2021年4月16日 星期五

生殖的代價

 

圖片來源:維基百科

當媽媽容易嗎?常常聽過一句話「一孕傻三年」,最近對印度跳蟻(Harpegnathos saltator)的研究發現:要得到生殖能力,要犧牲的還真不少!

當印度跳蟻的蟻后死亡後,工蟻們就會開始打鬥來爭奪后位。這個打鬥可以延續好一段時間(長達數週),最後獲勝者(稱為gamergates)就會重獲生殖能力。

但是在重獲生殖能力的同時,獲勝者的大腦也會縮小20%。這個大腦縮小的變化,如果抑制她的生殖能力的話,她的大腦又會慢慢變回原來的大小。

對人來說,孕期會出現如自由回憶( free recall )、工作記憶( working memory )、與管控執行( executive function )與空間導航( spatial navigation )能力的些微衰退,但是認知功能( recognition function )卻出現小幅的增強。而這些衰退在產後會慢慢恢復。

也就是說,生殖真的是很消耗能量的事,還會影響我們的大腦呢!

參考文獻:

 Reversible plasticity in brain size, behaviour and physiology characterizes caste transitions in a socially flexible ant (Harpegnathos saltator)

2021年4月15日 星期四

洗衣膠囊(detergent pod)真的會完全溶解嗎?

 

圖片來源:維基百科

用過洗衣膠囊(detergent pod)嗎?根據維基百科的資料,洗衣膠囊在2012上市,是以聚乙烯醇(PVA,polyvinylalcohol)為外殼包著洗衣精,在洗衣服的時候丟一顆進去,接觸到水的時候外殼溶解,釋出裡面的洗衣精。

筆者過去從未使用過洗衣膠囊,但是最近因為網購,被贈送了一盒洗衣膠囊,試用了一下覺得還不錯。尤其對於困擾於「到底一桶衣服要用多少洗衣精」的消費者來說,洗衣膠囊應該是一種很方便的東西。

但是,外面的聚乙烯醇外殼是否真的會完全溶解嗎?根據筆者的觀察,至少不會有肉眼可見的殘留,但這並不代表什麼。最近在美國化學學會(ACS)的春季會議中,研究團隊發現,洗衣膠囊的PVA有4%直接被排放到水裡,另外有65%則在廢水處理時,透過淤泥沉澱被分離出來,最後落到掩埋場中、或用於農業土地、或者被焚化。

根據研究團隊的估計,在美國每年大約有七千噸的PVA並沒有被處理,就直接跑到水體中了。

之前曾聽過「洗衣球」,上網搜尋了一下,感覺洗衣球與洗衣膠囊是不一樣的東西;洗衣球的外殼似乎是不會溶解,所以會產生不少垃圾,因此曾被評為不環保。但現在看起來洗衣膠囊似乎也不太環保呢!可能還是認命地自己量洗衣精吧!

參考文獻:

Detergent pod polymers may be polluting the environment. C&EN.

2021年4月5日 星期一

紅髮者為何比較不怕痛?

 

圖片來源:維基百科

過去的研究發現,紅髮的人與紅色毛髮的老鼠對痛的耐受度比較高,同時對鴉片類麻醉劑的耐受度也較高;但並不清楚到底為什麼。

最近美國的研究以紅色毛髮的老鼠為研究模型所進行的研究發現,紅毛鼠與紅髮者的毛髮之所以是紅的,是因為一個稱為MC1R(melanocortin 1 receptor)的受器突變。

這個受器在黑色素細胞(melanocyte)表面。當它被促黑激素(melanocortins)活化時,黑色素細胞會開始產生黑色素。在紅髮者體內,因為這個受器無法被促黑激素活化,所以黑色素細胞只會產生紅色或黃色的色素;這也讓紅髮者比較不容易曬黑。

研究團隊研究紅色毛髮的老鼠發現,紅色毛髮的老鼠因為缺少這個受器,使牠們產生的「前腦啡黑細胞促素皮促素」(POMC,proopiomelanocortin)也比較少。POMC接著會被用來產生幾個不同的賀爾蒙,有些會使痛的敏感度上升,有些會使痛的耐受度上升。

雖然兩者會互相抵銷,但身體還會產生其他的賀爾蒙來提高對痛的耐受度,所以整體造成的效應就是紅髮者對痛的耐受度上升了。

參考文獻:

