2015年1月31日 星期六

蠍子也會斷尾求生...不過他們斷的不光是尾巴!

大家對壁虎的斷尾求生應該都很熟悉了,今年年初我們在打掃教室時,也有同學不小心嚇到一隻壁虎,於是他就弄斷了自己的尾巴。
這張照片可以看到壁虎尾巴的斷面。Photo credit:老葉
Photo credit:老葉
牠的斷尾扭曲了一陣子,顯然想引起我們的注意;而壁虎本尊則躲到附近的桌子下面,希望我們可以忘記牠。
Photo credit:老葉
除了這些爬蟲類以外,是否有其他的生物也會這樣的事呢?有些蜥蜴會的(如石龍子),陽燧足也會斷「手」求生,但是這些動物都是丟掉可以再生的部分來逃命,而且也不妨礙生存。

不過,阿根廷的研究團隊,最近發現一屬蝎子(Ananteris),在受到攻擊的時候,不只會丟掉尾巴,還會丟掉部分的腸子以及...牠的小菊花肛門。

會丟掉自己尾巴與腸子的蝎子。圖片來源:PLOS ONE
丟掉了腸子跟肛門,難道不會無法排泄嗎?答案是會的,在斷尾後二十五天,研究團隊看到牠的肚子因為無法排泄而擠得脹起來....我想牠一定可以體會便秘的痛苦....

斷尾後25天,蝎子的肚子因為無法排泄而發脹。
圖片來源:PLOS ONE

看到這裡,讀者可能想:難道牠不能再生尾巴與肛門嗎?答案是:不能!所以牠就要這樣一直便秘下去(嗚...好痛苦...)。

當然沒有任何生物可以在不排出廢物的狀態下活下去,這蝎子也不例外;研究團隊觀察,牠在斷尾後大約可以活八個月。妙的是,雖然這八個月都是處在便秘的狀態,但是卻還是可以交配...

參考文獻:

1.2015/1/30. Nicholas Weiler. When attacked, some scorpions discard their stinger—and their anus. Science Now.

2.Camilo I. Mattoni, Solimary García-Hernández, Ricardo Botero-Trujillo, José A. Ochoa, Andrés A. Ojanguren-Affilastro, Ricardo Pinto-da-Rocha, Lorenzo Prendini. Scorpion Sheds ‘Tail’ to Escape: Consequences and Implications of Autotomy in Scorpions (Buthidae: Ananteris). PLOS ONE. DOI: 10.1371/journal.pone.0116639

2015年1月30日 星期五

捐出您的粒線體,救救下一代!

不知道大家聽過粒線體移植(mitochondrial donation)嗎?有關於移植粒線體的技術,其實在2009年與2010年(1,2),已經發展成熟了。

由於粒線體有自己的基因,雖然只佔它需要的基因的百分之五,但這百分之五的基因並不出現在細胞核中;因此,如果粒線體基因出現缺損,這些缺損的基因也會遺傳到下一代。

在受精的時候,由於父親的精子僅有精核會進入卵子,因此粒線體的基因是純粹的母系遺傳;因此粒線體疾病(mitochondrial encephalomyopathy)也是純粹的母系遺傳。由於粒線體基因多半都與電子傳遞鏈(呼吸鏈,electron transport chain)有關,因此粒線體疾病也多半影響電子傳遞鏈的功能,也就是說,使得粒線體產生能量的功能出現問題。

當粒線體產生能量的能力變差了,細胞就不能得到足夠的能量供應;一般的細胞可能還好,但高耗能的組織(如神經組織)可就受不了了。於是,如Leber氏遺傳性視神經病變(Leber’s hereditary optic neuropathy,簡稱LHON),病人的視神經在十五歲到三十五歲之間便會失去功能。

而肌陣攣性癲癇和破碎紅纖維病(MERRF,myoclonic epilepsy and ragged-red fiber disease)影響的層面更大。由於缺損的粒線體基因負責產生攜帶賴氨酸(lysine)的轉移RNA(lysyl-transfer RNA,lysyl-tRNA),造成所有需要這個lysyl-tRNA的蛋白質都無法產生。病人會出現抽搐、肌無力等症狀,而且會越來越嚴重。

由於粒線體疾病為母系遺傳,過去便曾經提出粒線體疾病可以嘗試基因治療;但由於基因治療有它的風險存在,在幾個死亡案例出現後(而且還不是針對粒線體基因),基因治療便趨於沈寂。

但是,在2009與2010年發表的研究報告中,研究團隊們透過細胞核的移植,可以將帶有不正常粒線體基因的受精卵的核,移植到帶有正常粒線體的受精卵的細胞質中(如下圖a,細胞核已被剔除),這樣,既不改變爸爸媽媽的基因,卻也避免下一代產生粒線體疾病,豈不兩全其美?

