【探索八】解開生命密碼的神奇鑰匙:基因遺傳學的演進史

第一講‧特稿

圖片來源:Roberto Brosan│Getty Images

撰文│林欣怡

生命科學領域中兩大支柱可說即是演化與遺傳,演化是生命科學領域最初也最重要的概念,因此CASE探索基礎科學講座第一期即是以達爾文的演化論作為母題,詳盡深入地演繹了當代演化學科中的各個面向。而到了CASE講座的第八期,回到生命科學領域,首要想推介的主題便是另一個「台柱」:遺傳學。

遺傳學從19世紀發展以來,到了20世紀後半期,隨著DNA蛋白等研究,漸漸有被分子生物學取而代之的味道,然而遺傳學根本叩問的仍是「生命怎麼發生?」,其中不能被取代的核心概念與主題在哪裡?21世紀的遺傳學研究有哪些仍然活力蓬勃的領域?本期CASE講座特別敬邀台大醫學院的楊偉勛教授擔任策劃人,邀請的所有講師對於遺傳基因學科有不同的專長研究,關於遺傳、基因、醫學演化、健康、臨床表徵等一連串的議題,從實驗室到病房、從理論到臨床的豐厚知識與經驗,所有與會聽眾學子欲了解的相關知識,想必都可以從各講師的演講中汲取。

楊偉勛教授在演講一開始,便提出「遺傳」與「造化」兩相比照的概念,傳達出他自遺傳學及臨床經驗所感受到的更深遠的意義:所有的生命表現型式,其實都是先天基因與後天環境複雜的交互作用,而後天的努力究竟能不能追上先天的影響、甚至突破先天的限制,正是希望提供大家思考的面向。

作為CASE第八期的講座的總策劃,楊偉勛教授在第八期的第一場演講「綜觀基因與遺傳」中將先一一引介提點第八期各講所聚焦的主題綱要,回顧19世紀到20初的遺傳學科學研究,並帶給大家有關遺傳學的幾個基本概念,輕鬆的在歷史漫談中讓大家了解遺傳學這門特別的學問所為何來,其精神面貌及演進歷程軌跡。而有關於20世紀之後到今天的遺傳學進展與新知,則將由後續各場講座再慢慢添補血肉,深入介紹與不同學科領域相結合後的遺傳學研究有哪些不同的研究進程、關注議題與學術成果。

遺傳:從概念到科學

遺傳其實是人類很早就觀察到的現象,中國自古以來就有「龍生龍,鳳生鳳」的說法,早在古希臘時期希臘哲人也曾探討過優生學,討論什麼樣的血統可能可以孕育出較優秀的下一代等等議題,不過都只限於概念性的討論,並沒有發展成系統性的科學。直到19世紀,孟德爾才創立了遺傳學,建立了有條理、且可預測未來的關於遺傳表現的理論。

1865年孟德爾發表了兩篇關於碗豆育種的研究論文,研究論文中已涵括了今日遺傳學最基礎的原理。在孟德爾的實驗中,將豌豆的外在特徵稱為表現型(Phenotype),並假設操控外在特徵變異的因子是基因型(Genotype),經由將不同純種品系進行交叉混種的多重實驗後,推出包括單型律、基因型中有影響力不同的顯性與隱性基因等解釋理論。孟德爾當時在沒有科技設備及相關知識、理論背景的情形下,就針對實驗提出了想像與解釋,並藉由抽象的文字符號解析基因的運作,其貢獻非常特殊而驚人。不過,該實驗在1865年發表後並未引起注意,直到20世紀初才被許多科學家再度發現,並且重新進行相同的實驗、得到相同結果後,孟德爾所描述的科學現象才被重新發現並且確立他遺傳學之父的地位。

孟德爾定律與科學精神

孟德爾在將純種黃豌豆和純種綠豌豆配種的過程中,發現奇特的現象:第一代的子代一律是黃豌豆,但是再將第一子代互相配種,卻會有四分之一的第二子代是綠豌豆。孟德爾因此面臨了一個根本性的問題:要怎麼解釋第一子代的同一性,以及第二子代的變異性?

孟德爾因此推估認為控制豌豆顏色的基因應有兩個,黃豌豆帶有顯性基因YY,綠豌豆則帶有隱性基因yy,而在個體產生精子或卵子/配子(Gamete)的時候,原本基因的兩個對偶基因(allele)會進行減數分裂,只剩下其中一個Y或y,再隨機組合,其子代的基因組合便有了YY、Yy、yy三種性狀,又因為Y是顯性基因,會主導外在顏色,所以只有全帶綠豌豆yy隱性基因的第二子代會呈現綠色。

孟德爾所提出基因減半的減數分裂理論,以解釋豌豆配對的結果,完全是基於個人的直覺(因前無研究)。但後來經20世紀的科學家證明,一步步地印證孟德爾當時的推論相當精準,而他當時選擇的豌豆性狀也恰好都分布在不同的染色體上,因此才能產生如此完美的實驗數字結果,協助他發現基因減數之謎。回溯科學史會發現,科學和實證精神固然是科學不可缺的一環,但有時科學也是靠著科學家面對問題時的直覺,才能忽然往前邁進一大步。