Kathleen C. Robinson, Lajos V. Kemény, Gillian L. Fell, Andrea L. Hermann, Jennifer Allouche, Weihua Ding, Ajay Yekkirala, Jennifer J. Hsiao, Mack Y. Su, Nicholas Theodosakis, Gabor Kozak, Yuichi Takeuchi, Shiqian Shen, Antal Berenyi, Jianren Mao, Clifford J. Woolf, David E. Fisher. Reduced MC4R signaling alters nociceptive thresholds associated with red hair. Science Advances, 2021; 7 (14): eabd1310 DOI: 10.1126/sciadv.abd1310

2021年4月2日 星期五

到底需要幾個基因來構成生物體?

 

圖片來源:Craig Venter Institute

2016年的研究中,J. Craig Venter Institute 的科學家們,建構了一個只有473個基因的生物體,可以存活下來。當時可說是「轟動武林,驚動萬教」的發現。

但是,這個被命名為JCVI-syn3.0的合成生物體還是存在著一些問題!最大的問題是,它在進行細胞分裂時,常常沒有辦法分裂成兩個一樣大的子細胞。這就代表,這個合成生物體還不是等同於自然界的生物。

所以,到底少了什麼呢?研究團隊把這個合成生物體跟它的祖先版本-含有901個基因的「JCVI-syn1.0」進行比較。畢竟,1.0版的細胞大小都差不多,也可以進行正常的細胞分裂,不會經常產生一大一小的兩個細胞。

於是研究團隊仔細檢查了從1.0到3.0中間的許多個不同的版本,發現其中一段DNA-稱為第六段(segment 6)-被去掉以後,細胞就開始出現不對稱分裂、並產生各種不同形狀的細胞了。這段DNA共含有76個基因,包括了ftsZ基因組。當研究團隊把這個基因組放回去3.0版本後,產生的新版本細胞(稱為3A)就可以產生大小一致的細胞了。

但是這個基因組總共含有19個基因。研究團隊認為,應該還可以再試著精簡一下這個新版本!首先,他們先把重複的基因組(3個基因)去掉,然後再把剩下的16個基因依照基因組(總共可分為8個基因組)一一轉入3.0版,轉入後再嘗試著將個別的基因剔除,看看到底還能從這16個基因裡面拿掉幾個基因。

結果發現,這16個基因中,有7個是不可以剔除的。一旦剔除了,細胞又沒辦法正常分裂了。這七個基因包括了ftsZsepF與一個未知功能的水解酶(hydrolase),另外還有四個未知功能的膜蛋白。也就是說,與3.0版本相比,只需要再加入7個基因,細胞就可以正常分裂了。

但是,這7個基因裡面的5個,到目前科學家們還是不知道它們的功能喔!所以,雖然隨著科技的進步,許多生物體(包括人類)的基因體都已經定序出來了,但還是有許多未知的領域等著大家去開拓!

參考文獻:

Cell, DOI: 10.1016/j.cell.2021.03.008

2021年3月30日 星期二

章魚(octupus)也作夢嗎?

 

圖片來源:維基百科

人的睡眠分成速動眼睡眠(REM,rapid eye movement)與非速動眼睡眠兩個時期。研究顯示鳥類的睡眠也有這兩個時期,可能爬蟲類也有。最近的研究發現,章魚的睡眠也有這兩個時期。

研究人員觀察四頭圈養的Octopus insularis,發現這種章魚的睡眠循環每30-40分鐘重複一次,每次包括了約40秒左右的活性期(active stage)與長長的靜止期(quiet stage)。

在靜止期中,章魚的皮膚蒼白、瞳孔變窄。 牠們大多靜止不動,有時它們的吸盤和觸手尖端會緩慢地移動。 但是在活性期中,牠們的皮膚顏色變深、變硬。 眼睛移動,吸盤和身體抽搐。

由於人類通常在速動眼期作夢,這個發現是否意味著章魚也會作夢呢?研究團隊說,除非他們有辦法把電極貼在章魚的大腦上--但是章魚的大腦只包括了三分之一的神經元--否則他們無法確認章魚是否在這短短數十秒的活性期中有作夢。

章魚被認為是無脊椎動物中最聰明的生物。牠們有高度複雜的神經系統,並不都由大腦主控。

參考文獻:

Cyclic alternation of quiet and active sleep states in the octopus. iScience.

