表觀遺傳學 (Epigenetics)
國立臺灣師範大學生命科學系 黃培綺

在臺灣，國、高中生物所學到的傳統孟德爾遺傳學說，對於解釋性狀的不同表現，其原因是因為控制性狀的基因型不同，而造成性狀在表現型上有所差異，然而這個解釋無法說明，一個多細胞生物其細胞具有相同的DNA序列及基因型，卻具有各式各樣不同表現型的細胞，例如肌肉細胞、神經細胞、上皮細胞、血管內皮細胞等，決定這些細胞種類的不同不是DNA序列或基因本身，而是基因表達模式的不同，且在細胞世代之間，基因表達模式可藉由細胞分裂遺傳至下一代的細胞。

圖一、核小體
(nucleosome) 構成真核生物染色質的基本單位，DNA與組織蛋白結合形成核小體示意圖。
圖片來源：維基百科

研究在不改變DNA序列的前提下，亦即在相同的DNA序列下，透過調控基因活性的機制，所引發具有遺傳性且穩定、長期的基因表達或細胞表現型的變化，就是「表觀遺傳學 (epigenetics) 」。表觀遺傳學是1980 年代才逐漸發展興起的一門科學，又稱為「表遺傳學」、「外遺傳學」、「擬遺傳學」或是「後遺傳學」，英文為epigenetics，其中「epi-」源自希臘文，有「在…之上」或「除…之外」的意思，「-genetics」就是遺傳學。因此，表觀遺傳學的特徵是在傳統的分子遺傳學之上或之外的遺傳學。

而表觀遺傳學也能這樣解釋：在不涉及核苷酸序列改變的前提下，功能性相關的染色體改變。此種染色體改變的機制包括了「DNA甲基化 (DNA methylation) 」和「組織蛋白修飾 (histone modification) 」等，這樣的調控機制皆能在不影響DNA序列的前提下，造成基因表達的不同。另外，藉由抑制蛋白結合在DNA的沉默基因區域，也能調控基因的表達。這些表觀遺傳學上的變化，也就是表觀遺傳現象，可能可以通過細胞的有絲分裂或減數分裂保留下來，並可能持續遺傳好幾代，而這些變化都僅僅是在非基因因素的層次上，導致生物體基因表達的不同。 Continue reading →

分子柯霍法則（Molecular Koch’s Postulates）
國立臺灣師範大學生命科學系碩士生黃培綺

圖一、微生物學家斯坦利伐爾柯(Stanley Falkow)，在劍橋威康信託基金會桑格研究所(Wellcome Trust Sanger Institute)。
圖片來源：維基百科

一般常說的柯霍法則，是一套用來證明微生物與特殊疾病之間因果關係的準則，這套法則的出現對於醫用微生物學有重大的意義。

然而這套法則並非能適用在所有人類疾病的研究，例如，有些病原體無法在宿主體外進行純培養，而且因為這些病原體只在人體中生長，所以要研究這病原體並做相關的實驗時，就得在人體上進行。

為了解決這樣的困難，在西元1988年，微生物學家Stanley Falkow 博士(圖一)以柯霍法則的觀念為基礎，加上分子生物學，亦即基因的觀點，制定出了新的柯霍法則—「分子柯霍法則」。分子柯霍法則的重點是，那些存在於傳染性病原體品系中的致病力基因，而非病原體本身，必須要能鑑定、分離並且複製致病力基因（又稱毒力基因）。

這套分子生物學法則的標準，總結來說有下列五點：

（一）、在病原體的物種中，致病力基因所表現出的性狀（致病性狀）與病原體中致病品系的相關性要遠高於非致病品系。

（二）、失活的致病力基因（或基因群）應會導致可能與這個基因（或基因群）相關的致病性狀顯著的降低，而且也會降低病原體的致病性。

（三）、用野生型病原體的致病力基因（或基因群）替換掉因突變而失活的致病力基因，應會使換上野生型基因（或基因群）的病原體完全恢復致病力。 Continue reading →

活性氮（Reactive Nitrogen Species）
國立臺灣師範大學生命科學系黃盟元博士

$$\mathrm{NO}$$ 主要的生物化學反應有氧化、硝化（加入 $$\mathrm{NO_2}$$）、亞硝化（加入 $$\mathrm{NO^+}$$）及亞硝基化（$$\mathrm{NO}$$）幾種。

