2016/10/29

無題,有感

之一

美國著名的生物醫學研究機構 Howard Hughes Medical Institute (HHMI) 的科教網站上最近刊出一篇介紹模式生物四膜蟲Tetrahymena

tetrahymena picture
(Photo from HHMI BioInteractive Credit:  Mayukh Guha Ph.D, and Jacek Gaertig Ph.D, Department of Cellular Biology, University of Georgia, Athens, GA.)

雖然已經有兩位諾貝爾獎得主的發現是以四膜蟲為材料(catalytic RNA/RNA self-splicing; telomere/telomerase),但是相對於酵母菌,果蠅,或是小鼠等主流模式生物,四膜蟲仍屬於少數人使用的「小眾」模式。在台灣,中研院分生所姚孟肇院士幾十年來持續以四膜蟲來探討染色體與RNA的各種有趣生物學現象;我自己以前則是用它來研究與纖毛形成相關的基因功能。

四膜蟲與大家熟悉的草履蟲一樣,分類上都是屬於纖毛蟲(ciliate)。纖毛蟲具有繁複的細胞骨架構造,而位在細胞表面的皮質區域(cortex)有著精巧的結構體制。單一細胞如何形成這樣複雜美麗的構造?而這樣的構造在細胞分裂後又是如何維持與重現?這是個基本有趣,卻仍未有分子機制能好好解釋的謎題。

附圖就是該網站選用的照片,這是利用超解析顯微鏡(super resolution microscope)觀察四膜蟲的細胞表面的結構。小小細胞的美麗精微,充分顯現。

之二

才在Facebook上貼了之一,就發現有封早上剛寄來的email,是十年前還在讀博士班時一起合作過的老教授Dr. Joe Frankel寄發的。他告訴大家一則訃聞:另一位當年也一起合作、更資深的老教授Dr. Norm Williams本周病逝,享年88歲。Dr. Williams正是研究了一輩子的四膜蟲皮質結構,與其中的蛋白質組成。

我從未見過Dr. Williams本人。當年與他合作時,他已經從學校教職退休,卻仍然去Dr. Frankel的實驗室親自動手做實驗,我都是藉著email與他們聯絡,利用快遞寄送細胞與樣品到Iowa給他。他早年做型態與電顯的觀察,後來進行皮層蛋白的生化純化分離與免疫染色分析,而屆退休時想跟上分子生物學進展,也去學習核酸操作,選殖了基因。我與他合作的緣由,正是因為他還想再以剛發展成熟的四膜蟲基因剔除分子遺傳策略,對皮層蛋白的基因進行功能分析;而我的博士班指導教授與實驗室長久以來主導相關技術的發展,在當時是利用此研究策略投入資源最多、經驗最豐富的團隊。

訃聞中提到Dr. Williams自認為他生涯最好的學術發表,是他於離開教職五年後的2006年關於actin的研究:

"This exploratory research continued through his formal retirement in 2001 and after; toward the end of his research career he stated that his best scientific paper was a collaborative study on the cellular roles of a protein known as actin, which was published in 2006, 5 years after he had supposedly transitioned into retirement."


這是他最後一篇學術發表,也是我有幸與他一起合作的成果。過去我並未領會有何特殊意義,但現在彷彿可以了解他的心情:研究了一輩子自己感興趣的題目,也算不上熱門大發現,但是隨著時代與科技的推進,各種新的研究技術方法都想要拿來試試看。所以,即使已經從正式教職退休了,也要在自己最後還能做研究時,跟上當時的先端技術突破,再接再厲。

今天在HHMI這則介紹短文附圖中,我首次看到四膜蟲如此高解析的表層結構照片,本來就有些興奮;卻又知道了老教授的消息。如此巧合,也頗有感懷。

四膜蟲的皮質組成--還有人在乎嗎?有些人,有些事,有些作風,在競爭激烈、要求時效與實效的今日,也要漸漸凋零了。



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2016/6/24

唐獎 2016

2016唐獎的生技醫藥獎,頒給發展出CRISPR/Cas9基因組編輯平台的學者:Charpentier,Doudna,與張峰。CRISPR近年來在生醫研究上掀起熱潮,不僅拓展了基礎研究的工具,亦具臨床應用潛力,我預測也會獲頒諾貝爾獎。唐獎這次搶先肯定了。 某些學術獎項因預先頒給未來的諾貝爾獎得主而被津津樂道,說是顯示該獎項的評價眼光卓越。撇開Lasker Awards已被視為諾貝爾生理或醫學獎的先聲不談,例如2008年美國細胞學會ASCB把年度最高學術獎項E.B. Wilson Medal頒給發展出GFP工具的Chafie與Tsien錢永健,當年年底兩人偕同下村脩再獲諾貝爾化學獎時,我當時的博士後指導教授正是ASCB的選評委員召集人(他自己也是先前得主),他們就很自豪選對了。又如我博士班的母校也參與頒發一個隸屬美國化學會ASC分會下的化學獎項 Harrison Howe Award,統計有近四成在他們頒獎後10年左右會再度受到諾貝爾獎的肯定。Howe Award曾經先後頒給兩個台灣人,是誰呢?大家應該可以猜得到,試一下再去看答案。在他們的Harrison Howe Award得主網頁中,更是直截坦白列出獲獎者後來得到諾貝爾獎的年度。 回到唐獎,我真的覺得今年選出來的得主未來也會得到諾貝爾桂冠。我記得尹衍樑先生捐贈這個獎時有遠大的志向:高額獎金,不分國籍種族,他想要表彰的是要與諾貝爾獎區隔,以互補未能關照到的領域。意圖建立人類普世價值肯定的唐獎,想必不會、也不應靠類似的操作建立聲譽,否則,就太昂貴、也太廉價了。



