2009-10-22

[專題] 染色體的壽命線──2009生醫諾貝爾獎

──端粒與端粒脢如何保護染色體

今年的諾貝爾生醫獎授獎予解決生物重要問題的三位科學家;細胞分裂過程中何以染色體得以全然複製,如何保護(DNA )降解。諾貝爾獎得主在染色質末端找到了解答─端粒─以及形成此結構的端粒脢。


帶著我們基因的,綿長而絲縷狀的DNA 分子壓擠成染色體,端粒在兩端成為帽狀。Elizabeth Blackburn與Jack Szostak 發現端粒含有特殊的序列保護染色體免於降解。Carol Greider與Elizabeth Blackburn發現了端粒脢產生端粒 DNA。這些發現解釋染色體被端粒保護的機制以及如何被端粒脢所合成。

如果端粒變短,細胞凋亡。相反地,如果端粒脢活性夠高,端粒長度維持,細胞衰亡遲緩。在癌細胞的例子中,癌細胞被認為是永生。有些遺傳疾病,相反地是由於缺陷的端粒脢產生受傷細胞。諾貝爾獎肯定這細胞基本機制的發現,刺激了新治療策略的發展。


神秘的端粒

染色體以DNA分子形態包含我們所有的基因體。早就一九三零年代Hermann Muller (Nobel Prize 1946) and Barbara McClintock (Nobel Prize 1983)就發現了染色體末端的結構,所謂的端粒似乎保護了染色體免於彼此纏連。他們猜測端粒有著保護的功能,但他們如何運作仍然是個謎團。

當一九五零年代科學家開始了解基因如何複製,另一個問題自己浮現了。當細胞將要分裂,那包含四種鹼基組成的基因密碼的,DNA 分子被DNA 聚合脢一個鹼基接著一個鹼基複製。然而兩股DNA 之中會有一股在其遠端無法被複製。因此染色體每一次細胞分裂後,會越來越短,但事實上經常不是這樣。

這些問題被今年的諾貝爾獎得獎者給解決,端粒如何發揮功能以及發現酵素複製端粒DNA保護染色體。

Elizabeth Blackburn研究癌症的早期,她比對DNA序列。研究單細胞纖毛生物,Tetrahymena,她鑑別出染色體末端重複好幾次的特殊序列。這序列CCCCAA的功能不甚清楚。同時Jack Szostak發現絲線狀的DNA分子,一種小染色體被導引進酵母菌內會快速降解。

Blackburn 在一九八零年會議上發表她的結果。他們受到Jack Szostak的注意。他們倆人決定作一個跨越遙遠物種界線的實驗。從Tetrahymena中Blackburn分離CCCCAA序列。Szostak則將它接到小染色體末端,放進了酵母細胞。結果發表在一九八二年,令人相當地吃驚,端粒DNA序列保護了小染色體免於降解。從Tetrahymena來的端粒DNA可以保護全然不同的另一種生物,酵母。這展現了一個過去從未被發現,相當基礎機制的存在。後來在大多數動植物,從變形蟲到人類都找到了端粒特殊的DNA序列。

建造端粒的酵素

Carol Greider那時是個研究生,他的指導教授Blackburn開始研究是否端粒DNA的形成是因為未知的酵素。在1984的聖誕節,Greider在細胞萃取液蒸發現酵素活性的訊號。Greider與Blackburn命名為端粒脢,純化他,並且證明它包含了一段RNA分子在蛋白質中。RNA分子能產生CCCCAA序列。當建構工作進行時,例如酵素活性,它當作端粒合成時的模板。端粒脢延長了端粒提供了DNA聚合脢能夠複製完整長度的染色體卻沒有遺失末端的部分。


端粒脢遲緩細胞老化

科學家繼續研究端粒在細胞中可能的角色。Szostak的團隊找到一些突變的酵母菌導致端粒逐漸變短。這些細胞生展反慢並且最後會停止分裂。Blackburn與她的合作者在端粒脢的RNA部分做一些突變,發現在Tetrahymena有類似的功能。這兩個例子導致了細胞衰老。相反地有功能的端粒將會免除染色體傷害以及遲緩細胞衰老。Greider的團隊表示人類細胞的衰老也可由端粒脢延遲。這領域的研相當密集,現在已經知道了,端粒的DNA序列將會與蛋白質纏繞形成DNA股易碎的末端,一個保護的帽套

細胞衰老,癌細胞以及幹細胞謎團的重要片段

這些發現在科學社群內有相當大的影響力。許多科學家猜測端粒變短這件事可能是衰老的原因,可能不光光是在單一細胞,甚至是整個生命體本身。但衰老的過程過於複雜,現在也被認為有許多因子,端粒只是其中的一個。這領域的研究仍然很熱烈。

