傳因子來描述及計算生物表徵的遺傳現象,到了1909年約翰生(Wilhelm Johannsen) 才提出gene這個名詞,並用phenotype(生物表徵) 和基因作區分,也就是說基因只是用來計算生物表徵的抽象單位,就像代數裡的xyz,但後來經過很多科學家的努力後証實基因是有實體的,而且存在並排列於細胞的染色體中,在1940年阿佛利(Oswald Avery) 發現純化的DNA可以轉化細菌的生物表徵及1953年Watson及Crick發現DNA雙螺旋結構後,大家才認定DNA是生物的遺傳物質,而20世紀後期也成為以DNA為主導的分子遺傳學時代,但其實很多人並不瞭解一段DNA並非等於基因,透過現代表觀基因及基因表現的研究,我們才慢慢瞭解基因的本質,簡短的來說,基因是由一些DNA序列片段及其合作的蛋白質或RNA組合形成的功能單位,DNA是基因的肉身,而伙伴的蛋白質或RNA是基因的外衣,本書的重點是講這個如何改變外衣,來改變基因的「表觀」,所以才稱為「表觀基因」,因為是用組合的方式,而且可以有很多套,因此經由排列組合才可以把有限的資訊放大非常多倍,生物就是用這種方式來產生千變萬化的效果。      一個有固定序列的DNA並無法解釋最基本的生命現象:胚胎發育及快速的適應環境變化,在胚胎發育時,一個受精卵會分化成各種體細胞,不同的體細胞不但有很不相同的功能,甚至大小及形狀也有很大的變化,另外生物也會快速的改變它的性質來適應不同環境的變化,例如章魚可以快速改變顏色及體態,一些蝴蝶在不同季節的時候看起來好像是完全不同的蝴蝶,一個有固定序列的DNA組成的基因體怎麼可以隨機產生千變萬化的生命現象(phenotypes)?而且胚胎發育是隨時間的三度空間變化,但DNA只是一條一度空間的分子,並沒有三度空間的信息,而且在DNA序列裡也找不到時間的信息,就算一個很簡單的病毒,在複製及組裝成立體的新病毒的時候,都有很複雜隨時間變化的過程,但簡單的病毒核酸序列裡並無法找到執行這個過程的藍圖。      為了解釋這個現象,英國的瓦定頓(Conrad Waddington) 在1940年代就提出一個基因社會的概念,也就是在一個固定基因群組合成的生物,可以透過隨時間及隨環境的不同,挑選基因群中的一部份作成工作團隊來產生一個胚胎發育的特定途徑,也就是由團隊基因(下圖菱形上的黑柱)成員的產物(蛋白質、RNA等)形成一個依序進行的步驟(下圖的四條曲線)來最後產生一個生物表徵(有序步驟的回饋就會產生時鐘,而產生的細胞表面密碼就是胚胎發育需要的三度空間信息) ,不同的基因團隊組合產生的發育途徑就會導至不同的組織及器官,這個新觀念他稱之為表觀基因景觀(epigenetic landscape,因為不改變基因本身所以稱為表觀基因,因為有像地圖那樣的各種途徑,所以稱為景觀)。這些新觀念基本上大大的改進了孟德爾及很多遺傳學家一個基因(genotype) 產生一個生物現象(phenotype)的舊思維,而是用不同組合的基因團隊來達到某個特定的生物表徵。      但瓦定頓並不知道細胞如何選擇及組織基因群,及基因群如何產生變化來適應內在或外在環境的變化。在他那個時代,科學家認為生物表徵的變化是透過基因突變產生的,但基因突變是一個不可逆的永久變化,並不適合用於胚胎發育或暫時適應環境變化,後來科學家才發現細胞有一個比較聰明的策略,就是用修飾基因但不改變基因基本密碼的方式來選擇及組織基因群及調整基因的功能,基本上就是在基因上加上一些裝飾,讓細胞的分子機器能夠辨別一個基因的狀態,就像一個人為了作特定事就需要穿了不同衣服或作了不同化妝一樣,同樣一個人作運動時就穿運動服及球鞋,但去董事會開會的時候就要穿西裝打領帶及穿皮鞋,雖然都是同一個人,但經過不同的化妝,「表觀」自然看起來不一樣,作的事情也不相同,細胞就是用這種方式去選擇及調整基因的功能,換句話說,所謂的「表觀基因」就是細胞因需要而演化出來製造「千面基因」的高明化妝術,用來讓在有限的基因數目情況下達到千變萬化的效果。      