投稿類別 : 生物類 篇名 : 作者 : 宋彥儀 市立北一女中 二年良班 指導老師 : 許一懿老師
壹 前言 是什麼造就每個人不一樣的學習能力 行為特徵 人格特質? 是天生獨特的 DNA 是成長的生活環境與經驗 是身邊的人影響? 既然如此, 同卵雙胞胎不僅生活在相似的環境, 擁有的基因更是一模一樣, 為何他們仍有些許的差異? 而曾有一個實驗證明即使是基因相同的小鼠以完全相同的方式長大, 牠們在各方面的表現仍有所不同 近年來科學家對於跳躍基因有著極大的興趣, 研究也越來越廣泛, 我想藉這次的機會對此方面多作一些了解 貳 正文 一 跳躍基因是什麼? 跳躍基因 ( jumping gene ) 又稱作轉座子 ( transposon ) 或轉位子, 最早由美國女科學家麥克林托克 ( Barbara McClintock ) 於 1950 年代發表, 她的實驗一開始並不被理解, 直到 1970 年代以後陸續在細菌 酵母菌 果蠅中發現轉位基因後, 麥克林托克發表的理論才終被重視 ( 註一 ) 跳躍基因這種 DNA 序列可以透過轉錄或反轉錄的方式在基因組中轉移位置, 藉以改變生物體的性狀, 不管在真核生物或原核生物皆會發生此現象 轉位子依 跳躍方式被區分為兩種, 分別為 I 型轉位子與 II 型轉位子, 以下分別介紹 : ( 一 )I 型轉位子 I 型轉位子, 即反轉錄轉位子 ( retrotransposon ), 真核生物以此較為常見 它們以 複製貼上 的方式將自己複製後, 把新的片段轉移到其他位置 當細胞開始分裂, 同時轉位子轉錄出單股 RNA,RNA 片段轉譯出酵素, 酵素再與 RNA 結合, 複製出原本的 DNA, 將其植入基因組中 此種轉移方式又稱複製式轉位 ( replicative transposition ), 在跳躍過程中, 因為原本的反轉錄轉位子在原地不動, 只是將複製後的新反轉錄轉位子植入其他的基因組, 故其數量可大幅增加, 反轉錄轉位子在人類基因組中約佔 35% 此種 RNA 回到 DNA 的機制並不少見, 為人所熟知的例子如愛滋病毒 ( HIV ) 感染後會將 RNA 反轉錄為 DNA 植入宿主細胞的基因組中, 此種疾病稱為 反轉錄病毒 此外, 因為反轉錄轉位子攜帶的蛋白質基因為反轉錄酶, 而反轉錄酶是構成反轉錄病毒的其中一種要素, 故有人認為反轉錄病毒可能是反轉錄轉位子演化而來 1
反轉錄轉位子又可分為兩類 :LTR 反轉錄轉位子與非 LTR 反轉錄轉位子 LTR(long terminal repeat) 指的是長端點重複序列, 擁有它的 LTR 反轉錄轉位子可以 自主地進行轉錄, 而非 LTR 反轉錄轉位子則否 ( 註二 ) ( 二 )II 型轉位子 II 型轉位子, 又稱 DNA 轉位子 ( DNA transposon ), 主要結構有轉位酶 ( transposase ) 與位於基因兩端的 末端反轉重複序列 ( terminal inverted repeat, 簡稱 TIR, 轉位酶切割時辨識用 ) DNA 轉位子是以 剪下貼上 的方式, 將自己從原先的基因組上切下來, 透過轉位酶形成獨立的 DNA 和蛋白質複合體, 找到合適的位置後再植入其他的基因體 此種轉移方式也稱保留式轉位 ( conservative transposition ), 此跳躍方式 DNA 轉位子數量不變, 其在人類基因組中約佔 3% 二 什麼讓基因跳躍? 在小鼠研究中顯示跳躍基因分布的地方多位於生殖細胞和某些腦區, 而基因是在海馬 ( 腦中與記憶和注意力有關的區域, 可產生新的神經元 ) 的前驅細胞中跳躍 大多數的基因跳躍必須發生在腦部發育時期, 因為幼年期之後, 反轉錄轉位現象需要透過細胞分裂才能進行 ( 謝伯讓,2012)( 註三 ) 而新的事物與挑戰也會刺激神經新生 細胞分裂, 如果跳躍現象真的會在這種環境下發生, 表示大腦和其神經網路會一直處在不固定的狀態, 這推翻了我們一直以來相信的事 : 成年人腦細胞的基因都是相同的 因此, 隨著每個人的經驗不同, 即使是基因完全相同的兩個人在各項表徵也會有所不同 三 跳躍基因的影響 ( 一 ) 造成突變 有時候跳躍子能造成突變 只要把自己的基因和插入的基因混在一起就可以了 ( 龐中培,2000)( 註四 ) 跳躍基因移動並插入基因組, 極有可能影響其他基因的表現, 嚴重可能破壞基因的功能進而造成基因組不穩定, 使生物體快速突變 ( 二 ) 促進生物演化 跳躍基因提供了染色體間同源重組發生的序列, 這是促進生物演化的原動力之一 ( 梅雅俊,2012)( 註五 ) 2
