先 天 與 後 天 的 魔 幻 雙 人 舞 : 未 來, 尚 未 決 定 好 第 五 講 : 特 稿 楊 偉 勛 教 授 轉 摘 於 http://case.ntu.edu.tw/blog/?p=11914 科 學 教 育 中 心 採 訪 / 撰 文 林 欣 怡 圖 片 來 源 :Tom Merton Getty Images 從 遺 傳 學 歷 史 與 不 同 學 科 結 合 到 在 臨 床 醫 學 上 的 應 用 28
本 期 CASE 以 基 因 遺 傳 與 造 化 為 主 題, 邀 請 專 精 於 基 因 遺 傳 疾 病 研 究 的 臺 大 臨 床 醫 學 研 究 所 教 授 楊 偉 勛 老 師 擔 任 總 召 集 人, 規 劃 了 總 共 八 場 的 講 座 在 楊 偉 勛 教 授 的 悉 心 安 排 之 下, 八 場 講 座 各 有 不 同 的 主 題, 前 後 又 有 承 繼 關 係, 務 使 與 會 者 能 在 參 與 之 後, 領 略 基 因 與 遺 傳 學 研 究 的 整 體 面 貌 楊 偉 勛 教 授 在 第 一 講 的 綜 觀 基 因 與 遺 傳 之 中 先 談 遺 傳 的 基 本 原 則, 並 回 歸 遺 傳 學 的 演 化 與 發 結 第 二 講 則 是 介 紹 基 因 結 構 以 及 如 何 檢 測 基 因 變 異, 著 重 的 是 基 因 的 生 物 化 學 物 質 基 礎 第 三 講 安 排 數 學 專 家 陳 秀 熙 教 授 來 談 數 學 法 則 如 何 應 用 於 遺 傳 學 之 中, 一 般 而 言 生 物 學 科 與 數 學 的 相 關 性 相 對 較 弱, 但 遺 傳 學 卻 是 例 外, 它 是 生 物 學 門 中 唯 一 需 要 大 量 應 用 數 學 的 學 科, 尤 其 在 針 對 基 因 序 列 的 研 究 上, 數 學 的 運 用 愈 形 重 要, 因 此 第 三 講 旨 在 強 調 數 學 與 遺 傳 學 結 合 的 研 究 進 路 第 四 講 則 是 邀 請 到 臺 大 生 命 科 學 系 的 教 授 吳 益 群 談 如 何 以 蟲 為 師, 透 過 了 解 生 物 特 定 的 基 因 模 式, 從 果 蠅 的 演 化 來 探 討 遺 傳 的 基 本 法 則, 並 延 伸 到 這 些 法 則 如 何 解 碼 人 類 疾 病 因 由 八 場 講 座 至 此 已 進 展 一 半, 今 天 楊 偉 勛 教 授 繼 在 第 一 講 以 綜 觀 基 因 與 遺 傳 為 題 並 總 起 本 期 八 次 講 座 的 主 軸 之 後, 本 次 再 度 擔 任 第 五 場 講 座 講 者, 作 為 承 前 啟 後 的 講 者, 楊 教 授 本 次 講 述 以 後 天 克 服 先 天, 探 討 先 天 基 因 與 後 天 環 境 中 間 的 交 互 作 用, 也 為 本 期 講 座 最 後 兩 場 偏 向 臨 床 應 用 的 講 座 起 了 開 頭, 讓 大 家 在 了 解 多 基 因 疾 病 概 念 之 後, 進 一 步 認 識 所 謂 個 人 化 的 醫 療 如 何 在 未 來 變 成 可 能, 又 將 對 人 類 健 康 管 理 產 生 多 麼 重 大 的 影 響 因 為 每 個 人 所 帶 的 基 因 不 同, 所 好 發 的 基 因 相 關 疾 病 就 會 有 所 差 異, 如 能 建 立 個 人 化 的 醫 療, 讓 醫 生 掌 握 到 個 別 病 人 的 疾 病 分 佈, 在 診 斷 治 療 時 就 能 避 免 誤 診, 也 能 給 予 適 當 的 診 療 方 式 事 實 上 本 講 座 的 最 後 一 場 扭 轉 宿 命 的 基 因 細 胞 治 療, 要 談 的 就 是 基 因 與 細 胞 之 間 的 關 係, 以 及 如 何 把 遺 傳 學 的 研 究 成 果 集 大 成 回 饋 到 人 類 的 疾 病 治 療, 應 用 在 臨 床 醫 學 實 際 運 作 過 程 中, 這 就 是 本 期 講 座 的 整 體 規 劃 29