本書所敘述的狹義表觀基因只是介紹如何將基因作標記來選擇那些基因(或那些基因不要)來參加這些不同的基因團隊組合,以達到胚胎發育或適應環境變化的某些特定目的。廣義的表觀基因還包括基因間互動、基因修飾間的作用及回饋、基因週遭環境對基因活性的影響、調控序列重覆次數、非基因性的生化反應調整或波動來改變生物表徵等等(科學家還在研究是否還有更高層次新的表觀基因策略)。      我們現在知道基因基本上會有兩大類的化妝,第一種就是在DNA CG序列的cytosine鹼基上加上一個甲基,這是比較穩定而且可以維持比較久的化妝或修飾,最早是用來標定外來的基因移民,也就是基因社會的居留証,因為這些外來的基因移民大都是病毒,基因社會必須加以嚴格管控,以防止這些移民出來作亂,後來這個修飾就用來標記那些不要參加基因工作團隊的基因(但有時候用來抑制負調控,就會得到相反的效果),因為這種標記在基因活性啓動的地方會抑制來啓動基因的分子機器,因此在適當的地方加上這種修飾就會禁止這個基因參加工作團隊,如果標記產生錯誤,使不應該參與工作的基因活化,或使應該參與工作的基因無法活化,就會產生基因工作的紊亂而造成疾病,一些和癌症相關的基因就是這樣被錯誤標記而造成腫瘤。另外我的實驗室也發現一種5-羥甲基(5-hydroxymethyl) 在基因主體上的修飾是用來標定與一種體細胞特定的基因,來召集特定細胞分化途徑的基因,另外5-羥甲基也用來標定特殊的基因群。      DNA甲基修飾也是一種生物為了暫時應付演化壓力而改變特定基因活性的策略,這是因為基因突變是隨機而且必須經過長時間的篩檢,無法應付臨時產生的環境壓力,甲基修飾可以讓生物有時間去作有效的基因表現及生理的變化來適應環境,而且這種過渡的應變措施是可逆的,最後如果環境持續對生物產生壓力再透過在已發展出來的表觀基因途徑上作定點突變,產生永久的適應。用來進行家常工作的基因(house-keeping gene) 通常在基因啓動的地方都有很長一段可以被甲基化的序列,這個所謂的CpG島就像飛機場的跑道一樣,在沒有修飾的狀況下(跑道燈亮了)可以讓轉錄的分子機器可以從細胞核內三十億鹼基中快速找到這些必要的基因,而精準的降落在這些基因的控制區。通常細胞不會去管這些多數的「常務」基因,而只是在變換任務時去改變少數有特殊任務的「政務」基因,現在很多人作CpG島的甲基修飾研究都不分清楚這兩類基因,因而浪費了很多力氣及資源,實在很不值得。      第二類基因的化妝是在和DNA結合的組蛋白(histone)上作修飾,這是比較快速及短暫的化妝術,但可以產生極為複雜的修飾,有的修飾是專門針對轉錄機器工作的位置(啓動子及其他位置),有的是針對mRNA剪輯的位置,有的是針對DNA修補的位置,有的是用來在基因貼上「暫停使用」或「庫存」的標籤(我們體細胞裡大部份基因都是如此,山中伸彌教授發明的誘導性多功能幹細胞技術的一個作用就是拿掉這些標籤),有的是用來作為特別「識別證」讓一群基因或調控序列可以聚在一起互動去產生瓦定頓表觀基因景觀的途徑,在這方面我們還只是在中小學的瞭解階段。