跳躍基因(跳躍子/轉座子)－它的原理與基因治療之應用
國立臺灣師範大學生命科學系研究助理林如愔

跳躍基因(transposons, transposable elements, TE)，是一段可以從染色體DNA上單獨複製或斷裂下來，其環化後再插入另一位點，因而影響插入位點上的基因調控。根據其機制不同分成兩類：「複製-貼上」的第一型跳躍基因(“copy and paste”, class I TEs)，與「剪下-貼上」的第二型跳躍基因(“cut and paste”, class II TEs)。

芭芭拉．麥克林托克(Barbara McClintock)

第一個被發現的跳躍基因來自玉米(Zea mays)，是由芭芭拉．麥克林托克(Barbara McClintock)於1948年發現的，並以此研究於1983年獲得諾貝爾獎。她觀察到玉米基因體上的DNA序列Ds與Ac，能造成染色體DNA的插入(insertion)、刪除(deletion)與轉位(translocation)，這些基因體上的改變會造成玉米粒的顏色變化，該機制被稱為Ac/Ds系統(Ac/Ds system)，是屬第二型跳躍基因。

這些能夠進行自我複製，並能在生物染色體間移動的遺傳物質，具有擾亂被介入基因的組成結構之潛能，被認為是導致生物基因發生漸變(或是突變)，最終促使生物進化的原因之一。像酵母菌這樣的生物約有幾十種跳躍基因，而哺乳類動物體內含有幾十萬種的跳躍基因，因此很難判斷細胞內是否發生了基因跳躍，更難推論發生在何時、何處。

有關跳躍基因的演化來源，也是科學家們很感興趣的話題。究竟它是單一起源然後橫向傳播到其他的物種中，還是在地球生物史上曾多次地崛起，目前沒有定論。儘管一些跳躍基因對宿主是有益的，但多數仍被視為是自私的「DNA寄生蟲」，它的生物特性與病毒有些相像，為數不少的病毒與跳躍基因的核酸結構和生化特性有許多相似之處，使得不少研究認為這兩者存在著演化上的關聯，可能有共同的祖先。

大部分的時間，人類的跳躍基因處於沉寂狀態，是由於其所包含的跳躍指令很難被細胞所接受。因此，研究人員把這些跳躍基因的指令換成一些細胞較容易接收的指令，從而製造出一種非常活躍的人造跳躍基因。研究發現，哺乳動物的細胞很容易接受這種人造跳躍基因，其跳躍的次數是自然跳躍基因的200倍。

基因治療是能讓新技術闖出名號的領域。目前，在美國大約進行著140項基因治療試驗，多數項目是針對致死性疾病，如癌症。要想將一個基因從A位點轉移到B位點，研究人員和基因治療專家目前只有兩個選擇：一是使用一種能有效地將特定基因送到細胞中的病毒；另一是質粒，一種經加工的DNA環，可以達到一樣的效果。兩個選擇各有其缺點：病毒是感染性的，而且某些類型的病毒會於偶然下激活致癌基因，因而增加罹癌風險；質粒雖然不會有這種風險，但其卻不能在細胞中有效率地複製。

隨著跳躍基因的深入研究，利用跳躍基因這種全新的、非病毒性的基因傳遞系統，可提供我們比病毒更安全、比質粒更有效的替代技術。經研究證實，以跳躍基因為載體的技術能夠將特定基因插入沒有致癌基因的基因組區域；與質粒相比，跳躍基因技術能夠更有效地將特定基因引入動物細胞，且該特定基因能穩定的表現。

參考資料

1. Barbara McClintock http://www.nndb.com/people/011/000083759/
2. Luft, FC. (2010). Sleeping Beauty jumps to new heights. Mol. Med., 88(7): 641–643.
3. McClintock, B. (1950). The origin and behavior of mutable loci in maize. Proc. Natl. Acad. Sci. 36(6): 344–355.
4. Transposons: The jumping genes. http://www.nature.com/scitable/topicpage/transposons-the-jumping-genes-518
5. Wicker, et al. (2007). A unified classification system for eukaryotic transposable elements. Nature Reviews Genetics, 8(12): 973–982.

偽基因（Pseudogene）
國立臺灣師範大學生命科學系研究助理鄭杏倩

在生物的基因體序列中存在著許多偽基因（pseudogene），雖然其構造與功能性基因（functional gene）非常相似，但是因經過突變而造成無意義的突變（nonsense mutation）、移碼突變（frame-shift mutation）…等原因，而使得DNA序列無法被成功的轉錄（transcription）或是轉譯（translation），因此在細胞中不會表現偽基因序列的產物。為了區分功能性基因與偽基因，在文字標記上，常在偽基因的名稱前面加上 “Ψ”，例如 “Ψβ-globin”，在電腦化的資料庫中，有時也會在基因的簡寫後面再加上 “P” 來代表，例如 “CA5P” 代表α-carbonic anhydrase pseudogene 5。大部分的偽基因無法被轉錄，然而有少部分的偽基因可以被轉錄甚至轉譯。此種雖然存在卻沒有真正的功能的情況，可將偽基因視為基因層次上的痕跡性狀（vestigial trait）。

