紅皇后假說 (Red Queen Hypothesis)
國立臺灣師範大學生命科學系研究助理胡琬琳

紅皇后假說一詞由Leigh Van Valen於1973年提出，是在演化生物學相當有名的假說；但用假說來稱呼其實不大適當，其較像是演化的一種模式。

紅皇后與愛莉絲(圖片來源：flickr用戶Jurgen Appelo)

紅皇后一詞源自於愛莉絲夢遊仙境（Alice’s adventures in wonderland）的姊妹作──鏡中奇緣（Through the Looking Glass）。在故事中，愛莉絲進入一個鏡子中的房屋，屋內所有物品亦如鏡象一般左右顛倒，她踏出小屋想順著屋外的小徑爬上山坡的花園時卻發現怎麼走都只是走回小屋，無法到達山坡頂。此時愛莉絲經過一花壇旁，並和花兒說了些話；花兒說紅皇后也常經過這裡，愛莉絲便決定要去找紅皇后。愛莉絲看見皇后就朝她走去，走了半天卻發現又回到了小屋門前；此時愛莉絲想起花兒告訴她的話並調頭往反方向走，沒想到馬上就走到了皇后身邊。

皇后一邊帶領愛莉絲走向山坡頂，也同時說明這個鏡中的世界看起來彎的路其實是直的、要前往一個地方其實要往反方向走、山坡會變成山谷……。走上山丘之後，俯瞰下去發現田野被樹籬和小溪切割成棋盤的樣子；「我可以參加田野上的西洋棋賽嗎?」愛莉絲興奮的問，「當然，你可以當白卒，而且走到第八格時就可以變為皇后了（西洋棋的規則）。」皇后回答。剎那間，皇后沒來由地跑了起來，並且愈跑愈快；為了跟上皇后的腳步，愛莉絲也不得不加快速度。詭異的是，不論他們跑的多快，周遭的景物沒有改變，他們仍停留在原來的地方。最後終於停了下來，「為什麼我們跑了這麼久仍在同一個地方？」愛莉絲喘著氣，眉頭皺著露出疑惑的表情。皇后嘴角露出淺淺微笑然後說「在這個國度中，全力奔跑不過是為了維持在原地而已。（In this world, constant running is needed in order to remain in the same place.）」

自然界中，獵物與授獵者的互動產生一股將演化過程趨於複雜的力量；演化過程中，狩獵者會不斷提高發現和捕獲獵物的效率，發展出更好的攻擊方式。 Continue reading →

濾泡（囊泡）樹突細胞 (Follicular dendritic cell)
國立臺灣師範大學生命科學系研究助理陶韻婷

多數的樹突細胞（dendritic cell）由骨髓中的造血幹細胞（hematopoietic stem cell）分化而來，可依照他們所處位置分類，如：表皮的蘭格漢氏細胞（Langerhans cell）、心肺等臟器的間質樹突細胞（interstitial dendritic cell）、二級淋巴組織（second lymphoid tissue）與胸腺髓質（thymic medulla）的交錯樹突細胞（interdigitating dendritic cell）、血液中的外周血樹突細胞（circulating dendritic cell）。 Continue reading →

接合作用 (Conjugation)
國立臺灣師範大學生命科學系研究助理林如愔

細菌的接合作用是細菌間傳遞遺傳物質的方法之一，它必須由兩細菌建立實體的連結，像是運輸孔道的功能，再把DNA由一方傳送到對方菌體內。接合作用最早於1946年由列德伯格（Joshua Lederberg）和塔圖姆（Edward Tatum）發現。進行接合的兩細菌，除了必須有直接接觸之外，還須具備另一特性：兩者是不同的交配型（mating type），供體細胞（donor cell）必須攜有質體，而受體細胞（recipient）通常則否。在革蘭氏陰性菌中，質體DNA帶有合成性線毛（sex pili）的基因，性線毛突出於供體細胞表面，當它與受體細胞靠近時，能拉近兩細胞的距離以便直接接觸；革蘭氏陽性菌則是靠細胞表面分泌的黏性物質，讓細胞直接接觸。

