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2007諾貝爾生理醫學獎-老鼠的舞台1

2007/10/14 02:49

諾貝爾的生理醫學獎(The Nobel Prize in Physiology or Medicine),是由瑞典的卡洛林斯卡學院(Karolinska Institutet)負責審核發佈的。今年是在2007-10-08發佈新聞稿。以下就是這篇新聞稿(press release)首頁:

前言:(廢言

其實,每一年的諾貝爾生醫獎內容,都是很有趣、很精彩的。都代表了人類在生物醫學方面突破性進步的足跡。

如果您是有生物醫學底子的人,可以連到諾貝爾獎網路博物館(Nobel e-Museum)官方網站。裡面有歷年得獎資料,編輯部還特別製作了簡明扼要的介紹(Illustrated Presentation),試圖讓世人有機會了解這些獲獎的高深研究內容。[例如:2006年的presentation (已設定超連結)]。圖文並茂!做像這樣的介紹,是這頭牛學習的目標 所以也許這頭牛該去學學繪圖軟體;如果能夠更淺顯易懂一些,吸引不一定有底子的人看得懂,甚至有興趣繼續深入研究下去。。。就更perfect

 

對於歷年得獎的研究主題,這頭牛也許都看得懂,卻不一定具有足夠的功力去寫 給一般民眾看的介紹文章。但是,

今年的主題對這頭牛與在德是別具意義的。因為,

正是在德國,我們日思夜念的研究主題所用的主要方法、工具:「基因剔除老鼠(knock-out mice)(容這頭牛以下皆用縮寫KO mice表示)

也因此這頭牛說今年的生醫獎內容,算是老鼠的舞台。

 

用來做這些實驗的老鼠(mouse, 複數mice)是很可愛的。跟那種「過街老鼠人人喊打」的大鼠(rat)是不同的。(想找張可愛的老鼠照片貼上來,找了很久,才發現念茲在茲,天天為伍的老鼠,這頭牛竟沒在平時就好好給牠們拍寫真集!留下來的資料全是實驗結果~~)。

 

重要性:

基因剔除老鼠(KOmice)為什麼重要到可以因此獲得諾貝爾獎?

首先不得不淺談基本的遺傳與分子生物知識

人類基因體計畫(human genome project)完成後,我們知道了記錄人類一生中掌握生老病死的最基本生物密碼 基因序列。約30x109 base pairs(鹼基對)構成,約20000~25000個基因(這個數目其實是出乎意料得少!人為萬物之靈,構造與功能何等複雜,但基因的數目卻只比老鼠多了幾百個!)

 

這樣的解碼並不是獲得最後的解答,反而是探究高深學問的開始。因為,

這些序列,就像還沒有電腦排版之前的報社排版部,的那些鉛字。這頭牛不知道漢字有多少個字,假設有一萬個單字好了。這些序列就像那一萬個單字,有一定的排列方式擺在鉛字收納架上。那麼,每天由這些鉛字排版出來的一份份報紙內容,就相當於人體每天每天所表現出來的生理功能。

 

由一個個的鉛字,到十幾二十頁的報紙內容,這中間勢必要完成許多步驟。比如說:很常用到的單字,可能要準備幾十甚至幾百個複刻;記者寫出來的文字稿,也許需要先轉化成某種方便排版人員作業的代號稿;然後排版人員逐字拼湊出文句,再加上標點符號的修飾,讓段落鮮明;版面的編排也勢必有既定的分割方式。

光是排出與文字稿一模一樣的字字句句,可能還無法成就一份有賣相的報紙,所以需要加上一些「修飾」,也許是字體大小要有變化,或者版面彩色化等等。

 

生物體內,由基因到發揮正常生理功能,同理,但更為複雜!

若要簡略地說,大概以下圖圖解之:

1.      帶有基因的DNA序列,轉錄(transcription)pre-mRNA

2.      RNA processing,pre-mRNA變成mRNA。也就是一個「去蕪存菁」的程序,只留下真正有用,也就是真正帶有功能性的序列(coding sequence)…

3.      mRNA translation(轉譯),也就是製造出蛋白質。

蛋白質呢,才是真正發揮生物功能的最基本單位。

在生物體內,蛋白質是無所不在的。結構蛋白質,顧名思義就是構成血肉之軀的重要原料,在特定位置發揮功能;介紹不完的眾多酵素,本質也是蛋白質;還有不少蛋白質形成其他蛋白質在體內旅遊的交通工具(結合蛋白[binding proteins]),比如說有些賀爾蒙(也是蛋白質)可以單獨在血液循環裡遊走到達預定目的地,有些卻需要特殊的結合蛋白來載運到特定目的地。。。