錯 過 了 前 幾 場 講 座 的 朋 友 如 想 對 本 期 講 座 有 更 完 整 的 認 識, 可 以 直 接 上 Youtube 網 站, 前 幾 場 講 座 的 影 片 都 已 經 放 上 Youtube 分 享 網 站, 也 希 望 對 這 個 議 題 有 興 趣 的 朋 友 可 以 多 加 肯 定 並 推 廣 講 座 影 片, 讓 本 期 講 座 造 福 更 多 聽 眾 從 豌 豆 到 人 類 : 從 單 基 因 到 多 基 因 遺 傳 學 奠 基 在 孟 德 爾 透 過 豌 豆 實 驗 所 觀 察 到 的 遺 傳 定 律, 如 同 中 學 生 物 課 堂 中 所 學 到 的, 其 中 基 因 型 與 表 現 型 之 間 的 關 聯 是 明 確 而 單 純 的,Yy 的 顯 性 與 隱 性 基 因 組 合 就 會 出 現 顯 性 表 現 型, yy 的 隱 性 基 因 組 合 則 會 出 現 隱 性 表 現 型, 基 因 所 控 制 的 表 現 型 非 黑 即 白, 單 一 基 因 染 色 體 控 制 單 一 表 現 型 變 化, 甚 至 連 機 率 也 相 當 穩 定 在 孟 德 爾 建 立 了 遺 傳 第 一 及 第 二 定 律 之 後, 直 到 20 世 紀 初, 科 學 家 才 對 細 胞 生 物 學 有 所 了 解, 並 在 顯 微 鏡 下 看 到 染 色 體 如 何 進 行 減 數 分 裂, 產 生 精 子 與 卵 子, 過 程 中 將 原 本 成 組 的 染 色 體 減 半, 就 如 同 孟 德 爾 用 大 Y 小 y 去 進 行 基 因 減 半 與 重 新 配 對 而 要 直 到 1910 年, 湯 瑪 斯. 摩 根 (Thomas Morgan) 透 過 果 蠅 育 種 研 究 才 證 明 表 現 型 與 染 色 體 之 間 的 關 係, 確 認 了 果 蠅 的 眼 睛 顏 色 性 別 生 殖 能 力 等 等 分 別 分 布 於 在 哪 些 染 色 體 上, 進 一 步 建 立 了 染 色 體 學 說 然 而 發 展 至 今, 今 天 的 遺 傳 學 說 和 孟 德 爾 是 否 已 有 所 不 同 了 呢? 我 們 今 天 不 再 用 孟 德 爾 的 大 Y 小 y 去 指 稱 基 因, 而 是 用 染 色 體 DNA 的 序 列 去 代 替 雖 然 基 因 內 在 的 運 作 方 式 仍 然 如 孟 德 爾 所 指 出 的, 某 一 號 的 DNA 會 決 定 特 定 的 表 現 型 或 性 徵, 但 當 遺 傳 定 律 運 用 到 複 雜 的 生 物 如 人 類 身 上 的 時 候, 就 不 見 得 是 一 個 基 因 對 等 於 某 一 項 表 現 型, 這 麼 單 一 而 單 純 的 結 構 了 由 於 人 類 的 生 理 結 構 與 運 作 比 豌 豆 複 雜 許 多, 雖 然 亦 有 性 狀 或 疾 病 是 由 單 一 基 因 所 控 制 影 響, 卻 有 更 多 是 所 謂 的 多 基 因 遺 傳 性 疾 病 30