還有一種這本書沒有提到的表觀基因修飾,這種修飾是透過不作蛋白質的RNA(ncRNA)來進行的,現在科學家已經開始發現很多這種製造這種ncRNA的非典型基因,這是現在熱門的研究領域之一。      要化妝當然就要有化妝師,我們的細胞就有很多的專業基因化妝師,而且因為常常需要變妝,所以也需要專業的去化妝師,這些基因化妝師和去化妝師會把細胞的基因及控制序列在胚胎發育的每一個階段的基因群打扮得很不一樣,來產生各種不同功能的體細胞。如果作錯化妝,或因為突變無法工作,就會造成基因群運作失常,而產生疾病,現在很多生技公司就在發展藥物去抑制和癌症及精神疾病有關的去化妝師,現在已經有好幾種藥上市了。      現在我們已經找到一些初步的「表觀」修飾原則,但仍然有一大堆很困難的問題需要解決,比如由不同的表觀標記組成的語言代表什麼生物意義?因為有非常多種的表觀標記,因此不同排列組合形成的表觀基因語言及密碼就變得非常複雜,我們如何提綱挈領從複雜中找出簡單的科學原理及法則,來瞭解生物如何應付環境變化將是生命科學家未來的重要研究課題。另外,基因化妝師和去化妝師怎樣知道那些基因或序列需要修飾?是誰來決定在什麼情況下那些基因要作什麼記號?它怎麼去招集它的任務基因團隊?這個表觀標記的主導者或總經理必須能和外界作有效的溝通來計畫並進行新的基因化妝,以調整基因群的任務來應付外界的變化,這些都是將來有待探討的基本生命問題。      表觀修飾的一個重要目的是調控基因的活性,基因活性是要透過轉錄因子的作用,轉錄因子必須要先認出基因裡的活性序列密碼,但因為DNA序列是藏在雙螺旋結構裡面,轉錄因子從外面並無法看到這個DNA序列,那轉錄因子如何找到它應該工作的地方?現在我們知道DNA有一種寫在雙螺旋表面的密碼,這個3D密碼需要用轉錄因子蛋白的3D分子結構產生的鑰匙透過化學鍵的作用來解開,這是生命的一個終極「表觀」秘密,有待將來有興趣的你來解開這個秘密,來吧,年青人!大家一起去尋找生命的奧秘。      【徐明達】   生化學家,加州理工學院化學生物博士。專長領域為分子生物學、腫瘤基因以及電子顯微鏡。曾任美國洛克斐勒大學分子細胞生物學副教授、美國紐約市立大學西奈山醫學院微生物學教授、中央研究院生醫所感染疾病組研究組特約研究員、國立陽明大學生化所教授、國立陽明大學生科院院長、國立陽明大學副校長。著有:《病毒的故事》、《細菌的世界》。其主持的實驗室發現腫瘤DNA會有許多特別的大區域不被甲基化,這些區域是腫瘤特別標示要庫存不用的DNA序列。

內文試閱

第二章 重回起點
  「任何一個聰明的傻子都能把事情弄得更大、更複雜……若想朝反方向前進,則需要一點點天分和很大的勇氣。」 ——亞伯特.愛因斯坦      讓我們從約翰.戈登的年代向後推移四十年、停在桃莉羊出現的十年前。由於媒體廣泛報導複製動物相關議題,使我們以為複製已成家常便飯、簡單容易;然而現實情況是,利用細胞核轉植複製動物仍需耗費大量的時間與勞力,代價通常十分高昂。其中問題大多出在「將體細胞核轉植注入卵子」這個程序,當時這部分仍仰賴人為操作;此外還有:哺乳動物與當年約翰.戈登操作的兩爬類不同,無法一次產下大量的卵,牠們的卵必須小心從體內取出、不像蟾蜍能一次射出一大缸卵。哺乳動物卵子的培養條件不可思議地微妙嚴苛,唯有在備受呵護的環境下方能持續存活、健康長大。研究人員必須以人工操作移除卵核、並將另一成熟細胞的細胞核注入卵細胞(還不能破壞任何構造),然後非常非常謹慎地繼續培養這些細胞,直至它們能被移植到另一母體的子宮內為止。這是一項高度緊張又刻苦費心的工作,而且一次還只能處理一顆卵子。      