2008-12-21

[轉載] 中研院呂俊毅團隊揭開酵母菌種化基因密碼

 馬跟驢交配生的騾,為什麼無法生育、繁殖後代?中央研究院分子生物研究所助研究員呂俊毅領導研究團隊,利用不同「種」酵母菌雜交,成功解開不同物種可以交配,後代卻無法再繁殖的演化密碼,證實與雜交種的「種化」基因配對出現互不相容的矛盾現象有關!

 呂俊毅團隊研究 登上《細胞》期刊

  這項研究成果上周五在全球生物學界最頂尖的《細胞》期刊發表後,隨即引起國際矚目,除了被《細胞》引為本期重點論文以外,還透過越洋電話專訪呂俊毅,專文 介紹研究團隊。國際知名演化學者、中研院院士吳仲義以「研究種化機制大半輩子,這篇論文的水準讓我為之亮眼」形容這項研究成果。

 呂俊毅指出,「種」是生物分類的最基本單位。同「種」生物可交配繁殖,代代相傳;但不同「種」的生物即使可以交配,生產雜交種,卻無法繼續繁殖後代,例如馬跟驢交配生的騾,就沒有生育能力。

 八十年前,演化學大師Dobzhansky與Muller曾提出可能是因為兩個「種」的特定基因不相容的假說,認為在雜交的子代中,原本兩個需要互動的基因,卻因分別來自不同「種」而無法互動,呂俊毅解釋,這種假設就好像「種A」的鑰匙打不開「種B」的鎖。

 多年來,全球學者都企圖想找出那些特定基因,揭開兩個不同「種」的雜交種無法繁殖後代的「種化」祕密。

 呂俊毅表示,雖有科學家利用果蠅雜交種找到四到五組「種化」基因配對,卻遲遲未解開這些基因配對是如何導致不孕。

 比對酵母菌染色體 發現演化密碼

  我國研究團隊最大的突破在於,利用Sb和Sc兩種相近、但雜交子代卻不孕的酵母菌,比對酵母菌有的十六條染色體後,在雜交種的第十三條染色體,找到關鍵性 「種化」基因配對AEP2和OLI1,這也是全球在酵母菌中找到的第一對「種化」基因,並首次解開兩個來自不同「種」的「種化」基因配對因無法互動而導致 不孕的機制。

 呂俊毅指出,分別位於細胞核的AEP2和粒腺體的OLI1必須來自同種生物,才可以互動運作。但雜交種的第十三條染色體 AEP2來自Sb,OLI1卻是出自Sc,導致AEP2無法控制OLI1產生蛋白質,粒腺體因缺乏蛋白質,就不能生產細胞所須的能量,造成酵母菌無法進行 有性生殖。

 研究團隊認為,不同生物可能各有各的「種化」基因配對,但造成雜交種不孕的原因,很可能跟酵母菌擁有相同的機制。接下來的研究重點將放在證實這樣的機制是各種生物不同物種雜交子代,無法繁殖後代的通則。

 至於這項研究成果是否可以應用在解決人類不孕的問題,呂俊毅語帶保留地說,這是個很好的科學議題。

原始報導
http://tw.news.yahoo.com/article/url/d/a/081217/57/1bbrt.html

原始論文
http://www.cell.com/abstract/S0092-8674(08)01385-8

Cell, Volume 135, Issue 6, 1065-1073, 12 December 2008

2008-11-30

[轉載] 血管新生與神經病變

台大醫學院 謝豐舟教授

  腦部血管病變是相當常見的疾病,血管病變所致的死亡人數中,腦僅次於心臟,而且腦血管病變所致的後遺症相當嚴重,經常導致殘障。一旦缺乏血流供應,腦細胞迅速死亡,殘存的細胞通常不足以維持正常功能。因此瞭解在發育及疾病過程之中,腦與其血管的密切關係就變得十分重要。

  由於近幾年來,血管新生與神經疾病分子機轉的相關研究進展快速,因此探究腦的血管新生與神經疾病的關連正是時候。在神經病變的過程中,血管新生(angiogenesis)與神經細胞新生(neurogenesis)兩者都相當明顯。在血管新生、神經細胞新生與神經病變三者之間,VEGF(vascular endothelial growth factor,血管內皮生長因子)扮演了關鍵性的角色。VEGF最初發現於血管系統,其相關的訊息傳遞也已清楚。近幾年來VEGF在神經系統的角色日漸顯著。從它在stroke及motor neuron disease等神經病變的角色來看,VEGF及其下游的訊息傳遞可能是這些疾病具有厚望的治療標的。

腦的血管新生

  中樞神經系統經由血管新生(angiogenesis)的過程獲得其血流供應系統,也就是由原有血管,萌生出新的微血管,再形成血管網絡。另一血管形成方式-vasculogenesis,即由先驅細胞長成血管,並未見於中樞神經系統。

  在胚胎發育的早期,血管由軟腦膜(pia mater)侵入腦組織,並且向腦室集中。某些穿透較深的血管到達腦室周圍並分出次級血管圍繞腦室,甚至再向遠側的軟腦膜延伸。在向心與離心的血管之間造成一個灌流勉強足夠的區域(marginally perfused border zone)或稱分水嶺(watershed)。此區對周產期缺血(perinatal ischenria)最為敏感,這就是腦性痲痺(cerebral palsy)之病灶所在。

  到了成人期,人類腦部循環之血流量達50ml/100g/min。它佔心博輸出的20%,是一般器官單位重量血流的10倍。腦循環的另一特色為其微血管層面的blood brain barrier (BBB)。這是由內皮細胞的tight junction連結而成,阻礙了許多種分子由血液進入中樞神經。BBB在許多疾病狀態發生缺損,例如stroke或腦瘤,進而導致腦水腫,腦壓升高甚至死亡。

  諸多血管新生因子中,最受注目的應屬VEGF,VEGF在腦部廣泛表現。它可由缺氧,經轉錄因子HIF-1 (hypoxia-inducible factor-1)誘發。有趣的是,去除腦部HIF-1的小鼠,VEGF的表現依舊而大範圍缺血的傷害仍可獲改善。中樞神經系統內VEGF訊息傳遞網絡的tyrosine kinase receptorS及下游的protein kinases與其他器官相彷,包括了VEGFR-2,某些情況還有VEFGR-1, MAPKs, PI3K/Akt以及Rho/Rac。


腦疾病的血管新生

  中樞神經的血管新生,在發育過程最為清楚,但亦可見於組織移植(tissue graft)及腫瘤生長(tumor growth)。神經組織移植於腦部之後,就會長出血管,其血管來源及生長過程依植入者為固態組織或離散細胞,位置在腦室或腦組織,是異種或同種移植而異。腦腫瘤的血管新生現象顯示,成人腦部能夠產生新血管,但這些血管缺乏BBB,以致造成腦水腫並且易於出血。不過這些新生血管也許可以成為抗血管療法(antiangio genesis)的治療標的。

  缺氧或缺血在多數組織可以引發血管新生,CNS也不例外。在成人腦部,純粹的缺氧較為罕見,但缺血則多有所在。一過性的大範圍腦缺血,例如心跳停止,導致許多脆弱的神經細胞死亡,海馬迴的CA1區域以及腦部或脊髓的分水嶺區域最為脆弱。更常見的是局部性缺血,造成局部組織死亡,引發中風。若血流在30分鐘內迅速恢復,則為TIA (transient ischemic attack)不致造成永久性的傷害。事實上,一過性的缺血可能有助於維護腦部免受下次缺血的傷害,此謂ischemic tolerance或pre-conditioning。

  解剖研究顯示腦缺血會刺激血管新生。腦中風的動物模式顯示血管新生現象在中風發生後1-2星期明顯可見。血管新生的現象在邊緣缺血區(ischemic penumbra)最為明顯。此區血流減少,但非完全斷絕。在此區血流的些微差異就足以決定細胞存活與否。實驗顯示,盡力讓此區細胞存活可以有助於復原。不過目前,缺血導致的血管新生在臨床上的影響如何,尚無新知。

  在大鼠,以VEGF增加血管新生可以減輕神經病變。這種治療策略也許臨床上有用,不過新生血管的滲漏性可能導致腦水腫。在VEGF之外,併用angiopoietin或HIF prolyl hydroxylase inhibitor可能有助於減少新生血管之滲漏。不過此一血管新生過程通常需要幾天,可能緩不濟急,因為神經細胞在缺血數分鐘之後就開始死亡。倒是對可以預測或再發性的中風,血管新生療法可能有其發揮功能之處。目前為止,VEGF在臨床上用於治療心臟及肢體的缺血,並無確實療效。VEGF在腦部缺血的臨床效果如何仍屬未知。在動物中風模式中,在1小時內給予VEGF,因增加腦水腫,故效果不佳,但48小時後給予,則有助於病情。看來,VEGF給予的時間點至為重要。

  某些腦疾病會導致出血,而非缺血,例如berry aneurysm會引起蜘蛛膜下出血,而vascular malformation則會導致腦組織的出血。大部分的情況其機制並不清楚,不過目前已知有兩種遺傳情況,包括hereditary hemorrhagic telangiectasia或Osler-Rendu-Weber disease以及部分KRIT1基因突變者的cerebral cavernous malformation。前者由endoglin基因的突變所致。Endoglin是內皮細胞上的homodimeric membrane glycoprotein,缺氧或缺血會引發endoglin的表現,因此可能與缺血導致的血管新生有關,但為何endoglin基因的突變會造成脆又薄的血管,易於出血,則未可知。


成人的神經細胞生成(neurogenesis)

  成人組織也需要細胞新生來應付細胞老化或死亡。成人組織均具有adult或tissue stem cell。這些幹細胞能自我更生(self-renewal)但卻非全能性(totipotant),一般只能產生某一特別組織或器官中特定的細胞。在細胞快速淘換的成人組織中,如骨髓、小腸、皮膚,此一現象最為明顯,腦組織亦然。

  腦的細胞再生至少見於下列二處:1. Subventricular zone (SVZ):在側腦室的邊壁之中;2. Subgranular zone (SGZ):位於hippoccampal dentate gyrus。在這些區域中,神經細胞的新生可以藉由BrdU標定及某些神經細胞標幟如double cortin (Dox)的表現來確認。在鼠類,SVZ產生的神經細胞會沿著rostral migratory stream抵達olfactory bulb,以補充因programmed cell death而減少的interneuron。在人類,SVZ所新生的神經細胞,其最終去向仍然不明。在dentate gyrus的SGZ所產生的神經細胞則進入附近的dentate granule cell layer,變成成熟且具有功能的granule neurons,它們可能參與記憶和學習。

  癲癇或腦部缺血所致的腦傷害會刺激神經細胞生成並使新生細胞移動到受創區域,可能藉此進行修復。在Huntington disease, Alzheimer disease及其動物模式均有神經細胞生成增加的證據。Liu等人最近報告,在amytorphic lateral sclerosis (ALS)的小鼠轉殖模式,脊髓的神經細胞新生增加,而神經細胞的前身細胞從central spinal canal遷移到ventral horn區域motor neuron死亡之處。看來,CNS會增加神經細胞新生並將之導引到受傷地區似乎在前述幾種疾病都可以發現。此一現象也許可以做為修復受損CNS的線索。

  不少生長因子均能促進神經細胞新生,包括FGF-2, EGF, BDNF (brain-derived neutrotrophic factor), erythropoietin, heparin-binding EGF like growth factor以及VEGF。在小鼠腦皮質體外培養以及成鼠活體的SVZ和SGZ之中, VEGF可以增進BrdU進入表現未成熟神經細胞標幟的細胞。VEGFR-2參與這些過程。不過,VEGF對astrocyte的生長促進似乎是透過活化VEGFR-1。看來,生長因子似乎可以用於治療性神經細胞新生,尤其若能透過非侵入性給予方式,例如經由鼻子。此舉並可避免腦以外的副作用。不過,對不同的情況可能需要不同的生長因子,例如VEGF能夠促進angiogenesis以及neurogenesis,因此也許可以用於中風,而不適合退化性疾病。

  成人的腦細胞新生仍然撲朔迷離,特別是VEGF引發成人細胞新生的現象仍難瞭解。環境強化(euvironmental enrichment)及學習經驗會引發海馬迴的神經細胞生成。大鼠若成長在身體接受環境強化或在Morris water maze接受訓練,其海馬迴VEGF的表現會增加。若藉由腦內注射表現VEGF的AAV vector以增加海馬迴VEGF的表現,則hippocampus-dependant的associate及spatial learning均有所增進。此一現象與VEGFR-2有關。相反地,若使用RNAi來減損hippocamgus中VEGF的表現,則可以抵消環境強化所致的神經細胞生成。


神經保護(neuroprotection )及神經再生(neuroregeneration)

  文獻上,VEGF在神經系統的相關報告是以其neurotrophic effect著稱。Sondell等人報告,在培養的Superior cervical及dorsal route ganglion neurons,VEGF會促進軸突生長及細胞存活,而此作用係經由VEGFR-2相關的機制。Silverman等人則報告,VEGF能改善organotypic midbrain explant culture的神經細胞存活。 後續的研究指出,VEGF能引起培養的神經細胞或cortical explant的神經突觸在數目上及長度上的增加。此一作用涉及VEGFR2,MAPK及PI3K/Akt之訊息傳遞。Rho/Rac訊息傳遞也可能與VEGF引起的突觸生長有關。

  除了這些促進生長的效果之外,VEGF也能保護神經細胞免於某些傷害,例如VEGF可以減少immortalized hippocampal neuron遭受serum withdrawal或缺氧後的死亡。此一作用係經由活化VEGF-2,PI3K/Akt及NK-Kb。VEGF也可以藉由類似的機制保護缺氧後之大腦皮質細胞培養,此外,caspase-3活化之降低可能也在其中扮演某些角色。VEGF可以保護培養的hippocampal neurons免於glutamate及N-methyl-D-aspartate之毒性。

  VEGF可以改變急性和慢性的神經退化過程。此作用可能是經由VEGF對血管、神經細胞,其至包括膠細胞的作用。大腦缺血會刺激VEGF的表現,藉此刺激大腦的神經細胞生成。局部使用VEGF可以減少brain infarct的大小,而VEGF靜脈注射會改進缺血引起的神經症狀。相反地,靜脈注射VEGF的抗體則會增加infarct的大小。有人經腹腔注射會吸附VEGF的fusion protein卻反而會減小infarct之大小。這顯示VEGF對腦缺血的影響並非全為正面。

  在大鼠之中腦動脈阻斷後1-3天將VEGF注入側腦室,會縮小缺血區之大小,且神經學變化較輕微。此效果在第三天最為顯著。相較之下,神經細胞的生成是在3-28天並進而刺激血管生成。因此VEGF可以在急性期發揮神經保護作用,但神經細胞生成及血管新生似乎與長期之復原有關,VEGF似乎對腦缺血亦有保護作用。