相 對 的, 多 基 因 的 疾 病 如 癌 症 糖 尿 病 等 等, 雖 然 受 到 遺 傳 基 因 影 響, 但 影 響 該 疾 病 的 基 因 相 當 多 元, 可 能 每 一 個 基 因 的 影 響 力 只 有 5% 左 右, 所 以 單 一 基 因 的 突 變 不 會 造 成 全 面 性 的 影 響, 在 這 種 情 況 之 下, 外 在 環 境 因 素 的 影 響 相 對 就 會 大 上 許 多 這 也 就 是 為 什 麼 楊 偉 勛 教 授 會 提 出 以 後 天 克 服 先 天 這 樣 一 個 看 似 聳 動 的 主 題, 他 並 非 要 提 供 用 後 天 克 服 先 天 的 靈 丹 妙 藥, 而 是 要 談 基 因 跟 環 境 之 間 複 雜 的 交 互 作 用, 強 調 最 後 的 結 果 事 實 上 是 由 先 天 與 後 天 共 同 決 定, 側 重 大 家 所 比 較 未 曾 接 觸 到 的 面 向, 就 是 後 天 環 境 如 何 改 變 基 因, 使 基 因 帶 有 不 同 的 個 性 閾 值 概 念 穿 透 率 (penetrance) 與 表 現 力 (expressivity) 19 世 紀 晚 期,Francis Galton 首 度 發 現 人 類 可 測 量 的 性 狀 特 徵 是 可 遺 傳 的, 並 發 現 人 類 的 性 狀 表 現 型 往 往 有 連 續 性 的 特 徵, 而 非 如 孟 德 爾 實 驗 中 的 二 元 對 立, 非 此 即 彼 發 現 親 代 會 影 響 後 代 的 性 狀 特 徵 之 後,Francis Galton 也 成 為 首 度 提 出 先 天 與 後 天 議 題 的 科 學 家 他 歸 納 出 的 結 論 即 是, 人 類 有 許 多 重 要 的 特 性, 如 IQ 身 高 體 重 等 等, 都 不 是 截 然 二 分, 如 從 聰 明 到 愚 笨 之 間 是 一 個 連 續 性 的 常 態 分 布 而 人 類 的 某 些 特 質 確 實 有 遺 傳 的 特 性, 但 並 非 以 有 和 沒 有 即 能 概 括 然 而,FrancisF i Galton 提 出 先 天 與 後 天 的 議 題 之 後, 致 力 在 貴 族 血 統 的 優 生 學, 討 論 如 何 讓 貴 族 生 出 更 聰 明 的 後 代, 為 後 來 的 納 粹 等 激 進 的 民 族 主 義 提 供 了 可 怕 的 科 學 基 礎 在 Ronald Fisher 將 孟 德 爾 和 Francis Galton 所 提 出 的 遺 傳 理 論 統 合 之 後, 其 助 理 Douglas Falconer 進 一 步 提 出 了 閾 值 (threshold) 的 概 念, 為 非 連 續 型 性 狀 之 多 基 因 性 狀 建 立 了 很 好 的 說 明 模 式 從 Francis Galton 的 理 論 中, 我 們 已 經 清 楚 的 看 到 人 類 的 連 續 性 性 狀 呈 現 常 態 分 布 然 而 在 人 類 的 性 狀 之 中, 也 有 非 連 續 性, 有 就 是 有 沒 有 就 是 沒 有 的 性 狀, 如 兔 脣 裂 顎 等 等 那 麼 該 如 何 解 釋 這 些 非 連 續 性 性 狀 時, 閾 值 概 念 就 顯 得 重 要 在 Douglas Falconer 建 立 的 解 釋 模 式 中, 這 些 性 狀 乃 由 多 基 因 所 控 制, 而 當 多 元 基 因 的 總 劑 量, 亦 即 不 同 基 因 所 貢 獻 的 成 分 數 量 超 過 一 個 門 檻 後, 就 會 使 出 該 性 狀 表 現 出 來, 形 成 發 育 正 常 或 失 誤 的 差 異 31
