生命科學

探索腸道免疫細胞與細菌間共生關係分子機制

探索腸道免疫細胞與細菌間共生關係分子機制(Exploring molecular mechanism between intestinal immune cells and gut microbiota)
國立臺灣大學生命科學系范姜文榮編譯/國立臺灣師範大學生命科學系李冠群副教授責任編輯

編譯來源:腸管免疫系と腸内細菌の共生関係の構築に必須の分子を発見

日本慶義義塾大學長谷教授領導的研究團隊,透過小鼠動物實驗,發現腸道免疫細胞與腸內細菌營造共生關係之關鍵分子-Uhrf1,Uhrf1能支持腸道調節性T細胞的增殖與運作,促使腸道T細胞防止對腸內細菌產生過度免疫反應,在維持大腸免疫系統恆定,扮演重要的角色。其研究成果2014年6月刊載於科學期刊「Nature Immunology」。

腸道免疫系統的特色,一方面需啟動免疫反應來排除病原性細菌等有害抗原;另一方面也有免疫耐受性(immune tolerance),以避免對食物性蛋白質或共生菌等無害抗原產生反應。目前認為免疫系統的反應失衡是造成食物過敏或腸道發炎的主要原因。

嗜鹼性白血球導致氣喘的機制

嗜鹼性白血球導致氣喘的機制(Asthma mechanism induced by basophils)
國立臺灣大學生命科學系范姜文榮編譯/國立臺灣師範大學生命科學系李冠群副教授責任編輯

編譯來源:白血球「好塩基球」の喘息における新メカニズムを解明

日本東京理科大學為主的研究團隊發現,居家塵螨等過敏原誘發的氣喘,由嗜鹼性白血球(basophil)分泌白介素-4(interleukin-4;IL-4)與自然輔助性細胞(natural helper cell)共同調控所形成。該研究成果2014年5月刊載於科學期刊「Immunity」。

PBBasophil

圖 : 嗜鹼性白血球 (來源:維基百科)

人體具有防禦異物、保衛身體的免疫系統,但它有時會產生不適合的免疫反應,其一為「過敏反應」。過敏反應依形成機制可分為5大類別,其中免疫球蛋白E(immunoglobulin E; IgE)所引發的過敏反應I型,以支氣管氣喘、花粉症、及過敏性鼻炎為代表。針對特定過敏原(allergen),免疫球蛋白E會與肥大細胞(mast cell)或嗜鹼性白血球的受器結合,誘發過敏反應。

近年發現,即使在不存在免疫球蛋白E作用之肥大細胞或T淋巴球(T lymphocyte)的反應系,也會產生過敏反應。此類針對特殊抗原的免疫反應,可能與嗜鹼性白血球、或免疫系統之新型「自然淋巴球(natural lymphocyte)」有關聯,最近受到高度矚目。另外,蛋白質分解酵素-半胱氨酸蛋白酶(cysteine protease),如居家塵螨或鳳梨內所含有特殊酵素,是可以強烈誘導過敏反應的過敏原,當過度入侵氣管時,會破壞氣管上皮,釋放出白介素-33(IL-33)誘發過敏反應。

IL-33再與自然淋巴球之自然輔助性細胞產生作用,引發氣喘。嗜鹼性白血球占全體白血球比率不及0.5%,長久以來,其機能或生物特性仍然不清楚。東京理科大學的研究團隊為了解析嗜鹼性白血球在體內過敏反應所扮演的角色,特別製作嗜鹼性白血球缺損的基改小鼠(Bas-TRECK小鼠)、及僅嗜鹼性白血球IL-4缺損的基改小鼠。使用半胱氨酸蛋白酶,對小鼠予以點鼻處理,通常3天內,會導致嗜酸性白血球(eosinophil)大量聚集,造成肺部發炎,並導致黏蛋白(mucin)大量生成,顯現氣喘症狀。但Bas-TRECK小鼠,即使以半胱氨酸蛋白酶點鼻處理,也無氣喘症狀,且嗜酸性白血球聚集於肺部或黏蛋白生成,也都受到顯著抑制。在僅嗜鹼性白血球IL-4缺損的基改小鼠,氣喘症狀也同樣受到抑制。這些結果顯示嗜鹼性白血球所分泌IL-4,在氣喘發作扮演重要角色。

碳循環(Carbon cycle)