2021年3月26日 星期五

人腦為什麼能長得那麼大?

 

猩猩的大腦(左)與人的大腦(右)。圖片來源:Livescience

雖然腦子的大小與聰明才智並不直接相關,但單單比較大小,人腦是猩猩的三倍;就算比較腦與體重的質量比,人腦也是猩猩的兩倍。另外,科學家也發現,把人與猩猩的腦細胞做培養,讓它們先回復到幹細胞的狀態,再進行再分化形成腦組織時,人腦還是可以長得比猩猩大得多。

到底是什麼控制這個現象呢?最近的研究發現,有個稱為ZEB2的基因,在猩猩的大腦發育早期就開始表現,是這個基因,讓猩猩的腦神經細胞開始發生型態上的改變並停止分裂。這使得猩猩的大腦無法長得像人那麼大。人腦中的這個基因在較晚才會啟動,使人的大腦細胞可以先進行多次分裂,讓人的大腦可以長到有猩猩的兩倍大。

參考文獻:

Cell. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.02.050

2021年3月24日 星期三

六碳糖激酶2(hexokinase 2)的SUMO化與它的致癌性

 

圖片來源:維基百科

許多癌細胞主要的能量來源來自於醣解作用(glycolysis)而非電子傳遞鏈,這個現象稱為瓦氏效應(Warburg effect)。在醣解作用中,第一個酵素-六碳糖激酶(hexokinase,HK)非常重要:它不僅是醣解作用的第一個速率限制步驟,還擔負了把葡萄糖(glucose,哺乳動物主要的能量來源)留在細胞裡的功能。接著這個已由葡萄糖被轉化為葡萄糖 6-磷酸(glucose 6-phosphate)的化合物,究竟是要繼續走完醣解作用或是轉入五碳糖磷酸途徑等其他代謝途徑,就要看細胞的需求。

人體一共有五個六碳糖激酶,其中HK1在許多組織中都有廣泛表現、HK3與HK5的功能未知、HK4只表現在肝臟與胰腺中,對葡萄糖專一性高,又被稱為葡萄糖激酶(glucokinase)。至於HK2則表現於胚胎組織與惡性腫瘤中。過去的研究發現,HK2會跟粒線體(mitochondria)外膜結合,而這個結合與HK2的致癌性有關。

最近的研究發現,HK2會被一種稱為「小分子類泛素修飾蛋白(SUMO,Small Ubiquitin-like Modifier)」在第315與第492個胺基酸(都是離胺酸)給修飾,而無法被SUMO化的HK2則會與粒線體結合,並使得細胞消耗更多的葡萄糖、產生更多乳酸(發酵作用的產物)、進行更少的電子傳遞鏈。在實驗中,當HK2無法被SUMO化時,攝護腺癌細胞的增生增加,且對化療藥劑所導致的細胞凋亡有保護作用(也就是說,它們可以抵抗這些化療藥劑)。

過去已經發現,將HK2給剔除可以降低癌變發生,對細胞本身也沒有什麼害處。這次的發現,開啟了一個新的途徑。研究團隊也發現在細胞中負責替HK1去SUMO化的酵素為SENP1,如果能在癌細胞中抑制這個酵素,或許可以降低癌細胞的惡性程度,或者也可以讓化療藥物更加有效,達成治療癌症的目的。

參考文獻:

Shangguan, X., He, J., Ma, Z. et al. SUMOylation controls the binding of hexokinase 2 to mitochondria and protects against prostate cancer tumorigenesis. Nat Commun 12, 1812 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-22163-7

2021年3月10日 星期三

斷尾求生不稀奇,切頭求生才是極致!

 

圖片來源:Sayaka Mitoh.

