【19-2】基因:從抽象的符號到實體的染色體

■發現與研究基因和染色體的過程使我們瞭解,原來它們都蘊有深刻奧秘。

染色體(圖片來源:維基百科)

講師|陽明大學生命科學系暨基因體科學研究所榮譽教授 陳文盛
彙整撰文|魏妤亘

1953年4月25日,科學雜誌界第一把交椅Nature雜誌上,華生、克里克二人發表了DNA的雙股螺旋結構解密,自此開啟了人類科學史上突飛猛進瞭解DNA與基因的嶄新世界。然而,若要提及最早有關基因的研究,可追溯距今約一百五十多年前那家喻戶曉的孟德爾「豌豆實驗」。

●基因研究的起源──抽象符號

孟德爾擁有大學數學與物理學的訓練,因中學的教師鑑定考試落榜而留在修道院當修道士。令人意想不到地,孟德爾透過觀察修道院花園中豌豆的遺傳性狀表現,加上運用數學分析,發現了遺傳因子的「分離律」。在孟德爾的豌豆實驗中,他觀察豌豆的遺傳特性並分析親代與子代間的遺傳關係。其中,以T表示顯性的高莖因子;以t表示隱性的矮莖因子,透過純種的親代TT與tt雜交,交配出基因型為Tt的第一子代(F1),再將第一子代自交培養出高莖:矮莖數量為3:1的第二子代(F2)。由3:1的結果,孟德爾推測出親代的兩個遺傳因子會分離並分配到子代。

在完整的豌豆實驗當中,孟德爾總共觀察了豌豆上7個不同的性狀,其中,他同時觀察兩種性狀(譬如──圓皮/皺皮與綠色/黃色種子)的遺傳分配,發覺兩種特性並非相連分配,而是獨立分配到子代當中。這就是所謂「獨立分配律」。

●基因重組與遺傳地圖的奧秘

其後,隨著20世紀有絲分裂與減數分裂的發現,染色體減數分裂的分配現象與孟德爾的分離律不謀而合。話雖如此,卻也有科學家發現孟德爾的遺傳因子理論並不完整。1911年,研究蒼蠅染色體的生物學家摩根從試交當中觀察到染色體連鎖的現象以及獨立分配以外的基因重組可能。減數分裂時,同一條染色體上的基因會連鎖至分配好的細胞當中,而在同源染色體分離之前,它們之間則會因著交換而使基因發生重組現象。

理論上,同一條染色體上越靠近的基因,其因著交換而發生重組的機率越小;距離越遠的基因發生重組機率則越大。藉由「重組頻率」的大小,科學家畫出了生物體的「遺傳地圖」。除了真核生物,細菌亦可畫出遺傳地圖。除了透過重組頻率間接瞭解染色體上基因的排列位置,透過直接的物理化學實驗,也能夠進一步對照與觀察。過去,科學家們認為真核生物與細菌其中一個差別就是,前者為線狀染色體;後者為環狀染色體。但是在利用直接的染色體觀測方式後,現在陸續發現少數細菌的染色體並非環狀而是線狀的,其中包括伯氏疏螺旋體菌、鏈黴菌、農桿菌等等。

對照直接的物理化學方法得到的染色體物理地圖與間接推論的遺傳地圖,大部分的生物體若為線狀染色體,遺傳地圖畫出來即為線狀;若為環狀染色體,遺傳地圖畫出來即為環狀。但其中也有例外的發生,鏈黴菌雖擁有線狀染色體,但因在細胞中染色體末端會透過蛋白質黏結相連,因此透過重組頻率畫出來的遺傳地圖是環狀的。陳文盛教授引用福爾摩斯於勃斯克姆溪谷之謎所言「周邊證據是個很詭異的傢伙。它會好像筆直地指向一樣東西,但是如果你稍微偏移一下你的觀點,你會發現它同樣毫無妥協地指向一樣完全不同的東西。」來表達作為間接周邊證據的重組頻率受制於某些特殊情形會造成誤導。

●基因工程的美好藍圖

隨著DNA與基因的研究發展,現今人類甚至能夠按照需求將生物體內基因體進行改造。過去傳統的遺傳工程中,僅能利用生物體發生的隨機突變及交配來進行基因工程,然而於現今越趨成熟的技術之下,「基因選殖」越來越普遍,製造特定基因的突變甚或增刪特定基因已非難事。現在甚至已經可以置換整條的細菌和酵母菌染色體。

2010年有科學家宣稱創造出第一個人造生命,但是他們只是在細菌將舊的染色體用人工合成的染色體置換。細胞如同電腦、DNA如同軟體,對於一個活生生的細胞來說,置換染色體只是在電腦置換軟體而已,硬體並沒置換。染色體DNA容易合成,但是極為複雜的活細胞還沒有人能夠人工合成。為此,對於合成生命,陳文盛教授認為:「還早啦!」

現今遺傳密碼的解開,無疑幫助解釋了許多性狀以及疾病的問題,從一開始孟德爾的抽象符號到現今眾所皆知的實體染色體,人類對於DNA的好奇心與研究仍在持續探索中。

 

本文整理自:107/3/24由陳文盛老師在臺大思亮館國際會議廳所主講之「基因:從抽象的符號到實體的染色體」演講內容。

 

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