碳循環(Carbon cycle)
國立臺灣大學森林學系王家玲學士

生物地質化學循環(biogeochemical cycle)為各個元素在大氣層(氣圈)、海洋(水圈)、地殼(岩石圈)以及生物體(生物圈)這四個「庫」(pool)之間的循環。依照貯存後參與循環的程度可將「庫」區分成「貯藏庫」(reservoir)和「交換庫」(exchangeable pool)。保留在貯藏庫的物質,通常以不能被生物直接利用的型式存在,而須藉由某些化學作用才能進入交換庫被生物利用,例如碳以碳酸鈣形式貯存在海底泥層或岩層中,岩石圈是碳的貯藏庫。碳酸鈣被溶解後轉成二氧化碳才能被生物利用,所以水圈和大氣圈才是碳的交換庫。

地球上的碳(carbon)會以不同型式存在於生物和環境中,這不同的型式便是不同的化合物。大氣中的二氧化碳從無機物的形式經過植物或藻類的光合作用,合成有機化合物(簡稱「有機物」),有機物大多為碳水化合物,是生命產生的物質基礎,因此植物或藻類稱為生產者。牛、羊等草食性動物從植物獲取養分(例如澱粉、蔗糖、果糖…等等),稱為消費者。而獅子、老虎等肉食動物若以捕食草食動物攝取養分,則稱為次級消費者。

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伊波拉病毒(Ebola virus)—病毒的防制

伊波拉病毒(Ebola virus)—病毒的防制

伊波拉病毒最早在1976年於非洲剛果民主共和國和非洲蘇丹共和國被發現,而此病毒的命名則是以非洲剛果民主共和國的伊波拉河來命名,因伊波拉河流域接近伊波拉病毒首次爆發此疾病的部落。從1976年迄今為止,伊波拉病毒最大規模的爆發是在2014年的西非伊波拉病毒疫情(截至2014年8月此波疫情仍在持續爆發中),影響的範圍在西非的幾內亞,賴比瑞亞,獅子山,和奈及利亞等地。 伊波拉病毒是一種病毒性人畜共通傳染病,傳染的途徑通常是藉由體液、黏膜、皮膚等接觸造成感染。由於伊波拉病毒的高致命性,且目前尚無任何對此病毒有效的疫苗,因此伊波拉病毒被列為生物性危害第四級的病毒。 目前對於生物性危害的等級,大多都是以美國的疾病管制中心(CDC)所規範的四個等級為主,其中包括有: 第一級: 定義:對於人類以及動物的危害較為輕微,而且對於環境的危害也較輕的生物為害物質。列在此等級的生物為害物質有大腸桿菌、枯草桿菌、水痘……等等。 第二級: 定義:對於人類及動物的危害為中等,但對環境的危害較為輕微的生物為害物質。列在此等級的生物為害物質有甲型流感病毒、萊姆病、沙門氏桿菌、A型肝炎、B型肝炎、C型肝炎、腮腺炎、痲疹等、狂牛症疾病……等等的病原體。 第三級: 定義:對於人類及動物的危害為高等,但對環境的危害較為輕度的生物為害物質。列在此等級的生物為害物質有天花病毒、結核桿菌、炭疽桿菌、瘧疾、黃熱病、斑疹傷寒、SARS、西尼羅河病毒、HIV……等等之病原體。 第四級: 定義:對於人類及動物的危害為最高等,對於環境的危害為最高等的生物為害物質。而且尚未發現任何有效疫苗或治療方法。列在此等級的生物為害物質有漢他病毒、拉薩病毒、伊波拉病毒、馬爾堡病毒、玻利維亞出血熱、阿根廷出血熱……等等出血熱疾病的病毒。

伊波拉病毒(Ebola virus)— 病毒的分類與特徵(下)