從減數分裂到機率與統計

一般而言,生物學科與數學的關聯相當薄弱,但在遺傳基因學上,因為減數分裂的基因現象,要談遺傳就一定要談機率,在豌豆這樣相對單純的生物,其基因配對比例尚屬單純,但當同一性狀由許多不同染色體與基因共同決定時,中間就有極複雜的配對與可能,需要以複雜的機率統計來進行計算,才能進一步討論表現型跟基因型之間的相關度究竟有多高。

因此遺傳學可說是將數學引進生物學的一扇門,後來也因機率的特質引起統計學大師們對遺傳基因的興趣,進而投身遺傳學研究,以統計的角度去推估遺傳基因對人口學的影響,開創另一派嶄新的人類遺傳學(Population Genetics)。藉此例子,楊教授也鼓勵與會學子要對學問保持多元的熱情、興趣與求知欲,千萬不要有「我是學生物的,所以數學、化學不重要」這種想法,事實上不同學科知識之間透過「異業結盟」的方式,往往才能有新的進展,開創先河,進一步發光發熱。

科技進展:從基因到DAN定序

雖然孟德爾靠著富科學精神的實驗觀察與個人直觀推論出基因運作的邏輯,然而還是要等到顯微鏡的發明,才真正開啟了後續對於孟德爾理論的證明,以及微生物學、細胞生物學、染色體等細胞學說的發展茁壯。遺傳學的故事清楚地告訴了我們,除了科學家的直覺與才能,也需要靠科技的突破,才能促進一門學科真正的成形。有了顯微鏡之後,科學家終於可以真正看到動植物細胞的組成,並確定無論動植物,其最微小的單位都是細胞。

有了細胞學說的基礎之後,再加上孟德爾提出減數分裂概念,科學家於是開始實際觀察染色體在細胞分裂時怎麼進行,一步一步地證實孟德爾提出的理論確實非常接近實際的染色體與基因活動。

Theodor Boveri和Walter Sutton經過觀察性的研究後,在1902年提出染色體確實擁有孟德爾定律中稱為遺傳因子(hereditary factors)的物質。而直到1910年,Thomas Hunt Morgan於1910才以果蠅育種的研究真正建立了染色體遺傳學說。Francis Galton則發現人類的可測量性狀特徵(measurable traits)確實是可遺傳的,其學生Karl Pearson並進一步發展出生物測量遺傳學(biometric genetics),在研究人類性狀與基因之間關係的時候,他們發現在人類這樣複雜的動物與基因系統狀況下,基因與性狀之間的關係並非如豌豆那樣一一對應,一個性狀可能由許多不同的染色體與基因操控,而且也會受到後天環境的影響,因此首度提出了先天與後天的議題,打破了二元論的迷思。

二分法在高等生物不太能適用,絕大部份的表現型都不是截然二分,而是連續性的特微(continuous trait),如聰明/愚笨、高/矮等,都是連續的光譜,而不是非黑即白的選擇題,並非孟德爾遺傳學的二分法特徵(dichotomous trait)所能涵蓋。這也就是所謂「多基因」(Polygenic)的概念,人類的疾病與特徵都受到多元的遺傳基因影響,更有甚者,這些基因還會與後天的環境因素相互作用,在環境的影響下形成更多元的臨床病症或特徵。為了讓大家了解後天環境對生物性徵的影響,楊教授特別以喜馬拉雅兔皮毛顏色的變換為例,解釋環境因素(environmental factors)對表現型的影響,喜馬拉雅兔皮毛的顏色會因隨溫度變低,而且出現局部黑毛化的現象,即使基因沒有改變,外在的性徵卻從白毛變為黑毛,這個例子充分表現出基因與後天環境因素互相影響,才會決定最後表現型特徵的特色。

有趣的是,在實際觀察細胞進行減數分裂,染色體遵循孟德爾之獨立分配律(independent assortment)重新分配DNA的活動時,其精細的活動令人讚嘆,而如此精細的活動,就是確保遺傳多元性(genetic diversity)的關鍵。人類的染色體已經相當複雜,但染色體在減數分裂的過程中更會配對並交換DNA,不只是數目減半,更會因配對交換而形成超過想像的多元性,所以每個人都是非常獨特的個體,即使是同父同母的兄弟姊妹,也會有很大的個體差異。

減數分裂的努力傳達出生命的奧秘,告訴我們保持多元變異對於生命延續的重大意義,也進一步在提示我們:生命原本就獨立多元,有各自精彩的特質與表現,父母不應有希望孩子跟我「一樣好」的迷思,而是尊重孩子的獨立發展,讓孩子自我揮灑出獨特的美麗。
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本文整理自:101/10/06下午由楊偉勛教授在臺大應力所國際演講廳所主講之「綜觀基因與遺傳」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2012年10月06日第一講〈綜觀基因與遺傳〉全程影音

﹝本文作者畢業於台大外文系、台大政治系國際關係組,現為台大台文所的研究生﹞
責任編輯:Nita Hsu

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