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Friday, July 03, 2015

[科學] 螢光動物

之前看到桃莉羊滿十年的新聞時,腦中不禁浮現了螢光猴的樣子,後來查了資料才發現,除了螢光猴,還有螢光鼠、螢光兔…等等,看來我大學上課都沒在專心,聽課只聽一半。不過,我還記得學校生化系上,某一年有賣螢光猴的T-shirt,只是我沒買。

說到這,想必大家腦中會有疑問,什麼是螢光猴,牠真的會發光嘛?牠是真的生物嘛?如果是生物,牠又是怎麼發光的?不是新品種,或是突變種猴子吧?

要了解螢光猴,或是這些螢光生物,當然要先知道螢光是怎麼來的。

話說在1962年,日本科學家Osamu Shimomura 在美國普林斯敦大學(Princeton University) 做研究的時候,首先注意到水母(jellyfish)體內的生物螢光(bioluminescence)。



* 圖片取自BBC 網頁:Nature's Magic

此種水母的學名為Aequorea victoria,身體會發出綠色螢光,會發光是因為牠體內的蛋白質aequorin 和鈣離子反應後會製造藍光,然後另一種蛋白質吸收了藍光後會釋放出綠光,於是這個蛋白質被命名為GFP(Green Fluorescent Protein)。

這個GFP 的發現之所以重要,是因為可以把它和你想研究的蛋白質接在一起變成所謂的fusion protein,然後放入細胞組織裡讓它表現,這樣在藍光的照射下,你只要觀察綠光出現在哪裡,就可以知道你有興趣的蛋白質在細胞裡的活動範圍是哪裡-- 細胞核、細胞質,或是細胞膜…等等。當然,在一個正常的蛋白質前或後面接上GFP 後,可能會影響其蛋白質的功能或活動,畢竟在我們及其他哺乳內的身體裡是沒有GFP這個蛋白質的,而且GFP本身的體積也不小。但是,在研究一個全新的、還沒有人研究過的蛋白質的時候,GFP 是很有用的一個工具。還記得我之前提到過的ICC(Immunocytochemistry) 嘛?那時候我是說用抗體(antibody)來觀察蛋白質的位置,但是一個才剛開始被研究的蛋白質,哪裡會有抗體?在沒有抗體的情況下,就是GFP 派上用場的時候了。另外,抗體也只能用於觀察組織細胞,無法觀察活體裡的蛋白質活動情況,這時候GFP 就是一個很好用的工具。

那GFP 又跟螢光動物有什麼關係呢?當然有,螢光動物之所以會發光,是因為利用基因工程把GFP 的基因嵌入動物的基因體(genome)裡,於是動物在藍光的照射下就會發出綠光。



看,老鼠的耳朵和鼻頭會發光耶~!

* 照片取自:Dr. Tsien Lab website

先後被實驗過的生物有:
果蠅(Drosophila) -- Dr. Tulle Hazelrigg @ Columbia University
老鼠(Mus) -- Dr. Roger Y. Tsien @ UCSD
猴子(Rhesus monkey) -- Dr. Anthony Chan & Dr. Gerald Schatten @ Oregon Health Sciences University (OHSU)

其他:
兔子(GFP Bunny) -- Eduardo Kac (這位並不是個科學家,而是個藝術家,聯合法國某實驗室製造出螢光兔是因為他認為這是一項藝術,wiki 也有他的介紹。)

Chan 先利用病毒把GFP gene 送入卵子,然後再加入精子進行體外受精,受精成功的胚胎再植入代理孕母(surrogate mothers),最後只成功懷出五隻猴子,於2000年十月出生。但是,五隻中只有三隻是活的,兩隻雙胞胎是死的,三隻活的當中又只有一隻的基因中成功帶有GFP,名字叫ANDi (inserted DNA; 反過來拼),ANDi 本身並沒有像之前實驗的老鼠一樣可以發光,原因不明。不過,一起出生的另外兩隻雙胞胎死胎也帶有GFP,而且牠們的指甲和毛髮在藍光的照射下會隱隱發光(下右圖)。



* 照片取自OSHU 網站 -- OSHU News and Information

也許有人會問,既然已經成功實驗在老鼠身上,為什麼還要試驗在猴子身上?因為畢竟老鼠和人類的基因還是有些差異,而猴子和人類的基因相似度高達95%以上,所以希望能夠以此技術用來測試基因治療或其他生科技術的成效,進而用來研究治療阿茲罕莫症、糖尿病和其他等等的疾病上。