雷斯頓伊波拉病毒(Reston ebolavirus)是在1989年,首次在美國維珍尼亞州雷斯頓地區,一群從菲律賓進口的食蟹猴(Macaca fascicularis)身上發現。雷斯頓伊波拉病毒對猴子有很高的致死率,但目前並未發現該病毒對人類有致命性的危險。 象牙海岸伊波拉病毒(Taï Forest ebolavirus)是在1994年,首次於象牙海岸的塔伊國家公園內,在森林中死亡的兩隻黑猩猩屍體上被發現。在檢查兩隻黑猩猩屍體的時候,檢驗人員發現在心臟內本應凝固的血液,卻是棕色的顏色而且液化呈液態的狀態,內臟的外觀並沒有明顯受到傷害的痕跡,而肺臟中卻積滿血液。將黑猩猩身上採到的組織,去做進一步的研究結果顯示,此病毒與1976年爆發的薩伊伊波拉病毒及蘇丹伊波拉病毒親緣關係十分接近。1994年後,發現到更多死亡的黑猩猩,對該病毒傳播途徑研究的結果,推測感染的來源可能是一隻被黑猩猩捕食且帶有象牙海岸伊波拉病毒的疣猴。在研究黑猩猩屍體的過程中,有一位研究人員感染此病毒,出現了類似登革熱感染時會有的病狀,並在一周後被送到瑞士治療,兩周後出院,在感染病毒的六星期之後完全康復。
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伊波拉病毒(Ebola virus)—病毒的分類與特徵(上)

伊波拉病毒(Ebola virus)—病毒的分類與特徵(上)

伊波拉病毒(Ebola virus, 又譯埃博拉病毒),一個大家耳熟能詳,但也令人聞之色變的名詞,在1995年的電影「危機總動員」中就是以伊波拉病毒為題材所拍攝而成的故事。在今年,2014年,位於西非伊波拉病毒的疫情大爆發,與歷年相比感染人數與死亡人數都達歷史上的最高峰(圖一),對於全世界來說這是個很嚴重的公衛問題。伊波拉病毒又被稱之為新世紀黑死病,這病毒究竟是什麼? 伊波拉病毒在病毒的生物分類階層中,屬於單股反鏈病毒目(Mononegavirales)底下,絲狀病毒科(Filoviridae),伊波拉病毒屬(Ebolavirus)的病毒,此屬的病毒總共包含五個種,分別是薩伊伊波拉病毒(Zaire ebolavirus),蘇丹伊波拉病毒(Sudan ebolavirus),雷斯頓伊波拉病毒(Reston ebolavirus),象牙海岸伊波拉病毒(Taï Forest ebolavirus),本迪布焦波拉病毒(Bundibugyo ebolavirus)。病毒所屬的目,單股反鏈病毒目(Mononegavirales),為一種感染脊椎動物的病毒目,是屬於核糖核酸病毒(RNA virus)的一種,又稱為RNA病毒。RNA病毒,顧名思義,此類病毒的遺傳物質是RNA,與DNA病毒相較之下,RNA病毒的變異性較高,若病毒持續的變異,那麼做出來的疫苗就只有對某種變種有效,而對於其他種病毒變種無效,像是每年都會爆發的流感病毒也是屬於RNA病毒的一種,也就因為RNA病毒高變異度的原因,造成RNA病毒難以製造出有效疫苗出來預防感染。 伊波拉病毒的五個種的命名,是以此病毒種首次爆發的發生地來命名的,其中,薩伊伊波拉病毒(Zaire ebolavirus)(圖二)對人類的致死率高達90%,是在1976年8月26日首次於薩伊北邊城鎮爆發時被發現的。薩伊伊波拉病毒的首例個案紀錄是44歲教師Mabalo Lokela,在當時患者他高燒後去醫院診療,其症狀被醫生診斷為疑似瘧疾感染,並用奎寧注射的方式來治療患者,接受治療一週後患者病情卻惡化,且無法控制的嘔吐,帶血腹瀉、頭痛、暈眩伴隨呼吸困難,並開始自口、耳、鼻、直腸等多處開始出血,患者於9月18日死亡,從病發到死亡整個病程只有兩週時間。
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伊波拉病毒(II)-「無知與不信任」才是真正的敵人

