【化學大未來】類固醇荷爾蒙——生命的驅動程式

科學的基礎是健康的身體。-----居里夫人

圖片來源: David W. Hamilton │Getty Images

撰文 | 柯昭儀

還記得「格列佛遊記」童話嗎?書中那位喜歡到處旅行的格列佛醫師,在航途中遇到狂風暴雨,先後漂流到「小人國」和「巨人國」,因而發生一連串驚險的遭遇,其中最教讀者不可思議的當然要算是他與巨人、矮人生活的種種趣事。從現代醫學的角度來看,巨人症及侏儒症都是荷爾蒙分泌不正常所引起的疾病;人體的腦下垂體會製造一種影響身高增長的荷爾蒙―生長激素,一旦生長激素分泌過量就會導致巨人症,缺乏則會造成侏儒症,事實上荷爾蒙對健康的影響不僅於此,有些荷爾蒙掌控青春期、更年期的生理變化,有的則與體重、代謝、生育息息相關,令人難以置信的是對某些生物而言,荷爾蒙早在胚胎時期就開始施展它那無遠弗屆的影響力!

中研院分子生物所的鍾邦柱博士研究類固醇荷爾蒙與發育之間的關係已有二十年,她與實驗團隊巧妙構思不同動物模式的實驗,研究類固醇荷爾蒙在胚胎、發育、生理及等不同生命階段所扮演的角色與調控機制,極佳的研究成果也被著名的“自然”期刊所刊登,對於台灣學術研究在國際能見度的提升貢獻卓越。在國際化學年即將落幕前,鍾博士為「化學大未來」帶來她在類固醇荷爾蒙研究領域的豐碩成果,從現場觀眾熱絡的提問不難看出一般大眾對於類固醇既期待又怕受傷害的矛盾心情,鍾教授除了剖析類固醇荷爾蒙與健康的知識外,她也告訴大家化學是自然科學的基礎科學,化學人對於增進人類福祉要有責無旁貸的使命感。

類固醇荷爾蒙的一二事

類固醇荷爾蒙是人體生理所需的微量物質,人體原本就會自行分泌,典型的生成器官為腎上腺及性腺(卵巢、胎盤及睪丸),分泌量的多寡由腦部的下視丘、腦下垂體及腎上腺皮質共同控制。類固醇荷爾蒙經由血液傳送全身,是生物體調節醣類、蛋白質、脂肪、水份、電解質不可或缺的重要元素,當我們遇危急或承受壓力時,腎上腺素也會迅速分泌大量的類固醇荷爾蒙,藉此使心跳加快、注意力增強,來應付外在環境的變化與挑戰。

類固醇荷爾蒙的化學結構與膽固醇相似;包括一個以三個六碳環及一個五碳環組成的四環核心結構之衍生物。體內合成多以膽固醇為原料,經過一系列的調控與轉化演變而來;即腎上腺素等可生成類固醇荷爾蒙的器官藉由cyp11a1及hsd3b等一系列不同酵素進行催化,先產生孕烯醇酮(pregnenolone, P5),再接著生成助孕素(progesterone, P4)等中間產物,最後生成鹽皮質素(Mineralocorticoids)、糖皮質素(Glucocorticoids)及性荷爾蒙(Sex Hormones)三組產物。鹽皮質素和糖皮質素分別掌控人體鹽份與糖份代謝,缺乏將損及生命;性荷爾蒙則可衍生各種不同的性荷爾蒙,促使男女不同性徵的表現,部分研究認為類固醇與抗壓、老化均有密不可分的關係,這些都是動物體內不可或缺的物質。

鍾博士的實驗室主要以老鼠及斑馬魚為實驗對象,以不同的實驗模式與層次,來了解類固醇荷爾蒙功能與調控:她首先製造出類固醇荷爾蒙合成有缺陷的小老鼠,用以探討所造成的慢性發炎的致病機轉;同時也因為斑馬魚的一些特性而選用斑馬魚做為研究器官發育與類固醇荷爾蒙的關係。

突變鼠變成草莓鼠

實驗團隊先將合成類固醇荷爾蒙的第一個酵素基因cyp11a1破壞,如此一來生下的突變鼠,將無法自行製造類固醇荷爾蒙,這些老鼠出現不少雄性雌性化的病徵;包括公鼠的外性器官都像母鼠,並有乳腺的發育,至於內部性器官,則有睪丸與輸精管的退化,以及前列腺與貯精囊未分化等情形,實驗顯示出老鼠的雄性荷爾蒙的功能出了問題。研究人員接著破壞老鼠的cyp11a1基因的啟動子,發現這些老鼠所產生的cyp11a1比正常鼠減少7~10倍,而牠們雖然在休息狀態可以分泌類固醇荷爾蒙,但當壓力來時,卻無法像正常鼠一樣產生大量的類固醇荷爾蒙來應急,如同草莓族老鼠,此外一旦遭到細菌感染,發炎指數上升,容易因受感染而死亡,當然如果以注射方式補充牠們所缺乏的類固醇荷爾蒙,老鼠仍然可以存活。