許多年來,科學家一直有個夢想,想像有一天能在理想環境下進行複製:先從想複製的成年哺乳動物身上輕鬆取得細胞(從皮膚刮取一點樣本細胞應該是個輕鬆愉快的選擇),接著在實驗室處理這些細胞,加入特定基因、蛋白質或化學物質。這道程序會改變細胞核的行為,使其不再像原本的皮膚細胞核,而像個剛受精完成的受精卵細胞核;爾後當成熟細胞核被植入已移除細胞核的受精卵時,先前的處理也因此對受精卵造成永久影響。這個構想的美好之處在於,我們跳過大多實際上非常困難又費時的步驟(這些步驟需要能嫻熟操作微小細胞的高超技巧),讓複製技術變得容易好操作,並且可以同時處理大量細胞,而非像過去一樣一次只能轉植一個細胞核。      好吧,我們還是得想辦法找到代理孕母,不過那也只有在我們想做出完整動物時,才需要走完這個程序;有時候,這還真是我們想要的結果:譬如重製一頭得獎種公牛或種馬,不過絕大多數腦筋正常的人可沒想過要做複製人就是了。確實,幾乎所有擁有這類人才(科學家)與相關基礎設備的國家皆禁止製作複製人(即「生殖性複製」reproductive cloning),不過說真的,以應用目的來看,我們應該不用走到複製人這一步才稱得上對人類有用,我們需要的只是有潛力轉化成其他類型細胞的萬能細胞罷了。這種細胞通稱為「幹細胞」(stem cells),以沃丁頓的表觀遺傳地貌圖為喻,幹細胞的位置非常接近山坡頂點。我們需要萬能細胞的理由跟某些疾病的本質有關,這些疾病在已開發國家造成相當嚴重的問題。      在這顆星球比較富裕的土地上,會殺人的疾病大多都屬於慢性病;病程發展的時間很長,通常要過好一段時間才會奪人性命。拿心臟病來說吧。若某人初次心臟病發後大難不死,他們未必能再擁有跟原本一樣完全健康的心臟;因為在發病期間,心臟的部分肌肉細胞(心肌細胞cardiomyocytes)可能缺氧死亡。你或許以為這沒什麼大不了:心臟想當然耳能製造可替換的細胞不是嗎?是說,捐血之後,咱們的骨髓細胞不也能製造更多紅血球不是嗎?同樣的,除非肝臟受到極嚴重或極大程度的傷害,否則肝臟不是也會不斷再生修補?可惜心臟不一樣,心肌細胞被稱為「終末分化」(terminally differentiated)細胞,意即已經抵達沃丁頓那幅圖的坡底,卡在某條特定溝渠裡了。心臟不像骨髓或肝臟,心臟幾乎沒有尚未完全分化的庫存細胞(心肌幹細胞)*【*二○○三年發現心臟有幹細胞。】因此無法生成新的心肌細胞;故心臟病發後,隨之而來的長期問題便是身體無法製造新的心肌細胞。身體能做的只有一件事,就是以結締組織取代死掉的心肌細胞,於是心臟再也無法照以前的方式跳動了。      許多疾病都有類似情況:罹患第一型糖尿病(type 1 diabetes)的青少年喪失分泌胰島素(insulin)的細胞,罹患阿茲海默症(Alzheimer’s disease)的患者失去腦細胞,而退化性關節炎(osteoarthritis)病患在發病期間,製造軟骨的細胞竟一一消失不見……類似名單還有一大串;因此,如果能用跟自己一模一樣的新細胞取代這些細胞,那就太好了。這麼一來,我們便毋需煩惱組織排斥(器官移植的最大挑戰)、或器官捐贈不足的問題。以這種方式利用幹細胞通稱為「治療性複製」(therapeutic cloning),意即為治療疾病而創造與特定個體相同的細胞。      經過四十多年研究,我們已知這個做法在理論上是可行的。約翰.戈登及其所有追隨者的研究皆顯示,成熟細胞仍保有身體所有細胞的藍圖,端看我們能不能找到正確途徑取得這份資料。約翰.戈登從成蟾身上取得細胞核、放進蟾蜍卵,就能使這些細胞核一路返回沃丁頓地貌圖的頂點,創出新的動物體。