伊波拉病毒(II)-「無知與不信任」才是真正的敵人

伊波拉病毒屬於第四級病毒。約瑟夫‧麥柯明克─規劃建置美國疾病控制中心熱實驗室,同時也是伊波拉病毒專家─在1997年出版的《第四級病毒》一書開頭寫著:「『第四級』是在實驗室裡工作,生物安全分級的最高級,列入此類分級的多是具有高度危險或者不明的物質,極有可能使操作的科學家染上致命疾病。…這類實驗室都是單獨一棟房子,如與其他單位同在一棟房子,也必須完全隔離。…所有的工作人員均須穿上隔離衣,以維生設備供應氧氣(圖二)。實驗室有特殊的設計,防止危險物質外洩。」足以呈現伊波拉病毒的危險性。 伊波拉病毒的傳染途徑為透過接觸受感染的果蝠直接傳染給人,或透過中間宿主如猴、猿、豬等再傳染給人。人與人之間則需透過直接接觸被感染者或其屍體之血液、精液、分泌物、器官,或間接接觸被感染者體液污染的環境而感染,並不似流行感冒病毒可經由空氣傳染。病毒檢測方式包含下列幾種:(1) 取發病10天內病人的血液、體液、或咽喉擦拭液,在P4等級實驗室中以Vero E6細胞培養分離病毒。(2) 取死亡病人頸部皮膚做生檢,或以福馬林固定後進行免疫組織化學染色法檢測病毒抗原。(3) PCR檢測病毒基因,此為最快速準確的檢測法。(4) 用ELISA或免疫螢光法檢測IgG抗體亦為快速檢測法之一,但免疫螢光檢測法誤判機率較高。 伊波拉病毒固然致命,但防疫戰真正的敵人不僅是病毒本身,更是與饑荒、貧窮一同蔓延在非洲大陸上的「無知」。伊波拉病毒潛伏在人體內的2天到21天期間不具傳染力,一旦出現症狀後傳染性則隨病程演進而增加,甚至病人痊癒後,只要血液或分泌物有殘存伊波拉病毒便仍具傳染力,在無任何防護措施下接觸疾病末期病患的血、體液或屍體,被感染的危險性最高,但當地民眾持續使用無效的方式(如用衣服遮住口鼻)防止自己被感染,並且堅持將死者盡快帶回安葬,完全暴露在高感染風險環境中,加劇疫情擴散。民眾的「無知加上不信任」常使冒著生命危險站上防疫第一線的人員倍感無奈與挫折,村民武裝禁止防疫人員進入已遭到伊波拉病毒感染的村落,「我們不想要任何的訪客,我們不想要與任何人接觸。」致命疾病警訊在缺乏衛生教育及防疫觀念的國家不僅沒有提高民眾配合度,反而增加防疫工作困境,人民視紅十字會或無國界醫生組織為伊波拉病毒的源頭,避之唯恐不及,不知道「誓死保衛家園,抵擋致死疾病侵入村落的行動」是將自己推向死神。另一方面,經濟學人報導非洲人民與政府的互信基礎薄弱導致失敗的風險溝通,政府善意宣導「避免接觸病患的血液、汗水,唾液,以及不要碰觸死者身體」卻被大多數人解讀為藉機散播另一波傳染病,醫療注射或防疫消毒等行為被曲解為試圖散播病毒,更遑論說服民眾採取防疫行為。正如麥柯明克在其書中寫道:「醫學、科學不是解決疫病的萬靈丹,我們必須通盤研究人口過剩、貧窮、都市化等問題…」。
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伊波拉病毒(I)-與死亡共舞

伊波拉病毒(I)-與死亡共舞

世界衛生組織(WHO)於2014年8月8日宣佈全球進入伊波拉病毒國際公共衛生緊急事件。WHO表示在西非爆發的伊波拉疫情為40年來最嚴重的一次大爆發,有別於以往的是可透過航空交通傳播,使擴散範圍堪稱歷來最嚴重,截至8月4日止,伊波拉病毒確診、疑似和可能感染病例高達1711例,並已造成932人死亡。這隻病毒不僅將死亡陰影投射在非洲大陸上,且有向外擴散的態勢,近幾日香港發現境外移入疑似病例亦引起極大恐慌。 伊波拉病毒引起的伊波拉出血熱首次爆發於1976年的非洲薩伊及蘇丹,在1994、2004至2012年間非洲仍爆發數次疫情,但本次首度在西非爆發其擴散程度與帶來的恐慌遠遠超過以往,宛如1995年電影《危機總動員》真實上演。儘管國際性的公共衛生計畫已根絕不少致命的致病原,然而當2013年底伊波拉病毒再度躍上舞台時,人類對於這隻40年前已出現,致死率為50%-90%的病毒依然未發展出有效的控制對策。 病原特性 伊波拉病毒與流行性感冒病毒一樣為具有套膜的RNA病毒,因遺傳物質為RNA容易引發突變,增加病毒的不可預測及危險性。屬線狀病毒科(Filoviridae)伊波拉病毒屬(Ebolavirus),直徑約80 nm~970 nm長,具多型性(U和Y狀)(圖一)。依生物學特性不同又分五種株型,Bundibugyo、Zaire、Sudan等三株與非洲伊波拉疫情相關,另兩種Reston及Taï Forest則無關,Reston株型曾在菲律賓與中國被發現,會造成人類以外靈長類的致死出血性疾病,但感染人類個案極少且皆無臨床症狀。

