解 密 孟 德 爾 : 機 率 與 基 因 定 位 教 學 發 展 中 心 http://case.ntu.edu.tw/blog/?p=15432 撰 文 張 思 遠 本 文 整 理 自 :102/11/16 下 午 由 范 盛 娟 研 究 員 在 臺 大 應 力 所 國 際 演 講 廳 所 主 講 之 解 密 孟 德 爾 : 機 率 與 基 因 定 位 的 演 講 內 容 小 小 豌 豆 開 啟 了 遺 傳 學 研 究 大 門 種 豆 只 得 豆? 栽 種 植 物 可 以 陶 冶 性 情, 可 是 我 們 又 知 不 知 道, 豌 豆 莢 除 了 綠 色 以 外 還 有 黃 色, 有 些 飽 滿 有 些 皺 縮, 種 皮 有 的 圓 潤 有 的 長 皺 紋, 植 株 有 些 長 得 比 較 矮, 頂 生 或 者 腋 生, 花 除 了 白 色 還 有 紫 色, 觀 察 到 豌 豆 具 有 這 七 種 遺 傳 性 狀 的, 就 是 遺 傳 學 之 父 孟 德 爾, 作 為 一 名 神 職 人 員, 空 餘 時 間 以 種 豌 豆 做 實 驗 為 樂 14
高 個 子 豌 豆 的 子 代 可 能 出 現 矮 個 子, 而 矮 個 子 豌 豆 的 子 代 也 有 高 個 子, 孟 德 爾 推 斷 當 中 應 該 是 有 某 些 因 子 在 支 配 著 遺 傳 性 狀 的 表 現, 於 是 展 開 長 達 八 年, 栽 種 豌 豆 數 目 達 到 兩 萬 八 千 株 的 雜 交 實 驗 假 設 每 顆 豆 子 體 內 各 帶 有 一 成 對 因 子, 因 子 有 一 對 G 的, 有 一 對 g 的, 也 有 G 跟 g 混 搭, 現 在 把 同 為 G 的 高 個 子 跟 同 為 g 的 矮 個 子 進 行 雜 交, 得 到 G 跟 g 並 存 的 非 純 種, 子 代 全 為 高 個 子, 矮 個 子 暫 時 退 隱, 所 以 高 個 子 是 顯 性 性 狀, 這 就 是 顯 性 原 則 (Law of dominance) 這 些 非 純 種 的 子 代 再 進 行 雜 交, 排 列 組 合 應 該 為 GG Gg Gg 跟 gg, 所 以 第 一 子 代 中 銷 聲 匿 跡 的 矮 個 子 在 第 二 子 代 重 現, 根 據 統 計 結 果, 高 個 子 跟 矮 個 子 的 數 量 約 為 3:1, 印 證 了 孟 德 爾 的 假 說, 成 對 因 子 在 雜 交 過 程 中 會 被 打 散, 然 後 再 重 新 進 行 組 合, 這 就 是 分 離 定 律 (Law of segregation), 也 是 孟 德 爾 第 一 定 律 如 果 覺 得 單 一 性 狀 太 單 調, 接 下 來 是 黃 色 圓 潤 跟 綠 色 皺 摺 豌 豆 的 雜 交 實 驗, 結 果 發 現 黃 色 圓 潤 黃 色 皺 摺 綠 色 圓 潤 以 及 綠 色 皺 摺 的 比 例 約 為 9:3:3:1, 光 看 數 字 讓 人 眼 花 瞭 亂, 如 果 從 黃 跟 綠 圓 跟 皺 兩 組 顯 隱 性 狀 分 別 觀 察, 就 會 發 現 黃 色 跟 綠 色 比 例 為 3:1, 另 外 圓 潤 與 皺 摺 的 比 例 還 是 3:1, 說 明 成 對 因 子 的 自 由 組 合 其 實 是 各 自 為 政 的 過 程, 不 同 遺 傳 性 狀 不 存 在 任 何 交 流, 這 就 是 自 由 組 合 定 律 (Law of independent assortment), 也 是 孟 德 爾 第 二 定 律 孟 德 爾 奠 定 了 遺 傳 學 的 理 論 基 礎 外, 同 時 也 率 先 把 數 學 工 具 引 進 到 研 究 當 中, 原 來 遺 傳 學 問 題 可 以 通 過 數 理 統 計 得 到 解 答, 此 後 相 關 的 研 究 有 如 雨 後 春 筍 般 萌 發, 涵 蓋 到 豌 豆 以 外 其 他 生 物, 包 括 人 類 連 鎖 分 析 與 相 關 性 研 究 人 體 有 23 