所謂的「自割」(autotomy)指得是動物在緊急的時候,會捨棄自己的一部分身體,以獲取個體的生存的一種現象。自割的能力散見於不同動物之間,大家最熟悉的應該是蜥蜴的斷尾求生。最近也有研究者發現,美國短吻鱷的尾巴在被截斷以後可以再生,但這應該不能算是自割現象,畢竟鱷魚不會在被掠食者追逐的時候自行斷尾。

最近發表在《當代生物學》(Current Biology)上的研究發現了「斷尾求生」的極致。屬於囊舌總目(Sacoglossa)的海蛞蝓(seaslug)如 Elysia marginata 與 Elysia atroviridis,在身體被寄生蟲感染後,會把頭與身體從脖子的位置分割開來(分割過程中可以很清楚地看見一條溝,請參考下方影片)、拋棄絕大部分的身體(包括心臟),再重新長出一個身體!切割開的頭部傷口在一天內會閉合,並在數小時內開始進食。非常厲害的是,頭在七天內會重新長出一個心臟,並在20天內完成新身體的生長。不過,這個能力僅限於比較年輕(介於孵化後226-336天之間)的海蛞蝓,如果是比較老的個體(480-520天),則在自割後頭部無法進食、也無法長出身體,而在十天內死亡。(下方影片來自Current Biology)


至於說分割下來的身體呢?可以想見的,因為這樣的自割現象是出現在身體遭受寄生蟲感染之後,所以分割下來的身體並無法重新長出一顆頭,而是慢慢地萎縮、分解(雖然心臟在萎縮分解前,還是持續地在跳動)。

這類的海蛞蝓在過去也被發現,當他們進食藻類時,可將藻類的葉綠體(chloroplast)完整地融合到自己的細胞內,並讓這些葉綠體進行光合作用、產生產物為自己所用(最著名的例子為綠葉海天牛 Elysia chlorotica)。這次的發現,讓我們發現這個生物還真的是多才多藝呢!

參考文獻:

Extreme autotomy and whole-body regeneration in photosynthetic sea slugs. Current Biology. https://doi.org/10.1016/j.cub.2021.01.014

2021年3月6日 星期六

為什麼減肥減不掉鮪魚肚?

 

圖片來源:Harvard University

減肥可說是全民運動。沒有減過肥的人大概是稀有動物吧!但是只要減過肥,應該就會發現「鮪魚肚」(fat belly)好難減!

最近雪梨大學以老鼠為模式的研究發現,在「隔天斷食」的減肥法時,我們的內臟脂肪(visceral fat)與皮下脂肪(subcutaneous fat)的基因表現會出現劇烈的改變,進入「保存模式」(preservation mode),減少脂肪的分解。更糟糕的事情是,在我們恢復進食的那一天裡,這些部位的脂肪還會加速脂肪的累積!

研究團隊研究了八千五百個基因的表現,最後得到這個結論。當然,如果採用其他方式的節食減肥法(如目前較盛行的每週斷食兩天),可能結果會不一樣。

所以,也就難怪光節食沒辦法減掉鮪魚肚了!一定要配合運動喔!

參考文獻:

Dylan J. Harney, Michelle Cielesh, Renee Chu, Kristen C. Cooke, David E. James, Jacqueline Stöckli, Mark Larance. Proteomics analysis of adipose depots after intermittent fasting reveals visceral fat preservation mechanisms. Cell Reports, 2021; 34 (9): 108804 DOI: 10.1016/j.celrep.2021.108804

2021年3月2日 星期二

給蠶寶寶吃奈米纖維素來提升蠶絲強度

 

圖片來源:維基百科

蠶寶寶是蠶蛾(Bombyx mori)的幼蟲,在織繭的時候產生的蠶絲是很重要的天然纖維。考古發現中國大約在五千年前便已馴化蠶蛾,但詳細的地點未知。

最近日本東北大學的研究發現,餵食蠶寶寶奈米纖維素(CNF,cellulose nanofiber),可以提升蠶絲的強度到兩倍。因為蠶絲甚至可應用於人體內,所以提升它的強度可讓蠶絲的應用更廣泛。

由於奈米纖維素就是以植物為原料產生,所以這是一種相對環保的添加物。

參考文獻:

Chen Wu, Satoshi Egawa, Teruyoshi Kanno, Hiroki Kurita, Zhenjin Wang, Eiji Iida, Fumio Narita. Nanocellulose reinforced silkworm silk fibers for application to biodegradable polymers. Materials & Design, 2021; 202: 109537 DOI: 10.1016/j.matdes.2021.109537

2021年1月28日 星期四

豬打哈欠會傳染

 