生物學家在一氧化氮（$$\mathrm{NO}$$）及其代謝產物的深入研究中，提出了一個新名詞「活性氮（RNS）」，RNS 包括各種各樣從 $$\mathrm{NO}$$ 所衍生而出的物質，就像活性氧（ROS）一樣，RNS的產生來自生物自由基的相互作用。 Continue reading →

超多能分化性（pluripotency）－分化潛能 -下
臺中市雙十國中自然領域王淑卿教師

連結：超多能分化性（Pluripotency）－來源與應用 中

• 幹細胞可依分化潛能的差異分類

研究分離出不同階段的幹細胞，科發現具有不同的細胞潛能（cell potency），即分化成不同類型細胞的能力。依幹細胞的分化潛能可區分為：

$$(1)$$ 全能分化性（totipotency）：生物體中單一個細胞可分裂與分化產生所有細胞的能力，例如孢子和受精卵（zygote）。人類從第一個細胞－受精卵到約第 $$4$$ 天，會分裂成 $$8$$ 個細胞的桑椹胚（morula）時期，從這時胚胎內分離出的細胞稱為全能性幹細胞（totipotent stem cell）。

全能性幹細胞具有分化成為體內所有的組織和胎盤的能力，有潛力可分化成胚胎的三個胚層（three germ layers），包括內胚層（endoderm）－可發育為消化管、肝、胰和肺等；中胚層（mesoderm）－可發育為血液、肌肉、骨骼、結締組織、泌尿器官和生殖器官等；外胚層（ectoderm）－可發育為表皮組織、皮膚、牙齒琺瑯質、眼睛水晶體和神經系統等。全能分化性也就是具有可發育成完整個體的潛能，目前人類對此複雜的機轉尚未完全了解。

$$(2)$$ 超多能分化性（pluripotency）：細胞可發育為體內的任何組織的能力，但並非全能而有部分限制。以人類為例，受精後約第 $$4$$ 天，受精卵會分裂成 $$16$$ 個細胞的桑椹胚期，約第 $$4$$～$$5$$ 天可發育成中空的囊胚期（blastocyst stage）。

囊胚主要由三層構造組成，其最外層是滋養外胚層，其細胞稱為滋養外胚層細胞（trophoblast cell），是從桑椹胚的外部細胞發育形成，將來會發育為胎盤（placenta）；囊胚內層是由充滿液體的中空囊胚腔（blastocoel）和具有 $$32$$～$$64$$ 個細胞的內細胞團（inner cell mass，ICM）所構成。

若由此時的內部細胞團抽取分離出的細胞，稱為囊胚胚胎幹細胞（blastocyst embryonic stem cell）。囊胚期的內部細胞團可分化成胚胎的三個胚層的所有細胞，發育成胚胎本體和胚胎外的膜，如卵黃囊膜（yolk sac）、尿囊膜（allantois）及羊膜（amnion）。但是囊胚胚胎幹細胞並非全能分化性，它雖然能發育為體內的任何組織，但仍有部分限制性，例如無法發育成完整的個體或胎盤，其分化能力稱為超多能分化性。

具有超多能分化性的細胞除了囊胚期的胚胎幹細胞（ES），目前已知有生殖幹細胞（embryonic germ cell，EG）、胚胎癌細胞（embryonic carcinoma cell，EC）和誘導式超多能幹細胞（iPS）。生殖幹細胞是從受精後約5~9週胎兒的原始生殖細胞（primordal germ cell）中分離出後，在試管中體外培養（in vitro）所增生的細胞，稱為生殖幹細胞（EG），是性腺的前驅細胞（precursor cell）。

原始生殖細胞（PGCs）是發育過程中，配子的前身（precursor）在性腺以外的地區稱之，當原始生殖細胞遷移到達適當處會開始發育為原始性腺，然後發育為性腺，卵巢或睾丸，再經減數分裂後產生配子，精子或卵。在體外（in vitro）實驗證實胚胎幹細胞（ES）和生殖幹細胞（EG）都具有超多能分化性，但生物體內（in vivo）只有胚胎幹細胞可表現超多能分化性，生殖幹細胞則無法。