 

這看來簡單的三步驟,實際上需要好多的「顯微步驟」「加持」,才能完成、維持正常生理功能。比如說錯誤的DNA修復,就是一個很微妙,卻又很複雜的機制;又比如說,合成出來的蛋白質還需要「後製、後修飾」才能發揮特定功能,像是讓某個蛋白質「在胃部不發生作用,但在性器官發生作用」等等。。。

 

 

於是我們可以想見,人類為什麼之所以為萬物之靈,因為人類本身就是非常複雜的組成。每一天,在人類身體裡面,不斷地進行著成千上萬組「基因à轉錄轉譯à蛋白質à後修飾」的生理步驟;而且每一組的過程與成果都交互作用著。

這麼複雜的系統,一旦生病了,一定是環環相扣地出問題,學者如何能抽絲剝繭地確知「最源頭」的問題起於哪一個蛋白質、哪一個基因?

 

如果能像修電腦一樣,一一卸除單一零件來檢查是哪一個零件造成電腦當機、動不了的 就好了。也就是說,如果我們能夠讓一個寶寶打從受孕那一刻起,體內就失去某個基因,造成無法製造那個蛋白質,那我們就可以從複雜的網絡中抽離,直接看到這個基因蛋白質在人體裡面具有甚麼功用、沒有了它,人體會變如何、會生甚麼病。。。

但是!

用「腳頭膚」想也知道這是不可能去做的「實驗」。

所以,

動物的研究模型(animal models)就很重要了。感謝這些動物為人類犧牲,讓我們可以研究、解析複雜的生物作用機轉。

 

最早建立,且直至今日仍廣被研究的是「細菌」模型。它的好處是複製快速、容易操弄控制、便宜簡單;壞處是:太低等了,幾乎不能代表人類的生理狀況。

所以,人類已經由細菌研究出非常多的生理作用機轉,卻仍舊無法很真確地應用到 解釋人類生理或疾病的種種疑問上。

 

再往高等的生物進化方向看,其餘常見的動物模型依序為:黴菌、線蟲(C. elegans)、果蠅(Drosophila)、斑馬魚(Zebrafish),然後就是老鼠(mouse)

 

老鼠的好處是,牠已經和人類一樣屬於哺乳類動物了。當然,如果要說做為人類的「代替動物」,最相近的會是猩猩等靈長類動物,但是要做猩猩的研究很不容易,首先遇到的就是經費問題。猩猩的生育週期也是約略以年計,所以可以真正進行實驗之前,就得花費相當龐大的預算飼養、照顧牠們;另外,也就因為太相近了,對牠們做實驗,會有違反「猩道」的顧慮,加上牠們也聰明,實際操作上的確會「很難」做實驗。

 

所以各方考量之下,老鼠是足夠代表人類生理作用機轉,卻相對容易做到、養得起的實驗動物模型。

 

今年獲得諾貝爾生醫獎的三位得主,他們促成了KO mice animal model – 「讓老鼠,打從受孕那一刻起,就沒有了某一基因,註定沒辦法製造出那一個特定蛋白質,就像是把這個蛋白質由老鼠身上完全剔除掉一樣,讓我們直接看到這個蛋白質的功能」的研究動物模式。

 

如果人們已經知道剔除掉的這個基因/蛋白質,跟某個疾病是有直接相關的,那麼我們就可以利用這個KO mice model,來研究致病機轉。了解致病機轉之後,就更能夠掌握治療的方法了。

 

 

-- 待續

(喔~~好累!!腦汁絞盡矣!!

前往 2007諾貝爾生理醫學獎-老鼠的舞台2

 

因為在德的補充很精彩,加上很多人不見得會把「回應」打開來看,所以把他的回應剪貼於下:

由於是做相關領域的,講到這個,一定要上來說一下!

做生物實驗,尤其是做到活體實驗的,就不能不提到老鼠了!

利用 gene knockout 的方法,造出基因缺乏 or 基因突變的老鼠,對於研究領域『廣度』與『深度』上的開發,是有非常大、非常大貢獻的!

回過頭看20年前的他們,在構思與技術上的努力,建立了一套穩定的實驗方法與系統,給予之後的我們可以從最基本的基因層面,產生出類似人類遺傳疾病的老鼠;或者是從最基本的 去除某一個基因,繼而瞭解該基因在生物體內,所扮演的角色。

還是要回歸一下基本層面,了解一下現實與理想間的差距,就是:『Knockout mice』是否真的解決了人類遺傳疾病呢?

