【人物專訪】先天決定後天或者後天改變先天?——基因遺傳的變與不變

■本期探索講座的第一場將由楊偉勛教授以「綜觀基因與遺傳」為題,總起本期八場講座的主軸,從孟德爾基因學、基因中的化學變化、基因的基本結構與功能、多基因模式、人口遺傳學等不同面向來解析神秘的基因力量。

楊偉勛教授希望藉由本期系列講座,讓聽眾瞭解基因研究的多元面向,更希望能啟發莘莘學子,讓他們瞭解擁有不同興趣與能力的自己,如何將自己的興趣與遺傳研究結合。攝影:徐伊亭

採訪│林欣怡

撰文│林欣怡

      本期探索科學基礎系列講座以「基因、遺傳與造化」為題,要將鏡頭轉向人體內部的神秘鑰匙,解開體積微小、影響力卻無遠弗屆的基因DNA密碼,究竟如何影響人體的生理構造與反應,所謂的「基因定序」對人體健康、臨床病理為何將帶來革命性的影響?自19世紀孟德爾經由豌豆育種實驗發現基因運作的內在邏輯以來,遺傳學與基因研究這一百多年來的主要進展,以及對人類生活產生的影響,其影響層面究竟有多麼廣泛?

這些答案都在本期的CASE講座中,將由各領域的講師一一來為您的好奇心解答。此次CASE的大家長、科學教育發展中心主任陳竹亭教授特別邀請到台大醫學院臨床醫學研究所及台灣大學發育生物與再生醫學研究中心的楊偉勛教授擔任本期CASE講座總規劃人,彙集了臨床醫學、基因體研究、公共衛生、生命科學等不同領域,從不同層面切入遺傳基因學科的專家學者,共同演繹基因研究的不同面貌,以及基因遺傳學如何其他學科進行跨界結合,不但要讓聽眾進一步了解基因研究的多元面向,更希望能啟發莘莘學子,讓他們了解擁有不同興趣與能力的自己,如何將自己的興趣與遺傳研究結合,有哪些可以發展的方向。

本期CASE的第一場講座將由楊偉勛教授以「綜觀基因與遺傳」為題,總起本期八次講座的主軸,從孟德爾基因學、基因中的化學變化、基因的基本結構與功能、多基因模式、人口遺傳學等不同面向來解析神秘的基因力量。楊偉勛教授將先回溯遺傳基因學說的源起,從孟德爾的遺傳學談起,綜覽百年來遺傳學與基因研究的重大進展與目前的研究成果,介紹基因遺傳學的不同研究進路與領域,再說明從「單基因」的理論基礎轉變到「多基因」概念,中間的關鍵性差別,及對臨床病理診斷形成的重大影響。

孟德爾遺傳學:以科學觀察與精神為基因定調

在1856到1863年之間,孟德爾以碗豆雜交實驗推論出孟德爾第一定律與第二定律。回想19世紀,在缺乏科學實驗器材,無法實際觀測到基因本體運作的狀況下,孟德爾以其富有科學精神的長期觀察與記錄,加上富有想像力的推論,導出了基因的幾項重要原則與定律,包括顯性原則、分離定律與自由組合定律。後來隨著科學進步,實驗室的結果一一印證了當時孟德爾的推論,不得不說孟德爾實為遺傳學之父,他摸索出染色體的遺傳邏輯,並用文字完整的想像描述出基因運作的整個過程,再推論出基因的隱顯性之別、自由組合等基本特質,在在開啟了遺傳學的大門。

而隨著生化科學的基礎發展,生化學家開始了解染色體中哪些才是真正的遺傳物質,最終發現DNA才是掌握遺傳特徵的關鍵。在介紹基因的基本運作過程後,我們即將進入DNA的「真實世界」,了解DNA與染色體之間關係、基因的結構與功能、在基因中運作的化學作用基礎原則,了解到在小小的基因中有多麼繁複的物質變化在進行,真如佛家語所言「芥子納須彌」。

由於孟德爾實驗素材是基因配對相對單純的碗豆,因此其基因定律是單基因的模式,但在更複雜的生物體中,基因學家進一步發現了多基因的模式,了解到單一生物特徵不只由一對基因決定,而是由許多不同基因體不同比例的影響,造就最後的成果。在多基因決定的情形下,數學就必須介入生物學,才能對多基因進行定量描述,了解不同基因的對生物特徵的影響機率與影響程度。同時,數學介入遺傳學之後,也催生了生物統計學、人口遺傳學,以系統、量化的數據來討論演化、遺傳的內在邏輯。

楊偉勛教授將在此講中為不同所有演講主軸開頭,從遺傳學的起源與歷史談起,再讓與會者了解到可以從本場演講延伸出去的不同方向,基因遺傳學如何與其他科學進行跨界結合,以期能從不同面向探討同一個議題,不管是與生物學、生物化學、統計學、分子生物學、臨床與分子醫學等不同領域的結合,都能開創出不同的研究成果,為人類生活帶來重大貢獻,因此即使是興趣所在不盡相同、不同領域的學生都可以從不同的角度來探討同一門學問。

後天克服先天:基因未必決定一切?