「移植粒線體」的過程。圖片來源:Nature

聽起來當然很棒,而且根據估計,英國大約有2,473 名,美國有 12,423 名育齡婦女(介於 15 到 44 歲的女性)可能有粒線體疾病。這些育齡婦女平均每年會為英國增加152個寶寶,為美國增加778個寶寶。也就是說,這些小寶寶,如果沒有人捐贈粒線體(其實是捐卵),有可能得到粒線體疾病!

因此,英國紐卡斯爾大學的威康信託粒線體研究中心(Wellcome Trust Centre for Mitochondrial Research at Newcastle University)目前正在積極地推動英國修改「人類受精與胚胎學法案」(Human Fertilisation and Embryology Act)(3),如果成功,捐卵除了幫助某些不孕症患者之外,又有一個新用途了--捐出卵子中健康的粒線體!

參考文獻:

1.Tachibana M, Sparman M, Sritanaudomchai H, et al. Mitochondrial gene replacement in primate offspring and embryonicstem cells. Nature 2009;461:367-72.

2.Craven L, Tuppen HA, Greggains GD, et al. Pronuclear transfer in human embryos to prevent transmission of mitochondrialDNA disease. Nature 2010;465:82-5.

3.2015/1/29. Nearly 2,500 women could benefit from mitochondrial donation in UK. Science Daily.

2015年1月29日 星期四

ACE2:由單細胞而多細胞的關鍵?

我們用來發酵製作麵包的麵包酵母(baker's yeast,Saccharomyces cerevisiae)在細胞分裂後會成為一大一小,較小的子細胞(daughter cell)繼續連在母細胞上面,最後成為一群酵母菌。

麵包酵母。圖片來源:wiki

大家從中學而大學,對上面描述麵包酵母的「出芽生殖」應該已經聽習慣了;但是,最近來自美國、德國與英國的研究團隊發現,麵包酵母會形成這樣的群落,其實是來自於基因突變 -- 一個稱為ACE2的轉錄因子(transcription factor)失去功能後,便會使得麵包酵母形成群落。

圖片來源:Nature Communication(http://www.nature.com/ncomms/
2015/150120/ncomms7102/images_article/ncomms7102-f1.jpg)
如上圖c的右上,ACE2剔除(knockout)的麵包酵母,會形成群落;與左下原本就沒有ACE2的麵包酵母的型態是一樣的,都會形成群落。當研究團隊把有功能的ACE2基因送回麵包酵母後(右下),群落形成的樣子就看不到了。對照原本就帶有具有功能的ACE2麵包酵母(左上),可以看到都沒有群落形成。

由於群落中的麵包酵母在基因組成上都很相近,當有外在環境壓力時,他們都要一起面對。研究團隊認為,這可能是最終產生多細胞生物的一條可能的演化途徑。

參考文獻:

2015/1/29.How yeast go multicellular. Nature News.

William C. Ratcliff, Johnathon D. Fankhauser, David W. Rogers, Duncan Greig & Michael Travisano. 2015. Origins of multicellular evolvability in snowflake yeast. Nature Communications 6, Article number: 6102 doi:10.1038/ncomms7102.

2015年1月20日 星期二

胰島素(Insulin)是毒藥?

圖片來源:名偵探柯南第37集第七話
在「名偵探柯南」第37集第七話中,行兇的殺手使用了「降血糖藥」自殺。由於筆者不懂日文,不知道在原來日文版的柯南中,殺手是否使用的就是胰島素?