嚴格說來,這些成熟細胞核被「重編程」(reprogrammed)了。伊恩.魏爾邁與凱思.坎貝爾所做的也差不多,只是對象換成綿羊。前述的每一項研究都有個重要的共通點:這些成熟細胞核唯有在置入未受精卵時,才會重編程。所以真正重要的是「卵」。若把成熟細胞核隨意放進其他類型的細胞內,是複製不出動物的。    為什麼不行?      這裡就需要一點細胞生物學的知識了。製作生物體的DNA密碼(基因)─也就是我們的藍圖─大多數都在細胞核內;不過還有極小部分的DNA不在核裡,而在名為「線粒體」(mitochondria)的微小胞器內(知道有這回事就好,其餘毋需擔憂)。我們剛開始在學校學到「細胞」時,幾乎都認為細胞核最有力、最重要,其餘部分─也就是「細胞質」(cytopasm)─只是一袋沒什麼功能的液體而已。但事實並非如此,其中又以卵細胞為甚,因為蟾蜍與桃莉羊都教會我們:卵細胞質才是絕對關鍵要素。卵細胞質內的某種或某些東西會主動重編程實驗人員以人工注入的成熟細胞核。這些未知因子將細胞核從沃丁頓繪製的溝渠底部一路推回地貌圖頂點。      卵細胞質何以能將成熟細胞核改造成像受精卵細胞核一樣的東西,沒有誰真的了解。我們頂多能做出以下假設:不論背後的機制為何,鐵定複雜得不可思議、難以解答。科學上真正的大哉問往往包含幾個比較小、也比較好解決的問題;因此,有好些實驗室決定先從概念較簡單、但技術上仍相當具挑戰性的題目著手。    潛力無限      回想一下沃丁頓地貌圖頂點的那顆球。以細胞學術語來說,那顆球叫「受精卵」,被稱為「全能分化性」(totipotent)細胞;也就是說,受精卵擁有發展成全身各種細胞的潛力(包括胎盤)。顧名思義,「受精卵」數目肯定有限,因此鑽研極早期發育的科學家用的是比受精卵再晚一點、赫赫有名的「胚胎幹細胞」(ES cells)。胚胎幹細胞是正常發育路徑的產物。受精卵經數次分裂後,變成一團名為「胚囊」(blastocyst)的細胞。胚囊通常不會超過一百五十個細胞,但它已算是擁有兩種不同區塊的早期胚胎:外層稱為「滋胚層」(trophectoderm),最後會發展成胎盤及其他胚外組織(extra-embryotic);另一部分是「內細胞團」(inner cell mass, ICM)。      內細胞團的細胞可在實驗室中以培養皿培養。雖維持不易、培養條件特殊且需小心操作,但若處理正確,這群細胞會以「無限次分裂且所有性狀維持不變」作為回報─這正是胚胎幹細胞本色。如其名所示,這些細胞能發展成胚胎的各種細胞、終而成為成熟動物體。胚胎幹細胞無法形成胎盤,故非全能分化性,僅稱「超多能分化性」(pluripotent),因為它幾乎能分化成為所有類型的細胞。      在探究「讓細胞保持超多能分化狀態的因素為何」這個題目時,胚胎幹細胞意義非凡。多年來,包括劍橋的阿齊姆.蘇倫尼(Azim Surani)、愛丁堡的奧斯汀.史密斯(Austin Smith)、波士頓的魯道夫.耶尼施(Rudolf Jaenisch)和京都的山中伸彌(Shinya Yamanaka)在內,諸多首屈一指的科學家紛紛投入大量時間精力,都想找出胚胎幹細胞表現(或啟動)的基因與蛋白質。他們尤其想找出讓胚胎幹細胞保持超多能分化性的特定基因。這些基因的重要性無與倫比,原因是若培養條件不對,胚胎幹細胞似乎很容易就轉成其他細胞。比方說,只要稍稍改變培養條件,原本滿滿一皿胚胎幹細胞會漸漸分化成心肌細胞,開始表演心肌細胞的拿手絕活:整齊畫一一齊跳動。又或者,若輕微改變培養液微妙的化學物質平衡,就能讓胚胎幹細胞偏離原本的心臟路線,轉而發展成大腦神經細胞。      