【補充】

利用病毒送基因進入人體治療疾病的方法就是所謂的基因治療(gene therapy)中的其中一種,目前利用基因治療的疾病有ADA-SCID。SCID 全名為Severe Combined Immunodeficiency,中文叫做「重症複合免疫不全症」,ADA(adenosine deaminase)是一種蛋白質,所謂ADA-SCID 是指因欠缺ADA 而引起的SCID。目前有一本書是介紹日本醫生怎麼把這項基因治療技術引進日本治療ADA-SCID 病患,中文書名就叫「基因治療」,作者是中部博,有興趣的可以去找來看,裡面沒有太多專有名詞,可以當小說看,不難懂,金石堂的介紹在此。



參考資料

The discovery of aequorin and green fluorescent protein
Biotech's Glowing Breakthrough
Introducing ANDi: The first genetically modified monkey
TRANSGENIC ANIMALS: Infant Monkey Carries Jellyfish Gene
OHSU RESEARCHERS PRODUCE FIRST GENETICALLY MODIFIED MONKEY
[CNN] Genetically modified monkey could be key to curing some diseases


References

Anthony W.S. Chan et al. Foreign DNA transmission by ICSI: injection of spermatozoa bound with exogenous DNA results in embryonic GFP expression and live Rhesus monkey births. Mol. Hum. Reproduction (2000) 6, p26-33.

AWS Chan et al. Transgenic Monkeys Produced by Retroviral Gene Transfer into Mature Oocytes. Science (2001) 291, p309-312.









[科學] Dolly the Sheep

剛剛看新聞聯播的時候,突然瞄到一則引起我興趣的標題,原來十年前的今天,誕生了一個名人,喔~應該說是名「羊」,就是大名頂頂的桃莉羊,Dolly 。



在十年前的今天,英國愛丁堡的Roslin Institute 的Ian Wilmut 和他的同事們發表說,他們在前一年,也就是1996年成功的複製了桃莉羊,Dolly 在那年的七月五號誕生了。

不過,Dolly 只活了六歲半,牠在2003年的2月14日上天堂了。

Dolly 是用六歲成羊的DNA 複製成的,所以牠的年齡一直被人討論,牠是一生出來就是六歲了嗎?所以只活了六年就走了?還是用成羊的DNA 複製出來的生物老化的比較快?還記得之前上Human Genetics 課的時候,老師有討論過這個問題,還有複製生物道德上的問題,尤其是複製人,可行嘛?我想以現在的科技,複製人應該是沒有太大的困難,問題是…要是成功複製一個人出來了以後,他是誰?(別跟我說他是你的雙胞胎兄弟姐妹!)這當中的關係太複雜,我想在沒有一個完美、絕對的解決辦法之前,即使在技術上沒有問題,也不會有人敢輕易嘗試的複製一個人出來吧!

如果是你,你會想複製一個自己嘛?

關於Dolly 是怎麼複製的,為了怕大家看了會睡著,就不在此文中敘述了,除非有特別要求。


TIME 網頁有一系列的複製動物時間表及牠們的照片,看此。

另外在Science Museum 網頁也有簡單介紹Dolly 是怎麼複製的,看此:Dolly the sheep。

最後,怎麼少得了學術期刊的第一把交椅Nature 呢!See: Nature's Special Report - Dolly








解讀基因密碼(Genetic Code)

我想大家對於「基因密碼」一詞並不陌生,路上隨便抓一把應該有一半以上都聽過,但要是真的問他們「基因密碼」是什麼,可能又都支支吾吾的說不出個所以然吧!其實,生命科學是很有意思的,深入了解之後更會驚嘆於它的神奇與奧妙,在這邊大概講解一下,我會盡力寫得淺顯易懂,不用看到化學結構就害怕唷!

先簡單介紹一下DNA 好了,不過專有名詞我只用英文,因為我不知道中文是什麼,不好意思。

DNA 是由四種nucleotides 組成的:ATP, CTP, TTP, GTP



以上四種兩兩配對:A = T, C = G



上圖中的名字cytosine, guanine, thymine, adenine 指的是只有六角型的那的部份,那個部份叫base,加了醣(suger)的部份(五角型的部份)以後就叫cytidine, guanosine, thymidine, adenosine。

看到這裡應該就猜的出上面說的nucleotides 跟下面的序列有什麼關係了吧!

ATC GCT ATG TCA CTG GAA GAG CCA TAC

ATC CTA ATA AAG GAG CTA ATT TTC GAA AGC TGT ATT GAA AAC TGC GAA

沒錯,上面的序列就是由這四種nucleotides 組成的,也就是說,我們的DNA 就是只由這四種組成的,那要怎麼變成胺基酸(amino acid)呢?