  VEGF與退化性腦疾病可能也有關連。Kalaria等人報告,Alzheimer disease患者腦中之反應性astrocyte團塊對VEGF得免疫反應增加。VEGF基因promoter區之SNP與發生Alzheimer disease的風險似乎有關連。

  在周邊神經方面,VEGF亦有其角色。肌肉注射encoding VEGF之plasmid DNA可以改進大鼠之糖尿病神經病變(以streptozotocin引發者)。另外肌肉注射naked VEGF DNA對兔子之缺血性神經病變也有類似效果。最令人期待的莫過於VEGF與ALS的關連。ALS引起脊髓與腦幹lower motor neuron以及運動皮質upper motor neuron的喪失。ALS大部分為偶發性,少部份可見基因突變。Carmeliet等發現VEGF基因中與hypoxia-responsive有關序列的突變會引起肢體無力,神經性肌肉萎縮,以及脊髓及腦幹之motor neuron喪失。VEGF可以增進培養的脊髓motor neuron之存活,包括wild type及VEGF 8/8小鼠。此一保護作用係經由VEGFR-2媒介,而且有一個neuropilin 1 co-receptor參與。

  在人類中,某些會減低血液中VEGF含量的遺傳變化會增加ALS之風險。在表現人類ALS突變基因的轉殖鼠,其病情可藉由腹腔或肌肉注射VEGF而減輕。另外藉由可以上溯至motor neuron的VEGF-expressing lentiviral vector之肌肉注射也有同樣療效。這些結果顯示VEGF對神經組織的基因治療頗有厚望。

  VEGF對其他的motor neuron disease可能亦有療效,包括X-linked spinal and bulbar muscular atrophy (Kennedy’s disease)以及與androgen receptor expansion有關的肌肉萎縮。後者可能干擾與CREB-binding protein有關的轉錄工作,而此一蛋白質正是VEGF基因的調控者。總之,VEGF已知與在遺傳型與表現型均各有特色的兩種motor neuron disease有關。

結論

  綜合上述的種種研究,在運用血管生成治療神經疾病方面可以有二個途徑:

1.利用VEGF來revascularize缺血的腦組織

2.利用VEGF之neuroprotective及neuroregenerative功能

前者對中風後再發性高的病患可能有用,例如中風後有25%的病人在3年內會再發,急性心肌梗塞後亦是中風好發的情況。因此,對這些病人可以考慮使用VEGF來預防中風。至於後者,也許可以應用於ALS, diabetic neuropathy………..。不過VEGF 對神經疾病真正療效如何,仍待觀察。


取材文獻

Greenberg DA et al: From angiogenesis to neuropathology.

Nature 438:954,15 December,2005

轉載自: [謝豐舟教授隨筆]

  

2008-11-24

[文摘] 為什麼我們老是忘東忘西?

都說腦子裡可以儲存大量的記憶,但為什麼需要它們時卻又找不著?一項新的研究為您解答

Edward K. Vogel及Trafton Drew 撰,吳佩玲 譯,Fan-Lu Kung 校

我們的腦子裡塞滿了平生累積的大量記憶。這些記憶有的深奧(我是誰?我怎樣來到世上的?),有的瑣碎不起眼(等紅燈的車子的車牌號碼)。此外,我們的記憶也時而精確,時而不精確。舉例來說,當過父母的人一定知道,為孩子挑選生日禮物時,要是記憶模糊不清會有多危險:爸媽送的G.I. Joe人偶有沒有功夫抓拳,可能會左右兒子收禮的心情。所以,在日常生活中,保持清晰的記憶,其重要性不亞於最初就記住大量資訊的能力。

不同類型記憶的精細度亦有差別?

過去數十年來,認知心理學家一直認定人類心智的記憶系統主要有兩種:一種是短期記憶(或稱工作記憶),暫時記下人們當下思考幾件事物的相關資訊;另一種則是長期記憶,保存人們畢生思考和經驗中所獲得的大量資訊。專家們認為,這兩種記憶系統的精細度亦有所不同:工作記憶提供的是此刻正思考的少數幾件事物清晰鮮明的細節,而長期記憶則像是過去曾見過、經歷過的諸多不同事物的一幅模模糊糊的圖像。也就是說,即使長期記憶中留有許多事物的資訊,但是它們的細節部分卻並不一定非常清晰,留下的往往只是我們所見、或者是事情發生經過的一些概括印象。

然而,一篇剛由麻省理工學院認知神經學者Timothy F. Brady與同僚共同發表的研究報告卻指出,這些長期記憶也許並不如以往學界所想像地那般模糊不清。在這個研究中,他們要求受試者試著記下三千張常見物品的圖片(包括背包、遙控器和烤麵包機等),受試者每次只會見到單張圖片,每張圖片只停留數秒。所有圖片放映完畢後,研究人員對受試者同時展示兩樣物品,並要他們從中指出曾經看過哪一樣的圖片,好測試受試者對每張圖片的記憶程度。試驗的結果並不令人意外,受試者的表現非常優異;即使要記下多達數千個物品,他們的答對率依然超過90%。這樣的結果證實,長期記憶有大量儲存訊息的能力。然而,令人最感訝異的是這些記憶的精密程度。即便兩張圖片顯示的是同一個物品,只在小地方有些微差異(比如烤麵包機中的麵包片有一點點不同),受試者依舊可以辨別出來。

如果記憶不模糊,為什麼我們還是忘東忘西?

這篇研究報告的證據顯示,人們長期記憶中龐大的資訊其實一點也不含糊。看樣子我們確實能將所見事物之表徵以頗為詳細、精確的形式記憶下來。

當然,這個新發現也引發一個明顯的問題:如果人類的記憶並沒有那麼模糊,那為什麼我們還是經常忘記那些想記得的細節?有種可能的解釋:儘管腦中確實容納了很多和不同事件、不同物品的表徵相關的細節,但並不代表當我們想利用某一項資訊時,每回都找得到它。就如同這篇研究所揭示,當我們眼前出現一個物品時,我們往往能夠正確而精準地判斷過去是否曾見過它。然而,當我們身處在玩具店中,試圖回想究竟兒子想要哪個生日禮物時,我們就得在沒有視覺刺激提醒的情況下,自發地在記憶中搜尋正確的答案。或許真正容易受到干擾和遺忘的,其實是這種主動搜尋的機制吧!至少,在拎著沒有功夫抓拳的G.I. Joe回家時,我們是這麼和小孩說的。

原文出處: Scientific American, November 4, 2008
http://www.sciam.com/article.cfm?id=why-do-we-forget-things

2008-11-13

[影片] 簡介「RNA干擾」現象之短片

lavande 譯



When long double-stranded RNAs were injected into a worms’ gonad, a standard way of introducing transgenes into worms, they blocked the expression of endogenous genes in a sequence-specific manner.

In eukaryotes, most protein-coding genes are transcribed by RNA polymerase II, which generates pre-mRNAs that are then processed to form mature mRNAs. These mRNAs are then transported from the nucleus to the cytoplasm, where they are translated. 

RNAi is a recently discovered process that can regulate endogenous gene expression. In plants, RNAi can be set in motion by genomically encoded short regulatory RNAs known as micro-RNAs. In algae, worms, and flies, RNAi can be activated by endogenous transposition. In plants and cultured insect cells, RNAi also has a role in anti-viral defense, in which viral double-stranded RNAs are targeted for destruction by the RNAi machinery.

When long double-stranded RNAs enter a cell, they are recognized and cleaved by Dicer, which is a member of the RNase III family of double-stranded RNA-specific endonucleases. Cleavage by Dicer creates short double-stranded RNAs that are characterized by two nucleotide long, 3’ overhangs. These are called small-interfering, or siRNAs. In worms, flies and mammals, siRNAs can form a ribonucleic protein complex called RISC, or RNAi silencing complex. This complex includes an unidentified nuclease that has been nicknamed Slicer.

A single-stranded siRNA that is coupled to RISC then binds to a target mRNA in a sequence-specific manner. This binding mediates target mRNA cleavage by Slicer. The site of cleavage falls in the middle of the region of siRNA complementarity. The cleaved mRNA can be recognized by the cell as being aberrant, and then destroyed.  This prevents translation from occurring, silencing the expression of the gene from which the mRNA was transcribed.

In plants, the aberrant RNA that result from RISC-mediated cleavage can also serve as a template for RNA-dependent RNA polymerase, or RdRp, to make a new double-stranded RNA molecule. This process relies on unprimed RNA synthesis, in which the aberrant RNA is used as a template. The resulting double-stranded RNA is a substrate for Dicer activity, which generates more siRNAs.

In some organisms with endogenous RNAi mechanisms, for example, fungi, plants, worms, and mammals, RNAi also involves another amplification step. In this step, single-stranded siRNAs not associated with RISC bind to their target mRNAs in a sequence-specific way, and serve as a primer for RdRp to polymerize the antisense RNA strand. Such specificity is intrinsically sensitive to natural sequence variation. The double-stranded RNA molecule that is created serves as a substrate for Dicer, which cuts it into siRNAs.

In turn, these siRNAs can either unwind and prime RNA-dependent RNA polymerization, or together with RISC mediates the cleavage of target mRNAs. This amplification, coupled with RNAi spreading between cells through an unknown mechanism, is thought to underlie germ line transmission of RNAi in worms.

「RNA干擾」現象首度於線蟲中發現。研究人員將長段的雙股RNA注射到線蟲生殖腺中(這是一種將基因引入線蟲常用的方式),發現這些RNA會阻撓線蟲內源性基因之表現,而受影響基因的序列恰與RNA序列互補。

在真核生物中,蛋白質的生成方式大概是這樣子的:第二型RNA聚合酶以蛋白質表達基因為模板,轉錄製造出pre-mRNA。pre-mRNA會進一步被修飾成成熟的mRNA,而後自細胞核內被運送出去,在細胞質中被轉譯製造出蛋白質。

近幾年才被發現的RNA干擾現象是生物調節體內基因表現的一種機制。植物基因組能製作出一種短小的調節性RNA(名為micro-RNA),用以啟動RNA干擾機制。在藻類、線蟲、果蠅中,RNA干擾現象也可能由基因轉位作用所活化。另外在植物和人工培養的昆蟲細胞中,干擾性RNA亦能破壞外來病毒的雙股RNA,發揮抗病毒之效用。

當長段雙股RNA進入細胞後,會被一種名為Dicer的雙股RNA內切酶(屬於第三類RNA水解酶)所辨識和切割。Dicer切割後會產生一類在3’端有2個核苷酸突出之小段雙股RNA,即siRNA,意為「小片段的干擾RNA」。在線蟲、果蠅和哺乳類中,siRNA能與其他蛋白質組合成為一核酸蛋白複合體,名為RISC,意為「能沉默基因之RNA干擾複合體」。此複合體中包含一個核酸內切酶,其身份尚未確知,研究人員暱稱它為Slicer。

接著,與RISC複合體連結在一起的單股siRNA會和序列互補之mRNA相互結合,Slicer進一步在兩者序列互補區段之中心點切割此mRNA。斷裂的mRNA會被細胞認定為異常物質而被摧毀,後續轉譯步驟無從進行,自然阻斷了mRNA上所載基因之表現,達到基因沉默之效。

在植物中,RISC切割後所產生的異常RNA還可作為RNA聚合酶合成RNA時的模板,在沒有引子的情況下製造出新的雙股RNA。這些雙股RNA又可被Dicer切割,進而產生更多siRNA。

而在藻類、植物、線蟲和哺乳類等體內具備RNA干擾機制的生物中,RNA干擾現象還可透過另一種方式擴大其效應。方法是這樣的:未與RISC複合體連結的單股siRNA與序列互補之mRNA結合後,可作為RNA聚合酶合成RNA時的引子,進而製造出反股RNA。(siRNA與mRNA的結合具有高度的序列專一性,如果其中之一的序列自然發生變化,這樣的結合就不會發生。)同樣地,這些雙股RNA又可被Dicer切割,進而產生出更多siRNA。

之後,新的siRNA或可鬆開成為單股RNA,作為引子導引RNA聚合反應的進行;或與RISC複合體聯手切割目標mRNA。學者們推測,正因為RNA干擾現象存有此擴增機制,以及另一種能於細胞間傳遞的不明機制,蟲類才得以將RNA干擾的特徵傳遞給子代。

2008-10-31

[影片] HIV簡介 part8

walkcoolboy 譯
8. 藥物 -- 整合酶抑制劑類

整合酶是一個必要的酶,它允許HIV將自己的前病毒DNA整合進入宿主細胞染色體。

整合酶抑制劑正作為新一類的抗HIV藥物進行研發中。

[影片] HIV簡介 part7

walkcoolboy 譯
7. 藥物 -- 病毒進入抑制劑類

7.1 病毒進入抑制劑

潛在的病毒進入抑制劑可以被分為三種不同機制的類型:

吸附抑制劑 -- 通過阻止HIV吸附到宿主細胞的細胞外膜(CD4) 發揮效能。

合作受體(Co-receptor)抑制劑 -- 通過阻止HIV與在宿主細胞表面的合作受體CCR5和CXCR4相互作用發揮效能。

融合抑制劑 -- 阻止HIV與細胞膜融合,以此阻止HIV感染細胞。

7.2 融合/進入抑制劑

融合抑制劑阻止HIV和CD4細胞的融合。這類化合物與一個稱為gp41的HIV表面蛋白結合。

如果病毒的外膜不能和CD4+ T細胞的膜融合,那麼病毒就不能夠複製。

[影片] HIV簡介 part6

walkcoolboy 譯

6. 藥物 -- 蛋白酶體抑制劑類

6.1 作用機制

在烈性和溫和感染細胞中,病毒整合到宿主細胞的DNA後,蛋白酶體抑制劑減慢了HIV的複製。在新的病毒顆粒成熟的過程中,HIV蛋白酶體剪切新生成的病毒元件,又稱為多聚蛋白(polyproteins), 形成必須的功能蛋白質產物。這個關鍵的過程發生在每個新病毒顆粒從一個HIV感染細胞的細胞膜上生長出來的時候,並且在成熟的病毒從細胞中釋放後仍然繼續。最終宿主細胞在這個過程中被摧毀。

如果多聚蛋白沒有被剪切,新的病毒就無法成熟,也不能夠感染新的細胞。蛋白酶體抑制劑可以干擾正常蛋白酶體的功能。它們在蛋白酶體能夠剪切新的病毒多聚蛋白成為必須的蛋白產物之前就使之失去活性,因此新的病毒顆粒就變得不成熟也不具有感染性。