圖片來源:維基百科

打哈欠傳染(yawn contagion)被認為是一種社會行為,只有進化程度較高的動物才會有這種能力。

為了要瞭解豬是否具有這種能力,研究團隊在2018年的六月到十一月,針對104頭放養的年輕與成年豬錄影,記錄他們是否有打哈欠傳染的能力。

記錄的標準是觀察當有豬打哈欠時,三分鐘之內是否有其他的豬也跟著打哈欠;而這隻豬距離打哈欠的豬有多遠,也被測量下來。

結果發現,公豬打哈欠的傳染力比較高;年長的豬比較容易出現哈欠傳染的現象;一公尺以內的近距離傳染力比較強;同父同母的兄弟姐妹之間傳染力也比較強。

由此可知,打哈欠傳染的確是一種社會行為,而豬也的確有哈欠傳染的現象。

參考文獻:

Norscia, I., Coco, E., Robino, C. et al. Yawn contagion in domestic pigs (Sus scrofa). Sci Rep 11, 1851 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-020-80545-1

2021年1月25日 星期一

切葉蟻的農藥:attinimicin

 

圖片來源:C&EN

生活在南美洲的切葉蟻(leaf-cutter ants)不但會種田,也會用農藥。牠們把植物的葉片切碎,種上真菌。為了避免食物(真菌)被有害的真菌(Escovopsis spp.)感染,這些切葉蟻與另一種真菌(Pseudonocardia spp.)形成共生關係。共生真菌提供給切葉蟻牠們所需要的抗真菌劑,而切葉蟻提供給共生真菌它們所需要的養分。

過去許多研究團隊都試著找出,到底共生真菌提供給切葉蟻什麼抗真菌劑,但不同的研究團隊得到不同的分子。最近的一項研究分析了許多不同區域的切葉蟻的蟻窩後發現了一個全新的化合物:attinimicin。

大約三分之二的共生真菌都會產生attinimicin,它是個多肽的抗生素。Attinimicin的結構複雜,目前的試驗已經發現可抑制小鼠的白色念珠菌(Candida albicans)感染。

參考文獻:

Specialized Metabolites Reveal Evolutionary History and Geographic Dispersion of a Multilateral Symbiosis Taise T. H. Fukuda, Eric J. N. Helfrich, Emily Mevers, Weilan G. P. Melo, Ethan B. Van Arnam, David R. Andes, Cameron R. Currie, Monica T. Pupo, and Jon Clardy ACS Central Science Article ASAP DOI: 10.1021/acscentsci.0c00978

2021年1月16日 星期六

會做無本生意的長尾獼猴(Macaca fascicularis)

 

圖片來源:維基百科

台灣柴山以及中山大學的台灣獼猴會搶食物,甚至有讓人受傷的例子。但是跟牠們在巴厘島上的親戚長尾獼猴(Macaca fascicularis,食蟹獼猴)比起來,台灣獼猴可差多了。巴厘島上的長尾獼猴會做無本生意。牠們會搶走遊客的眼鏡、手機甚至皮夾,再向遊客索取「贖金」。

科學家們在當地進行了273天的研究發現,這些猴子不但會搶遊客的東西,牠們還瞭解這些東西的價值。這些猴子從小跟其他的年長猴子學習,瞭解不同的東西有不同的價值;通常要到四歲左右,猴子們才能充分瞭解這些東西(人類的所有物)能換來多少食物。

當搶到比較沒有價值的東西時,猴子們會接受以較少的食物來換回物品。研究團隊認為,這個行為系統在當地的猴界可能至少已經流傳了30年。研究人員記錄到最長的時間是花了17分鐘與人類討價還價。

猴子跟人類搶東西並不是新聞。除了在台灣會搶人類食物的台灣獼猴,在世界的其他地方也時有所聞,甚至曾有猴子搶走採血樣本的例子。但是與其他物種(人類)建立以貨易貨的系統,這應該是第一例。

參考文獻:

Bali’s thieving monkeys can spot high-value items to ransom. The Gardian.

2021年1月11日 星期一

同卵雙生的雙胞胎(monozygotic twin)真的是一模一樣嗎?