首先,DNA 會先被轉譯(transcription)成RNA。基本上,RNA 和DNA 的不同只在於醣的部份。

DNA 全名是:deoxyribonucleic acid
RNA 全名是:ribosenucleic acid



ribose 指的是五角型的醣,"de-" 是指「去掉」的意思,"oxy-" 指的是氧(oxygen)的部份,也就是醣的OH 部份,DNA 既然叫deoxy-,就是說它少了一個OH。另外,RNA 裡面沒有T,T 被U (uridine) 取代了,所以在RNA 裡面是這樣配的:A = U & C = G

好了,現在Central Dogma 中,DNA 變RNA 的過程完成了,接下來RNA 變amino acid 呢?解謎的重點來了,在這個過程中,必須要介紹另一種RNA,叫tRNA (下圖紅色圈起來部份)。

Central Dogma: DNA → RNA → mRNA → amino acid

(mRNA: messenger RNA)



DNA 序列三個一組為一個codon,而tRNA下面會帶一組anticodon,上面則帶一個胺基酸。所謂anticodon 就是對應codon 的序列,例如:基因序列是ACG的話,anticodon 就是TGC (A=T, C=G),而每一組codon 有自己所屬的一個胺基酸。



所以,如上圖,如果基因序列是GGC 的話,帶著CCG 的tRNA就會帶著那組codon 所屬的胺基酸去對。



基因解碼表[註]如上,可以看到GGC 所屬的胺基酸是glycine (Gly)。表上列的只有胺基酸名字的前三個字母,除此之外,每個胺基酸為方便研究,又常只以第一個字母代替,如Gly 就是G,Ala 是A,有重複的則用音來代替,如arginine (Arg)是R。

【註】總共有20種胺基酸,其中有幾種人體無法自己製造,需要由食物中攝取。

好了,大概介紹完了,現在可以開始來解讀基因密碼了。

先看第一個序列:ATC GCT ATG TCA CTG GAA GAG CCA TAC

ATC: AUC → Ile → I
GCT: GCU → Ala → A
ATC: AUC → Met → M

接下來,以此類推。

整個下來就會變成:IAMSLEEPY
拆開來看,就是:I AM SLEEPY

有趣吧!

第二個序列解碼出來是:LIFE SCIENCE

呵呵,有沒有覺得很神奇,也很有趣呢?!雖然只有四種nucleotides,卻可以製造出千百種各式各樣的蛋白質[註]。當然,這裡還是要註明一下,我們的基因序列解讀出來當然不是一個完整的英文句子之類的,以上只是我自己好玩編出來的序列。

【註】每個蛋白質有自己的胺基酸序列。

另外還要再補充一下,上面這些都是最基本的,在人體裡面的機制當然沒那麼簡單,例如:那麼長的DNA 序列要怎麼知道從哪裡開始讀?又,因為是三個三個一組,所以從不同點開始讀出來的胺基酸也會不同。例如,這一段序列:ATCGCTATGTCACTGGAAGAGCCA

從A 開始讀是:ATC GCT ATG TCA CTG GAA GAG CCA
但是從T 開始讀就會變成:A TCG CTA TGT CAC TGG AAG AGC CA
從C 開始則是:AT CGC TAT GTC ACT GGA AGA GCC A

從不同點開始讀序列,製造出來的胺基酸序列就完全不同。所以可以想見,要是我們的某個基因序列中,有一個nucleotide 被delete 掉的話,製造出來的胺基酸整個就是錯的,於是就會產生疾病。

例:ATC GCT ATG TCA CTG GAA GAG

假設正常的胺基酸序列是從A 開始讀,如果劃線的那個被delete 的話,整個序列就會變成:
ATC GCT AGT CAC TGG AAG AG → 從紅色部份開始,後面製造出來的胺基酸序列整個就錯了。

除此之外,還有其他很複雜的機制,再解釋下去就說不完了,我想大家也會開始霧煞煞的,真的有興趣的再自己拜見孤狗大神吧!


【minc 說】

雖然說也許很多人早就知道了(高中可能有教吧?沒唸完不清楚),但是我放在PTT簽名檔的時候,還是有很多人不知道,然後查了以後覺得很有趣。(其實有人回文的時候,我還挺訝異的,畢竟我只是放簽名檔而已,沒想到會有人因為好奇去查簽名檔的意思。)

之前有點掙扎要不要寫這篇,因為把文章的密碼設成這種基因密碼,介紹了以後大家不就知道密碼是什麼了?!不過我猜想大多數人會懶得一個一個去查,而且真的滿有趣的,還是介紹一下好了,讓不是在這個領域的人可以用簡單的方式了解其中的奧妙。