6.2 抗藥機制

對蛋白酶體抑制劑的抗藥機制可能比原先想的更加複雜,瞭解的也不如NRTI和NNRTI清楚。

當PI(蛋白酶體抑制劑)抗藥性出現,PI就不再能夠干擾突變的蛋白酶體。

[影片] HIV簡介 part5

walkcoolboy 譯

5.藥物 -- NNRTI類

5.1 作用機制

不像NRTI類和正常出現的DNA構建模組競爭,NNRTI類與反轉錄酶結合緊密,因此阻止了病毒RNA轉化成DNA。

5.2 抗藥機制

比起NRTI突變,與NNRTI類的抗藥性通常相關的突變在反轉錄酶上的藥物結合位點附近,並且這種結合位點的變形就是抗藥的機制。


[影片] HIV簡介 part4

walkcoolboy 譯

4. 藥物 -- NRTI類

4.1 作用機制

NRTI和NtRTI是兩種抗反轉錄藥物。在吸收到身體中後,必須在被感染細胞中代謝才能變得有活性。

NRTI代謝共有三個步驟,而NtRTI僅需要兩步。NRTI是DNA構建模組的類似體。

NRTI通過類比正常DNA構建模組來發揮作用。當形成一條新的病毒DNA鏈時,反轉錄酶與NRTI結合,而不是與正常出現的DNA構建模組結合。

因為NRTI的結構阻止了下一個DNA構建模組的附著,DNA鏈增長被中止。


4.2 抗藥性機制

HIV已經進化出兩種對NRTI的抗藥機制。

第一種機制是降低反轉錄酶對於NRTI的結合。很多突變都對結合的親和性有一定影響。

第二種抗NRTI機制是更多的從延伸的DNA鏈中移除NRTI。

[影片] HIV簡介 part3

walkcoolboy 譯


3.1 HARRT簡介

為了能夠長效的抑制病毒複製,要一起使用至少三種抗反轉錄病毒藥物。

適當的抑制病毒複製可以延緩出現抗藥突變。病毒複製抑制不足則加速抗藥性的出現。

HARRT(強力抗病毒療法)專指多種抗病毒藥物的組合,能夠耐久的抑制病毒。大多數情況下,一個HARRT療程都包含三種或以上的抗HIV藥物。
當前的方針集中在實現盡可能長時間的最大抑制病毒複製。


3.2 HARRT抗性

HIV複製非常迅速,會產生許多失誤。這些錯誤成為突變。需要注意的是抗病毒藥物不會引起突變。

野生型(WT)病毒是比突變型更適應(更有能力複製並產生更多的病原體)的HIV菌株。野生型病毒通常還比突變型HIV對抗反轉錄病毒藥物更敏感。

藥物存在時,野生型病毒不能夠生長,那突變株就會變成主導,只要他們沒有被藥物完全抑制。這個稱為選擇性壓力。

因為抗藥性突變複製可以不顧抗反轉錄病毒療法,他們可以引起HIV水準在血液中上升。這可以最終導致CD4+細胞數量下降,這意味著增加了生病或者死亡的可能性。

抗反轉錄病毒療法大多數失敗都是因為抗藥性。使用病毒讀數實驗(viral load test),此實驗測量HIV在血液中的RNA含量,可以實現監測對療法的反應。

當使用HARRT治療成功的時候,病毒讀數下降到一個無法檢測的水準,一個低到實驗無法測量的水準。緊接的HIV水準上升可以看作為抗藥性出現的標誌。

常規的病毒讀數實驗對於監測抗反轉錄病毒藥物療法的有效性是必不可少的。

[影片] HIV簡介 part2

SkyOrggLee 譯

2. 病毒如何進入細胞

人類免疫缺乏病毒或稱HIV是一種反轉錄病毒,反轉錄病毒是一種含有單股RNA的病毒。
HIV可以感染很多不同的細胞特別會針對白血細胞,例如:CD4巨噬細胞,及T輔助淋巴細胞。
此感染的過程可分程3個階段:

附著:HIV-1透過gp120蛋白連接到在細胞表面的CD4分子上。

輔助受體結合:gp120蛋白的結構發生改變,使其可以連接chemokine輔助受體(CCR5或CXCR4)。如果缺少CD4的結合,env蛋白並不能與輔助受體作用,感染就無法完成。

融合:HIV包膜與細胞膜是利用gp41蛋白的結構改變進行融合。

[影片] HIV簡介 part1

SkyOrggLee 譯


1. 病毒結構

1.1 病毒結構簡介

病毒並不是細胞,但是它含有遺傳物質及保護的外壁。
單一個HIV病毒粒子稱之為病毒顆粒(virion),它是球狀直徑大約是10,000分之一毫米。

1.2 病毒包膜

病毒保護的外壁稱為病毒包膜(viral envelope),是由二層脂質分子組成。
在病毒包膜表面上有很複雜的HIV蛋白,稱為env蛋白,鑲嵌在病毒包膜的表面。
Env蛋白分成二個部份,頂端由gp120蛋白組成,根部由gp41蛋白組成。

1.3 病毒核心

在病毒的核心的部份稱之為capsid,主要組成有:二個單股HIV RNA,傳遞遺傳訊息使HIV病毒可以進行複製,及三種酶是病毒進行複製所需。

2008-10-28

[報導] 透視3D幻像

Stephen L. Macknik 及 Susana Martinez-Conde 撰,Sherry譯,Fan-Lu Kung 校

   
 你相信我們所經歷的實際上都只是我們大腦想像或是虛構的嗎?雖然我們實實在在地感知到了周圍的一切,但是我們的感官系統未必單純地複製周圍事物的物理本質。當然,在日常生活的許多經驗反應了進入腦中的物理刺激。但是同樣的神經迴路也製造出我們的夢境,幻想以及回憶。真實與想像在大腦中其實是由同樣的迴路接收與產生。也許就如同蘇格拉底的名言:「我只知道一件事,就是我什麼都不知道。」

    神經科學家所使用來研究感官系統最重要的工具就是”錯覺”。歷史上,在科學家了解視覺的神經機制前,藝術家和魔術師早就對如何愚弄我們的視覺系統了然於心。藝術家們建立了一系列的技巧,使我們的大腦在看著平面的圖畫時卻感知到了三度空間,或僅僅只是幾筆畫卻讓你看到了栩栩如生的生命。


    “錯覺”,定義上來說就是我們所感知到的與該物體物理性質上的真實是剝離而互不符合的。當我們被錯覺迷惑的時候,我們也許會看到某樣並不存在的東西,或是對實際存在的事物視而不見。由於錯覺創造了一個與真實狀況並不一致的狀態,使科學家可以藉由這些感知系統的失誤,而抽絲剝繭出大腦是如何分析並建立所接收到的感官訊息。



    藝術家們常常試圖去臨摹外在的世界。寫實畫家熟練地應用透視法、色彩、亮度和光影在畫布上創造出我們生活的世界。他們的畫作甚至可以成功地以假亂真。在”自然史”裡面,老蒲林尼(Pliny the Elder)曾經提及古希臘兩個名畫家Zeuxis和Parrhasios間傳奇性的競爭故事。這兩個畫家都各自帶了一幅畫作去參加比賽。Zeuxis先掀開了他的畫作,畫中幾可亂真的葡萄吸引了附近的鳥兒停在他的畫布上啄食。得意洋洋的Zeuxis走到Parrhasios的畫作前,動手想掀去覆蓋在畫作上的布。Zeuxis卻突然間洩了氣,他發現他想要掀去的布其實就是Parrhasios的畫作本身。
    寫實派的畫風並不是從古希臘開始的。早在史前時代的畫家就企圖使用一些技巧使他們的畫作更貼近真實。像是Altamira洞窟中發現的野牛壁畫就策略性地畫在岩石突出的部分,以加強牲畜體積的表現。
    這些技術在視幻覺主義(trompe l’oeil)達到巔峰。Trompe l’oeil在法文中是”欺騙眼睛”的意思。這種幾乎像是照相般的寫實技術最早出現在文藝復興時代,在17世紀的荷蘭被發揚光大。栩栩如生的圖畫幾乎像是要從畫布上蹦出來一樣。
羅馬的St. Ignatius of Loyola教堂圓頂就是視幻覺主義很好的例子。負責該教堂的建築師Orazio Grassi在完成該教堂的圓頂前就不幸過世,而建築圓頂的經費亦被挪為他用。直到30年後,教堂延請了修道士畫家Andrea Pozzo為該教堂畫一個假的圓頂。雖然人們早已知道Pozzo是透視法的大師,但是他完成的畫作仍然讓人難以想像。至今造訪St. Ignatius的旅客沒有不驚訝於那壯麗的圓頂居然是畫上去的!
    另一個出類拔萃的例子是羅馬的一處宮殿Palazzo Spada. Francesco Borromin利用錯覺在庭院裡創造了一條看似長達37公尺、而在末端有一個真人大小的雕像的長廊。實際上這條長廊只有八公尺長,而那個雕像也只有60公分高。即便到了今天,仍不斷有藝術家利用這樣的錯覺來創作。Julian Beever就將這樣的錯覺應用到他驚人的人行道藝術上。
    比薩斜塔雖然不是以建築物中利用繪畫技巧製造出來的錯覺效果聞名,但是它提供了另一個建築上迷惑大腦知覺處理的例子。在McGill University的Frederick Kingdom、Ali Yoonessi、Elena Gheorghiu發現的”斜塔錯覺”(Leaning Tower Illusion)現象中,兩張同樣的比薩斜塔照片放在一起,傾斜的角度看起來居然會不一樣。

    所謂的斜塔錯覺(此一錯覺贏得了2007年的視覺錯覺競賽的第一名)顯示視覺系統是如何利用透視方法來重建3D物體的。我們說”重建”是因為視覺系統並無法直接利用外在環境中的3D資訊。我們對深度的認知來自於神經系統的幾個運算原則。這些原則包括了透視法(perspective, 平行線會在遠方匯集),實體視像(stereopsis, 我們的左眼和右眼平行地接收了同一物體的影像,而形成深度感),遮蔽原則(occlusion, 靠近我們的物體會遮住較遠方的物體),光影(shading),明暗對照法(chiaroscuro, 一個物體的明暗對比和其與光源的遠近有關)以及空氣遠近法(sfumato, 利用物體對焦與否的相互作用或是空氣的透明感而創造出深度)。斜塔錯覺顯示大腦也使用了兩個傾斜物體在遠方的交錯角度來估算兩個物體之間原本的相對角度。(因為透視法和深度感的緣故,)大腦預期平行的物體在遠方會有交會點,但因為兩張斜塔照片完全相同,所以延伸再遠也不會出現交會,因此大腦會修正而認定這兩個斜塔並不是平行的。這個錯覺在我們看向兩個並排的日本漫畫女生圖案時並不會出現,即使這兩個影像是傾斜的。原因是這兩個漫畫女生並沒有深度,所以我們的大腦並不會期待他們在遠方應當出現交會點,顯示大腦只有在特定狀況下才會利用到這個深度認知工具。

    如同畫家在平坦的畫布上創造了深度的錯覺,我們的大腦實際上也是利用視網膜這一2D平面所接收到的訊息再轉化成我們感知到的3D影像。視覺錯覺顯示我們對於色彩、光線和形狀的認知都不是絕對的,而是透過主觀相對的經驗,由我們複雜的大腦迴路創造出來的。這個原則不只是在視覺上,實際上在我們所有的感官系統都是如此。我們是否感覺到紅色,是不是正方形,是否感受到愛或是恨,都是我們神經系統間電位活動的結果。

    在駭客任務的電影裡,莫斐斯問尼歐:「什麼是真實的? 你怎麼定義真實?如果你認為是你感覺的 你聞到的 你嚐到的或是你看到的,那麼真實不過是你大腦對電訊號活動的解讀罷了。」電影所沒有告訴我們的是,即便尼歐從母體(matrix)回到真實世界,他的大腦仍然持續地創造他自己的感知,而這些感知和實際狀況可能並不相符。從某個角度來說,我們都活在由我們自己大腦所創造的錯覺”母體”中。遠在駭客任務還沒上映前,神經科學家和諾貝爾獎得主John Eccles就曾經寫道:「我希望你們可以瞭解自然界裡其實並沒有色彩的存在,也沒有聲音-這些東西都是不存在的,沒有觸覺,沒有形狀,沒有美醜,沒有氣味」。或是如同西班牙劇作家Pedro Calderón de la Barca的創作:「什麼是生命? 一陣狂亂。什麼是生命?一個錯覺,一個幻影,一個想像。最美好的不過只佔了其中極小的一部分。所有的生命都是一場夢,而夢只不過就是夢而已。」



原文出處: Scientific American, October 2008


2008-10-11

[轉載] 水母的綠色螢光如何造成生命科學的革命性發展

台大化學系 蔡蘊明教授 譯

在1960年代,當日本化學家下村脩(Osamu Shimomura)開始研究具有生物螢光的水母(學名為Aequorea victoria)時,他沒有想到其研究對科學會造成什麼樣的革新。三十年之後馬丁喬非(Martin Chalfie)利用水母的綠色螢光蛋白來
幫助他研究生命的最小單元,亦即細胞。透過錢永健(Roger Y. Tsien)所發展的能發出各種顏色的蛋白質,現今科學家已經能夠研究過去無法觀察到的生物程序。
 
 
當科學家發展各種方法來幫助他們觀察一些原本是隱形的東西時,研究經常會向前躍進一大步。譬如當Anton van Leeuwenhoek在十七世紀發明了顯微鏡之後,一個新的世界被打開,科學家突然可以看到細菌、精子以及紅血球,甚至包括一些過去根本不知道存在的東西。
 
今年諾貝爾化學獎的研究,在科學上所造成的效果正是如此。綠色螢光蛋白(簡稱GFP)在過去這十年,為生化學家、生物學家、藥物學家以及其他的科學研究者扮演了一盞明燈的角色。這個蛋白在藍光或是紫外線的照射下會顯現出鮮明的綠色,例如它可以讓正在生長的癌症腫瘤發光;顯示阿茲海默疾病在腦部的發展狀況或是病原菌的生長。
 
一個GFP更有趣的運用是研究者可以追蹤一個單獨細胞內的運作。人體由數十億的細胞所組成,從當成幫浦的心肌細胞以及產生胰島素的beta細胞到摧毀不受歡迎的細菌之巨噬細胞,當研究者對細胞的型態越瞭解 ─ 亦即它如何的發展和運作 ─  他們就越能夠發展出副作用越小的有效藥物。
 
要研究這種0.02毫米大小的細胞之運作絕非易事,要觀察細胞的組成元件,包括蛋白質、脂肪酸、碳水化合物以及其它的分子,超越了一般普通顯微鏡的能力。而要去追蹤一個細胞內的化學步驟是更加的困難,但是這卻是科學家必須能做到的精細層次。例如唯有當研究者瞭解細胞如何開始製造新的血管,他們才可能有機會去阻止癌症腫瘤細胞去營造取得營養以及氧氣的管路系統,如此將可以阻止它們的生長。
 
細胞的化學運作通常是透過蛋白質來控制,有成千上萬的各種蛋白質,各具有不同的功能,藉著將GFP連接到一個蛋白質上就可以得到重要的資訊,研究者可以探知某一個蛋白質會存在於哪些細胞中,他們可以追蹤它的移動以及觀察它與其它蛋白質的相互作用。感謝GFP的綠色光芒,科學家們現在可以在顯微鏡下追蹤一個單一的蛋白質。
 