鑽研胚胎幹細胞的科學家們找到一拖拉庫特定基因,這些基因對於保持細胞超多能分化性影響甚鉅。這群基因不見得功能一致,有些著重「自我更新」(self-renewal),也就是一個胚胎幹細胞分裂成兩個胚胎幹細胞、以此類推;其他則為「終止細胞分化」所需1。      因此,來到二十一世紀初,科學家已經找到在培養皿內讓胚胎幹細胞維持超多能分化性的方法,也大幅掌握、了解這方面的生物學基礎。他們知道如何改變培養條件,讓胚胎幹細胞分化為肝細胞、心臟細胞、神經細胞等多種細胞;但這些對我們稍早鋪陳的夢想有何助益?實驗室能利用這些資訊、創造新方法、將細胞帶回沃丁頓地貌圖的頂點嗎?我們有沒有可能經由實驗室處理,讓已經完全分化的細胞變得像胚胎幹細胞那樣、擁有無窮的潛力?雖然,科學家有充分理由相信此舉在理論上是可行的,可是從真正可執行到做出成果,眼前還有好長一段路要走;不過,對那些有志利用幹細胞治療人類疾病的科學家來說,如此前景可說相當誘人哪。      本世紀前十年才剛過一半,科學家就已經發現,約莫有二十多個基因是致使胚胎幹細胞擁有超多能分化性的重要關鍵。科學家未必清楚這些基因如何合作,而我們也有充分的理由相信,胚胎幹細胞的相關生物機制,咱們不懂的還有一大堆哩。想在成熟細胞內重建胚胎幹細胞複雜到不行的胞內條件?這項工程光想像都覺得困難,難如登天。    樂觀的勝利      有時候,無視眼前壓倒性的悲觀條件往往能成就最偉大的科學突破。這回,決定嘗試其他人皆以為不可的樂觀主義者是先前提過的山中伸彌,還有他的博士後研究夥伴高橋一俊(Kazutoshi Takahashi)。      在幹細胞與超多能分化領域中,山中教授是數一數二年輕的傑出人物。他生於大阪(時為一九六○年代初期),在日本與美國的高等研究單位都擁有成功的學術地位。他原先是整形外科醫師,這個領域的專家常被其他外科醫師取笑是「榔頭銼刀旅」的人。話雖不公平,但整形外科和細緻的分子生物學與幹細胞科學相差十萬八千里,這也是不爭的事實。      也許,跟其他同在幹細胞領域努力的研究人員比起來,山中教授更渴望找到能在實驗室利用已分化細胞製作超多能分化型細胞的方法。他先從胚胎幹細胞最重要的二十四個基因著手。這些基因全稱為「超多能分化基因」(pluripotency genes),如果要讓胚胎幹細胞維持在超多能分化狀態,就必須「打開」這些基因;若透過實驗室技術「關掉」這些基因,胚胎幹細胞就會開始分化。就像那些在培養皿中跳動的心臟細胞,它們永遠都不會再變回胚胎幹細胞。這確實是哺乳動物在發育過程中會發生的部分自然現象:當細胞開始分化、變成特化細胞,細胞會把這些超多能分化基因關掉。      山中伸彌決定做個實驗:如果把這些基因體組合起來、同時作用,是否能讓已分化的細胞回歸到較原始的發育狀態?這實驗的成功率看起來不太高,而且萬一結果做出來是否定的─也就是沒有任何細胞「回歸原始」─他又怎會知道到底是細胞當真不可能回歸、或只是他沒找到正確實驗條件?對於像山中這樣已建立相當名聲的科學家而言,此舉頗為冒險;但是對於相較之下更為年輕的研究人員─如高橋一俊─來說,賭注更大,這一切乃「科學事業階梯法則」(scientific career ladder)使然。      當年,威靈頓公爵(Duke of Wellington)情書曝光、恐危及個人名譽,他的著名回應是:「公開,並受懲罰。」這句箴言幾乎同樣適用於科學家,但嚴格來說,仍有一點不一樣。我們的情況是:「發表,或受懲罰。」