閾 值 理 論 提 供 了 很 好 的 預 測 模 型, 只 要 掌 握 到 哪 些 基 因 會 促 成 有 問 題 的 性 狀, 再 了 解 該 家 族 的 病 史, 就 可 以 估 計 出 後 代 發 病 的 機 率 比 如 若 有 一 孩 童 有 兔 脣, 就 表 示 他 家 族 中 的 相 關 基 因 劑 量 偏 高, 該 家 族 得 兔 脣 的 分 布 曲 線 就 會 比 正 常 曲 線 再 往 右 移, 也 就 是 表 示 家 族 中 的 兔 脣 突 變 機 率 比 一 般 人 口 高, 約 會 從 1% 提 高 到 4% 左 右 這 樣 的 模 式 與 估 算 出 的 機 率, 與 孟 德 爾 所 研 究 的 單 基 因 性 狀 就 完 不 同, 在 孟 德 爾 的 單 基 因 性 狀 中 機 率 就 是 明 確 的 1/2 1/4 等 等 而 某 一 特 定 性 徵 表 現 出 來 的 機 率 又 稱 為 穿 透 率, 在 多 基 因 的 狀 況 下, 可 能 帶 些 某 基 因 就 有 10% 穿 透 率, 但 帶 有 該 基 因 卻 不 一 定 會 發 病, 如 果 整 體 的 基 因 劑 量 並 未 達 致 發 病 門 檻, 就 會 處 於 未 穿 透 的 狀 態, 卻 仍 可 能 遺 傳 給 小 孩, 小 孩 仍 有 可 能 發 病 而 一 旦 超 過 門 檻, 該 性 狀 就 會 表 現 出 來, 其 發 表 程 度 又 稱 為 表 現 力 表 現 力 不 一 定 是 全 有 或 全 無, 如 在 松 果 顏 色 的 案 例 中, 一 般 的 松 果 是 黑 色, 白 色 松 果 的 穿 透 率 約 20%, 但 中 間 隨 表 現 力 的 不 同, 可 能 會 有 咖 啡 色 茶 色 等 差 異 在 人 體 疾 病 表 現 上 就 是 輕 重 程 度 的 差 異, 並 不 是 每 個 病 例 在 確 實 產 生 疾 病 突 變 之 後, 狀 況 都 一 樣, 在 診 斷 上 就 考 驗 醫 師 細 心 的 程 度 如 神 經 纖 維 瘤 就 很 明 顯 的 有 不 同 程 度 之 表 現 力, 同 樣 一 個 基 因 的 突 變, 有 些 只 是 輕 度 的 皮 膚 色 斑, 有 些 病 患 卻 會 全 身 長 出 明 顯 的 瘤 狀 物 基 因 如 何 受 到 環 境 影 響? 在 一 般 人 的 概 念 中, 基 因 在 受 精 卵 形 成 的 時 候 就 確 立 下 來, 每 個 人 的 基 因 都 維 持 不 變, 那 又 為 什 麼 可 能 會 受 到 環 境 影 響, 進 而 出 現 不 同 的 表 現 型 呢? 32
事 實 上 就 拿 基 因 型 最 接 近 的 同 卵 雙 胞 胎 作 例 子 來 說 明, 就 會 相 當 清 楚 同 卵 雙 胞 胎 的 基 因 型 完 全 相 同, 因 此 在 遺 傳 疾 病 的 發 病 機 率 上 同 步 程 度 非 常 高, 如 其 中 一 人 罹 患 糖 尿 病, 則 另 一 人 罹 患 糖 尿 病 的 機 率 高 達 95% 然 而, 由 於 糖 尿 病 其 實 是 多 基 因 疾 病, 除 了 先 天 基 因 的 影 響, 也 有 可 能 是 因 為 後 天 飲 食 習 慣 及 環 境 類 似 的 關 係, 而 使 發 病 機 率 更 高 而 且, 即 使 是 同 卵 雙 胞 胎, 也 有 5% 的 差 異, 這 就 是 受 到 後 天 環 境 不 一 樣 刺 激 的 影 響 如 其 中 一 人 遇 過 流 感 麻 疹 等, 就 會 產 生 不 同 的 抗 體, 所 以 雙 胞 胎 的 自 體 免 疫 疾 病 表 現 就 會 相 當 不 同 另 一 方 面, 基 因 還 會 有 基 因 體 印 記 (genomic imprinting) 的 現 象, 隨 DNA 上 的 CpG 之 甲 基 化 程 度 不 同, 基 因 就 會 產 生 不 同 的 化 學 性 修 飾 DNA 甲 基 化 受 到 許 多 環 境 因 素 的 影 響, 如 在 產 生 精 子 卵 子 的 過 程 中,DNA 的 