不過,最近猶他大學的科學家們發現了地紋芋螺(Conus geographus)以及鬱金香芋螺(Conus tulipa)真的使用胰島素來作為毒液的主要成分。

地紋芋螺。圖片來源:wiki
鬱金香芋螺。圖片來源:wiki

這兩種芋螺的毒液中有好幾種成分都與胰島素相似,其中Con-Ins G1和魚的胰島素最相像,但又不十分像;與魚類的胰島素相比,Con-Ins G1比較像是「精簡版」的魚類胰島素。科學家們認為,精簡掉的部分,正是可以讓魚類發現牠的胰島素分泌過多,而作出適當反應的部分。

其實,胰島素的「致命性」並不快,所以在整整82集的柯南以及柯南電影版中,「降血糖藥」也只使用了這麼一次(還是用來自殺)。那麼芋螺們的獵物中毒後又怎麼能被捕獲呢?難道不會在游開了以後,因為血糖漸漸降低,昏昏迷迷地漂流在水裡,然後被其他的掠食者捕獲嗎?

其實大部分的芋螺還是使用如芋螺毒素(Conotoxin)這類的神經毒,只有少數芋螺--這些芋螺使用mouth-netting 的方式(如下圖),把嘴巴張得大大的,當獵物游過時,它們使用神經毒與類胰島素合併的毒液,使獵物陷入昏迷後捕捉。到手以後,再以麻痺性的神經毒素徹底麻醉對手。

芋螺們的mouth-netting捕食法。
左邊的是地紋芋螺,右邊是鬱金香芋螺。
圖片來源:Science Daily

如果Con-Ins G1真的精簡掉了用來偵測胰島素過量的部分,未來對它的研究,對於胰島素如何作用也會有很大的幫助。

參考文獻:

David Shultz. 2015/1/19. Insulin-infused venom helps cone snails net prey.

2015/1/19. Predatory sea snails produce weaponized insulin. Science Daily.

2015年1月16日 星期五

未來測血糖可能只要貼個貼紙就好

糖尿病患每天都要測血糖(blood glucose),但測血糖需要用刺血針在指尖刺出一個洞來,對於有些怕痛的人來說,實在是一種酷刑。

血糖計與刺血針。圖片來源:wiki
筆者大學時也曾在實驗課做過這類的試驗,還記得一些怕痛的同學對這個測試恐懼得不得了,但最糟糕的是,越怕越容易失敗。刺下去沒有血、或是擠出來的血量不夠,又要重擠一次,這些都是常見的問題;雖然老師們都一副老神在在的樣子說,不用抽血已經是很大的進步了,但這個說法對怕痛的同學並不構成安慰。

後來有不少單位努力開發非侵入性的血糖偵測方式。例如Cygnus公司開發的GlucoWatch,使用反向離子電滲(reverse iontophoresis)技術,將組織液(interstitial fluid)中的葡萄糖帶到負極附近,然後再以感應器偵測。但是,由於使用者有不舒服的感覺,所以後來GlucoWatch就不再生產了。

最近,加大聖地牙哥分校的奈米工程系(Department of NanoEngineering, University of California, San Diego)發展了一個新技術,仍然是使用反向離子電滲技術,但由於使用的電流較低,應該可以解決使用者不適的問題(如下圖)。

圖片來源:Analytical Chemistry
這個貼紙使用銀/氯化銀電極,酵素偵測部分則是使用葡萄糖氧化酶(glucose oxidase)。經過試驗,大約在進食後15分鐘就可以開始偵測血糖,而且偵測的結果也相當準確。因為這貼紙很小,可以直接印出來,比其他非侵入性的偵測方式要便宜得多,或許將來可以取代現在的血糖計,對糖尿病患不啻為一種福音。

筆者覺得,如果未來可以用這貼紙,對於臨床的血糖偵測也會有很大的幫助。如葡萄糖耐受性試驗(glucose tolerance test),受試者需要在進食前、後各扎一針,有些甚至要扎五針(進食前、進食後半小時、一小時、一個半小時、二小時),對受試者來說相當的困擾,而醫檢師到最後也會面臨無血管可抽的問題,不得不在一些讓受試者更疼痛的地方下針;如果能貼個貼紙就好,不是很棒嗎?