你若不發表論文,你就拿不到研究經費、也無法在大學取得教職;如果你努力多年所寫出的論文最後只落得「試了又試、試了又試,最後還是行不通」的結論,應該也不太可能被一等一的期刊採用。所以,參與一個相對來說幾乎不太可能取得正面結果的研究計畫,對「個人信念」是很大的挑戰;是以我們尤其得佩服高橋一俊的勇氣。      山中和高橋選定二十四個基因,並決定用一種叫「小鼠胚胎纖維母細胞」(mouse embryonic fibroblasts, MEFs)的細胞做試驗。纖維母細胞是結締組織的主要構成細胞,包括皮膚在內等各種器官幾乎都有它的存在。這種細胞非常好萃取,也很容易培養,因此是相當理想的實驗用細胞。由於山中與高橋使用取自胚胎的小鼠胚胎纖維母細胞,因此他們希望在正確條件下,這些細胞依然保有些許反轉能力,能變回極早期胚胎細胞。      還記得約翰.戈登當年如何利用帶有不同遺傳密碼標記的供體、受體細胞核,分辨哪個細胞核長成為新個體?山中的做法也差不多。他使用的小鼠細胞另外加了一個基因:「新黴素抗性基因」(neoR),功能完全如字面所示。新黴素是一種抗生素,在正常情況下會殺死哺乳動物細胞;若利用基因工程讓細胞表現 neoR 基因,這些細胞就會存活下來。山中教授在開發實驗所需的小鼠細胞時,利用特別方式插入 neoR 基因。也就是說,唯有在該細胞變成超多能分化型細胞、表現得像胚胎幹細胞時,neoR 基因才會啟動。所以,若實驗成功─意即他能透過實驗處置將纖維母細胞推回至未分化的胚胎幹細胞狀態─即使他在培養皿加入致死劑量的抗生素,這些細胞仍會繼續生長;若實驗失敗,所有細胞都會死亡。      山中教授和高橋博士將他們想測試的二十四個基因插進「載體」(vectors)。「載體」是一種經特殊設計的分子,作用像「特洛伊木馬」,帶著高濃度的「外來DNA」進入纖維母細胞。一進入細胞,載體上的基因就會啟動、開始製造對應的特殊蛋白質。透過化學或電擊處理,實驗人員可同時操作大量細胞、導入載體(山中不採用繁瑣的微注射技術,根本無此必要)。山中伸彌將二十四個基因一次全部用上,結果真有些細胞熬過新黴素處理、存活下來。雖然只有小小一部分,卻是相當令人振奮的結果:這代表這些細胞確實啟動 neoR 基因,意味它們能表現類似胚胎幹細胞的行為。但是,假如他個別使用這些基因,則沒有細胞存活。於是,他們將僅含兩、三個基因的配對組合一一放進細胞,利用實驗結果篩出形成「具新黴素抗性的超多能分化型細胞」最重要的十個基因。他們再將這十個基因搭配組合,最後終於抓到最小數目組合─只要這幾個基因同時運作,就能將胚胎纖維母細胞成功轉成「類胚胎幹細胞」(ES-like)。      最後他們得到的神奇數字是「四」。當纖維母細胞植入帶有 Oct4、Sox2、Klf4 與 c-Myc 這四個基因的載體,奇妙情況發生了:新黴素殺不死這群細胞。細胞的 neoR 基因啟動,細胞本身亦開始轉為類胚胎幹細胞;不僅如此,纖維母細胞亦逐漸改變型態,長得愈來愈像胚胎幹細胞。研究人員利用多種實驗系統,成功將這些重編程過的細胞轉為組成哺乳動物器官的三大類組織,也就是外胚層(ectoderm)、中胚層(mesoderm)、內胚層(endoderm);正常的胚胎幹細胞辦得到這項工作,但纖維母細胞永遠不可能。山中伸彌表明他不需要從胚胎細胞開始作業,即可用成鼠纖維母細胞重複整個過程。實驗顯示,山中的方法不僅毋需仰賴胚胎細胞的某種特性,還能應用於來自成熟生物體、已完全分化的細胞。      山中將他創造的這群細胞命名為「誘導型超多能分化幹細胞」(induced pluripotent stem cells),即「iPS 細胞」;現在在生物學界,iPS 可是家喻戶曉的名字。