下村脩釣出螢光的物質

現今GFP已成為全世界上千研究工作者的必備工具。它被發現的故事始於剛結束第二次世界大戰的日本,下村脩的求學被戰爭以及原子彈所造成的破壞所中斷,儘管如此,1955年他仍被名古屋大學的Yashimasa Hirata教授聘為助理,Hirata教授把他放在一個看似不可能的研究計畫上,就是去尋找讓一種磨碎的軟體動物(名為Cypridina)殘骸遇水會發光的原因。
 
將這個毫無經驗的助理放在一個如此困難的計畫上似乎是一件很奇怪的做法,另一個美國的頂尖研究群已經試了很長一段時間企圖分離這種物質,因此Hirata教授決定不將這個計畫交由攻讀博士學位的學生來做,因為他們需要有成功的結果才能畢業。
 
在1956年,克服萬難之後,下村脩終於得到了那個物質,那是一個比上述磨碎的軟體動物殘骸還要亮37,000倍的一個蛋白質。在發表了他的結果之後,下村脩被美國新澤西州著名的普林斯頓大學的Frank Johnson所網羅。作為一個臨別的禮物,Hirata教授見證了名古屋大學授給下村脩的博士學位,這是一個很不尋常的做法,因為他並不是一個正式註冊的博士班學生。
 
經過一段跨越太平洋以及美國大陸的漫長旅途,下村脩開始研究另一個會發出天然螢光的物質,這一次這個物質是來自於一種名為Aequorea victoria的水母,它在受到刺激時週邊組織會發出綠色的光。
 


(a) 名為Aequorea victoria的水母生長於北美西岸海邊  (b) (c) 這種水母發光的組織在其”傘”緣
 
在1961年的夏天,下村脩與Johnson在北美西岸的福來德港灣(Friday Harbor)收集水母,他們切下這些水母的邊緣,並放在濾纸上擠壓而得到他們稱為“榨汁”的物質,某日下村脩將部份榨汁倒入水槽時,它發出了閃亮的光芒,因此他發現到那是因為水槽中的海水,更進一步的是海水中的鈣離子所造成的化學反應。更奇怪的是,這閃亮的光芒並非如水母邊緣所發出的綠色,而是藍色的。
 
Johnson與下村脩收集了整個夏天的材料,從10,000隻水母身上所得之榨汁帶回了普林斯頓,花了他們數月的時間,從所得的液體中,純化得到幾個毫克的放藍色螢光之物質,他們稱這個蛋白質為aequorin。
 
 
它在紫外線下發出綠色螢光

在他們於1962年所發表的論文中,下村脩與Johnson描述了得到aequorin的方法,他們也提到分離出一個蛋白質,它在陽光下是淡綠色的,在電燈泡下是黃色的,而且在紫外線的照射下會放出綠色的螢光,這是第一次有人描述了GFP,下村脩與Johnson稱之為綠色蛋白質,不過之後改稱之為綠色螢光蛋白質。
 
在1970年代,下村脩更仔細的研究了GFP的螢光,他的研究顯示GFP具有一個特殊的發色團(chromophore),亦即一種會吸光與放光的化學官能基團。當紫外線或藍色光照到這個GFP的發色團時,它會吸收光線的能量而被激發,下一刻發色團以放光的方式釋放出能量,而這個光線現在是在綠色的波長。
 

這個綠色的螢光蛋白GFP具有238個胺基酸,連成一串長鏈,這個長鏈摺疊成一個啤酒罐的形狀,在這個 啤酒罐的結構中間,第65、66及67號胺基酸組合成那個會吸收紫外線及藍色光的化學官能基團,並會放出 綠色的螢光。
 
在水母中,GFP的發色團只會將aequorin放出的藍光轉換成綠光,這是為什麼水母與aequorin放射的是不同的顏色。
 
GFP到底有什麼革命性的重要性呢,那就是它不需要額外加入任何試劑就可以放光。相較於aequorin以及其它的生物放光蛋白質,它們都需要持續的提供一些具有高能量的分子才能放光;而GFP只需要紫外線或藍色光的照射就可發光,當光線進入細胞而碰到GFP時,它就會放出綠色光線。如果研究人員需要加入一個化學藥劑,他們需要將之注入於細胞之中,那不但將可能干擾到細胞的運作,而且在這麼微小的一個尺度下是很難執行的。
 
喬非有一個出色的主意

今年的第二位諾貝爾化學獎得主是馬丁喬非,他第一次聽到這個綠色螢光的蛋白質,是在1988年於一個在紐約哥倫比亞大學舉辦的學術演講中,那是有關生物放光組織的課題。當他知道有一個會發光的蛋白質時,非常的高興。
 
在他早先的研究中,喬非的對象是一種毫米長的蛔蟲,稱為Caenorhabditis elegans,一種世界上最常被研究的生物。雖然它僅具有959個細胞,它卻具有一個腦,它會變老也會交配。此外,這種蛔蟲的基因有三分之一是與人類的基因相關。更有甚者,C. elegans是透明的,這使得研究者能輕易的透過普通的顯微鏡來研究它的組織。
 
在這個1988年的學術演講中,喬非體認到這個綠色螢光的蛋白質將會是一個棒極的工具來將此蛔蟲顯像,它可以成為許多蛔蟲細胞中所進行的各種活動的一個放光信號。
 
如果我們真的要體會喬非的主意,我們需要知曉一些細胞生物學。如同上述,各種不同的蛋白質幾乎執行了所有細胞中的工作,而在我們的體內有成千上萬的蛋白質,雖然它們擔負了眾多不同的功能,所有的蛋白質都是用同樣的方法構築的。它們都是由二十個不同的胺基酸組合成的長鏈,它們相互之間的差異在於鏈的長度、胺基酸的序列以及結構如何的摺疊。
 
原則上每一個基因就是對一個蛋白質的描述,當細胞需要一個蛋白質時,那個基因就會被活化,導致細胞去合成所需的蛋白質。
 
譬如當你吃了一大袋甜食而你的血糖指數太高時,在胰臟的beta細胞的胰島素基因就會被開啟,所有的體內細胞都在它們的核中安全的儲存著胰島素基因,但是只有beta細胞會對高血糖有反應而開始製造胰島素,這個基因的開關,亦即啟動子(promoter)就會被打開,它在DNA上很靠近該基因的位置,當啟動子被活化之後,胰島素基因就開始被複製,那就好像在影印一本保藏在一個防火儲存櫃中的貴重舊書,當細胞需要使用並讀取基因藍圖時這一個版本是必須的。
 


基因體亦即我們的所有DNA,在細胞核中受到很好的保護,當一個基因被活化,它的資訊會被拷貝,這份 拷貝是透過一種稱為RNA的分子所完成。這個基因的拷貝被攜帶至細胞質中,那是細胞的工廠,在其中, 一個稱為核醣體的複雜機械裝置一步一步的讀取其資料,根據其所讀取的訊息,它將一個一個的胺基酸依序連結
 
胰島素基因的拷貝從細胞核被攜帶至細胞質中,那是細胞的工廠,然後這個基因的拷貝被用來作為一個將胺基酸結合起來的設計圖而依此製造出胰島素,胰島素被釋放到血流中最後黏附到會吸收並儲存糖的肌肉及脂肪細胞。
 
喬非的主意是將GFP的基因連接到不同的基因開關或是其它的蛋白質之基因,他就可以觀察到細胞的基因開關被活化,而且他可以看到不同的蛋白質在何處被產生,這個綠色的光就成為了不同事件發生時的信號燈。
 
 
一個意外的發現

為了測試他的想法,喬非需要找出GFP基因在Aequorea victoria的基因體中的位置。經過一些調查,喬非發現一位在麻州的木洞海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institute)的Douglas Prasher已經著手開始尋找GFP基因,喬非聯繫了Prasher並請他在成功的得到該基因時告訴他。在研究的語言上這稱為基因複製,一個研究者從一個生物的基因體中分離出一個基因,透過DNA的技術幫助,將之放入一種很容易操縱的單細胞生物中,通常研究者會使用一種稱為Escherichia coli的普通腸道細菌,他們會透過植入的基因之活化,將這種細菌轉變成一個蛋白質的製造工廠。
 
幾年之後,Prasher將GFP基因送給了喬非,喬非接著指導一位研究生,Ghia Euskirchen,透過一些方法企圖讓E. coli製造GFP。
 
約莫一個月之後,Euskirchen告訴喬非她成功了!他們可以在顯微鏡下觀察到當細菌受到紫外線的照射時會放出綠光,這個發現成就了今日GFP革命性運用的基礎,但是這個發現本身其實是相當意外的。
 
在1990年代初期,科學家通常假設天然的螢光分子以及顏料(賦予花朵、魚類以及一些其它生物體的顏色),是在細胞中經過數個步驟產生,每一個步驟各需要一個蛋白質來控制其化學製程。許多的專家相信有幾個不同的蛋白質需要用來產生這個GFP的發色團,但是喬非與Euskirchen的實驗顯示這個假設是錯誤的,除了GFP之外不需要任何其它的蛋白質。
 
下一步,喬非將這個基因放在一個啟動子的後面,這個啟動子在C. elegans的六個觸感接受器神經元(touch receptor neuron)中是很活躍的。喬非以及合作者於1994年二月份的Science期刊上發表了這項研究成果。在這份期刊的封面,讀者可以看到一個C. elegans的影像,其中的觸感接受器神經元發散著亮綠的光芒。
 


(a) 利用DNA的技術,喬非將GFP的基因放在一個基因開關的後面,這個開關在C. elegans的六個觸感接 受器神經元中是很活躍的,接著他將這個DNA的結構物注入一個成蟲的生殖腺中。(b) 這個蟲是雌雄同體 且能自體受精,GFP基因就會在這隻蟲所下的卵中存在。(c) (d) 卵會分裂產生新的個體而其中的觸感接受器神經元在紫外線下會發綠光。(e) 圖中顯示其中的兩個神經元。
 
錢永健創造了一個具有像彩虹般各種顏色的調色盤

現在是第三位諾貝爾化學獎得主錢永健登場的時候,他在GFP革命中的偉大貢獻在於延伸了研究工作者的調色盤,提供了許多新的顏色,延長了放光的時間並增強了亮度。
 
在一開始,錢永健描繪了在這238個胺基酸長度的蛋白質中的發色團是如何的透過化學的反應而產生。一些研究者在過去已發現了在65-67號位置的三個胺基酸相互的反應生成發色團,錢永健的研究則進一步的顯示這個化學反應需要氧氣,並解釋了這個反應如何在沒有其它的蛋白質幫助下發生。
 
藉著DNA技術的幫助,錢永健更進一步在GFP上各不同部位的胺基酸做了更換,這導致了這個蛋白質能吸收和放射不同波長的光。藉著改變胺基酸組成的實驗,錢永健發展出GFP的變體,能閃耀出更強的各種光,例如青綠色、藍色和黃色。這就使得現今的研究者能讓不同的蛋白質標記上不同顏色,來檢視它們的相互作用。
 
不過,一個錢永健無法讓GFP所發的光是紅色,紅光更容易穿透組織,因此對想要研究人體內的細胞和組織的研究者特別的有用。
 
在這個時候,Mikhail Matz與Sergei Lukyanov這兩位俄國科學家開始參與了這個GFP的革命,他們從放螢光的珊瑚中尋找與GFP相像的蛋白質,找到了六個蛋白質,其中一個是紅色的,一個是藍色的,而其餘的則是綠色。
 


GFP在65-67號位置的三個胺基酸(Ser-Tyr-Gly)相互反應生成的發色團結構與其生成機制。
 
 
這個想要的紅色蛋白質,DsRED,不幸的比GFP更大且更重,DsRED具有四個胺基酸鏈而非一個,較不常作為研究生物程序中的螢光標籤。錢永健的研究團隊解決了這個困難,重新設計了DsRED,使得這個新的蛋白質不但更為穩定而且只具有一條胺基酸鏈就可以發光,因此可以較容易接在其它的蛋白質上。
 
從這個較小的蛋白質,錢永健的研究團隊又發展了一些具有讓人垂涎名稱的蛋白質,像是mPlum、mCherry、mStrawberry、mOrange和mCitrine,這些名稱取自於它們所放射的光。幾個其它的研究者和公司也提供了這個色盤上的其它顏色。因此在下村脩第一次報導了那個綠色螢光蛋白質的46年之後,我們擁有了一個由各種類似GFP的蛋白質所組成的萬花筒,閃耀著像彩虹般的各種顏色。
 
腦彩虹

有三個這種蛋白質被研究者運用在一個極為精采的實驗中。首先將老鼠的基因做修飾使得它們腦部的神經細胞能產生多寡不同的幾種顏色,包括黃色、青綠及紅色,這幾個顏色的組合類似於電腦的彩色印表機所用的顏色,其結果就是一個老鼠的腦部閃耀著如同彩虹般的各種顏色。這些研究者因此可以追蹤在腦部濃密的網路中,某些個別細胞的神經纖維,這些研究者稱呼這個實驗為腦彩虹(the brainbow)。
 



在美國哈佛大學的研究者將老鼠的神經細胞上色,使之能閃耀著如同彩虹般的各種顏色,這些神經細胞可 以產生多寡不同的三種類似GFP的蛋白質,它們可放出黃色、青綠及紅色的螢光,模擬印表機所用的顏色,這使得研究者可以看到個別的腦部神經細胞如何編織在一起成為一個網路。
 
 
砷和重金屬的GFP感測器

這個綠色螢光蛋白質也可以運用在生物技術的應用,包括在井水中砷的感測,這是在東南亞某些地區的嚴重問題,在那裡天然的砷毒害了許多人。研究者將對砷有抵抗力的細菌做基因的修飾,使得它在砷存在時會發出綠色螢光。科學家也修飾了其它的生物,當感測到具爆炸性的TNT或一些重金屬如鎘或鋅的存在時會發出綠色螢光。現在甚至於有些含GFP的玩具,能在黑暗中發光。
 
 
還有一個謎團需要解決

當下村脩開始研究海洋中具螢光的生物時,他想要瞭解為何會讓它們閃耀,這是一個典型的例子,顯示了基礎的研究如何的導致了一個科學的革命性發展。
 
不過一個謎團仍待解決,為什麼水母Aequorea victoria會發光?許多海洋中的生物會使用生物螢光蛋白所發的光來迷惑它們的敵人、吸引食物或勾引伴侶,但是沒有人知道Aequorea victoria是如何的進化而製造出aquorin以及GFP。

原文轉載自:

翻譯資料來源:

2008-10-10

[報導] 歷年諾貝爾生理及醫學得獎名單及重大發現

2000年瑞典科學家阿爾維德·卡爾松、美國科學家保羅·格林加德、奧地利科學家埃裡克·坎德爾因在人類腦神經細胞間信號的相互傳遞方面獲得的重要發現,而共同獲得諾貝爾醫學及生理學獎