參考資料:

Amay J. Bandodkar , Wenzhao Jia , Ceren Yardımcı , Xuan Wang , Julian Ramirez , and Joseph Wang. 2015. Tattoo-Based Noninvasive Glucose Monitoring: A Proof-of-Concept Study. Anal. Chem.87 (1):394–398.

2015年1月9日 星期五

粒線體(mitochondria)的DNA可以交換?

從國中(或許小學)生物開始,我們就知道粒線體是細胞的發電廠,有自己的DNA(下圖4),位於內膜(inner membrane)所圍起來的空間(基質,稱為matrix)裡。

粒線體。圖片來源:wiki
粒線體以二分裂法(fission)繁殖,但是在細胞中兩個(或更多)的粒線體也可以融合,形成長管狀的粒線體網絡(mitochondrial network)(1)。不過,不管是單獨的粒線體,或是粒線體網絡,大約很少有人想到:粒線體之間是否存在著DNA交換的問題?甚或是,細胞與細胞之間是否能交換粒線體DNA?

我們知道原核生物可以把體外的DNA吸收進來,成為自己的一部份,造成自己的性狀改變;這個過程稱為「轉型」(transformation),由Frederick Griffith在1928年於肺炎雙球菌(Streptococcus pneumoniae)的實驗裡觀察到。後來我們也知道,原核生物利用這個天賦來互通有無;尤其是在抗藥性基因。但是其他的DNA能交換嗎?對於細菌來說,還可以經過性毛(sex pili)來交換一部份的基因體DNA;就是這樣而已。

不過,在2015年1月發表於細胞代謝(Cell Metabolism)期刊上的一篇研究(2),足以讓我們重新想想「有規則就有例外」這句話。

紐西蘭的馬拉甘醫學研究所(Malaghan Institute of Medical Research)的研究團隊,在研究小鼠的乳癌時,意外地發現:癌症細胞在缺乏粒線體DNA的狀況下,可以從周圍健康的宿主細胞中獲取粒線體DNA。

圖片來源:Cell Metabolism
研究團隊將沒有粒線體DNA的小鼠乳癌細胞,注入健康的小鼠體內。由於這些細胞缺乏粒線體DNA,造成粒線體功能極度不良,只能依靠醣解作用(glycolysis)來產生能量,理論上應該會長得很慢才是。

但是,大約在一個月以後,研究團隊不僅看到原先注入癌細胞的部位長出了癌症,也在血液以及肺部發現了乳癌細胞。原先他們以為,這些癌細胞學會了如何在沒有粒線體的狀況下存活;但是,當他們在同事的建議下,測定這些跑到血液以及肺部的乳癌細胞的粒線體DNA時,卻發現:這些癌細胞裡面,有粒線體DNA的存在。而且,連位在注入部位的癌細胞(原位癌),都發現了粒線體DNA的存在。獲取粒線體DNA,使得這些癌細胞重新獲得進行細胞呼吸作用的能力。

研究團隊發現,這些癌細胞進行細胞呼吸作用的能力,與他們的「轉移程度」(筆者不大確定這個詞)有相關:原位癌最少,其次是血液中的癌細胞;而轉移到肺部的癌細胞,進行細胞呼吸作用的能力最好(雖然還不及原來的細胞)。

這個發現,除了讓我們認識到,原來真核細胞也可以交換粒線體DNA之外,另外也讓我們了解,原來癌細胞可以經由健康的宿主細胞獲取DNA之後,重新獲得快速生長以及轉移的能力。當然,小鼠與人之間容或有差異,但如果人的癌細胞也經由類似的機制獲取轉移的能力,未來可以針對這個機制,研發新的抗癌藥物。

參考文獻:

1. Bob Buchanan, Wilhelm Gruissem, Russell Jones. 2002. Biochemistry & Molecular Biology of Plants. Wiley.

2. An S. Tan, James W. Baty, Lan-Feng Dong, Ayenachew Bezawork-Geleta, Berwini Endaya, Jacob Goodwin, Martina Bajzikova, Jaromira Kovarova, Martin Peterka, Bing Yan, Elham Alizadeh Pesdar, Margarita Sobol, Anatolyj Filimonenko, Shani Stuart, Magdalena Vondrusova, Katarina Kluckova, Karishma Sachaphibulkij, Jakub Rohlena, Pavel Hozak, Jaroslav Truksa, David Eccles, Larisa M. Haupt, Lyn R. Griffiths, Jiri Neuzil, Michael V. Berridge. 2015. Mitochondrial Genome Acquisition Restores Respiratory Function and Tumorigenic Potential of Cancer Cells without Mitochondrial DNA. Cell Metabolism. 21(1):81–94.