要是在五年前,誰也不會料到會有這個名詞存在,對比於此刻的無人不知、無人不曉,更顯示 iPS 在學界確實是相當重要的突破。      但這實在很難想像:哺乳動物細胞帶有近兩萬個基因,卻只要四個基因就能將完全分化的細胞變成具超多能分化力的細胞。只憑這四個基因,山中教授就能推動沃丁頓溝渠內的那顆球,一路從底部推回頂點。      山中伸彌和高橋一俊將他們的發現發表在《細胞》(Cell)─全球最聲望卓著的生物學期刊,此舉並不意外2;但微微教人意外的是學界的反應。在二○○六年,每個人都知道這是大事─前提是這項發現必須是正確的。一拖拉庫科學家並不真心相信這個結果。倒不是說他們認為山中教授與高橋博士可能騙人或作假,這個念頭大夥兒連一秒鐘也沒想過,只是他們覺得這兩位教授可能有哪裡搞錯了。因為,說實話:這事怎麼可能這麼簡單?這就好比一群人在找聖杯,結果才搜到第二個地方、就在冰箱深處那包豌豆底下找到了。      眼下最明顯的做法自然是重複山中的實驗,看看會不會得到相同的結果;但實際跟進的實驗室並不多。看在非從事科學研究的人眼裡,這情況似乎有點怪。山中伸彌與高橋一俊花了兩年時間做實驗,實驗曠日費時、每個階段都需要精密細心地控制操作。每個實驗室都有既定的研究計畫,也都需要投入大量心力,自然不太想分散力量;再者,若實驗室頭頭突然決定放下已協議進行的研究計畫、轉而去做完全不相干的試驗,那麼那些挹注資金、委託研究人員完成特定實驗的組織可能會一臉狐疑、不敢置信吧。萬一最終結果只得到一堆無用數據,鐵定造成更大傷害。以成本效益來說,大概只有資金極充足、設備極佳、極度自信的實驗室大頭才會想「浪費時間」重複別人的實驗吧。      麻州劍橋「懷海德研究所」(Whitehead Institute)的魯道夫.耶尼施是「研發基因改造動物」領域的權威。他出身德國,近三十年幾乎都在美國做研究。耶尼施頂著一頭捲捲灰髮、蓄著兩撇令人印象深刻的八字鬍,在研討會場每每一眼就能認出來。由他來冒險分神、在他的實驗室研究山中伸彌是否當真達成看似不可能的成就,或許並不令人意外。畢竟,魯道夫.耶尼施曾經說過(有紀錄為證):「這些年來,我完成許多高風險的研究計畫,而我始終相信,假如你有很棒很精采的想法,你就必須鎮日與失敗的機率為伍,繼續實驗下去。」      二○○七年四月,在科羅拉多州的一場研討會上,耶尼施教授發表論文報告,宣布他已檢驗過山中教授的實驗。實驗成功,山中是對的。我們確實只需要將某四個基因導入已分化細胞,就能做出 iPS 細胞。聽眾的反應相當戲劇化,當時的氣氛就好像老電影裡、「陪審團宣讀判決、現場記者全部衝出去打電話給報社編輯」的場景。      魯道夫.耶尼施落落大方,他坦承當初之所以進行這項實驗,是因為他知道山中不可能是對的。

作者資料

奈莎.卡雷(Nessa Carey)

愛丁堡大學病毒學博士,曾任倫敦帝國學院分子生物學資深講師。卡雷後投身於生技與製藥產業十年有餘,目前定居於英國貝德福德郡,本書是她的第一本作品,也被眾多歐美書評評介為「認識表觀遺傳學最棒的一本書」。

基本資料

作者:奈莎.卡雷(Nessa Carey) 譯者:黎湛平 出版社:貓頭鷹出版社 書系:貓頭鷹書房 出版日期:2016-11-01 ISBN:9789862623138 城邦書號:YK1254 規格:平裝 / 單色 / 480頁 / 14.8cm×21cm
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