對 染 色 體 (Chromosome), 形 態 上 酷 似 不 規 則 版 的 英 文 字 母 X, 由 中 節 (Ceretromere) 分 成 兩 段, 較 短 的 一 段 稱 為 p 臂 (p arm), 較 長 的 一 段 則 稱 為 q 臂 (q arm), 成 分 由 ATCG 即 腺 嘌 呤 (Adenine) 胸 腺 嘧 啶 (Thymine) 胞 嘧 啶 (Cytosine) 及 鳥 嘌 呤 (Guanine) 所 構 成 遺 傳 疾 病 根 據 不 同 致 病 成 因 可 以 分 為 單 一 基 因 突 變 染 色 體 變 異 以 及 多 基 因 共 同 影 響, 當 中 由 於 單 基 因 突 變 所 引 發 的 遺 傳 疾 病 又 稱 為 孟 德 爾 型 病 症 15
不 管 調 查 何 種 類 型 的 犯 罪, 確 定 嫌 犯 都 會 是 前 提 條 件, 同 樣 地, 要 對 症 下 藥, 首 先 要 找 出 遺 傳 疾 病 的 致 病 基 因 世 界 之 大, 包 羅 萬 象, 我 們 需 要 地 圖, 需 要 導 航 定 位, 從 前 用 指 南 針, 後 來 更 有 了 全 球 衛 星 定 位 系 統, 才 不 致 於 迷 失 方 向, 染 色 體 上 的 基 因 位 點 (Locus) 多 如 牛 毛, 所 以 要 找 到 致 病 基 因 的 位 置 同 樣 需 要 地 圖, 需 要 定 位 定 位 致 病 基 因 的 統 計 方 法, 分 別 有 連 鎖 分 析 (Linkage analysis) 和 相 關 性 研 究 (Association study) 兩 種 基 因 標 記 (Genetic marker) 用 作 定 位 致 病 基 因, 當 中 特 別 是 單 一 核 苷 酸 多 型 性 (Single Nucleotide Polymorphism, SNP), 根 據 美 國 國 立 生 物 技 術 訊 息 中 心 的 數 據, 人 類 有 1 億 多 個 SNP, 出 現 頻 率 約 為 0.1%, 在 人 體 內 分 佈 廣 泛, 是 優 良 的 地 標 性 參 考 物 有 沒 有 想 過 醫 療 也 可 以 客 製 化?SNP 是 造 成 個 體 間 體 質 差 異 的 主 因, 所 以 把 SNP 引 入 到 基 因 診 斷, 能 夠 做 到 診 斷 醫 療 的 量 身 訂 做, 減 少 病 人 對 藥 物 產 生 不 良 反 應 的 機 會 另 外, 科 學 家 對 SNP 的 序 列 已 經 有 相 當 了 解, 利 用 基 因 晶 片 (Gene chip) 可 以 快 速 精 確 檢 定 基 因 多 型 性, 已 經 進 入 商 業 化 量 產, 成 本 低 廉 基 因 位 點 之 間 距 離 有 長 有 短, 越 近 的 羈 絆 深 厚, 連 鎖 存 在, 越 遠 的 容 易 見 異 思 遷, 連 鎖 不 存 在, 重 組 率 也 越 高, 透 過 觀 察 基 因 標 記 的 基 因 型 由 親 代 遺 傳 到 子 代 的 模 式, 用 統 計 方 法 計 算 致 病 基 因 與 每 個 基 因 標 記 的 重 組 率 (Recombination fraction), 重 組 率 越 高 表 示 致 病 基 因 與 基 因 標 記 距 離 越 遠, 反 之 亦 然, 大 致 定 出 致 病 基 因 的 相 對 位 置 現 在 假 設 有 11 個 小 孩, 基 因 標 記 A B 和 C, 其 中 有 1 個 小 孩 AB 發 生 重 組, 則 AB 的 重 組 率 為 1/11,3 個 小 孩 的 AC 發 生 重 組,AC 的 重 組 率 是 3/11, 孟 德 爾 第 二 定 律 所 依 據 的 事 實 是 基 因 不 連 鎖, 也 就 是 基 因 可 以 完 全 打 散 後 再 重 組, 兩 個 基 因 標 記 不 連 鎖, 則 11 個 小 孩 都 發 生 重 組 的 機 率 為, 如 果 11 個 小 孩 中 有 1 個 標 誌 基 因 AB 連 鎖, 也 就 是 違 反 孟 德 爾 第 二 定 律, 則 10 個 沒 有 發 生 重 組 的 機 率 為 有 3 個 基 因 重 組, 那 麼 8 個 沒 有 重 組 的 機 率 為 16