偽基因屬於廢物DNA（junk DNA）的一員，然而因為其與功能性基因擁有相同的祖先，因此在演化歷史的探討應用上為一重要的研究工具。偽基因的演化速率相較於其同源（homology）的功能性基因快很多，因此藉由相同物種內偽基因與功能性基因序列，以及不同物種間偽基因與偽基因序列等的比較，可以深入地做不同演化層次（基因、物種）的探討。

偽基因依照其來源可大致分為以下三類，其構造及應用上皆有所不同。 Continue reading →

基因多效性（Gene pleiotropy）
國立臺灣師範大學生命科學系研究助理鄭杏倩

一個基因基本上控制一個性狀，然而若一個基因的突變可使多種性狀同時改變，則稱此狀況為基因多效性（gene pleiotropy），此基因則為多效性基因（pleiotropic gene）。在孟德爾的豌豆實驗中發現，具有有色種皮（seed coat）的表徵之豌豆，其花和葉腋（leaf axils）皆有色；反之，具有無色種皮表徵者，其花為白色且葉腋無色素沉澱。上述觀察用現今的知識解釋，為基因多效性的結果。種皮顏色、花瓣顏色、以及葉腋之色素沉澱三種性狀是相關聯的，控制此三種性狀之基因為同一個多效性基因。

多效性基因控制不同性狀之主要機制，是因多效性基因所生成的產物被個體內不同的細胞使用，或者，其產物具有訊息傳遞之功能並且影響許多不同的下游產物。在人類疾病中有一著名的例子：苯酮尿症（phenylketonuria；PKU），PKU是一種體染色體隱性遺傳疾病，主要是由於體內苯丙胺酸（phenylalanine）氫化（hydroxylation）成酪胺酸（tyrosine）的代謝途徑產生問題而引起的先天性代謝異常疾病。造成代謝途徑異常之基因，可同時使病患毛髮色素減少、皮膚蒼白且有智能障礙。另外，在果蠅實驗中也發現，隱性vestigial gene（vg）基因會使果蠅翅膀變短而無法飛行，也會間接改變果蠅卵巢的egg string數量、改變小盾板上的刺毛位置，並且使果蠅壽命減少。.

並不是所有的基因多效性的例子都是往相同的方向進行，有時會有拮抗的情況發生，稱為拮抗之基因多效性（antagonistic pleiotropy）。以人類為例子，p53基因之產物會使細胞停止生長，最終造成細胞死亡，因此，p53基因產物可以抑制癌細胞之生長，但也會同時抑制幹細胞（stem cell）之分裂，使人體無法自行更替老死之細胞。拮抗之基因多效性在人類老化（aging）相關的機制上，也有很多例子，G. C. Williams在1957年提出有關老化的理論，他認為某些基因產物在人體年輕的時候可以提高健康（fitness），然而當年紀漸大，此基因產物卻有相反的結果。 Continue reading →

鋅手指（Zinc finger）
國立臺灣師範大學生命科學系研究助理陶韻婷

鋅手指（zinc finger）是一種像手指形狀的蛋白質構形（motif），具有這種結構形狀的蛋白質能與DNA、RNA分子、蛋白質甚至脂類結合。Zinc finger蛋白質在真核生物細胞較常見，少見於原核細胞，是主要調控基因轉錄的蛋白質，在許多基礎的細胞生化反應都扮演重要的角色，如：複製（replication）、修復（repair）、轉錄（transcription）、轉譯（translation）、代謝（metabolism）、訊號傳導（signaling）、細胞增殖（cell proliferation）以及細胞凋亡（apoptosis）等。

蛋白質的結構可分為四級。一級結構（primary structure）為胺基酸的排列，而二級結構（secondary structure），如α螺旋（alpha-helix）及β摺板（beta-sheet），則是由不同胺基酸彼此之間的分子作用力（如氫鍵（hydrogen bond）、凡德瓦力（van der Waals’ force）而形成，。二級結構的子單位彼此經過摺疊（folding）就形成（tertiary structure）三級結構，三級結構再彼此結合就形成四級結構 （quaternary structure）。Zinc finger屬於超二級結構（super-secondary structures），有許多不同種胺基酸的排列皆可產生zinc finger，並依照zinc finger的3D結構形狀（three-dimensional structure）分成幾種類別，如：cys2his2、gag knuckle、treble clef finger、zinc ribbon及zn2/cys6等。

首先被科學家研究透徹，且為最典型的鋅手指構形是cys2his2，具有α螺旋及β摺板各一個，大約有23胺基酸排列形成手指形狀，此構形保護著由β摺板上的2個cysteines與α-helix的2個histidines所共同鍵結的一個鋅原子。Cys2his2蛋白質在真核生物中，為常見的轉錄調控因子（transcription factor），它以α-helix嵌入DNA雙股螺旋的大溝槽（major groove）中，由β摺板與DNA上的糖-磷酸骨架（sugar-phosphate backbone）交互作用，並以鋅原子穩固著整體的架構。Zinc finger較偏好DNA上GC鹼基較多的部分，因容易形成氫鍵穩定。