2015年1月8日 星期四

2015年1月6日 星期二

藍綠菌(cyanobacteria)與地球

藍綠菌對地球上的生命有很大的影響。三十億年前,地球的大氣是幾乎不含氧氣的;直到藍綠菌出現,由於藍綠菌進行光合作用產生氧氣,最後使得地球上的大氣開始有氧。氧氣在大氣中的含量歷經幾次變動,最後終於維持目前的20%的濃度。

不過,從藍綠菌出現在地球,直到藍綠菌釋放的氧氣,對地球產生了決定的的影響(即所謂的「大氧化事件」Great Oxygenation Event),這段路程走了六億年。為什麼這麼久呢?

氧氣在地球上的濃度變化。下方橫軸是十億年,縱軸是
大氣中的氧氣濃度。圖片來源:wiki


過去科學家們認為,因為地球上有很多鐵(以質量來算,鐵是地球上含量最多的元素),在沒有氧氣的地球上,這些鐵是以元素態的形式存在;一旦氧氣開始出現,海中的鐵元素以及其他容易被氧化的有機物首先吸收了氧氣(如上圖的上方所顯示的第二階段)。等到海中的鐵元素與其他有機物被氧氣消耗殆盡後,氧氣開始釋放到大氣中,被陸地上的化合物吸收(第三階段)。等到陸地上的化合物也已經被氧氣消耗完了,大氣中的氧氣濃度便進入第二個階段的提升了。

看起來很有道理,不過筆者一直覺得,藍綠菌有需要花這麼多年(六億)的時間,才能讓地球上的鐵以及其他的有機物被氧化殆盡嗎?

最近圖賓根大學(Universitaet Tübingen)的研究團隊發現,為何藍綠菌花了這麼多時間的原因。

研究團隊在尋找如何使藍綠菌生長減緩時,發現高濃度的二價鐵(Fe2+)遇到氧氣時,會產生自由基(reactive oxygen)。自由基傷害了藍綠菌,使得藍綠菌進行光合作用的速度變慢,生長也減緩了。

而這些二價鐵又是從何而來呢?研究團隊認為,這些二價鐵是由海底火山從地函噴發出來的。在太古宙(Archaean)的沈積記錄中,有數次的海底火山爆發,而每次的海底火山爆發,伴隨著發生的就是元素態氧的消失。因此,研究團隊認為,高濃度的二價鐵遇到元素態氧時,會產生自由基,而這個自由基使得藍綠菌的生長減緩。

筆者看到這個研究結果就想到:原來這就是藍綠菌為什麼要花那麼久的時間,才能造成「大氧化事件」啊!大氧化事件使得當時地球上的許多厭氧生物都滅絕了,由於這些厭氧生物都是微生物,要留下化石記錄也非常困難,因此我們無法得知到底有多少微生物因此而滅絕了。不過,可以想見在二十四億年前消失的微生物一定非常多的;因此,筆者常跟學生說,或許真正的第一次大滅絕,並不是發生在奧陶紀-志留紀(約四億五千萬到四億四千萬年前),而是更早的成鐵紀(Siderian),也就是由眼睛看不到的生物--藍綠菌--所造成的大氧化事件呢!

第一次生物大滅絕的禍首是它--藍綠菌?
圖片來源:wiki

參考文獻:

Elizabeth D. Swanner, Aleksandra M. Mloszewska, Olaf A. Cirpka, Ronny Schoenberg, Kurt O. Konhauser & Andreas Kappler. 2015. Modulation of oxygen production in Archaean oceans by episodes of Fe(II) toxicity. Nature Geoscience. doi:10.1038/ngeo2327

黑熊吃螞蟻,然後?