甲 基 化 會 升 高, 但 在 變 成 受 精 卵 後 甲 基 化 又 會 下 降, 再 到 胚 胎 要 發 展 器 官 時, 甲 基 化 又 會 升 得 很 高, 一 直 發 展 到 成 人, 不 同 組 織 的 細 胞 DNA 也 會 有 不 同 的 甲 基 化 程 度 而 許 多 食 物 也 會 影 響 DNA 的 甲 基 化, 這 也 使 得 後 天 的 飲 食 環 境 因 素 事 實 上 會 對 DNA 產 生 一 定 程 度 的 影 響, 導 致 不 同 的 結 果 如 在 二 次 世 界 大 戰 期 間, 歐 陸 曾 遭 遇 饑 荒, 幾 乎 沒 東 西 可 吃, 這 嚴 重 影 響 了 當 時 孕 婦 肚 中 胎 兒 的 健 康 追 蹤 當 時 營 養 嚴 重 缺 乏 的 孕 婦 所 生 下 的 子 女, 就 發 現 這 些 子 代 在 成 年 以 後, 神 經 精 神 疾 病 上 的 發 病 機 率 都 幾 乎 是 一 般 情 形 的 兩 倍 以 上 這 個 案 例 顯 示, 在 子 宮 裡 的 外 在 環 境 決 定 了 他 們 後 來 的 疾 病 發 病 機 率 不 過 這 只 是 單 一 個 案 的 觀 察, 目 前 對 於 外 在 環 境 實 際 的 影 響 程 度 與 影 響 方 法, 尚 未 建 立 完 整 的 理 論 模 式 然 而 這 樣 的 案 例 確 切 證 實 了 表 現 型 是 先 天 基 因 與 環 境 因 素 之 間 複 雜 交 互 作 用 的 結 果, 以 後 天 改 變 先 天 的 可 能 性 確 實 存 在 單 基 因 之 疾 病 與 性 狀 較 不 易 受 環 境 因 素 影 響, 但 反 而 可 能 有 較 專 一 性 的 因 應 策 略, 只 要 對 症 下 藥 就 能 有 顯 著 的 改 變 ; 但 在 更 多 的 多 基 因 疾 病 情 況 下, 後 天 的 長 期 習 慣 與 因 素 可 能 同 等 重 要, 絕 非 基 因 決 定 一 切! 33
從 人 工 生 殖 的 角 度 來 談 胚 胎 著 床 的 奧 秘 臺 大 醫 院 婦 產 部 生 殖 內 分 泌 科 黃 楚 珺 陳 思 原 楊 友 仕 圖 片 來 源 : 5/19 IUI 人 工 生 殖 mypaper.pchome.com.tw 儘 管 現 代 生 殖 科 技 的 發 展 已 經 到 了 相 當 純 熟 穩 定 的 境 界, 但 即 便 是 成 功 率 最 高 的 試 管 嬰 兒 技 術, 每 進 行 一 次 胚 胎 植 入 的 懷 孕 率 仍 然 有 限, 在 年 紀 35 歲 以 下 的 病 患, 每 次 植 入 的 懷 孕 率 約 四 到 五 成, 而 此 機 率 更 是 隨 著 女 性 不 孕 患 者 的 年 齡 越 高 而 急 遽 下 降 到 目 前 為 止, 雖 然 有 許 多 技 術 可 以 幫 助 我 們 培 養 並 挑 選 品 質 良 好 的 胚 胎, 同 時 可 藉 由 對 血 液 荷 爾 蒙 濃 度 的 調 控 來 建 立 適 合 胚 胎 著 床 的 子 宮 環 境, 但 最 後 一 個 關 鍵 步 驟, 也 就 是 胚 胎 究 竟 如 何 著 床 到 子 宮 內 膜 上? 為 什 麼 這 次 試 管 嬰 兒 治 療 會 著 床 失 敗? 目 前 的 研 究 認 知 仍 然 十 分 有 限 在 這 篇 文 章 中, 我 們 將 從 人 工 生 殖 的 角 度, 來 探 討 現 今 醫 學 上 對 胚 胎 著 床 的 瞭 解 34