( 三 ) 造成疾病或不利於人類生存環境 舉例來說, 1. 象人症 象人症是 一種一種神經纖維腫瘤 ( neurofibromatosis ), ) 是 Alu 序列跳到跳到一個一個與調節細胞生長分裂有關的基因所造成基因所造成 ( 龐中培,2000)( 註六 ) 除了遺傳之外, 另一個造成神經纖維腫瘤的因素即是突變, 推測是 Alu 跳躍而造成的基因突變 2. 腦部疾病 有一種重要的反轉錄轉位子 L1( long interspersed element 1, 亦稱 LINE1), 其活動在精神分裂症 自閉症等腦部疾病中皆是關鍵 3. 影響公共衛生 一種抗藥因子 ( R factor ) 會攜帶抵抗抗生素的基因在基因間跳躍, 這種抗 抗生素的基因產生的蛋白質會分解盤尼西林 四環素等抗生素, 將會對公共 衛生造成極大的破壞 ( 四 ) 產生誘導多能性幹細胞 ( ipsc )? 幹細胞是為人所熟知的未來重要的治病工具, 然而傳統胚胎幹細胞有從胚胎中提取 破壞具有生命的胚胎的疑慮及倫理問題 ; 而近期發展出的誘導多能性幹細胞能夠取代傳統胚胎幹細胞並克服倫理問題, 但其缺點為取得不易 而研究中發現有一種從高麗菜飛蛾 ( cabbage looper moth ) 基因組中取得的 piggybac 跳躍基因能夠攜帶四個關鍵基因, 高效率地製造出小鼠的誘導多能性幹細胞 這是一個極重要的發現, 未來若能發展出人類的 ipsc, 將有機會解決其取得不易 成本高且耗時的問題, 但這方面科學家仍在研究當中 ( 註七 ) 除了前面所提到的種種影響, 目前科學家仍致力於探討跳躍基因對人類生活可能帶來的好與壞, 例如幾乎只發生在女孩身上的雷特氏症候群 ( Rett Syndrome ) 的腦部發育疾病, 其成因雖是一種基因 MeCP2 的損壞所導致, 而科學家發現 MeCP2 的損壞將造成 L1 的活化, 這個現象究竟是雷特氏症候群的成因或是結果, 至今尚未確定 3
在神經科學的研究中不乏像這樣的例子, 但若能正確利用跳躍基因的特性, 例如製造幹細胞, 它們也有可能成為治病的利器, 不會只製造不利的環境 参 結論 以下是本文所探討兩大類跳躍基因的比較 DNA 轉位子 反轉錄轉位子 跳躍方式剪下貼上 ( 保留式轉位 ) 複製貼上 ( 複製式轉位 ) 中間產物 DNA RNA 所需酵素 轉位酶 反轉錄酶 在人類基因組中所佔比例 3% 35% 在原核 真核中皆會出現, 然在原核 真核中皆會出現, 真在哪些生物種類而出現在真核生物中的機率核以反轉錄轉位子較常出出現 ( 註八 ) 較小現, 尤其是無脊椎動物 隨著生物科技的進步, 若能利用跳躍基因的特性..攜帶外來基因進入宿主細胞中, 那它們便能夠成為傳遞基因的載體 我認為在這方面的發展無可限量, 如果能夠找到更多像 piggybac 這樣的跳躍基因, 除了幹細胞的研究, 未來跳躍基因發展致癌工具也不無可能, 它們將可能成為基因療法中重要的技術 然而, 如同其他的跳躍基因, 若其攜帶治療基因進入宿主的基因組, 是有可 能影響甚至破壞其他基因的表現, 因此, 如何避免影響其他基因的正常運作, 並 使植入的基因亦發揮我們所期待的功能, 是如今科學家極需要克服的難題 跳躍基因從為人所唾棄的 垃圾基因 如今躍升為基因療法中極重要的角色, 我認為科學家只要更充分了解跳躍基因的機制和模式, 便有機會結合其他治療方 法為病人帶來希望, 甚至能夠預防勝於治療, 在醫學技術上帶來一大突破 肆 引註資料 註一 : 王身立 顏青山 陳建華 (2003) 傳承生命 : 遺傳與基因 新北市 : 世潮 註二 : 維基百科 反轉錄轉座子 http://zh.wikipedia.org/wiki/ 反轉錄轉座子 4
註三 : 謝伯讓 ( 譯 )(2012) 跳躍基因雕琢獨特大腦 科學人,123 123, 第 34~39 頁 註四 : 龐中培 ( 譯 )(2000) 雙螺旋的線索雙螺旋的線索 臺北市 : 寰宇, 第 74 頁 註五 : 梅雅俊 (2012) 跳躍基因活躍中 科學人,123 123, 第 40 ~ 44 頁 註六 : 同註四 註七 : 同註五 註八 : 黃憲達 (2005) 染色體的組成元素 分子生物學 取自台聯大生命科學改 進計畫 http://life.nctu.edu.tw/~mb/c20503.htm 5