生物之間的互動,有時真的很難看出來。

中學時代,大家都在課本裡面讀過許多例子;很有名的就是「雪兔」與「山貓」族群的消長;不過,這些例子都是非常經典的舉例,大部分自然界生物之間的互動,其實都不是那麼明顯。

最近,來自佛羅里達與科羅拉多的研究團隊,在研究螞蟻與角蟬(treehopper)之間的互動時,無意中觀察到美洲黑熊與螞蟻的互動,從而瞭解到美洲黑熊、螞蟻、與角蟬之間微妙的食物鏈。

美洲黑熊是雜食性的,牠的菜單中也包括螞蟻。他們會去挖掘蟻窩,吃掉裡面的幼蟲、蛹與螞蟻。在挖掘的過程中,黑熊對蟻窩造成不同程度的損壞;但是不論損壞程度大小,神奇的是,接下來植物(rabbitbrush)都長得更好了。

美洲黑熊(American Black Bear, Ursus americanus)。
圖片來源:wiki

角蟬,常見植物的害蟲(圖中為Ceresa taurina)。圖片來源:wiki
rabbitbrush (Chrysothamnus viscidiflorus)。圖片來源:wiki
為什麼黑熊挖掘蟻窩,卻會讓植物長得更好呢?研究團隊仔細探究的結果,發現:螞蟻為了要從角蟬與蚜蟲(aphids)得到植物的蜜汁,不僅會將這些蟲搬到植物上面,還會幫這些蟲趕走他們的掠食者(如瓢蟲)。如此一來,蚜蟲與角蟬得以繁衍,但植物就大失血了;大量的篩管汁液(phloem sap)被吸走,植物再怎樣努力進行光合作用都無法彌補這些損失。

當黑熊破壞蟻窩後,蚜蟲與角蟬失去了他們的保護神,於是牠們的掠食者便有機可乘,結果就是植物的害蟲大量減少,植物的養分不再流失,當然就長得好囉! 

所以,看似不相關的ㄧ個事件(黑熊挖蟻窩),卻對植物的生長造成影響,只能說,我們還需要對自然界了解更多!

參考文獻:

2015/1/5. Elizabeth Pennisi. An ant, a plant, and a bear, oh my. Science Now.

Joshua B. Grinath, Brian D. Inouye and Nora Underwood. 2014. Bears benefit plants via a cascade with both antagonistic and mutualistic interactions. Ecology Letters. DOI: 10.1111/ele.12396

2015年1月5日 星期一

雙殼貝也跳舞?

Ctenoides ales(圓櫛銼蛤)。圖片來源:wiki
圓櫛銼蛤(Ctenoides ales)這種雙殼貝,有個綽號叫做disco scallop(迪斯可貝)。莫非牠也會跳舞嗎?雙殼貝怎麼跳?難道牠也會「陀螺轉」嗎?

當然不是,圓櫛銼蛤根本不會跳舞。牠的綽號是來自於牠會發閃光,讓研究他的科學家覺得很像迪斯可舞廳的燈;目前所有的雙殼貝裡面,只有牠會發光。

但是,為什麼圓櫛銼蛤要發光呢?原本科學家以為,牠發光是要吸引其他的小生物過來,成為牠的食物;但最近的整合與比較生物學年會(Society for Integrative and Comparative Biology)中,來自加大柏克萊分校的研究團隊公佈了他們觀察的結論。

他們發現,圓櫛銼蛤發光的目的,是為了嚇跑要侵害牠的掠食者;當牠的掠食者靠近時,牠便會開始發出幾次閃光。同時,圓櫛銼蛤的腕足(lips)以及觸手(tentacles)上有硫,可能跟其他的雙殼貝一樣,再受到掠食者攻擊時,會「斷手逃生」--將含有硫酸的觸手丟給掠食者,當掠食者嚐到可怕的味道的時候,便會退卻。

想像掠食者就像小偷一樣,偷偷地向著圓櫛銼蛤前進,以為神不知「蛤」不覺...忽然,圓櫛銼蛤拿出「手電筒」對牠閃幾下,然後不死心的掠食者繼續攻擊,這時候圓櫛銼蛤開始丟東西(設計對白:變態!滾!)...

所以,圓櫛銼蛤發閃光不是為了要跳舞,牠也不會跳舞,但是會丟東西!

參考文獻:

Elizabeth Pennisi. 2015/1/5. 'Disco clam' lights up to scare predators away. Science Now.
Wikipedia. Ctenoides ales.