大腸桿菌E.coli的F因子（fertility factor, F-factor, F-plasmid），即F質體，是最先被發現可於細菌接合作用時被轉移的質體（plasmid）。F質體既可以獨立存在於細胞質中，也可以嵌入細菌的染色體，長度約10萬個鹼基對，擁有自己的複製起點。擁有F質體的供體細胞（donor）簡稱為F⁺，反之，受體細胞（recipient）稱為F^–。如圖一所示，接合作用發生前，F⁺細胞會利用性線毛（pilus）”辨別”F^–細胞，性線毛前端的蛋白可以將自己固定在F^–細胞的表面，並且拉近F⁺與F^–細胞的距離（步驟1~2）。性線毛基部的酵素，能啟動細胞膜的融合，因此F質體的傳輸並非靠性線毛做傳遞，性線毛只是幫助F⁺與F^–細胞拉近距離並開始接合作用。接下來就是F質體如何由F⁺細胞傳給F^–細胞（步驟3），F質體是環形的雙股DNA，在傳輸之前，其中一股會被切出一個切口，由切口為傳輸的起點，只將這單股（T-strand）傳至F^–細胞，留在F⁺細胞的另一個環形單股DNA，會被視為複製模板再合成完整的F質體，而原本的F^–細胞在接受T-strand之後，隨即也會合成其互補股，轉變成擁有F質體的新的F⁺細胞（步驟4）。

圖一、大腸桿菌（E.coli） F-受體細胞的轉形過程

受體細胞因接合作用能獲得原來沒有的能力，例如：對抗生素的抗藥性；或是新的新陳代謝功能，讓其能使用不同的營養來源或代謝物。整體而言，對多數的有害細菌來說，接合作用更有益其族群的擴張。 Continue reading →

定位突變 (Site-directed mutagenesis)
國立臺灣師範大學生命科學系研究助理林如愔

誘導基因突變是進行基因功能研究的基本方法之一。以往都是利用化學或是輻射方式誘導突變，但是以此種方法會造成隨機突變，無從預測或控制突變產生的位置。1978年Michael Smith藉由聚合酶連鎖反應（polymerase chain reaction, 簡稱PCR），以特定引子在DNA特定的位置產生突變。Michael Smith因此在1993年與PCR技術的發明者共同獲得諾貝爾獎。

下列以最為廣泛使用的Stratagene公司所發展的QuikChange點突變產品來說明定位突變的操作原理：

1.首先，設計一對25~45鹼基對的引子，將欲突變之位點盡可能地置於正中央，在引子的兩端最好是G或是C以加強引子配對的正確性。以此引子對與模板質體進行兩次PCR反應之後得到如圖二的不同序列組合質體。其中新的DNA序列不是在細菌體內合成，因此不具有甲基修飾；而原來做為模板的質體，因為是由細菌體內得到，故其序列含有甲基修飾。

2.接著利用可專一性針對甲基化鹼基進行單股切割的DpnI酵素對PCR產物進行切割（見圖三）。此時只有來自於細菌、帶有原始序列的質體股會被切割，從而確保了所得的PCR產物皆含有欲得到之點突變序列。

3.之後將此突變質體送入宿主細胞進行放大或表現，即可進行特定基因功能之研究。

對於基因功能的研究，可以粗略的分為Gain-of-Function與Lost-of-Function兩大類。傳統的隨機突變與片段缺失（deletion）的方式屬於Lost-of-Function的研究手法，藉由觀察破壞基因序列的突變所導致的功能缺陷來推測該基因的功能。隨著分子生物學與蛋白質體學的發展，我們了解一個蛋白分子中可能分別含有不同功能的區塊。整個基因的缺失或是發生在該基因內的隨機突變雖然都可能造成此基因巨觀上的功能喪失，但在微觀上的成因和其機制上的影響、修補的機制都不同。因此，定位突變可以在不影響整體蛋白質結構的狀況下，分別研究蛋白質細部各胺基酸所扮演的角色。如圖四所示，此為一DNA聚合酶的立體構造，在不同位置上進行定位突變產生不同的突變蛋白。觀察其蛋白質功能的差異，可以總結分析其蛋白質不同區段所擁有的功能。利用這樣的技術與所得到的知識，可以在生物工程上加以應用，改造現有的基因產物，使其更能符合我們的需要。 Continue reading →

吃海藻糖也能治憂鬱症
國立臺灣師範大學生命科學系副教授李冠群

編譯來源：Trehalose induced antidepressant-like effects and autophagy enhancement in mice

憂鬱症是各種心理失常中罹患率最高的一種，以色列本古里昂大學和美國明尼蘇達大學藥學院的研究團隊的研究結果指出，海藻糖（trehalose）可能具有類抗憂鬱的功效。(圖片來源：pixabay用戶geralt)

以色列本古里昂大學（Ben-Curion University）和美國明尼蘇達大學（University of Minnesota）藥學院的研究團隊的研究結果指出，海藻糖（trehalose）可能具有類抗憂鬱的功效，且此功效與海藻糖可增強細胞的自噬作用有關。