圖片來源:維基百科

大家一直都以為同卵雙生的雙胞胎(monozygotic twin)一定是一模一樣的,但是最近針對381對同卵雙生以及兩對同卵三生進行的研究發現,平均每對雙胞胎有5.2個不同之處,而在所有的雙(三)胞胎中,大約有15%是可說有明顯差異的。

這些不同之處發生在合子分開後各自的胚胎進行細胞分裂時。有些同卵雙生的雙胞胎有數千個突變,也有的雙胞胎真的是一模一樣。其實同卵雙生的雙胞胎不一定是一模一樣的,這個結論對於某些家中有同卵雙生雙胞胎的家長們應該已經意識到了:畢竟有些家長們會發現其中一個雙胞胎一出生就多了一個痣,或是從小個性就不是很相像等等。

過去因為認為同卵雙生雙胞胎一定是一模一樣的,使得所謂的「雙胞胎研究」成為許多研究上的熱門議題。畢竟研究某個特定的因子對雙胞胎的影響,在他/她們的基因是一模一樣的前提下,可以先剔除遺傳的原因,將實驗結果歸因於環境影響。

這篇研究提醒了大家,雖然真的有一模一樣的同卵雙生雙胞胎,但也有相差很多(數千個突變)的;所以未來在進行雙胞胎研究時,可能要把這個因素考慮進去--或許得先分析他/她們的基因體,剔除掉那些突變太多的個體?這樣聽起來,雙胞胎研究是不是就不那麼棒了?

參考文獻:

Jonsson, H., Magnusdottir, E., Eggertsson, H.P. et al. Differences between germline genomes of monozygotic twins. Nat Genet 53, 27–34 (2021). https://doi.org/10.1038/s41588-020-00755-1

2021年1月6日 星期三

膽固醇運送蛋白ABCA13可能與思覺失調症(schizophrenia)有關

 

思覺失調症患者所製作的刺繡。圖片來源:維基百科

思覺失調症(schizophrenia)是精神疾病的一種。其特徵為患者出現語言混亂、異常行為,以及不能理解什麼是真實的。其成因包括環境因子及遺傳變異,世界人口中約0.3-0.7%在其一生中受思覺失調症所影響。據估計,思覺失調症的遺傳度為80%。目前已知許多基因與思覺失調症有關,約5%的思覺失調症個案可部分歸因於罕見的拷貝數變異,包括22q11、1q21以及16p11。該些罕見的拷貝數變異會使個體發展思覺失調症的機會增加最多20倍,當事人亦常伴發自閉症和智能障礙。

最近發表的一篇研究發現,負責運送膽固醇(cholesterol)進細胞的蛋白質ABCA13可能也與思覺失調症有關。這個蛋白質屬於所謂的ABC(ATP-binding cassette)蛋白家族的一員,可加速膽固醇攝入細胞的速度。

研究團隊發現,剔除ABCA13基因的小鼠,在「驚嚇反應及預脈衝抑制試驗」(startle response and prepulse inhibition test)的測試中出現不正常的結果。這個試驗是先給予聲音刺激,再給一個更大的刺激來驚嚇小鼠。通常先給予的刺激可以降低接下來更強的刺激所帶來的驚嚇反應,但研究團隊發現,對於缺乏ABCA13基因的小鼠,先給予的刺激並不能降低接下來更強的刺激所帶來的驚嚇反應。

研究這些小鼠的腦發現,缺乏ABCA13基因的小鼠,其神經末稍的囊泡中沒有膽固醇累積。由於神經末稍的囊泡對傳遞神經訊息很重要,所以研究團隊認為這可能是導致小鼠的神經系統認知功能不正常的原因。

在人類的思覺失調症患者中,有些人在這個基因也有突變,造成該基因無法被定位到囊泡中。究竟這個基因對思覺失調的影響有多大,還需要進一步的研究來證明。

參考文獻:

Mitsuhiro Nakato, Naoko Shiranaga, Maiko Tomioka, Hitomi Watanabe, Junko Kurisu, Mineko Kengaku, Naoko Komura, Hiromune Ando, Yasuhisa Kimura, Noriyuki Kioka, Kazumitsu Ueda. ABCA13 dysfunction associated with psychiatric disorders causes impaired cholesterol trafficking. Journal of Biological Chemistry, 2020; jbc.RA120.015997 DOI: 10.1074/jbc.RA120.015997