Gag knuckle則與cys2his2構造相似，有比較短的β髮夾（beta-hairpin）和較大的α螺旋。人類免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus, HIV）具有gag knuckle類的zinc finger蛋白質，治療後天免疫缺乏症候群（acquired immunodeficiency syndrome, AIDS）的部分藥物即是利用鋅手指抑制劑（zinc finger inhibitors）抑制HIV gag knuckle蛋白質的合成。 Continue reading →

為夢而吃：健康睡眠與飲食有關
國立中山大學生物科學系學士林怡文

編譯來源：賓州大學醫學院新聞

研究顯示，多樣化飲食者有更健康的睡眠

俗話說「人如其食」，吃什麽決定你成為什麽樣的人。但你知道嗎，吃什麼也決定你睡得好不好。

睡眠，就像營養攝取與運動，是維持健康的要素。隨著肥胖人口增加，睡眠研究者已著手探索體重增加與睡眠的關係。2013年1月，美國賓州大學醫學院發表於《食慾》（Appetite）期刊的內容，第一次指出，特定營養素可能扮演決定睡眠時間長短的關鍵角色，並且多樣化飲食者有更健康的睡眠。

儘管我們經驗上認知，睡眠和飲食有關，卻很少有科學家去探究兩者之間的關係，特別是從實際生活來研究。一般來說，我們知道那些每晚睡7到8小時的人，更可能擁有好的健康和生活品質，所以我們簡單的問一個問題「睡眠時間長、睡眠時間短和睡眠時間標準的人之間，是否有不同的飲食攝取？」
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定向演化（Directed evolution）
國立臺灣師範大學生命科學系研究助理鄭杏倩

定向演化（directed evolution）是改造蛋白質分子的一種有效策略，利用在活體外（in vitro）進行實驗，將帶有目標蛋白質的基因序列進行類似天擇的選汰作用（natural selection），使之獲得在自然天擇狀況下無法得到、且具有特殊功能的基因產物。此種操作技術主要應用於蛋白質工程（protein engineering）的實驗中。

實驗操作上，先建立起一個經過隨機（randomized）突變或是重新組合的基因庫（library），接著篩選（screen/selection）出可以轉錄/轉譯出所需要功能的蛋白質之基因序列。詳細的操作方式主要有以下三個步驟：

1. 多樣化（diversification）：利用error-prone PCR或是DNA shuffling…等方式將目標蛋白質的基因序列進行隨機的突變（點突變point mutation、插入insertion或是刪除deletion）或是重組（recombination），得到一個具有大量且多樣性高的基因庫。
2. 選汰（selection）：接著，將上述的基因庫中的突變體（mutant/variant）進行蛋白質表達。篩選的方式很多樣化，目的是要篩選出具有特定功能之基因序列，並同時刪除其餘的序列。
3. 放大（amplification）：將目標突變體基因放大並進行複製，並對該突變體進行研究。

以上三個步驟為一個單位，上一輪選出來的突變體被拿來進行下一輪實驗的DNA模板（template），經由重複幾輪的實驗後，得到具有良好功能基因。此技術常應用在protein-ligand binding、提高蛋白質穩定性以及修改酵素結構等研究領域，並且應用在癌症藥物開發、生質燃料（biofuel）轉換等議題上。 Continue reading →

啤酒花的妙用
臺灣大學科學教育發展中心陳藹然博士

啤酒花裡的苦味酸在釀造過程中加熱會變成異苦味酸，對糖尿病、某些癌症、發炎甚至對於減肥有幫助。(圖片來源：geograph.org.uk)

在炎熱的夏天來杯冰涼的啤酒，是許多人的最愛。啤酒獨特的香味和苦味來自於釀造過程中加入的啤酒花，這是因為啤酒花裡的苦味酸（humulones, α-lupulic acid)，在釀造過程中加熱會變成異苦味酸(Isohumulone)。研究顯示啤酒與其啤酒花酸對糖尿病、某些癌症、發炎甚至對於減肥有幫助。

對一般的釀酒師來說，他們大概不會在乎苦味酸的結構，但對醫藥研究的科學家而言，最新關於苦味酸精確結構的報導卻是顛覆了過去40年來的許多研究結果，並可能影響治療糖尿病、某些癌症以及其他疾病新藥的發展。

華盛頓大學的化學研究副教授韋納‧卡敏斯基 (Werner Kaminsky)，使用x-光結晶學決定啤酒花酸、苦味酸分子和一些其他衍生物的結構。苦味酸分子在釀造啤酒過程中由1個6碳環重排為5碳環，在釀造的最後，兩個側邊的基團可以同時在環的上方、下方或一上一下等4種方式排列。卡敏斯基告訴我們：「現在我們比較了解啤酒釀造過程中，苦味的啤酒花發生什麼事。」
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