海藻糖是由兩個葡萄糖分子所組成的雙糖，為一種麥芽糖異構物，它廣泛存在於細菌、酵母菌、菇類、海藻、蝦子、昆蟲及植物中，而且是許多生物體，如細菌、真菌和昆蟲等無脊椎動物的能量來源之一。在生物體內，海藻糖除了可作為一種碳源及能量來源外，還具有保護如蛋白質及核酸等生物巨分子，以及維護細胞膜的結構與功能之作用，提供生物抵抗乾旱、高溫、高鹽、冷凍或輻射等惡劣環境的能力。

因為在這些惡劣環境下，脫水、高滲透壓、冰凍或高溫等不利的條件都會使蛋白質及生物膜分子間的水分子急遽下降，而海藻糖在此環境下可以取代水分子的功能，避免蛋白質及生物膜結構遭受破壞進而喪失功能。此外，近來更發現在植物體中，海藻糖具有調節植物生長與發育的角色。
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克服胰島移植急性排斥的新希望
國立臺灣大學生命科學系助教范姜文榮

糖尿病重症患者必須終其一生都持續不斷地注射胰島素。如果要找到將糖尿病重症患者從注射胰島素中解放的終極治療法，必須將製造胰島素的胰島細胞移植到糖尿病患的肝臟內，且確保細胞能永遠存活，才能根治糖尿病。(圖片來源：flickr用戶 sarihuella)

資料來源：福岡大學新聞稿2013年6月4日

糖尿病重症患者必須終其一生持續不斷地注射胰島素。如果要將患者從終生注射胰島素中解放，必須將正常製造胰島素的胰島細胞移植到糖尿病患的肝臟內且能永遠存活，才能根治糖尿病。全世界從2000年到2012年為止約已進行約700例的胰島細胞移植手術，但是胰島細胞提供者的數量有限，造成胰島細胞供應嚴重不足。即便使用免疫抑制劑，胰島細胞移植數小時後就會引發早期免疫排斥反應，造成細胞被破壞。因此往往要從2~3個人取下的胰島細胞，才能滿足單一患者達到治療效果的需求。因此如何防止胰島細胞移植引發的早期免疫排斥反應，成為移植醫學一個亟待克服的問題。

先前研究發現胰島細胞移植後短時間就會引發早期排斥反應，確認是因自胰島細胞釋放出的HMGB1核內蛋白質所引起。HMGB1蛋白質會活化免疫系統的NKT細胞及多核形白血球，進而引發早期排斥反應。但是被移植的胰島細胞究竟透過何種機制將HMGB1蛋白質釋放至細胞外，仍未被了解。故認為瞭解其機制，有助開發出抑制早期排斥反應、效果較佳的控制法。

日本研究團隊發現移植到肝臟門靜脈的胰島細胞會立即暴露於低氧狀態，活化胰島細胞膜上的Na⁺/Ca²⁺交換輸送體 (Sodium-Calcium Exchanger)，使得大量鈣離子流入細胞，導致胰島細胞死亡，而將HMGB1蛋白質釋放到細胞外。為了避免胰島細胞在移植死亡，研究團隊想到在移植胰島細胞前如果先用Na⁺/Ca²⁺交換輸送體的抑制劑處理細胞，使鈣離子不會流入胰島細胞，是否就可以防止細胞死亡與HMGB1蛋白質釋放所引起的免疫排斥？利用小鼠作實驗，結果發現Na⁺/Ca²⁺交換輸送體的抑制劑果真可以避免胰島移植所引發早期的排斥反應。 同樣的處理也可以防止人類胰島細胞因暴露於低氧狀態引發的細胞死亡。這個發現對未來延長移植胰島細胞的存活將有很大的助益。

專有名詞

胰島：以細胞團塊分佈於胰臟中，具有能生產胰島素的β細胞。β細胞會因血糖值上升而分泌胰島素到血液中。

HMGB1: high mobility group box1蛋白質的簡稱，通常存在於細胞核內，與染色質結構、遺傳密碼轉錄的調控有關。

延伸閱讀：

原致癌基因（Proto-oncogene）
國立臺灣師範大學生命科學系研究助理胡琬琳

原致癌基因（proto-oncogene）為細胞內之正常基因，其表現的蛋白質產物能促進細胞生長及分裂，當原致癌基因在諸如放射性物質、化學物質及病毒的作用影響下而突變（mutation）時，會造成其蛋白質產物過量產生或是活性增加，使細胞的生長及分裂大幅增加而導致癌症（cancer）。此時突變後的原致癌基因即稱為致癌基因（oncogene），換言之，原致癌基因是致癌基因的前身。