答案是:『還沒有!』

畢竟,老鼠不是人類,從巨觀的外表,到微觀的基因組成與調控機制上,存在許多或大或小的差異。也由於這些原因(尤其是「尚未真正地解決人類的遺傳疾病」),我們猜測,這才是諾貝爾獎委員會遲至今日,才頒發該獎項給做 Knockout mice的人,『而且』細看一下得獎因素,完全是著重在『技術』發展上的貢獻!(本來,大家都在等待著,至少有『一個』人類疾病,可以完完全全地,從 Knockout mice 的應用而獲得解決,就是拿諾貝爾獎的時機了!但是,20多年已過去,年紀最大的得獎者已經八十多歲了,再等,也不知道還要等多久

回想一下去年的生理醫學獎,頒發給『RNAi』這個領域;大概聽過 RNAi 的人,應該多會被其『神奇性』,產生了超級深刻的第一印象!簡單的說,RNAi 是可以在不動到 DNA 層面,就將我們有興趣的基因給『關閉』了(相對應於 Knockout,我們稱這種事件為『Konckdown』)!這個是一個老現象(大概1970年,就有人從植物細胞體內,觀察到存在著好多好多的『微小』RNA),但是,其功用與應用卻是屬於一個新的大發現!

在這短短的五六年內,做生物實驗領域的研究者,從極少數,突然暴增到幾乎是大家都在利用這個技術,就可以大概瞭解到『RNAi』的驚人魅力與人們所賦予的期待!

簡單比較一下『Knockout vs. Knockdown』:

1. 前者,以 DNA 為層面;後者,以 RNA 為操作層面;

2. 所花費的時間(指開始設計實驗,到拿到東西可以開始分析),前者,『最快』也需要半年到九個月的時間;後者,快的話只要一至兩個星期!

3. 所花費的金錢,一句話,做 RNAi 實在是省太多了啊!

由此,可以大致瞭解到,為什麼全世界大部分實驗室,都投入到 RNAi的技術,而非Knockout mice來做研究!同時,從RNAi的機制被瞭解到 得諾貝爾獎,時間遠遠短過、且早過 Knockout mice!!!

那,疑問就產生了:既生瑜,何生亮?

既然 RNAi Knockdown 威力是如此地驚人,那還要做 Knockout mice 嗎???

雖說 RNAi 的威力驚人,但是,還是有實際上所存在的限制與問題:

1. RNAi 現在最主要的應用層面,是以『細胞』為主;也就是說,大致上可以將該細胞內,我們所感興趣的基因暫時關掉,但是,想要將整個生物體(或者是某些組織)的該基因,透過 RNAi 的技術來關閉基因,還是有一段很長的路要走的!

2. RNAi 看似簡單,實際的調控層面可能遠比我們想像的複雜;我們認為成功地暫時關閉了某一個基因,可能,也有『直接』地影響到其他基因而不自知。也就是說,專一性的問題,大家才開始注意,與小心的研究中。

RNAi 拿諾貝爾獎,是意料中的事情;但是,那麼快就拿到了(意指,某些基本的問題還存在著,尚在瞭解與研究中的情形下),倒是,有點訝異又不會太訝異!(訝異的是,有點太快了,想說再多一些時間,待整體知識更成熟時,一定『就』會拿獎;而不訝異的是,在科學界中,要有那麼迅速且影響力那麼大的貢獻,同時間,又沒有其他同等級的候選人的競爭下,就會拿獎!)

個人小小的想法是,也因為 RNAi 已經拿獎了,與其相比較之下,更為實際、成熟,、專一性更高的技術(KO mice)還沒有拿到,似乎更提醒著諾貝爾獎委員會的人,要重視啊!所以,才會在今年,將這門 Knockout 的『技術』,授予諾貝爾獎!

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喃喃自語

    20110727

    部落格,一片荒煙蔓草。。。總是有想到寫點甚麼,卻沒時間與精神好好寫寫。卻在FB上忙著。。。

    我想,以後,就算隻字片語,也PO上來吧~~~

     

    20110309

    相信有好幾位朋友聽過我"網路上相片不露臉"的理論。現在很能理解家有可愛小孩的家長們如何難以抑制想要將寶貝照片PO上網的衝動。

    但因為認知到小乖實在太可愛了,加上YAHOO部落格並沒有辦法設定文章或照片只給特定朋友觀看的功能。所以,慢慢地會把小乖的資訊轉到我的facebook去(最近終於給他註冊下去啦~~)眾親友們,把我加進好友吧~~

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