 2001年美國科學家利蘭·哈特韋爾、英國科學家蒂莫西·亨特、保羅·納斯因發現了細胞週期的關鍵分子調節機制,而共同獲得諾貝爾生理學及醫學獎。

2002年英國科學家悉尼·佈雷內、約翰·蘇爾斯頓、美國科學家羅伯特·霍維茨因選擇線蟲作為新穎的實驗生物模型,找到了對細胞每一個分裂和分化過程進行跟蹤的細胞圖譜,而共同獲得諾貝爾醫學及生理學獎。

2003年美國科學家保羅·勞特布林、英國科學家彼得·曼斯費爾德因在核磁共振成像技術領域的突破性成就,而共同獲得諾貝爾生理學及醫學獎。

2004年美國科學家理查·阿克塞爾和琳達·巴克,以表彰兩人在氣味受體和嗅覺系統組織方式研究中作出的貢獻,共同獲得諾貝爾生理學及醫學獎。

2005年諾貝爾生理學或醫學獎授予澳大利亞科學家巴里"馬歇爾和羅賓"沃倫,以表彰他們發現了導致胃炎和胃潰瘍的細菌——幽門螺桿菌。

2006年諾貝爾生理學或醫學獎授予美國科學家安德魯·菲爾和克雷格·梅洛,以表彰他們發現了控制基因資訊流動的基本機制,RNA干擾的發現。

2007年諾貝爾生理學或醫學獎授予美國科學家馬里奧-卡佩奇和奧利弗-史密西斯、英國科學家馬丁-埃文斯,這三位科學家是因為“在涉及胚胎幹細胞和哺乳動物DNA重組方面的一系列突破性發現”而獲得這一殊榮的。這些發現導致了一種通常被人們稱為“基因打靶”的強大技術。這一國際小組通過使用胚胎幹細胞在老鼠身上實現了基因變化。

其餘名單如附件:

[按此下載]

資料來源:

http://www.shengwu.com.cn/kwzy/swxs/200505/2041.html

http://www.med8th.com/nobel/Default.htm

http://life.lifesci.cn/html/2007-12/4081.htm

http://nobelprize.org/



[報導] 病毒共榮圈──2008生醫諾貝爾獎,人類乳突病毒與人類免疫不全病毒

印卡 譯

     今年2008年生醫諾貝爾獎將獎項頒發給導致嚴重人類疾病的兩種病毒的重要發現。一是由Harald zur Hausen 所發現導致子宮頸癌人類乳突病毒;另一個則是Franc,oise Barre'-Sinoussi
與 Luc Montagnier發現導致愛滋病人類免疫不全病毒。














       Harald zur Hausen過去挑戰主流教條,並假設人類乳突病毒 (HPV)能引起女性第二常見的癌症類型,子宮頸癌。他理解到人類乳突病毒DNA 可能潛伏存在於腫瘤細胞內,應該有特殊方法能偵測到病毒的DNA 。他發現人類乳突病毒是屬於病毒中一支特殊的家族。只有一些人類乳突病毒的類型才能導致癌症。他的發現導致對人類乳突病毒感染的自然史各項性質的認識,對於人類乳突病毒引起癌化過程的理解以及促進人類乳突病毒預防疫苗的發展。

       Franc,oise Barre'-Sinoussi與 LucMontagnier則是發現導致愛滋病人類免疫不全病毒。病毒生產可以在早期感染免疫缺乏症病患腫大淋巴結中的淋巴球以及疾病後期的血液中被發現。他們根據病理型態以及,生化與免疫學的特點,認定了這個反轉錄病毒是首先為名的人類慢性病毒(lenvirus)。人類免疫不全病毒因大量的病毒複製以及傷害淋巴球導致每一系統的損壞。這發現
是最近對於疾命的生物機制以及抗反轉錄病毒治療的一個先決條件。

   發現人類乳突病毒引起子宮頸癌

   不同於1970年代的觀點,Harald zur Hausen假設人類乳突病毒(HPV)在子宮頸癌可能的角色。他假設腫瘤細胞,如果含有原致癌病毒,應該會將病毒DNA整合進他們的基因組。HPV 基因促進細胞增殖因此藉著對這一類病毒DNA專門的方法應該能被偵測到。
雖然只有部分病毒的DNA被整合進宿主的基因組,但Harald zur Hausen十來年靠著尋找不同的人類乳突病毒來持續驗證這個想法。他在1983年子宮頸活體切片發現了新的人類乳突病毒DNA ,從而發現了新的,導致腫瘤的16型人類乳突病毒。1984年他從罹患子宮頸癌的病患身上克隆出第16型與18型的病毒。全世界百分之七十左右的子宮頸的活體切片與發現第16型與18型的人類乳突病毒一致。


   人類乳突病毒發現的重要性

   全球因人類乳突病毒的公共衛生負擔是相當可觀的。全世界超過百分之五的癌症是受到病毒的持續感染。感染人類乳突病毒通常是藉由性傳播,並且困擾了百分之五十到八十的人口。超過百種以上的乳突病毒,大約有四十種感染生殖道,其中十五種使婦女處在子宮頸癌的高風險之中。除此之外,人類乳突病毒被發現在一些外陰部、陰莖、口腔與其他的疾病之中。人類乳突病毒可以在百分之九九點七有子宮頸癌病史的婦女中被檢測到,每年約影響五萬名婦女。

   Harald zur Hausen 證明了人類乳突病毒的特色導致了日後對於誘發癌症發生以及病毒潛伏與細胞轉型的誘發因子之間的機制。他也提供第十六型與十八型的人類乳突病毒給科學社群。疫苗已最終發展提供百分之九十五在第十六與十八型的人類乳突病毒風險的預防抵抗。疫苗也能減少手術的需要以及子宮頸癌的全球負擔。

   人類免疫不全病毒的重要

   一九八一年以來,對於新穎的免疫缺乏綜合症的報告,尋找病原體不斷地持續。Franc,oise Barre'-Sinoussi與 LucMontagnier從初期罹患後天性免疫不全的病患發脹的淋巴結中培養淋巴結細胞。他們也發現反轉錄病毒的顆粒從感染細胞胞吐而出。從罹病與健康贈與者分離病毒感染的以及被戕殺的淋巴球與來自感染病患的抗體反應。與過去分辨出的人類原致癌性反轉錄病毒不同,他們當初發現的的反轉錄,現在以人類免疫缺乏病毒(HIV) 為名,並不促進細胞失控的生長。病毒反而需要細胞活化來進一步複製,並確需要T淋巴細胞來幫助跟細胞融合。這部分解釋了為什麼人類免疫不全病毒會損害免疫系統,因為 T細胞是免疫防線不可少的部分。1984年
前,Barre'-Sinoussi和Montagnier 分離得到這新型的反轉錄病毒,將他視為慢性病毒,這些樣品來自性病感染者、血友病患、由母體垂直傳染的嬰兒以及輸血病患。他們成就的重要性應該在一個全球無所不再幾乎影響百分之一人口的情況下視之。

   發現人類免疫不全病毒的重要性

   在病毒發現不久後,一些團隊致力於明確證實HIV 與後天人類免疫缺陷症候群因果關係。Barre'-Sinoussi跟 Montagnier的發現使得快速克隆HIV-1 基因體有了可能。這允許能確認病毒複製週期以及病毒與宿主之間互動。更進一步,他導致診斷感染病患以及篩選血液製品方法的發展,限制疾病的擴散。新種類的抗病毒藥物史無前例的發展也是因為對病毒複製週期細節的知識。結合預防與治療已經逐步減少疾病的擴散以及戲劇化地延長那些病患平均壽命。
HIV 的克隆使得研究他的起源以及演化也成為可行。病毒可能是在二十世紀初的西非從大猩猩傳遞到人類,但至今仍未清楚何以一九七零年代以後流行病學上的擴散的真正原因。

   區辨出病毒與宿主之間的互動提供HIV 如何靠著破壞淋巴細胞功能,藉著持續改變以及在宿主淋巴細胞的DNA 隱藏自己的基因體來侵襲宿主的免疫系統,使得即使長期的抗病毒治療也相當難將它從感染的宿主中根除。關於這些獨特病毒與宿主之間的互動,如此廣泛的知識然而產生一些未來疫苗發展的想法以及針對病毒潛伏期的治療方針。

    HIV已產生了新型的疾病流行。它之前未曾有科學和醫學如此快速發現,辨識來源以及提供新疾病的治療。成功的抗反轉錄病毒療法使得病患的平均壽命現在跟那些沒有感染的人們快要沒什麼兩樣。


資料來源:



[報導] 2008世界大學排名(from 英國泰晤士報)Top200

1 HARVARD University United States
2 Yale University United States
3 University of Cambridge United Kingdom
4 University of Oxford United Kingdom
5 California Institute of Technology (Calt... United States
6 IMPERIAL College London United Kingdom
7 UCL (University College London) United Kingdom
8 University of Chicago United States
9 Massachusetts Institute of Technology (M... United States
10 Columbia University United States
11 UNIVERSITY OF PENNSYLVANIA United States
12 Princeton University United States
13= DUKE University United States
13= Johns Hopkins University United States
15 CORNELL University United States
16 AUSTRALIAN National University Australia
17 Stanford University United States
18 University of Michigan United States
19 University of TOKYO Japan
20 MCGILL University Canada
21 Carnegie Mellon University United States
22 KING'S College London United Kingdom
23 University of Edinburgh United Kingdom
24 ETH Zurich (Swiss Federal Institute of T... Switzerland
25 KYOTO University Japan
26 University of HONG KONG Hong Kong
27 BROWN University United States
28 École Normale Supérieure, PARIS France
29 University of Manchester United Kingdom
30= National University of SINGAPORE(NUS) Singapore
30= University of California, Los Angeles (U... United States
32 University of Bristol United Kingdom
33 NORTHWESTERN University United States
34= ÉCOLE POLYTECHNIQUE France
34= University of BRITISH COLUMBIA Canada
36 University of California, BERKELey United States
37 The University of SYDNEY Australia
38 The University of Melbourne Australia
39 HONG KONG University of Science & Techno... Hong Kong
40 New York University (NYU) United States
41 University of TORONTO Canada
42 The CHINESE University of Hong Kong Hong Kong
43 University of QUEENSLAND Australia
44 OSAKA University Japan
45 University of NEW SOUTH WALES Australia
46 Boston University United States
47 MONASH University Australia
48 University of COPENHAGEN Denmark
49 Trinity College Dublin Ireland
50= Ecole Polytechnique Fédérale de LAUSANNE... Switzerland
50= PEKING University China
50= SEOUL National University Korea, South
53 University of AMSTERDAM Netherlands
54 DARTMOUTH College United States
55 University of Wisconsin-Madison United States
56 TSINGHUA University China
57 HEIDELBERG Universität Germany
58 University of California, San Diego United States
59 University of Washington United States
60 Washington University in St. Louis United States
61 TOKYO Institute of Technology Japan
62 EMORY University United States
63 UPPSALA University Sweden
64 LEIDEN University Netherlands
65 The University of AUCKLAND New Zealand
66 LONDON School of Economics and Political... United Kingdom
67 UTRECHT University Netherlands
68 University of GENEVA Switzerland
69 University of Warwick United Kingdom
70 University of TEXAS at Austin United States
71 University of Illinois United States
72 Katholieke Universiteit LEUVEN Belgium
73 University of Glasgow United Kingdom
74 University of ALBERTA Canada
75 University of Birmingham United Kingdom
76 University of Sheffield United Kingdom
77 NANYANG Technological University Singapore
78= DELFT University of Technology Netherlands
78= RICE University United States
78= Technische Universität MÜNCHEN Germany
81= University of AARHUS Denmark
81= University of YORK United Kingdom
83= GEORGIA Institute of Technology United States
83= The University of WESTERN AUSTRALIA Australia
83= University of ST ANDREWS United Kingdom
86 University of Nottingham United Kingdom
87 University of MINNESOTA United States
88 LUND University Sweden
89 University of California, Davis United States
90 Case Western Reserve University United States
91= Université de Montréal Canada
91= University of HELSINKI Finland
93= Hebrew University of JERUSALEM Israel
93= Ludwig-Maximilians-Universität München Germany
95 KAIST - Korea Advanced Institute of Scie... Korea, South
96 University of Virginia United States
97 University of PITTSBURGH United States
98 University of California, Santa Barbara United States
99= Purdue University United States
99= University of Southampton United Kingdom
101 Vanderbilt University United States
102= University of NORTH CAROLINA United States
102= University of Southern California United States
104 University of LEEDS United Kingdom
105 PENNSYLVANIA STATE University United States
106= University of ADELAIDE Australia
106= University of ZURICH Switzerland
108 University College Dublin Ireland
109 TECHNION - Israel Institute of Technolog... Israel
110 GEORGETOWN University United States
111 MAASTRICHT University Netherlands
112 TOHOKU University Japan
113 FUDAN University China
114 TEL AVIV University Israel
115 University of VIENNA Austria
116 Université catholique de LOUVAIN (UCL) Belgium
117= MCMASTER University Canada
117= QUEEN'S University Canada
119 University of Rochester United States
120 NAGOYA University Japan
121 OHIO STATE University United States
122= DURHAM University United Kingdom
122= University of MARYLAND United States
124= National TAIWAN University Taiwan
124= University of OTAGO New Zealand
126 ERASMUS University Rotterdam Netherlands
127 Stony Brook University United States
128 EINDHOVEN University of Technology Netherlands
129 University of WATERLOO Canada
130 University of SUSSEX United Kingdom
131 University of BASEL Switzerland
132 University of California, Irvine United States
133= Cardiff University United Kingdom
133= Technical University of DENMARK Denmark
133= University of Liverpool United Kingdom
136 University of GHENT Belgium
137= Freie Universität BERLIN Germany
137= TEXAS A&M University United States
139 HUMBOLDT-Universität zu Berlin Germany
140 Ecole normale supérieure de LYON France
141 University of Science and Technology of ... China
142 WAGENINGEN University Netherlands
143 NANJING University China
144= SHANGHAI JIAO TONG University China
144= University of GRONINGEN Netherlands
146 University of ARIZONA United States
147= CITY University of Hong Kong Hong Kong
147= Universität FREIBURG Germany
149 Université Pierre-et-Marie-Curie PARIS V... France
150 Universidad Nacional Autónoma de México ... Mexico
151 RUTGERS, The State University of New Jer... United States
152 University of Bath United Kingdom
153 University of Aberdeen United Kingdom
154 Indian Institute of Technology Delhi (II... India
155= Eberhard Karls Universität TÜBINGEN Germany
155= VU University AMSTERDAM Netherlands
157 TUFTS University United States
158 KYUSHU University Japan
159 The University of WESTERN ONTARIO Canada
160 QUEEN MARY, University of London United Kingdom
161 University of LAUSANNE Switzerland
162= CHALMERS University of Technology Sweden
162= Newcastle University, NEWCASTLE Upon Tyn... United Kingdom
164 SIMON FRASER University Canada
165 University of FLORIDA United States
166= CHULALONGKORN University Thailand
166= Universität GÖTTINGEN Germany
168 University of NOTRE DAME United States
169 Universität FRANKFURT am Main Germany
170= INDIANA University Bloomington United States
170= University of CALGARY Canada
170= University of LANCASTER United Kingdom
173 KTH, ROYAL Institute of Technology Sweden
174= HOKKAIDO University Japan
174= Indian Institute of Technology Bombay (I... India
174= RENSSELAER Polytechnic Institute United States
177= University of Leicester United Kingdom
177= University of OSLO Norway
179 University of CAPE TOWN South Africa
180= University of COLORADO at Boulder United States
180= WASEDA University Japan
182 MACQUARIE University Australia
183= Lomonosov MOSCOW STATE University Russia
183= Université Libre de BRUXELLES (ULB) Belgium
185 BRANDEIS University United States
186= University of BARCELONA Spain
186= University of CANTERBURY New Zealand
188= POHANG University of Science and Technol... Korea, South
188= Technische Universität BERLIN Germany
190 Universität STUTTGART Germany
191 University of MASSACHUSETTS, Amherst United States
192= University of BERN Switzerland
192= University of BOLOGNA Italy
194 University of Reading United Kingdom
195 University of ANTWERP Belgium
196 University of SAO PAULO Brazil
197= DALHOUSIE University Canada
197= University of BUENOS AIRES Argentina
199 KOBE University Japan
200= University of ATHENS Greece

編者意見:
這份是最近一期英國泰晤士報所做的大學評測排名,但是我必需說明大學排名應該要先了解排名的依據內容,而且類似的調查也有很多不同的版本可以參考,但是真的好好學習才是最重要的。

相關資料:
上海交通大學世界大學排名:http://ed.sjtu.edu.cn/ranking.htm
歐洲大學排名:http://www.excellenceranking.org/eusid/EUSID

2008-09-25

[文摘] 為什麼要進研究室?