發 生 重 組 機 率 與 沒 有 發 生 重 組 機 率 的 比 值 就 是 勝 算 比 (Odds), 取 對 數 後 得 到 LOD scores, 上 例 中 發 生 AB 重 組 的 可 能 性 1/11, 代 入 計 算 LOD scores 為 1.85, 發 生 AC 重 組 的 可 能 性 為 3/11, 代 入 計 算 LOD scores 得 到 0.51,LOD scores 較 大 代 表 距 離 比 較 近, 反 之 亦 然, 由 此 可 知 標 誌 基 因 A 離 B 較 近, 離 C 較 遠 電 影 那 些 年, 我 們 一 起 追 的 女 孩 的 男 主 角 柯 景 騰 曾 經 說 過 : 我 敢 跟 妳 賭, 十 年 後, 我 連 log 是 什 麼 都 不 知 道, 照 樣 活 得 很 好 很 遺 憾 的 是, 不 用 等 十 年, 不 懂 得 log, 現 在 就 沒 辦 法 進 行 基 因 定 位 連 鎖 分 析 之 所 以 選 擇 log 作 為 計 算 工 具, 是 基 於 log 能 夠 相 加 的 性 質, 剛 才 11 個 小 孩 的 家 庭 中 有 1 個 發 生 基 因 重 組 的 LOD scores 為 1.85, 假 設 另 外 有 相 同 狀 況 的 家 庭, 則 LOD scores 將 會 是 1.85 加 上 1.85 也 就 是 3.70,LOD scores 能 夠 不 斷 累 加, 在 標 誌 基 因 定 位 致 病 基 因 的 情 形,LOD scores 必 須 大 於 3 才 具 有 統 計 上 顯 著 性 研 究 人 員 利 用 基 因 的 相 對 位 置 描 繪 出 基 因 圖 譜 (Genetic map), 找 到 遺 傳 疾 病 的 致 病 基 因 的 大 概 位 置 家 族 支 系 往 往 錯 綜 複 雜, 亨 丁 頓 舞 蹈 症 (Huntington s disease) 是 單 一 基 因 突 變 的 顯 性 遺 傳 疾 病, 患 者 腦 細 胞 神 經 原 持 續 退 化, 導 致 活 動 失 控, 智 能 減 退, 如 果 要 估 計 一 個 m 人 家 族 譜 系 帶 有 這 種 基 因 型 的 機 率, 可 以 透 過 個 人 所 帶 基 因 的 外 顯 率 乘 上 個 人 所 帶 基 因 的 基 因 型 當 中 來 自 父 母 基 因 型 的 機 率 或 是 來 自 族 群 的 頻 率, 所 有 家 族 成 員 都 如 是 操 作, 最 後 把 各 人 的 機 率 加 總 而 求 得, 過 程 繁 雜 讓 人 想 睡 覺, 能 夠 有 今 天 的 研 究 規 模, 計 算 機 可 謂 功 不 可 沒 然 而, 資 料 蒐 集 並 不 全 然 都 要 大 家 族, 有 病 同 胞 手 足 (SIB) 資 料 分 析 法 就 運 用 孟 德 爾 第 二 定 律, 比 較 帶 病 的 兄 弟 姐 妹 之 間, 對 偶 基 因 的 相 同 究 是 源 自 父 母 (IBS), 還 是 純 粹 巧 合 (IBD), 如 果 帶 有 的 基 因 只 有 父 或 母 一 人 所 有, 可 以 認 為 來 自 父 母, 但 父 母 雙 方 都 有 的 話, 可 能 只 是 巧 合, 如 果 沒 有 父 母 的 資 料, 但 該 基 因 在 族 群 裡 相 當 罕 見, 就 比 較 有 可 能 出 自 父 母, 反 之 亦 然 但 現 實 與 理 想 不 免 存 在 落 差, 以 上 是 預 設 受 試 者 為 親 生 手 足 同 胞, 但 為 了 獲 得 實 驗 報 酬 而 冒 充 的 比 比 皆 是, 金 錢 不 要 緊, 影 響 實 驗 結 果 事 關 重 大, 還 好 後 來 發 現 只 要 掌 握 到 50 個 基 因 標 記 就 能 夠 確 定 親 屬 關 係, 基 因 原 來 也 會 說 話 的 17