還有胚胎癌細胞（EC），是由癌細胞（teratocarcinoma）所分離出來的，屬於惡性的人類胚胎幹細胞（hES）。但胚胎癌細胞與上述二者的最大差異是它通常是非整倍體（aneuploid），所謂非整倍體不同於多倍體，其原因可能是一對或多對同源染色體不分離的結果，造成染色體數目的突變，增加或減少，一條或幾條；或可能是染色體片段缺失或重複等。

$$(3)$$ 多能分化性（multipotency）：具有多能分化性的前驅細胞（原始細胞，progenitor cell）主要存在骨髓內，有基因活化的潛能，因此可增生、遷移並分化成多種成熟細胞類型的能力，但是有所限制。類似超多能分化性卻不相同，超多能分化性的胚胎幹細胞可以無限次複製而且尚未分化；具有多能分化性的前驅細胞僅可有限次數的複製，而且已是較分化的（specific），較接近形成目標細胞。

例如由骨髓製造取得的造血幹細胞（hematopoietic stem cells，HSCs）具有多能分化性，可分化出骨髓幹細胞（myeloid stem cell，myeloid progenitor）和淋巴幹細胞（lymphoid stem cell，lymphoid progenitor），共可分化出至少十一種的血液細胞，但無法分化出循環系統以外的其他細胞如神經細胞或肌肉細胞等（圖四）。

$$(4)$$ 寡能分化性（oligopotency）：如骨髓內的前驅細胞僅具有分化出一些類型細胞的能力，稱為寡能分化性，提取出的細胞稱為寡能幹細胞（oligopotent stem cell），例如淋巴幹細胞或骨髓幹細胞。淋巴幹細胞可分化淋巴母细胞（lymphoblast），再分化出 B 淋巴球、T 淋巴球和天然殺手細胞等，不同細胞各有不同功能。

骨髓幹細胞可分化出紅血球、血小板、成髓細胞（myeloblast）和內皮前驅細胞（endothelial progenitor cells，EPCs），成髓細胞分化出不同白血球如巨噬細胞、嗜鹼性球、嗜中性球、和嗜酸性球等。內皮前驅細胞則能重建血管內皮層（re-endothelialization）和血管新生（neovascularization）功能。

$$(5)$$ 單能分化性（unipotency）：一個幹細胞具有分化成只有一個細胞類型的能力的概念，目前尚未清楚是否有單能分化性的細胞存在，已知肝母細胞（hepatoblast）可分化出肝細胞（hepatocyte）和構成膽管上皮的膽管細胞（cholangiocyte）仍是雙能分化性（bipotent）。

圖四 具有多能分化性（multipotency）的造血幹細胞（hematopoietic stem cells，HSCs） 圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/File:Hematopoiesis_simple.svg

參考資料：

1. 李美誼（2009）。低氧運動對造血前驅細胞及循環內皮前驅細胞再分佈的影響。碩士論文。台北：長庚醫學院復健系研究所。
2. 胚胎幹細胞研究是否有無窮的科學價值？  http://www.fsjh.ilc.edu.tw/Subject/Penguin/other/biotec/es-egcell.htm
3. 幹細胞的未來  http://www.nsc.gov.tw/scitechvista/zh-tw/Articles/C/0/1/10/1/1700.htm
4. Blood stem cells: the pioneers of stem cell research
   http://www.eurostemcell.org/factsheet/blood-stem-cells-pioneers-stem-cell-research
5. Cell potency  http://en.wikipedia.org/wiki/Cell_potency
6. Stem cell  http://en.wikipedia.org/wiki/Stem_cell

超多能分化性（Pluripotency）－來源與應用 -中
臺中市雙十國中自然領域王淑卿教師

連結：超多能分化性（Pluripotency）  -上

• 幹細胞是什麼？

幹細胞（stem cell，SC）是從孕育數天的胚胎中提取出的原始、未分化的細胞，具有增殖（proliferate）與分化（differentiation）兩大能力。

幹細胞具有兩大特徵，一為自我更新（self-renew），透過有絲分裂可分裂出更多幹細胞，以保持其分化潛能（differentiation potency）；另一為分化功能，由未分化狀態（undifferentiated state）的細胞，分裂和分化成生物體內不同功能與形態的特化細胞（specialized cell）。 Continue reading →