族群(Population)

族群(Population)
國立臺灣大學森林學系王家玲學士

生命層譜(biological spectrum)由小至大為:基因-細胞-器官-生物體-族群-社會。這生命層譜中,從生物體開始,到族群、社會,即屬於生態學研究的範圍。在生態學上,族群(population)是指生活在某一特定區域中的同種生物之集合。也可更簡單的定義為:同一分類系統之生物體的集合。所謂的同一分類系統,在生態學上通常指同種(species)而言。因此也可定義為屬於同一「種」的許多個體的集合,形成族群。

但因地理環境的限制,在隔離(isolation)的情況下,某一地點能夠互相交配之生物體群,稱為局部地域族群(local population)。族群會比單獨的生物體更具演化上的意義,因族群中的個體之間基因能互相交流,使族群的遺傳特性留存。而有性生殖能使基因重組,以適應環境變化。透過天擇(natural selection)的作用,在不同環境下,局部地域族群可能產生微小差異,像是不同顏色的花朵或葉片,便稱為生態品種。廣泛分布的植物,常由許多生態品種組成,若環境呈連續性的梯次變化,而隔離作用又不顯著時,則生態品種亦呈現逐漸的分化。這種連續的族群變化,稱為生態序列(ecocline)。

指標生物:深色鳥類族群消長成為都市重金屬污染指標

指標生物:深色鳥類族群消長成為都市重金屬污染指標
行政院農業委員會特有生物研究保育中心林大利助理研究員

由於都市環境汙染嚴重,植物覆蓋度低,再加上少有自然棲地,因而往往被認為是生物多樣性相當低的生態系(Niemelä et al., 2012)。對鳥類而言,都市中的鳥類物種數,也就是鳥種豐富度(bird species richness)常常比森林或農田生態系來的低,但是,其中少數幾種會非常優勢,族群量相當龐大(Gil & Brumm, 2014)。這個現象暗示了某些鳥種較能適應都市環境,某些鳥種則難以適應。然而,究竟是那些因素產生這樣的差異呢?

由於重金屬會直接或間接地影響鳥類的繁殖成功率(Eeva et al., 2009)。鳥類能否有效的代謝體內的重金屬或許是其中一個答案。比利時的安特衛普大學 (University of Antwerp) Dauwe博士的研究團隊指出,比較重金屬污染嚴重的地區與較輕微的地區,藍山雀(Parus caeruleus)每一巢的鳥蛋數量和蛋殼厚度沒有明顯的差別,但是,在重金屬汙染較嚴重的地區,雄鳥精細胞的數量明顯較低。

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圖一、(a)一般所見的金背鳩羽色偏淡色。(林大利攝影)

法國巴黎第六大學(University Pierre and Marie CURIE)的Chatelain博士認為,在都市中體羽顏色偏黑的鳥類數量較多,可能與黑色素能代謝重金屬離子有關。黑色素(melanin)是生物體內常見的有機化合物,會使動物的皮膚、羽毛和毛髮呈現黑色或棕色的色素,再者,黑色素能夠有效吸附鉛和鋅等重金屬離子,將血液中有毒的重金屬離子代謝至體外(Niecke et al., 2003)。

為了探討鳥類體內黑色素代謝重金屬的現象,Chatelain博士的研究團隊將97隻羽色深淺各不相同的野鴿(Columba livia)飼養於巴黎的戶外籠舍,以相同的玉米、小麥及豌豆餵食,一年之後,體羽顏色較深的野鴿,羽毛的平均鋅離子濃度顯著的高於體羽顏色較淺的野鴿,推測體羽顏色較深的野鴿,透過黑色素有較佳的代謝重金屬離子能力。

相比後研究團隊認為,有效代謝重金屬離子,可能是這些深色鳥類個體的繁殖較為成功的原因之一,使都市中深色或黑色鳥類的數量比淺色鳥類來的多(Chatelain et al., 2014)。然而,研究團隊也表示,有效排除體內的重金屬可能只是其中一項原因,應該還有其他因素,例如深色的外表是否會使鳥類更容易吸引異性?是否顯得看起來較健康強壯,使其在競爭生存資源和繁殖機會的成功率較高?都是值得再進一步探討的問題。

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