台大動物所 嚴震東教授

「為什麼要進研究室?什麼時候進研究室?如何進研究室?」

動物系的教學目標是基礎生物學的教育,希望訓練台灣下一代最優秀的生物人才。因此非常注重研究的部分,也非常鼓勵同學儘早進入研究室,經由第一手的經驗,體驗研究的滋味。為了達成這個目標,我們系有一連串的相關課程及活動設計,包括大一的動物學導論,介紹老師及研究室;大二以上的專題研究,讓同學在研究室的學習可以拿到學分而且不限次數;大四的學士論文以及專題討論。學士論文讓同學有機會整理完成一個完整的研究;專題討論則是訓練同學看學術論文並且上台講給老師和同學聽。我們也鼓勵同學參加國科會暑期大專生研究計劃。每年在五月底舉辦壁報比賽,分博士班、碩士班與大學部三組,由同學們發表自己的研究心得。獎金豐富,得獎機會很高。我們甚至更改動物研究所碩士班的修業規定,讓大學時就已經有很好的研究成果的同學在一年內就拿到碩士學位。研究所的專題討論每星期均邀請國內外知名學者來作演講,也非常歡迎大學部同學來聽講。

由同學的角度來看,為什麼要進入研究室?生命科學的領域非常廣,可以走的路很多,但是無論大家的興趣是在研究、教學甚至賺錢,生命科學的重要特色是knowledge intensive,因此對第一線研究工作有一些基本的了解是非常必要的。對教學與研究有興趣的同學更必須要對國內外研究所如何招生有所了解,並且在四年的大學訓練中早早準備。

國內研究所雖然碩士班入學以筆試為主,但是博士班入學以及碩士班甄試均以審查及口試為主。書面審查及口試的非常重要的一個部分就是研究室經驗。申請國外研究所許多同學以為只是TOFEL、GRE 加上GPA(平均成績),其實TOFEL 是外國人(非英語系學生)的門坎,GRE 是所有申請學生的門坎。基本上歐美一流研究所看的是修課的質與量、研究室的經驗和成績、以及介紹信與個人的特質。這些都是日積月累的成果,絕對沒有辦法在一個月、一個學期、甚至一年中拿的出來。其中研究室的經驗和成績最好是有白紙黑字的具體成果。例如某年某月在某老師實驗室中作了某項研究工作。或是民國某年參加國科會暑期大專生研究計劃,計劃題目為×××。更好的就是得了某項研究獎或是論文發表在某國際期刊第×卷××頁。

由上所述,何時進研究室的答案已經呼之欲出。大學的求學規劃絕不嫌早,如何有一張質量並重的成績單?大一就要開始計劃。如何在研究室的經驗中拿到具體的成績?大一就要開始尋找、嘗試,並且不斷進行。

至於如何進研究室呢?動物學導論這門課,就是所有動物系老師對我們同學的邀請,歡迎有興趣的同學加入我們的研究室。當然台大的資源豐富,台北地區更是台灣科研的重心所在,同學們可以藉著各種管道去打聽,去嘗試自己適合的研究室。我很自豪的說,台大動物系的學生是台灣生命科學領域裡最好的學生,百分之九十九的地方都會樂於接受我們的學生。

倒是我在這裡要提醒一下準備進研究室的同學要有一些心理建設與心理準備。一個研究室通常是由一、兩位PI (principle investigator)在負責,其中有或多或少的助理、postdoc、研究生以及大學部學生(甚至高中生)。這裡並沒有像教室裡、實驗室裡上課一樣有一套完整、制式的教材等著你,而是需要與人相處,自動自發的學習。這種學習的方式可能是我們從小到大從來沒有人教過我們的全新的方式,許多同學難免遭遇到很大的挫折,剛進入研究室的同學也難免會有很大的焦慮感。但是我認為這種學習方式將是我們未來研究所或終身學習中最主要的方式,絕對無法逃避,不如提早開始面對。在學徒制的學習中如何減少焦慮感,如何減低挫折的可能性呢?良好的溝通是必要的。焦慮主要發生的原因是不確定感,挫折的基本原因是期望沒有達成,或是無法達成。大學的研究室的環境有一項基本的優點:老師肯教(雖然不一定有時間親自教),學生有心學。只要這兩個條件成立,加上一些溝通,不確定因素就可以降低,期望也就可以回到現實層面。我自己就經常想要教學生一些技術或方法,卻不知道暑期生溜到哪裡去了。大家可以想見溝通不良,PI 也會有嚴重的挫折感。因此我對同學的建議是先做好家庭作業(查清楚要去的研究室及PI 的背景資料),經由直接溝通了解PI 的現況以及對學生的要求。如果決定了要開始,就抱著開放的心胸,主動積極的投入。只有不能教的老師,沒有不能學的學生。如果遇到了挫折,沒有關係,換個地方重新再來,決定我們未來長期的領域,機緣還是很重要的。但是別忘了: ”Chance favor the prepared mind”,機緣中有很大的部分還是誠心和努力的結果。

2008-09-23

[專欄] 系統神經科學的研究方法 (下)

台大動物所 嚴震東教授 撰


核磁共振影像

2-DG 及c-fos 方法都只能用在實驗動物;核磁共振影像及PET 的方法則可以用在人體實驗。核磁共振影像(magnetic resonance imaging,MRI)的方法是修改了的核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)。
NMR 利用強力磁場使質子數為奇數的原子(例如氫原子)的原子核產生特定的排列,再以瞬間變化的電磁波去激發扭動這些原子核,當瞬間電磁波停止時,這些原子核又
扭轉回到原來的排列方向,並釋放出特定頻率的電磁波。利用適當的偵測器可以測出這些釋放出來的電磁波量,因而可以計算在小量樣品中、在特定環境中,以特定化學鍵結合的某一種原子的數量。
而MRI 則輔助以變化角度、強弱的磁場,抽取腦中許多點中特定物質的量的資料,以影像方法呈現出來。例如圖四中的頭部切面,因為腦中各個部位的水量不同,呈現不同的灰度,因此可以看到腦中各個部位。
上述例子顯示核磁共振影像法,在無傷害性的狀況下可透視頭骨下的軟組織。理論上,如果改變測量的原子種類可以觀察不同物質來研究不同的功能。例如如果測量磷,可偵測腦中ATP (腺甘三磷酸)等重要代謝物質的分布和變化。

正子放射圖像儀

MRI 現在已是醫院常用的診斷工具,一般用在觀察軟組織的形態變化。利用偵測正子的正子放射圖像儀(Positronemission tomography. PET),則較能針對腦的生理和生化的功能做探測。碳-11、氮-13 或氧-15 是較常使用、能放射正子的同位素。將含有這些同位素的化學分子注射或經由呼吸(例如極少量的一氧化碳-11)進入人體後,這些同位素不斷衰減,放出的正子立刻與電子結合消滅,轉變成兩個下線的光子。更重要的是這兩個光子彼此以180 度的反方向分離(見圖五a)。因此在完全環繞頭部的「金鐘罩」偵測器上,在相對位置的探子上會同時偵測到一個光子,由此來推算正子釋放的位置(見圖五b)。由單位時間內腦內各處正子釋放的量,可測量這些地方有多少含同位素的化學分子。




如果化學分子是一氧化碳,因為一氧化碳與血紅素緊密結合的關係,可以推算腦內特定區域中
的血流量。如果化學分子是神經傳遞素的類似物,則可以測出腦中特定傳遞素的功能表現(見圖六)。

神經解剖方法

以上介紹了一些測量腦內各區域在特定功能表現時的電、血流、代謝和基因表現變化的方法。道些
是基本法則中
第二點的方法。基本法則中的第三點:腦內特定構造的連結的問題,是神經解剖學上的核心問題之一。基本上腦的構造雖然複雜,卻是極有組織性。一群神經細胞與其他部分的神經細胞的連結非常有秩序。找出這些連結的關係,時常幫助解釋了不少功能上的問題。在豆腐狀的腦中尋找出各部位間連結的關係,通常需要特殊的方法。下面舉出HRP(horseradishperoxidase)及病毒染色兩種方法來說明。

HRP 方法

神經細胞的細胞本體不大,但是軸突卻可能非常的長,因此軸突運輸的功能十分發達。研究者利用軸突運輸的原理,發明出一些追蹤神經細胞連結的方法。這些方法的基本原理是將染料等標識物放在神經細胞旁,讓神經細胞吞入這些標識物,這些標識物就會藉著軸突運輸被帶到神經細胞的各個部分。研究者在腦切片中觀察標識物的分布即可由細胞本體找到神經末梢,或由神經末梢尋到細胞本體所在的位置。這些標識物有非常多種,HRP 是其中典型的例子。
山葵(horseradish)是做芥末(wasabi)的原料。 HRP 是這種植物裡抽取出來的過氧化氫分解脢(peroxidase),是分子量數萬的蛋白質分子。將非常微量的HRP 分子放在腦中特定的構造中,一部分的HRP 便會被這構造內的神經末梢細胞吞噬進入細胞,再經由軸突運輸集中在細胞本體內,可以將有HRP 的細胞用組織化學染色呈現出來(見圖七)。

病毒方法

HRP 通常只能在同一個神經細胞中運送。即使極少的HRP 分子躍過了突觸進入了下一個神經細胞,因為量太少也很難看得清楚。
利用這一類的方法只能像拼圖遊戲一樣,將網路一步步拼出來。如果有方法能夠經由網路的突觸連結,一個細胞接著下一個細胞地把整個網路都染出來那有多好!濾過性病毒法可能有機會達到這樣的理想。
病毒法的原理是將微量的在神經組織內生長的濾過性病毒,例如泡疹病毒,注射到神經中,這些濾過性病毒不但會遍布在這些神經纖維自己的細胞中,而且會經過突觸進入上一層或更上一層的神經細胞。雖然能過得去的是極少的數量,但是只要過去了一個病毒,便會經由繁殖增生而增加到能被偵測出來的數量,達到染出與當初注射的神經有關的腦中所有部位的目的。這種方法的專一性及安全性仍有待加強。
模擬的網路經過四個原則的探討,我們可以確定腦中某一個構造A 與功能甲關係的重要程度,也可以了解執行甲功能可能的神經網路。但是除非我們能用人工材料重建網路,並產生甲功能,我們仍然不能說對腦中的這一小部分有了完全的了解。顯然地,要達到這樣的目標可說是遙遙無期。但是我們可以做紙上的模擬,來測試我們的網路模型。在這種「神經網路」裡可以使用理想化的神經細胞,賦予突觸連結,以模擬的狀況來測試是否能產生應有的輸出。也可以進行一些模擬的紙上實驗,來找出值得進行的研究方向。不僅於此,類神經網路的研究因為在產業界應用的潛力非常的大,已經是重要的一門顯學。

研究方法仍有待突破

回到我們對神經系統研究方法的討論。神經系統內的訊號傳遞是以細胞為單元,每個細胞產生電訊號的頻率可能高達每秒數百次。經由一連串有關的神經細胞連成的網路達成特定的功能。由此看來,理想的研究方法應該在千分之一秒的瞬間中有捕捉到整個網路上每一個細胞變化的能力。
以上我們討論的生理和解剖的方法,有的雖然在空間中有細胞層次的解析力,但可能只能看幾點(電生理),或者只能看時間上的一點(c-fos 及神經解剖方法);有的雖然能重
複地做整體的觀察,但空間和時間軸上的解析力卻又太差(如MRI、PET 等)。因此可以說理想的方法尚未誕生。
依照現況來看,我們可以用幾種方法拼湊.起來,詳細地研究動物特定行為的神經網路到能以模擬測試比較的地步。這個目標在少數簡單的無脊椎動物神經網路已經接近達成,並且進而探討引起行為變化的分子生物機制。但是對於神經系統複雜的動物這個工作可以說才剛開始,未知的部分仍遠大於已知的部分。可以.想見系統神經
科學的知識將以穩定緩慢的步子增加。如何在細胞、分子及系統的層次研究人類的心智活動進而達到真正的了解,仍有待方法上的突破。
註:原載科學月刊24卷538頁

2008-09-20

[專欄] 系統神經科學的研究方法 (上)

台大動物所 嚴震東教授 撰

神經科學有個很重要的假設:「人和動物的感覺、運動、本能及心智行為,均源於神經系統的功能。」在這個前題下,神經科學的研究正不斷地發掘腦中各個部位的功能,以及各種行為及心智活動在腦裡的操作機制,本篇文章的目的在簡單說明:研究神經系統中網路功能的方法。
曾經看過或吃過魚腦、雞腦的人,也許會驚訝這麼小一塊軟趴趴、豆腐樣的東西,如何能擔負得起前述所付託的重大使命?反過來說,看過腦組織切片(見圖一)後,尤其是看過數十、數百張系列性的腦組織切片,另一個問題也常常會發生:這麼複雜的構造,如何去研究?