超多能分化性（Pluripotency） -上
臺中市雙十國中自然領域王淑卿教師

隨著科技與資訊的發達，並受後現代主義（postmodernism）質疑約定俗成的形式，包容多樣性差異、鼓勵創新和前瞻未來的多元文化思潮之影響下，個性化、特殊化、能滿足個人需求的客製化（customisation）時代因應潮流而生，不僅時尚、企業、食品、運動、3D列印（3D printing）科技、甚至健康和醫療，都可為個人量身打造最適合自己的商品與服務，為病患個人化醫療的再生醫學（regenerative medicine）幹細胞研究因應而興起。

•    2012年諾貝爾生理醫學獎－誘導式超多能幹細胞（induced pluripotent stem cell，iPS）

2012 年諾貝爾生理醫學獎由英國劍橋大學教授戈登（John Gurdon）與日本京都大學教授山中伸彌（Shinya Yamanaka）共同獲得（圖一），因為發現成熟的細胞可以被重新編程為具有超多能分化性（pluripotent）。

圖一 2012年諾貝爾生理醫學獎得主：左-戈登（John Gurdon）1933年出生於英國狄潘後市（Dippenhall）；右-山中伸彌（Shinya Yamanaka）1962年出生於日本大阪市（Osaka）。 (圖片來源： http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2012/gurdon-facts.html http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2012/yamanaka-facts.html)

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跳高的世界冠軍～沫蟬
國立高雄師範大學生物科技系 許惇偉助理教授

歷史上政局的動盪，往往會伴隨著思想創見的激盪與興起。英國在 1640 年由君權集中至 1688 年確立君主立憲制期間，連串的內戰、王權復辟等衝突讓當時的學者在躲避政治問題的同時有了更多接觸的機會。

那時的牛津群賢畢至，有闡述天賦人權聞名的哲學家約翰洛克(John Locke，1632-1704)、承襲培根(Francis Bacon， 1561-1626)的科學啓蒙精神，利用實驗來理解氣體特性的科學家波以耳(Robert Boyle，1627-1691)，還有波以耳的得力助手虎克(Robert Hooke 1635-1703)等人都聚集于此。 Continue reading →

跳蚤的使命
國立高雄師範大學生物科技系 許惇偉助理教授

瘟疫、饑荒與戰爭是影響人類族群數目的主要因子、這些天災人禍左右著族群消長，也迫使人們面對極不確定命運，在危亂之中出現的種種思維，往往也影響了人類歷史的方向與文明的演變。

圖一  在一千倍放大倍率視野下，鼠疫病患血液經特殊染色後，箭頭所指處為鼠疫桿菌 (圖片來源CDC Public Health Image Library No:2050) 。

歷史記載最嚴重的瘟疫，是十四世紀開始肆虐歐洲近四百年的黑死病，據信當時歐洲有三成人口死於該瘟疫。但直到十九世紀末科學家才了解，黑死病的主要致病源是寄生在鼠蚤腸道內的鼠疫桿菌(Yersinia pestis)（圖一)，該桿菌就藉由老鼠身上的鼠蚤直接或間接傳播給人類。因此人類對於黑死病無知的恐懼，整整持續了五百多年。

黑死病開始蔓延後，面對未知且隨時可能死亡的恐懼，加上大量神職人員也染病身亡，使中世紀歐洲人們對於奠基千年的天主信仰開始動搖，不同的想法陸續出現，理性思考的風氣逐漸成型，據信爾後的文藝復興運動，與繼之而起的啓蒙運動及科學革命，就受到黑死病直接或間接的影響。

舉例來說 1665年到 1666年間，還在內戰末期的英國倫敦發生黑死病，臨近的劍橋大學因此關閉兩年。後來成為科學革命掌舵手之一的牛頓回到家鄉避難，在近兩年鄉居歲月裡，牛頓仔細思考沈澱他長期所觀察到的物理現象並加以整理，最後奠定了他在古典物理學石破天驚的種種發現。同一時間，位在牛津的虎克其名著《微物圖解》付梓，裡面斗大的跳蚤高清晰寫真素描驚豔了世人，但虎克自己絕沒想過，被他描述為老天完美創作的跳蚤，竟然是黑死病的幫兇，如果他當時知道，肯定避之唯恐不及，也不可能把跳蚤抓來當素描對象。 Continue reading →