在首場演講總起本期不同議題後,在本期CASE講座中楊偉勛教授還將有第二場以「以後天克服先天」為題的演講,希望能較細緻的探討後天環境與先天基因之間不同的互動,顛覆傳統過於強調「基因決定論」的盲點。

很多人談到基因時,往往片面地認為基因會決定一切,但事實真是如此嗎?楊偉勛教授強調,基因遺傳固然有其影響,但後天環境的影響同樣不可小覤,而這也許就可說是所謂的「造化」。就以現在科學觀察,在臨床中最後出現的病理現象都是先天基因與後天環境動的結果,即使後天也許不完全可以克服先天,但其影響力絕對大過於一般人的想像。

舉例而言,同卵雙胞胎的DNA完全相同,但卻曾有同卵雙胞胎兄弟兩人性傾向不同,一人是異性戀、另一人是同性戀的例子,這就令人好奇中間必定還有其他的影響因素。想想你所遇到的雙胞胎兄弟或姐妹,往往長相雖相似也會有細微的差異,個性或許更是天差地遠,這也正好可以佐證基因絕非決定一切的不二法門。

從目前研究的成果來看,基因中的粒線體就會受後天環境的影響,而有不同的運作表現,而如基因中的「甲基化活動」,也會受食物與藥品的影響,所以像精神的用藥有時也會改變基因的表達。隨著基因研究的進展,科學家愈來愈發現後天環境對基因表現產生的巨大影響。如近期有學者提出一項假說,認為在早期胚胎發展以及與兒童發育前期時的環境外因,會影響成年以後的臨床疾病表現。因為在二次大戰期間,有些懷孕婦女因在懷孕期間子宮嚴重營養不良,後來發現這些孩子到了中年以後,慢性疾病罹患率普遍的偏高。這樣的實例也證明了後天環境因素的重要性,絕非基因決定一切。

之所以如此,是因為每一項表現其實都是由多基因共同決定的,比方高血壓或糖尿病確實受遺傳基因影響,但每一個基因可能只有5%左右的影響力,其他部份還包括後天環境及其他基因組合。像同卵雙胞胎從臨床數據來看,若其中一人患有第二型糖尿病,另一人高達95%也同樣有糖尿病,但導致這種結果的不見得是因為基因一致而已,更可能也因為他們處於類似的環境,有類似的飲食習慣等後天性因素。

從基因治療到臨床醫學研究:多基因對遺傳性疾病診療的幫助及未來展望

楊偉勛教授1991年到美國西雅圖華盛頓大學修習遺傳學博士,當時他便以臨床的高血脂症狀作為研究題目,經過研究發現會道致高血脂臨床病癥的先天基因與後天環境因素都相當多元,而非單一基因即會導致發病,這也啟發了楊教授對多基因遺傳學的興趣,開始投身研究像這類多基因的遺傳性疾病,在臨床醫學上要如何進一步了解其多元病理成因,才能進行更早期、更正確的診斷與診療。

基本上遺傳學就是在談基因型與表現型之間的對應關係,在單基因的影響模式下,只要有基因定序,就可以推出較直接的對應關係,如孟德爾的實驗中,特定的基因組合就會使碗豆呈現黃皮,另一組基因組合就會呈現綠皮。但在人類等較複雜的基因表現情形下,除基因定序外,表現型的精準度也很重要,如果臨床的表現症狀無法明確定義,那就無法進行後續的對應,所以臨床的疾病診斷同樣重要,如國外在血脂疾病的各項表現型診斷就做到非常精細的程度。

隨著2000多個致病基因都有了定序,我們漸漸發現孟爾德爾遺傳學的推論是不夠用的,因為許多的遺傳性疾病是多基因模式,而非單基因即能對應推導。不過現在已有相對完善的基因檢定,對於未來單基因疾病的罹患機率仍有相當大的幫助,對於後續的治療與診斷都很重要,可以說現在基因研究的成果對於臨床醫學已帶來相當大的進展,但在臨床上如何接軌到最新的基因研究成果,還有一定的努力空間。

目前因為人類基因體定序已經完成,許多病人可以先做全基因定序,了解其基因與病理表現的對應關係,相信將來我們對於與基因相關的疾病,了解一定會愈來愈多、愈來愈快。隨著全基因體掃的儀器價格平民化,未來的個人化醫療走向也會愈來愈清楚,每個人可以了解自己有哪些不同的遺傳疾病基因,並依此接受醫療建議或治療,不但更能對症下藥,甚至可以提早預防其最有可能罹患的疾病。

反過來看,有時病理上的類似表現型,常常在第一時間不易正確診斷,尤其罕見遺傳疾病的病例常因不易正確診斷而無法得到針對性的治療。但一旦有了基因體定序之後,就能夠幫助醫生在進行診療時了解到病人的基因型與其診斷病症間是否有依違之處,這是基因定序最大的幫助,其在臨床診斷上可以發揮關鍵性的作用。


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責任編輯:Nita Hsu

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