這項實驗結果雖然說明cyp11a1基因在小鼠胚胎發育早期扮演調控發育的重要角色,但因為胚胎在早期已死亡,因此無法進一步分析cyp11a1基因如何調控之後的性腺發育,以及cyp11a1基因到底是透過何種分子機制而造成胚胎發育的缺陷,此外不論是要如何才能清楚地觀察母鼠子宮內小鼠的胚胎發育,或是證明老鼠的胚胎細胞發育機制能否代表包括人類在內的其它哺乳動物都能有待後續深入研究。

胚胎內暗藏玄機

細胞移動是指細胞接收到遷移信號或感受到某些物質的濃度梯度而產生的移動,它是脊椎動物胚胎發育的核心過程之一,此外無論是神經生長或癌症轉移也與細胞移動有關,其獨有的運動特性被預期在阻止癌症轉移及異體植皮等醫學應用方面具有無窮潛力,也成為目前生物醫學的熱門研究方向。細胞移動必須依靠內外因素的配合;內部因素指細胞的信號傳導系統、執行運動的細胞骨架和分子馬達等;外部因素則指是細胞外的信號分子。雖然體外培養的細胞能快速提供部分生物功能的訊息,但藉由動物模式的活體研究才是完整的研究模式。到目前為止,小鼠是哺乳動物中最理想的模式動物,但受限於體內受精方式,若要偵測某一基因在胚胎發育各階段的情形,則必須犧牲該個體進行組織切片。

鍾博士團隊選用斑馬魚來研究不同的類固醇荷爾蒙如何影響細胞移動,導致對於胚胎發育的影響。斑馬魚是一種小型淡水魚(3~5公分),屬於脊椎動物,用光即可控制產卵,體外受精,胚胎數量甚多,胚胎發育上的機制與哺乳動物是非常相似,許多重要的調控蛋白質的表現位置與時間也都與哺乳動物相似,近十年來已成為研究脊椎動物胚胎發育的熱門模式動物。由於斑馬魚胚胎透明不但可直接觀察又可任意突變,無論是神經、肌肉、消化道、心臟、血管或血球的研究,均可在可見光顯微鏡下容易觀察發育過程,此外,可利用綠色螢光蛋白當報導基因,轉殖到斑馬魚的受精卵內,經篩選、培育及繁殖,得到某一細胞、組織或器官具有專一性帶有螢光的轉殖品系。

斑馬魚胚胎的早期胚胎發育過程可分為四個階段。(一)合子期:精子與卵子結合後,經過半小時細胞開始分裂。(二)分裂期:細胞持續分裂,在分裂第14次後進入囊胚(三)原腸期:細胞會移動摺疊,形成三個胚層(外胚層、中胚層、內胚層)。(四)體節形成期:各種器官、體節形成。而斑馬魚胚胎細胞移動方式則有拉長、內轉、聚合及外包四種方式。研究人員利用顯微注射,將反義嗎琳代低聚核甘酸(antisense morpholino oligonucleotide, MO)送入胚胎中,干擾cyp11a1基因的表現,P5的合成便消失,微管的聚合也相對減少,緊接著胚胎細胞的移動受到干預,胚胎形態因而發展異常,而造成胚胎早期的死亡,不過如果同時注射MO後加入P5,MO所造成的現象將會有所改善。這是因為細胞骨架負責支持細胞移動,它的組成包括肌動蛋白及微管,實驗發現P5可幫助細胞的外包移動,判斷是P5可穩定細胞骨架中的微管,以促進胚胎細胞的移動。這也說明了發育的胚胎中含有大量的類固醇荷爾蒙,而類固醇荷爾蒙對細胞的移動速度,甚至胚胎的形狀都有很大的影響,若是缺乏類固醇荷爾蒙,不但細胞移動慢,胚胎發展的形狀也會異常。

這項研究成果不但揭露Pregnenolone(P5)有促進細胞移動的功能,對於胚胎的發育、神經細胞的保護及癌細胞的移動皆有重要意義,實驗也發現補充P5,可使因MO造成的微管喪失重新回復來證明其專一性,未來如能進一步證明cyp11a1基因在跨物種間保有相同的調控機制,將可以幫助藥廠設計藥物來控制類固醇荷爾蒙的功能。

在人類基因組計劃快速進展的二十一世紀,生物醫學研究已進入了一個前所未有的新領域,而小鼠、斑馬魚、果蠅及線蟲等模式生物的基因組計劃也正同步進行中,預期將人類基因序列與各種動物模式的基因序列比對後,可加速解開人類基因功能之謎,而為了人類健康福祉,跨國跨學科的科學家莫不為此齊心努力。
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本文整理自:100/11/19下午由鍾邦柱研究員在臺大應力所國際演講廳所主講之「第六期探索講座《化學大未來》荷爾蒙與健康」的演講內容

延伸閱讀:台大科學教育發展中心探索基礎科學講座2011年11月19日第七講〈荷爾蒙與健康〉全程影音

﹝本文作者畢業於淡江大學化學研究所,現從事消費品檢測領域﹞
責任編輯:Nita Hsu


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