基本法則

我們先看如何研究腦中各個部位的功能。如果腦中的一小部分構造A 與甲功能有關係,則

1. 當A部分被移去時,甲功能受到影響;
2. 當身體執行甲功能時,A 部分的神經細胞有適時適度的變化;
3. 與A 部分有連結的其他腦內區域(如B、C‥ )也可能與甲功能有關;
4. 適當地刺激A 或B、C 等區域時,會引起甲功能的表現。

古典的方法

最早被廣泛試驗的是上列法則中1 和4 的毀除與刺激的實驗。例如十九世紀法國醫生布羅卡(Broca)綜合腦傷的病例,在大腦前葉的下側方找到語言區域 Broca's area。又如日俄戰爭時使用了子彈速度快、穿透力強的槍械,造成許多一小塊腦被破壞的病人。綜合一些視覺損害的病例,發現了視覺大腦皮層以及視覺大腦皮層內網膜投射區分布的情形。
運用刺激的方法研究的例子如加拿大外科野生Penfield,在進行腦手術時以電刺激病人大腦中央溝前後,證實如同猴子,人腦中央溝前方為運動大腦皮層,後方為感覺大腦皮層。
隨著電生理方法的發展(請參見《科學月刊》21 卷12 期922 頁(電生理與神經科學)-文),記錄腦中電訊號變化的方法被廣泛應用在腦功能的研究上。例如「誘發電位」
(evoked potential)記錄一群神經細胞的反應;「單一細胞紀錄法」記錄一個神經細胞的反應。圖二和圖三分別為誘發電位與單一細胞紀錄方法應用的例子。無論由群體反應或一個細胞的反應,都可以看出在主動的動作之前,運動大腦皮層的細胞先活躍起來,然後才見到肌肉的運動;支持運動大腦皮層控制肌肉的運動神經元這樣階層式控制的假說。
電生理的紀錄方法在時間軸上的解析力極強,但是在空間上常常只能作一點或少數點的紀錄。在1970 年代開始有人研究將隨著膜電壓變化顏色的染料打入細胞,用光學方法來快速測量一塊平面上極多點腦組織電訊號的變化。可惜這種方法只適合透明的或者表面的組織,應用受到極大的限制。

生物醫學影像法

近代「生物醫學影像方法」突飛猛進,已經可記錄各種行為及心智活動時,實驗動物或人的腦中各部位的血流量、代謝速率、特定基因表現量及傳遞物質的作用能力。代表性的方法有:2-DG、基因表現的組織化學染色、核磁共振顯像、PET 等四種,分別作簡單的介紹。

葡萄糖代謝速率

2-DG 方法的原理是利用葡萄糖的類似分子----2-去氧葡萄糖(2-deoxyglucose;2-DG)----騙過細胞膜上葡萄糖運送分子,進入神經細胞,讓醣代謝酵素加上第一個磷酸根後才被細胞認出是冒牌貨,無法繼續代謝;但又因為已經磷酸化了,無法吐出細胞外,因而在細胞內累積起來。累積的量與神經細胞使用葡萄糖的量有成正比的關係;也就是說,愈活躍的神經細胞在同一段時間中會累積愈多的2-DG。
如果在特定的功能表現前,我們給予實驗動物一定量、帶放射性同位素的2-DG,與此功能有關的腦的區域在功能表現時,便會吃進較多的放射性-DG 做腦切片及放射線的「自動曝光顯像」(autoradiography),即可找出腦中與此特定功能有關的所有區域。

基因表現

細胞活躍時,常常有許多基因伴隨著活躍起來,產生一些基因產物。可以利用組織化學的方法染這些基因產生的mRNA 或蛋白質產物,來尋找在特定功能變化時活躍起來的神經細胞。常用的一種基因為c-fos。fos 是一種致癌基因(oncogene),c-fos 是其在正常細胞中的相似基因(Proto-oncogene)。當細胞活性高時c-fos 基因也活躍起來,fos基因產物出現在細胞核中,因此可能與調控其他基因有關。在特定功能表現後,可以用免疫化學方法染腦中上fos 基因產物來找出與此功能有關的神經細胞。

註:原載科學月刊24卷538頁

2008-09-18

[專題] 音樂與大腦的秘密

SkyOrggLee 撰

當我們回想過去生活中的經驗,你是不是也曾經去參加某些活動,有讓你記憶深刻的音樂,也不知不覺的跟著打起拍子? 奇妙的是在一個聚會的場所,相同的一段音樂,使得所有人都同步的隨著音樂一起動了起來。是為什麼人會跟著拍子律動自己的身體? 如果把同樣的音樂播放給其它動物聽,會不會也看到其它動物也跟著律動起來呢?  這個現象在某些動物身上也看得到相同的對應,以下這段影片,也許是你從未發現動物也可以這麼有律動的。



不論是在軍隊行軍、城市中的俱樂部或是部落的跳舞儀式上,人們可以自發的跟隨音樂的拍子,同步每個人的動作,這種現象稱作是誘導現象(entrainment)。但是在其它的靈長類並沒有發現這樣的能力。然而研究指出這種誘導現象並不是只有在人身上可以得見,這種跟隨音樂起舞的現象也在鸚鵡身上發現。

在野外鸚鵡並沒有這種類似的現象,既然這種誘導現象不存在於自然行為也就不會依天擇而有所影響,但是一定有一些其它的能力因此而浮現,鸚鵡及人都是模仿聲音的高手,然而除了人以外的其它靈長類及大部分的動物並不會模仿其它動物的聲音,那是否因誘導現象的浮現是聲音學習的副產品?如果是這樣,我們就應該只會在具有聲音學習能力的動物身上,找到誘導現在的存在。

所以研究人員假設聲音學習能力是誘導能力的先要條件,有利用系統的查驗影片資料庫,找尋有聲音學習能力及無聲音學習能力的動物與誘導能力之類的關係。在測試了許多鳥類及哺乳類動物之後,他們得到的結論是只有在有聲音學習的動物有這樣的誘導行為,此行為並非只有在人身上才存在,且可能這種能力是聲音學習經過天擇下的副產品。

參考資料:
http://www.wjh.harvard.edu/~amschach/research.html

2008-09-16

[報導] 心臟附近的脂肪增加心臟病的危險

Science Daily 撰,SkyOrggLee譯

Wake Forest University Baptist Medical Center的研究人員表示,提到心臟病的危險指數,如果有過多的的脂肪在心臟附近,可能比體重過重或腰圍過大來得更加危險,此研究結果發表於今年八月份Obesity雜誌上。這是第一次有研究指出心臟周圍脂肪與冠狀動脈硬化心臟病相關聯性的報導,鈣化斑(Calcified plaque)本身並不是危險的,但是它與不穩定的脂肪沉積而導致心臟病的危險有關。

本篇作者為研究老人疾病學的助理教授及醫師Jingzhong Ding表示:「體脂肪的分佈可能與體脂肪的多寡一樣都是心臟病危險的決定因子,即使瘦的人也可能有脂肪囤積於心臟周圍。」

研究人員分析了很多人種動脈粥狀硬化(Atherosclerosis)的檢測資料,稱為MESA,此研究計劃投注6千8百萬美元及各國總共6,800人參與,來探索他們的假說-心臟周圍的脂肪與增加血脂沉積及發炎反應的相關性。

除此之外脂肪也被當作是儲存能量的”器官”,製造蛋白質及荷爾蒙影響體內新陳代謝及健康,Ding的研究是基於過多的脂肪囤積在心臟周圍及某些器官上,可能會造成一些功能上的損傷,這些囤積在心臟附近的脂肪也被指出,會分泌大量調節發炎反應的介白素及蛋白質,可能會加速動脈粥狀硬化(atherosclerosis)的形成。


在分析資料方面,研究人員測量159位年齡介於55至74歲受試者的心臟附近脂肪含量,有58%的受試者有冠狀動脈鈣化斑(Calcified coronary plaque),將受試者依心臟周圍的脂肪量分成四組,結果發現心臟周圍含量最高的這組有將近五倍(4.65)的機會得到冠狀動脈鈣化斑。

科學家發現,心臟周圍的脂肪量與鈣化斑的關聯性,但與身體質量指數(BMI)或腰圍的大小無關。

Ding表示:「我們的研究指出區域性脂肪沉澱,或說全身的體脂肪,是與冠狀動脈鈣化斑有關。發炎反應的調控因子與心臟周圍的脂肪量相關,可能正是造成局部冠狀動脈發炎及導致冠狀動脈粥狀硬化的元兇。」

Ding希望能夠持續研究如何能減少心臟附近的脂肪囤積。

他說:「因為許多人死於心臟病,所以這是迫切需要尋找一個新的治療方法或預防的措施。」

原文出處:Science Daily, July 31, 2008
http://www.sciencedaily.com/releases/2008/07/080730140611.htm

2008-09-13

[報導] 擅長估計數字的人數學能力更好?

Erik Stokstad 撰,domi 譯

一台擁擠的巴士與你是否有能力學習數學有什麼關聯?一項新的研究顯示,如果你瞥一眼便發現前面還是後面的人比較多,那麼你與數字打交道可能更為輕鬆。數學上的成功已經證明與一些因素(如:短期記憶)有關。許多專家也猜測這些因素對略估數位系統(ANS)也有一定作用 ,這是一種能夠使我們判斷各種物體相對數量(如:一輛巴士裡在前面或後面的人)的思維能力。但沒有人研究過這種能力在不同人群中在何種程度上呈現不同,或是否確實涉及到數學能力。

馬里蘭州巴爾的摩市約翰斯霍普金斯大學的心理學家Justin Halberda和他的同事在14歲兒童中進行了一項測試。 64名兒童觀測電腦螢幕上顯示瞬間閃爍的不同比例的藍色和黃色小點。少數兒童在該測試中得到高分:他們可以輕易地辨認出更豐富的色彩,其正確比率高至 9:10。而另外一些兒童辨認比率則低至2:3。 “我們驚訝地看到該差異的顯著度。” Halberda說。

研究者更驚訝於發現ANS敏銳度與學生的考試成績(甚至可以追溯到幼稚園)之間有著很強的關聯性。ANS解釋了在兩個國家考試TEMA-2和WJ- RCALC中三年級的表現有著高達28%至32%的差異度。 “這真是令人驚訝,” Halberda說。甚至當他們控制智商、空間推理、短期記憶體,以及13個其他因素,仍舊存在此關係。該小組的報告線上發表於本周《自然》雜誌上。目前尚不清楚究竟ANS如何提高數學能力;或許有利於判斷一個數學問題的答案是否確實。

法國Gif-sur-Yvette INSERM的認知神經科學家Stanislas Dehaene則強調,該實驗是對ANS與數學能力之間關係的“美麗的證明”。不過他指出,研究只顯示了ANS和數學高分之間的關係;這並不證明ANS與其他數學能力相關。 Halberda表示他所在團隊正在對一組兒童進行測試以幫助回答這個問題。

其他專家則指稱這一發現可能會引導出一些方法來幫助提高學習成績。 “一個令人振奮的可能性是,你可能可以通過訓練你的ANS、提高敏銳度,從而擁有更好的數學能力。”北卡羅萊納州杜克大學的心理學家Elizabeth Brannon說。

原文出處:ScienceNOW Daily News, September 8, 2008
http://sciencenow.sciencemag.org/cgi/content/full/2008/908/1


2008-09-11

[報導] HIV藥物治療延長患者壽命達13年

e! Science News 撰,SkyOrggLee 譯

位 於英國柏明翰的阿拉巴馬大學及加拿大溫哥華市Simon Fraser大學的研究員表示,由於反轉錄病毒的治療進展快速,自90年代後期,受HIV感染病人的壽命預測已經增加至少13年。 作者表示:「由歐洲及北美 43,355位HIV代原者的研究顯示,生存率的增加使得AIDS的致死率下降近40%,更支持抗HIV藥物在世界各地的效用。」

此研究結果發表於英國醫學期刊The Lancet上。由The Antiretroviral Therapy Cohort Collaboration及UAB, Simon Fraser University結合了世界上幾十個研究團隊,收集的統計結果。

作者追蹤43,355位HIV代原者使用雞尾酒療法(稱cART),此研究數據集合了總共14份歐洲及北美的研究。

UAB Division of Infectious Disease的Michael Mugavero醫師同時也是本研究的共同作者表示:「自從他們在1996年發表法cART療法,是更有效且易容忍及容易依循。」

「我們現在看到這幾年努力研究的成果,讓這些醫療能夠廣範地被使用,使得AIDS患者能大大地增加其壽命,但是在某些HIV重度感染的病患,使用cART治療並沒有像其它病患來得有效。」

最新一份Lancet的研究報告指出,cART治療方式延長病患壽命長達13.8年,從1996-1999年開始研究此治療的效用,當時的平均壽命為36.1年,至最新一期2003-2005年間的統計資料,其平均壽命會49.9年。

儘管如此好的結果,但是研究人員發現HIV病患的壽命仍然遠低於一般未受感染的人,包括一些得慢性疾病的患者。例如,HIV陽性的病患從20歲開始使用cART治療可以活到63歲,但是仍然低於一些未受感染者的平均年齡少20歲之多。

Mugavero及Simon Fraser University的Robert Hogg博士表示:「近半數的病患被診斷為重度的HIV感染,其cART 的效用並未完全了解,增加AIDS的測試及效用是必要的。」

原文出處:e! Science News, July 25, 2008
http://esciencenews.com/articles/2008/07/25/anti.hiv.therapy.boosts.life.expectancy.more.13.years

2008-09-09

自閉症(四)--概述自閉症的基因基礎

yollo 撰,Fan-Lu Kung 校

基因是造成泛自閉症障礙症候群(autism spectrum disorders, ASD)極為重要的一個因素。早期的雙胞胎研究估計自閉症的遺傳性超過90%,換句話說,遺傳因子可以解釋超過90%的自閉症案例。但是這個數字可能高估了,我們需要新的雙胞胎研究成果和可以模擬基因結構上變異性的模型(models with structural genetic variation)。當同卵雙胞胎的其中一人患有自閉症,另一人通常會有學習或社交上的障礙;相對於沒有自閉症手足的人,成年自閉症的手足患有廣義自閉症症狀特徵的風險高達30%。

自閉症的遺傳機轉很複雜,由基因連鎖分析(genetic linkage analysis)尚未得出確切的結論,而許多相關性分析的能力亦嫌不足。每一個自閉症患者都可能有超過一個以上的基因突變是與自閉症相關的,不同的自閉症患者則可能有不同基因組(gene set)的突變。也許有重要的交互作用發生在不同的基因之間,或是發生在環境與突變的基因之間。藉由研究自閉症家庭、尋找與自閉症相關、可遺傳的遺傳標誌 (gene marker),許多可能的基因已經被找了出來,這其中的大部份基因可表現出與神經發育和功能有關的蛋白質,然而對於大多數的可能基因來說,到底在哪些地方發生突變會增加罹患自閉症的機會則尚未知。一般而言,自閉症並非源自於孟德爾突變(單一基因突變)(Mendelian mutation, or single-gene mutation),或是單一染色體的異常(例如X染色體脆折症(fragile X syndrome)或22q13缺失症候群(22q13 deletion syndrome))*。