大多數細胞並未頻繁分裂,因此染色體並沒有變短的危機,他們也不需要很高的端粒脢活性。相反地,癌細胞有無限分裂的能力保持著他們的端粒部分。如何躲開細胞衰老呢?有個解釋是相當明顯的,因為發現增加的癌細胞端粒脢活性。因此推論除掉了端粒脢可能就能治療癌症。許多研究仍在進行,包括針對對抗有高端粒脢活性的疫苗的臨床試驗。

有些遺傳疾病現在也知道是由端粒脢缺陷所產生的,包括先天再生不良性貧血(congenital aplastic anemia)無法從骨隨幹細胞適當地分裂導致貧血。有些皮膚以及肺臟的遺傳疾病同樣也是由於端粒脢的缺陷產生的。總而言之,Blackburn、Greider與Szostak的發現對我們對於細胞了解拓展了新的維度、揭曉疾病機制以及刺激了新療法的發展。

資料來源:
http://nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2009/press.html

http://nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2009/bild_press_eng.pdf

2009-10-10

[專題] 氣候變化科學(一) 溫室效應與碳迴圈

氣候變化科學
UNFCCC 撰,domi 譯,Fan-Lu Kung 校

I. 溫室效應與碳循環


地球上的生命靠太陽發出的能量(主要是可見光)維繫。大約百分之三十的太陽光被大氣層分散,剩餘到達地球表面,並由地表反射形成紅外線輻射-一種更加平靜、更慢速移動的能量形態。(電烤爐在烤架變紅前發出的能量便是該種熱能。) 紅外線輻射通過氣流慢慢上升,最終逃離至宇宙空間的過程會因為溫室氣體(如水蒸汽、二氧化碳、臭氧和甲烷)延遲。

溫室氣體通常只占大氣的百分之一,但是它們卻扮演著地球保護毯、或者溫室的玻璃屋頂的角色-聚熱不然的話,地表的溫度會比現在低上約攝氏30幾度。

人類活動使得這個保護毯變得更"厚"了-燃燒煤炭、石油及天然氣所產生的二氧化碳,由農業活動及土地資源利用變化所產生的越來越多的甲烷和氮,以及一些原本不會自然產生的工業氣體,都會使得溫室氣體的濃度較原本自然狀態下的濃度為高。

這些變化正以一種史無前例的速度發生著。如果排放繼續以目前的速度增長,預計在21世紀結束前,大氣中二氧化碳的含量便會是在進入工業革命前的兩倍,甚至可能是三倍。

這會造成所謂的「增強性溫室效應」,使得地表和低層大氣的溫度變高。IPCC的評估結果指出,這種暖化現象幾可確定是自1750年以來的人類活動所造成的一項全球性效應。電腦氣候模型估計,就算在最理想的狀況下,在2100年以前全球的平均溫度也會比現在高出約攝氏1.8至4.0度。上個世紀氣溫上升了攝氏0.74度,而在接下來的二十年裡,若溫室氣體的排放量仍以目前的速度增加,達到工業革命前濃度的兩倍,估計每十年氣溫將上升約攝氏0.2度。

氣候變化將會與氣溫的上升同步發生,例如雲量、降雨量、風型以及季節更替時間的變化。在IPCC的第四次評估報告中,便預測在21世紀熱浪和強降雨很可能會更為頻繁。在這樣一個擁擠的世界裡,無數人依賴著如季候雨等天氣形勢來維持生計,即使一點小小的變化,都可能會使他們的生活更為艱困。

二氧化碳要為「增強性溫室效應」負百分之六十的責任。人類燃燒煤炭、石油以及天然氣的速度遠遠超過它們生成的速度。這些活動將原本儲藏在燃料中的碳排放到大氣中,擾亂了自古以來便精巧地維持平衡的碳循環系統-碳在空氣、海洋和陸地草木間的循環。目前,大氣中二氧化碳的含量每20年便增加百分之十以上。

化石燃料的使用使大氣中的碳含量大幅增加,擾亂了古老的平衡。

溫室氣體長久以來的排放,無法避免地一定會造成氣候上的變化。氣候並不是隨著外在環境的變化而立即改變的,但是在工業化150年之後,全球性暖化加速了它的變化,即使減排溫室氣體、大氣碳含量不再增加,在未來數百年地球的自然系統仍會持續受到影響。

Reference
http://unfccc.int/essential_background/feeling_the_heat/items/2903.php

2009-10-01

[影片] 生命樹影片介紹

David Attenborough在六分鐘影片中介紹達爾文演化論及生命樹形成,更多相關影片資訊http://www.wellcometreeoflife.org.

請參考以下影片:


更多生命樹的相關資料
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