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2016/3/2

從小頭症談科學研究

最近一個十分受關注的全球公衛議題是巴西爆發的 Zika病毒感染導致小頭症與其他神經病變。由於埃及斑蚊正是傳播Zika病毒的媒介,對已飽受登革熱威脅的南臺灣,我們更要小心防疫。但 Zika 病毒感染怎麼造成小頭症?高度相關是否表示真有確切因果關係?若有,其細胞生化機制是什麼?目前都還不清楚。

小頭症概分為兩類:一類是指由於先天基因突變所致,屬於罕見遺傳疾病;另一類則是外在因素導致的腦部發育受損,比方說藥物、理化因子的影響、以及病原菌的感染等。Zika病毒若真會造成小頭症,則可歸屬為第二類。不過不管那一類,當最終的病徵相似時,我們或可猜想,兩者在細胞生化與發育機轉的層面上,可能有某些共通性,或者最終作用在等當的標的之上。因此了解第一類先天基因異常導致的小頭症,或許有機會提供某些線索,來探索第二類小頭症的歸因。

目前已經發現好幾個會導致第一類的體染色體隱性遺傳小頭症 (autosomal recessive primary microcephaly, MCPH) 的致病基因,而這些 MCPH 基因的產物,都與中心體 (centrosome) 的功能有關。臺灣對這個題材的研究也未缺席,中研院生醫所唐堂老師的研究主題就是相關的基因。中心體是細胞內的微小胞器,是由中心粒(centriole)以及圍繞的其他蛋白質所組成;在動物細胞中,中心粒會在細胞不分裂時轉變為基體(basal body),移動到細胞表面主控纖毛的形成;而細胞要分裂時再轉變成發散出紡錘絲的端點兩極(spindle pole),讓紡錘絲捉取染色體使其被均分到兩個子細胞。目前發現的 MCPH 基因產物,除了參與中心粒的型態功能與複製增生,也會影響紡錘絲兩極的排列位向。因此有假說認為這些基因突變時可造成神經細胞的分裂異常,妨礙神經幹細胞的正常維持,而導致神經元細胞變少,腦部發育異常。

探究罕見遺傳疾病的致病機轉,與其說是醫學研究,其實本質上較偏向基礎細胞生物學與發育生物學的學理探討,缺乏立即實用性。這類型研究通常均由各國公部門基礎科研的預算資助。而且即便有機會發展出臨床應用的潛力,罕見疾病的市場商機常不夠大,在考量成本風險與預期收益後,較難吸引藥廠投入鉅資進行藥物開發。但是突如其來的公衛威脅,其解方線索,或許正暗藏於這樣的基礎研究中。

當然,在目前許多研究尚在進行與結果亟待深入分析檢驗的當下,在此必須強調:「小頭」這樣定義不甚專細甚可說廣泛籠統的徵候,有太多可供出錯與可受擾動的生化反應機制。就以第一類先天基因突變所引起的小頭症來說,就可分別受不同的基因的多樣變異所致,而遺傳疾病又常可與不同基因背景的交互作用而呈現出不同的病癥,因此想要真的援引其中一者的研究結果去外推套用,甚至去推論其他類型小頭症的因果時,還是要小心謹慎。

行政院張善政院長當年在首任科技部長任內時,曾強調國內的研究要「入世」,要與民眾與社會相關;繼任的徐爵民部長更再度重申「臺灣的科研經費運用應該要更務實」,「要著重解決臺灣社會經濟問題的研究」。臺灣的科研資源有限,確實沒有餘裕包山包海,但以小頭症的事例來看,基礎科學的探究不宜偏廢,因為人們永遠無法預見未來情勢會如何變化,需要怎樣的儲備知識,而厚實的學識根基卻非一朝一夕快馬加鞭砸錢轉向,就速成可得。因此,究竟要如何定義「入世」及「務實」?要分配多少資源給「不實用的」基礎學理有發揮探索的空間?學界與主事者需慎思。