許多家族中沒有其他自閉症患者的自閉症患者,可能是由於基因數目的變化 (copy number variations, CNVs,意指在減數分裂時,遺傳物質自動被刪除或重複所導致的變異)造成的。藉由檢驗偶發(非遺傳性)的患者,可找出可能導致自閉症的基因。一項使用陣列比較基因體雜合分析技術(array comparative genomic hybridization, array CGH,一種用來偵測CNV的技術)進行的研究發現,在家族中只有一位自閉症患者的病患中,約有10%的病患有CNV的現象。這些產生變化的基因當中,有一些在先前的遺傳性自閉症研究中已被找出來,但是還有許多基因是偶發患者所獨有的。因此,有一大部份的自閉症是高度可遺傳性,但卻不是因為遺傳而來的,也就是說,造成自閉症的突變並不存在於父母的基因體內。當array CGH的解析度增加時,被判斷是由基因所造成的自閉症個案比例也許會上升至30-40%。但是由於在這個領域中有一些結果的描述並不嚴謹,可能會使大眾誤以為大多的自閉症是因為CNV所造成的,而且可藉由array CGH偵測出來,或是偵測出CNV就等同於基因診斷。在自閉症基因體計劃(Autism Genome Project)的資料庫中含有與自閉症有關的基因資料--包括基因連鎖和CNV的資料。這些資料顯示出人類的每一條染色體也許都與自閉症有關。

雖然自閉症的基因因素可以解釋大多數的自閉症風險,但是並不能解釋所有的狀況。一個常見的假說主張自閉症是因為受到基因的先天傾向和早期環境的交互影響而產生的。現在已經有一些基於環境因素的理論被提了出來,以解釋其他的自閉症風險,其中有一些理論強調產前的環境因素(像是造成嬰兒先天缺陷的物質),其他的理論則強調出生後的環境因素(如小孩的食物)的重要性。

*:22q13表示第二十二對染色體長臂(q arm,若是短臂,則稱為p arm)上,區域13。22q13缺失症候群的染色體缺失是位在22q13.3,也就是22q13內的第3小區。

資料來源:
Wikipedia—Heritability of autism
http://en.wikipedia.org/wiki/Heritability_of_autism

2008-09-06

[報導] 針灸無助於人工受孕

科學家表示:尚無科學證據證實針灸有助於人工受孕

Caroline Parkinson 撰,SkyOrggLee 譯,Rei-Fen Chen 校


針灸這種輔助的治療方式已經在中國大陸被使用了數個世紀,以增加婦女受孕的機率;現在透過英國國家健康服務系統(NHS)的某些臨床診所可私下提供針灸療法。

但是倫敦的研究學者在歐洲的一個生育研討會議上,發表了涵蓋2500位婦女的13個試驗的分析結果,認為針灸對生育並沒有任何益處。

一位權威的針灸師說他確信針灸對受孕能有所幫助。

針灸是最常被人工受孕患者採用的輔助療法,因為大家認為針灸可以使病人放鬆而增加血流量,所以能增加胚胎著床的機會。

但是一次的療程可能要花上幾百英鎊。

減輕疼痛

Guy's 和 St Thomas' NHS Trust的專家針對過去50年間執行的研究工作,進行一項大規模的評估。

研究團隊所分析的試驗中,有五項著重在取卵時施予針灸的效用,另外八個試驗則檢驗在胚胎著床時施予針灸的助益。

他們在歐洲人類生殖及胚胎學學會於巴塞隆那舉行的會議上表示,一些證據顯示進行取卵步驟的病人如果採用針灸治療,的確使用較少的止痛劑。

然而,在分組試驗中並沒有顯示針灸對受孕機率有所幫助 (分成針灸治療組,假針灸治療組,以及什麼也沒做的對照組)。

負責此項計畫的Dr Sesh Kamal Sunkara表示,研究團隊會針對針灸的效用進行檢驗,是因為接受人工受孕治療的婦女需要知道針灸治療是否對她們有所幫助。

「每天在人工受孕的臨床門診中,我們都會面對婦女詢問她們是否該使用針灸療法。」

「我們看著這些脆弱的婦女,她們願意做任何可能增加受孕機會的事情」

Dr Sunkara表示,基於此研究的分析結果,她不會建議她的病人採用針灸療法會增加進行人工受孕時懷孕的機率。

但是針灸協會的主席Paul Robin說:「我對此項研究的發現感到非常的驚訝。」

「我使用針灸療法治病已經有20年的時間,根據我的經驗,這樣的療法似乎可以增加她們受孕的機會。」

「這項研究發現沒有証據顯示針灸能增加受孕機會,所以建議應該有更多的研究來檢驗這個問題。」

「我確信針灸的確可以有所助益。」

原文出處:BBC News, July 8, 2008
http://news.bbc.co.uk/1/hi/health/7495837.stm

2008-09-04

[文摘] 治療關節炎的藥物是否可以為所有的疾病提供線索呢?

e! SceinceNews 撰,Bronte 譯,Fan-Lu Kung 校

治療類風濕性關節炎的藥物幫助了上百萬的病人,研究人員指出這些藥物也許掌控了更多疾病的關鍵,包括動脈粥樣硬化,而動脈粥樣硬化是導致心臟病的主要因 素。馬克費德曼教授(Professor Marc Feldmann)在英國藥理學會(British Pharmacological Society)主辦的2008年歐洲藥理學會會議(EPHAR)上發表,說他和同事一起研發的藥物已經證實可應用於其他自體免疫性疾病。

這些藥物的標的物稱為介白素(cytokine),介白素是一種信使分子,當體內受到細菌攻擊時,經由免疫細胞釋放而改變免疫以及其他系統,並且啟動對付感染的保護機制。

倫敦帝國學院的費德曼教授在於曼徹斯特大學舉辦的2008年歐洲藥理學會會議(EPHAR)上說:「我們發現在如關節炎之類的自體免疫性疾病發生時,介白 素會異常增生,導致免疫系統自我攻擊,而造成發炎反應及組織破壞。更進一步的研究發現只要阻斷一個介白素-腫瘤壞死因子(TNF),在臨床上就可以阻斷 所有與發炎反應相關的介白素。」

這個研究團隊研發出三種阻斷腫瘤壞死因子的藥物,稱為TNF-alpha拮抗劑:infliximab, etanercept以及adalimumab,這三種藥物對於類風濕性關節炎患者的療效顯著,大部分的患者在使用後大幅減緩關節退化的情形。

阻斷TNF alpha在其他慢性發炎相關疾病的治療上已經有非常成功的效果,包括克隆氏症,乾癬,乾癬性關節炎,僵直性脊椎炎,以及潰瘍性大腸炎。

但是身為甘迺迪風濕病研究中心主持人的費德曼教授認為類似藥物對其他許多疾病也同樣具有治療潛力。在會議上,他也提出了他們在動脈粥樣硬化研究上的成果。 動脈粥樣硬化是一種動脈血管的疾病,一般稱為動脈硬化。費德曼教授和他的同事克勞蒂亞摩納哥博士的研究贏得了許多著名的獎項,也開創了一個新的醫學研究領 域:抗介白素療法。其他人的研究也指出這種治療甚至可應用於可能致死的急性酒精性肝炎。

費德曼教授說:「在會議中,我將對一些在受到動脈粥樣硬化影響的組織中可能的治療標的加以討論。動脈粥樣硬化是由在血管壁上的慢性發炎反應所造成,這種發 炎反應絕大部分是由於對膽固醇的過度免疫反應所引起的。同時我還要討論介白素在各種與多種生化途徑相關的疾病中扮演重要角色的可能性,藉此為現在尚無治療 對策的疾病提供一些可能的治療標的。」


原文出處:e!ScienceNews, July 17, 2008
http://esciencenews.com/articles/2008/07/18/could.arthritis.wonder.drugs.provide.clues.all.disease

註:本文發表於健康與醫藥雜誌,資料來源:曼徹斯特大學

2008-09-02

[專欄] 探索神經系統之鑰--電生理與神經科學 (下)

台大動物所 嚴震東教授 撰

生物電訊號的測量

極化現象、局部電位和動作電位,都可以用細胞內電紀錄(intracellular recording)的方法測出。通常使用非常微細的玻璃微電極(見圖五)插入細胞中測量。通常測的是電壓的變化,也可以測電流的變化。例如近十幾年來發明的紀錄一小塊細胞膜上電流出入情形的膜片鉗制(patch clamp)的方法(見圖六),就是在觀察一小塊細胞膜上一兩個離子通道的特性。


圖五:凌和吉瑞德使用的玻璃微電極針頭約0.3μm。


圖六:patch clamp 方法,使用玻璃微電極貼上細胞後,吸下一小塊細胞膜(A)。
膜內外施予一定的膜電壓(Vc),觀察通過細胞膜的電流(Ip)。實例如圖C,
此片細胞膜上只有一個離子通道,在記錄的半秒鐘內打開了兩次,
每次打開幾個毫秒的時間,通過2pA 的電流。


細胞膜電壓的變化,也可以在細胞外的組織間液中紀錄到。依照電訊號來源細胞數目的多少,可以區分為單一細胞紀錄(extracellular single unit recording)或多個細胞紀錄(multiunit recording)。當然電訊號夠大夠強的時候,例如電魚的電訊號,不必任何儀器就可以感受得到。一般生物體內不斷變化著的微小電訊號,還是可以用精密的電壓計從身體表面測量得到。依據電訊號的來源,稱之為心電圖(electrocardiogram)、腦波圖(electroencephalogram)、肌電圖(electromyogram)……等等(見圖七)。


圖七:常見的幾種生物電訊號的頻率與大小。AAP:動作電位,EMG: 肌電圖,
ECG:心電圖,EEG:腦波圖。

基本電生理實驗

由前述的歷史中,我們可以看出電生理實驗萌芽的很早,幾乎與電學的歷史相當。十八世紀末,加瓦尼、伏打就開始進行電刺激的實驗。心電圖始自十九世紀末,腦波圖始自二十世紀初。二十世紀二十年代發明了示波器。蓋瑟(Gasser)和厄茁吉爾(Erlanger)等人,立刻就用來測量神經上的電訊號,發現神經內粗細不同的神經纖維擔負著不同的功能。單一神經細胞電訊號的紀錄,始自無脊椎動物的巨大神經纖維(giant axon)。例如1952 年何杰金(Hodgkin)、赫肯黎(Huxley)等人,利用烏賊外套膜裡的巨大神經纖維進行一系列的實驗,證明動作電位發生的基本原因是細胞膜對鈉離子通透的能力發生了變化。
玻璃微電極的發明,一般歸功於1940 年代凌寧和吉瑞德(Gerard)。他們將玻璃管拉到零點幾個微米的粗細,成功地測量到青蛙縫匠肌內肌肉細胞的靜止膜電位。利用玻璃微電極,
後人也發現所有的生物細胞都有極化現象。
微小的電極能夠紀錄到一個神經細胞的電訊號,較大的電極能夠紀錄一整片神經組織的電訊號。將這些電紀錄的方法結合刺激和移除的方法,可以來研究一個神經細胞或一群同類的神經細胞(神經核),如何參與並執行動物體內的機能,如何達成動物表現的行為。
舉個例子來說,如果要證明神經核A 參與反射作用甲;那麼刺激神經核A 應該會產生反射甲的反應(充分條件);移除或破壞神經核A 後,反射甲無法再產生(必要條件)。紀錄神經核A內細胞的電訊號應該發現:細胞電訊號在反射作用產生時,有適時且是興奮性的變化,藉此可找出神經核A 如何參與在反射甲中。
利用上述非常簡單的設計或類似的設計,電生理學者已經解決了從分子層次一直到動物行為上的許多問題。就現階段來說,膜片鉗制的方法正被用來了解離子通道大分子開開和調節的奧祕;使用細胞內電壓和電流的紀錄方法可以了解細胞本身電生理的特性,可以偵測細胞與細胞間的興奮和抑制作用;使用細胞外電訊號紀錄的方法,正在探討神經細胞或神經核如何參與身體的機能;新一代的腦波儀和其他醫學影像的方法,可以看出腦中電、磁、血流、代謝,或化學分子的變化,用來探討一舉一動、一思一慮時,腦中各個細節的變化。


未來的展望
近年來基因工程的技術日新月異,幾乎可以隨心所欲的操縱細胞中的遺傳因子。似乎生物的主要問題,都是由分子生物的中心軸(central dogma,即DNA RNA 蛋白質),或這個主軸延伸出來的問題。
神經科學也隨著潮流將主力移入了分子生物。眼看著許多同事以及大多數學生都搭上了潮流的列車,許多電生理學者不禁自問:是否電生理已經越過了成熟的顛峰期,進入了「夕陽時期」,已經不再能有重大的突破,孜孜營營的只是在細節上補洞,只是在小數點下一位上作文章而已?
再仔細的想想,電生理實驗所問的問題當然有分子生物的問題。事實上膜片鉗制已經和遺傳工程攜手並進在探索離子通道分子上的奧秘。但是神經科學上許多重要的問題,卻不是分子層次的問題。像執行身體機能的神經網路,主要的問題是網路本身的架構。像知覺的產生或運動的控制,答案最可能來自同時紀錄多層次的許多神經細胞的訊號以及使用人工智慧來作模擬的工作。像智慧或創造力這些幾乎是難以捉摸的問題,最需要的是如何問適當的問題,如何找出接近問題核心的方法。
十九世紀末、二十世紀初許多物理學者,包括一些「大師級」人物公開的宣稱,物理學和化學上最基礎的定律都已經建立完成,物理和化學已經是「夕陽科學」了。就在這時期,出現了愛因斯坦、蒲朗克、波爾等人,革命性地改寫了物理和化學的基本定律。暫時沒有重大突破並不表示重大突破不再可能。事實上,以神經科學整個領域來說,現在比較像正處於大突破的前夕。分子層次的方法、組織器官層次的方法、行為學的方法以及計算機的方法,每一個層面都有新的發展。甚至玻璃微電極的製造技術--這種真像是「夕陽工業」的技術,都引進了雷射、微電腦等新材料,可以精密的製造各種形狀、各式大小的電極。工具的進展,就像是突破前的風信,預測著量變正要轉成質變。希望台灣的科學界也能在這將要來臨的「神經科學世紀」中,顯示我們的貢獻。


參考資料
l.吳照雄,1984,"Electric fish and the discovery of animal electricity", American
Scientist,72:598~607﹒
2.沈世傑 《台灣魚類檢索》pp.72~73 南天書局 1984 年出版
3.嚴震東 簡介神經系統的操作【科學月刊】十六卷五期 pp.325~327
4﹒嚴震東 神經科學專輯開場白【科學月刊】十六卷五期 pp.807~809

註:本文原載科學月刊。
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