胚 胎 著 床 的 過 程, 一 般 可 分 為 三 個 階 段 :( 一 ) 接 觸 apposition: 胚 胎 進 入 子 宮 後, 會 受 到 許 多 著 床 因 子 的 活 化 並 開 始 貼 近 內 膜 ( 二 ) 黏 著 adhesion: 接 著, 藉 由 多 種 黏 著 分 子 (adhesion molecules) 的 作 用, 胚 胎 與 內 膜 相 互 黏 附 ( 三 ) 侵 入 invasion: 胚 胎 外 層 的 滋 養 層 細 胞 穿 過 子 宮 內 膜 表 皮 層, 而 穿 入 子 宮 內 膜 基 質 因 此 成 功 的 著 床, 有 賴 於 胚 胎 與 子 宮 內 膜 兩 者 之 間, 所 發 生 一 連 串 極 為 複 雜 而 精 細 的 交 互 作 用 在 濾 泡 期, 卵 巢 分 泌 的 雌 激 素 使 子 宮 內 膜 增 厚, 排 卵 後 濾 泡 形 成 的 黃 體 則 分 泌 黃 體 素, 使 子 宮 內 膜 產 生 許 多 變 化 以 適 合 胚 胎 著 床 過 去 的 研 究 發 現, 在 整 個 月 經 週 期 中, 子 宮 內 膜 只 有 一 段 短 暫 的 時 期 能 夠 讓 胚 胎 著 床, 一 般 認 為 是 在 排 卵 後 的 第 六 到 十 天 ( 以 二 十 八 天 的 月 經 週 期 來 說, 約 為 第 20 到 第 24 天 ), 這 個 黃 金 時 期 被 稱 為 著 床 窗 期 (implantation window) 在 著 床 窗 期, 伴 隨 著 血 液 黃 體 素 濃 度 的 上 升, 子 宮 內 膜 表 皮 細 胞 會 形 成 一 種 被 稱 為 pinopodes 的 微 纖 毛, 這 種 構 造 被 認 為 與 胚 胎 黏 著 有 關 此 外, 許 多 子 宮 內 膜 的 著 床 因 子, 如 : 白 血 病 抑 制 因 子 (Leukemia Inhibitory Factor) 降 鈣 素 (Calcitonin) 黏 蛋 白 -16 (Mucin-16) 選 擇 素 (Selectin) 整 合 素 (Intergrin) 等 等, 甚 至 在 子 宮 內 膜 細 胞 基 因 層 面 上 的 表 現 (gene expression profiles), 近 年 來 也 都 有 許 多 臨 床 研 究 證 實, 其 與 血 液 雌 激 素 與 黃 體 素 濃 度 的 變 化 息 息 相 關 圖 片 來 源 : 人 工 生 殖 科 技 體 外 授 精 胚 之 生 產 afa.gov.tw 35
此 外, 台 大 婦 產 科 醫 療 團 隊 亦 發 現 在 試 管 嬰 兒 療 程 中, 施 打 破 卵 針 ( 即 模 擬 自 然 週 期 的 排 卵 步 驟 ) 前, 血 液 黃 體 素 濃 度 提 前 上 升 越 久, 可 能 造 成 著 床 窗 期 提 早 關 閉, 懷 孕 率 越 低, 相 關 研 究 已 於 2012 年 5 月 發 表 在 知 名 國 際 期 刊 Human reproduction 上 可 見 血 液 荷 爾 蒙 濃 度 的 變 化, 確 實 與 胚 胎 著 床 有 著 密 切 的 關 聯 性 近 年 來, 藉 由 許 多 研 究 技 術 的 整 合, 包 括 : 免 疫 組 織 化 學 染 色 法 電 子 顯 微 鏡 DNA 微 晶 片 聚 合 酵 素 鏈 鎖 反 應 (PCR) 等 等, 試 圖 釐 清 胚 胎 著 床 此 一 關 鍵 步 驟 所 發 生 的 種 種 變 化, 也 期 待 未 來 進 一 步 的 研 究, 能 夠 應 用 於 臨 床 上 以 增 加 人 工 生 殖 成 功 的 機 率 圖 片 來 源 : 人 類 輔 助 生 殖 技 術 的 臨 床 研 究 新 進 展 ART 包 括 人 工 授 精 (hi) 體 外 受 精 與 胚 胎.. gd513.com 36