更或許這種「基礎」對比「實用」、「出世」對比「務實」的刻板劃分,不是該考量的關鍵;該衡量的要素,是研究的深度與品質、是研究可否能產岀有意義的見解,以幫助人們了解自然法則與原理,而能解決眼前可見的現實問題,抑或累積成為人類文明的智識,來日因應突發的危機。但要如此評鑑篩選科學這樣心智活動的價值,就無法僅用機械化或公式化,靠著引用指標、量化點數或積分來比高低,而需要學界有智識有品味且不刻意徇私地來評斷內容。在樣樣求形式公平與不願沾染爭議麻煩的台灣,這似乎是緣木求魚。

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2008/6/21

綠藻枝仔冰

進實驗室動手做研究的人,許多時候會感到很挫折,因為某些實驗往往想起來很簡單,文獻上寫的方法步驟也不複雜,但是實際上做下去卻不是那麼一回事。出問題的地方常是一些枝微末節的小事,雖然好像沒什麼大不了的,但遇上這樣的問題,有時候就擾亂了實驗步調,影響情緒,增加許多困擾。如果有幸解決了,當研究結果要發表時,卻因為投稿文章的篇幅有限,技術問題通常不會寫進原始文獻裡,況且這種「小事情」不是所要探討的課題重點,為突顯主題不宜旁生枝節。到最後要怎麼 解決這種技術難題,往往就變成某實驗室的祕技,不為外人所知。

最近實驗室來了一位訪問學者,其實她算是我們的資深學姊,二十多年前就在我們實驗室從事博士後研究,後來找到教職,當教授去了。我老闆不知道是怎麼遊說的,讓她願意回來短暫訪問幾週,動手做一些實驗,而老闆指派我跟著這位老學姊一起做。大家討論研究主題,決定拿單細胞鞭毛藻為材料,用生化方法來找出細胞 質內與纖毛鞭毛生長有關的活性蛋白分子,所以第一步是要能夠製備出高濃度的細胞質萃取液。

經過一番討論,我們的構想是這樣的:我們先養出一大缸一大缸綠藻,接著把細胞分批拿去離心,比較重的細胞會沉在離心管底部,與原本養細胞的液體分離。把上面的液體倒掉後,用少量的緩衝液重新把沉在底部的細胞打散,就能濃縮細胞的濃度。反覆幾次,把好幾缸的細胞集中起來,懸浮液體積愈來愈小,於是得到的是很濃很濃的細胞。然後把這些高濃度細胞用液態氮快速冷凍再重新解凍,經過這樣又凍又融化,細胞膜會破掉,把細胞質釋放出來,成為一小鍋細胞質濃湯。最後把這小鍋濃湯用超高速離心機再離心一次,把細胞璧、破碎的細胞碎片… 等等重物甩到管底,小心吸出上面的液體,這就是我們要的高濃度細胞質萃取液。

只要養好細胞、離心、除去液體、冷凍解凍、再去高速離心,這樣就行了。很簡單吧。當初我們也都這麼想。結果等到把濃度很高的細胞冷凍解凍後,想將細胞質濃湯放進超高速離心機所用的小離心管裡,問題卻來了。原來這時候細胞已經濃縮太多倍,說是細胞濃湯,其實是黏稠如膏狀,用微量吸管吸都吸不起來,通通沾附在 吸管頭上,無法移進高速離心管裡。老學姊想了想,放棄用吸管去吸取,改用小藥杓去刮,結果照樣黏得到處都是,狼狽不堪,材料損失大半。我說不如先不解凍,趁著還凍成固態的細胞冰塊時趕緊打碎,然後用小鑷子把細胞碎冰夾起來丟到高速離心管裡再讓它解凍。聽來可行,但試了一下,我們的動作太慢,小碎冰一下子就融化了,還是東沾西黏搞得髒兮兮。把養了好幾天的幾公升綠藻濃縮成幾cc,就剩下最後一個步驟,結果現在卻卡在這裡。怎麼辦呢?

老學姊突然靈光一閃,說:Let's try to make some Popsicle!

Popsicle? 這是什麼?原來 Popsicle 是美國小孩子常吃的冰棒。老學姊拉直了迴紋針,用鉗子剪成兩段小鐵條,在快速冷凍細胞時把小鐵條插到濃濃細胞湯膏中,等到冰凍成固體了,捏住小鐵條一拉,凍結的綠藻細胞膏就變成一根迷你的綠藻枝仔冰,可以放進小高速離心管裡,讓它解凍融化後直接去超高速離心。輕輕鬆鬆,乾乾淨淨,而且我們可以把好幾枝迷你小冰棒先後放到同一個小離心管中,就能將所有的樣品集中收集在同一個管子中,避免不同管之間的變異。

哈哈,老學姊得意得不得了。就靠她的這招綠藻枝仔冰,我們解決了如何移動濃稠細胞湯膏的技術瓶頸。


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