原致癌基因突變為致癌基因的方式可分為三類：(1) 基因於基因組中（genome）的移動；(2) 原致癌基因的放大（amplification）；(3) 原致癌基因本身或其調控區（control element）發生點突變（point mutation）。在第一類情形中，原致癌基因經轉位作用（translocation）移至不同的基因座（locus），因受到較為活化的啟動子（promoter）調控，導致其表現量增加而轉變為致癌基因；在第二類情形中，因為原致癌基因的套數（copy number）增加，導致其表現量增加而轉變為致癌基因；在第三類情形中，因為原致癌基因本身發生點突變，使其所表現的蛋白質活性增加或不易被降解（degradation），或者當原致癌基因調控區發生點突變，亦可導致其表現量增加而轉變為致癌基因。

目前研究所發現的原致癌基因大致可分為生長因子（growth factors）、受體酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinases）、膜上非受體酪氨酸激酶（membrane mssociated non-neceptor tyrosine kinases）、G蛋白偶聯受體（G-protein coupled receptors）、絲胺酸／蘇胺酸激酶（serine/threonine kinases）、核內DNA結合/轉錄因子（nuclear DNA-binding/transcription factors）等基因。

以下分項舉例並簡介各原致癌基因:

1. 生長因子（growth factors）

SIS基因 [v-sis基因為猿猴肉瘤病毒（simian sarcoma virus）中的致癌基因] 表現血小板衍生性生長因子B鏈（PDGF B chain），此基因為最先被確認與已知細胞內基因具有同源性的致癌基因。

int-2基因表現一種與纖維母細胞生長因子相關的生長因子（FGF-related growth factor）。

KGF基因又稱HST基因，亦表現一種與纖維母細胞生長因子相關的生長因子，而且在胃癌及卡波西氏肉瘤（Kaposi’s sarcoma）細胞中被發現。

2. 受體酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinases）

FMS基因表現血球生長激素-1 受體（colony stimulating factor-1 receptor），且被確認為一反轉錄病毒（retrovirus）的致癌基因

TRK基因表現類神經生長因子受體蛋白（NGF receptor-like protein），第一個被發現的TRK基因位於胰臟癌細胞中。 Continue reading →

基因重製（Gene duplication）
國立臺灣師範大學生命科學系研究助理鄭杏倩

DNA的數量（copy數）可藉由基因重製（gene duplication）事件而增加。基因重製依照參與重製之基因體長度之不同而分為以下幾個類型。

（1） 部分基因重製（partial/internal gene duplication）
（2） 完整基因重製（complete gene duplication）
（3） 部分染色體重製（partial chromosomal duplication）
（4） 完整染色體重製（complete chromosomal duplication）
（5） 多倍體化/基因體重製（polyploidy/genome duplication）

前四類型皆為區域性的基因重製（regional duplication）事件，重製後並不會改變生物體內染色體的數量。因此，一般認為多倍體化事件對演化所扮演的角色遠遠大於區域性之基因重製。然而近來的研究顯示，區域性的基因重製在演化上也扮演著舉足輕重的角色。

區域性的基因重製之發生機制如下。在細胞進行有絲分裂，同源染色體配對進行基因重組（recombination）時，發生非同源區域互換，亦即不對等互換（unequal crossing-over），使得有些配子體（gamete）帶有兩套相同的基因，而相對的有些配子體的某基因就消失了。以下用簡單的示意圖（圖一）來描述不對等互換造成基因重製之事件。

英文字母代表基因在染色體上的位置，白色圓圈為中心粒的位置。左圖顯示聯會事件發在非同源之區域，因此產物3多了一個Ｃ基因，產物2則少了一個C基因。

不對等互換事件常發生在染色體中有許多重複序列的地方，且一旦發生了第一次不對等互換，此區域再發生不對等互換的機率則增加（因為有更多的重複序列提供不對等互換發生），因此常常可以看到基因體中某一區域有基因家族（gene family）的狀況。當重製事件產生後，個體內的第一套基因負責正常功能運作，另外多餘的第二套基因則可以累積變異而不會影響生物之正常運作，經過長時間的天擇（natural selection）或是中性的遺傳漂變（genetic drift）後，第二套基因有機會可以累積足夠的變異而演化成具有新功能之新基因（new gene）。 Continue reading →