等 位 基 因 (Allele) 作 用 上 類 似 於 豌 豆 對 偶 性 狀 的 遺 傳 因 子, 染 色 體 就 像 把 字 母 X 中 分 那 樣 的 兩 條 成 對 存 在, 位 於 同 源 染 色 體 兩 邊 相 同 位 置 上 負 責 控 制 某 一 遺 傳 性 狀 的 不 同 表 現 形 態, 例 如 黑 髮 或 者 金 髮 的 表 現, 等 位 基 因 頻 率 (Allele frequency) 是 指 一 個 群 體 在 特 定 的 基 因 位 點 上 某 種 等 位 基 因 出 現 次 數 占 整 體 的 比 例, 相 關 性 研 究 在 沒 有 親 屬 關 係 的 族 群 裡, 透 過 比 較 病 患 與 對 照 組, 觀 察 可 能 的 致 病 基 因 出 現 次 數, 與 期 望 出 現 次 數 之 間 作 比 較, 用 卡 方 檢 定 統 計 該 基 因 與 發 病 是 否 顯 著 相 關, 我 們 只 關 心 病 患 組 等 位 基 因 頻 率 與 對 照 組 的 差 異, 個 體 基 因 型 在 所 不 問 家 庭 危 險 因 子 比 率 (L) 是 家 人 得 病 機 率 與 一 般 人 得 病 機 率 的 比 值, L 大 於 2 就 代 表 有 遺 傳 因 素 存 在, 以 阿 茲 海 默 症 (Alzheimer s disease) 為 例, 病 人 兄 弟 姐 妹 得 病 機 率 為 30%, 而 一 般 人 得 病 機 率 為 10%, 則 L 等 於 3, 亨 丁 頓 舞 蹈 症 的 L 等 於 5000, 具 有 高 度 遺 傳 性, 家 人 比 一 般 人 得 病 機 率 高 出 5000 倍, 幾 乎 無 法 迴 避, 不 過 上 得 山 多 終 遇 虎, 遺 傳 性 越 高 就 代 表 曝 光 率 越 高, 致 病 基 因 容 易 被 定 位, 對 疾 病 治 療 具 有 莫 大 助 益 未 來 定 位 致 病 基 因 研 究 的 挑 戰 複 雜 性 疾 病 (Complex disease) 也 就 是 多 基 因 遺 傳 疾 病, 就 像 沒 有 頭 目 的 犯 罪 集 團, 需 要 釐 清 這 些 致 病 基 因 間 的 關 係, 以 期 在 疾 病 治 療 診 斷 上 作 進 一 步 突 破, 另 外, 遺 傳 疾 病 並 不 全 然 由 基 因 所 主 宰, 環 境 也 是 不 可 忽 略 的 因 素, 像 先 天 性 肥 胖, 暴 飲 暴 食 加 上 缺 乏 運 動 會 使 症 狀 加 劇, 當 中 基 因 與 環 境 的 角 色 輕 重 該 如 何 定 位 將 會 是 一 大 挑 戰 受 惠 於 科 技 進 步, 成 本 不 斷 降 低, 但 一 般 實 驗 室 仍 然 難 以 負 擔, 同 時 伴 隨 資 料 量 日 益 增 加, 造 成 儲 存 與 分 析 上 的 困 難, 未 來 出 路 基 本 上 是 往 商 業 化 推 廣 投 產 探 索 科 學 不 是 特 定 人 的 專 利, 也 不 需 要 亮 麗 浮 誇 的 招 式, 對 後 世 影 響 深 遠 的 遺 傳 學 研 究 是 由 一 個 業 餘 的 科 學 愛 好 者 所 開 創, 所 需 要 的, 只 是 單 純 對 事 物 的 觀 察 入 微 以 及 對 科 學 的 不 捨 追 求, 這 些 特 質 都 是 我 們 與 生 俱 來 的, 不 要 自 我 設 限, 科 學 的 探 索 本 來 就 是 永 不 止 息, 雖 然 不 知 道 前 方 會 遇 到 些 甚 麼, 但 仍 然 勇 往 直 前, 這 就 是 科 學 精 神, 愛 因 斯 坦 曾 經 說 過 : 我 喜 歡 旅 行, 但 不 喜 歡 到 達 目 的 地 18 責 任 編 輯 :Vita Chen