分子與細胞

整倍體

2013/10/24
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整倍體
國立臺灣師範大學生命科學系103級莊仁奕

個體的染色體套數發生整數倍變異的個體稱之為整倍體，從兩個半套的雙倍體（diploidy-2n）、三個半套的三倍體（triploidy-3n）到四倍體、五倍體等等，都稱之為整倍體（euploidy），而具有兩個以上單套染色體的個體，稱之為多倍體（polyploidy），又從這些單套染色體彼此是否相同可分為：每個單套染色體都來自同一物種的同源多倍體（autopolyploidy）與含有別種單套染色體的異源多倍體（allopolyploidy）

同源多倍體在自然狀況下的產生原因有許多種，精母細胞或卵細胞在行減數分裂時，染色體在第一階段或第二階段未正常分離，造成雙套染色體的配子，此雙套染色體配子在與單套染色體結合產生三倍體的後代；兩個精子同時進入一個卵子受精造成的三倍體也是有可能的。

人工方式也可以促使四倍體的形成：在細胞行減數分裂前期使用秋水仙素（colchicine）抑制微管的形成，此一作用會使得複製的染色體無法分裂，當移除秋水仙素後細胞進入間期（interphase），姊妹染色體分離並解旋，形成四倍體的細胞。同源多倍體無法產生子代，而且體型明顯比一般個體還大，因此常應用於農業，像香蕉、蘋果、西瓜等等農作物，都是使用同源多倍體的個體進行栽種，可生產碩大且很少種子或甚至沒有種子的水果。

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基因體（Genome）

2013/10/24
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基因體（Genome）
國立臺灣師範大學生命科學系103級莊仁奕

個體所有的遺傳物質總和稱之為基因體。以原核生物而言，其基因體包含本身具有的DNA或RNA與外來的質體；以真核生物而言，其基因體包含細胞核內之DNA，粒線體或葉綠體所具有的DNA則不包含在內。人類的基因體即為23對染色體所含有的DNA。

基因體所描述的DNA包含了能夠轉錄轉譯出正常功能蛋白質的基因（gene）與無法轉錄轉譯出正常功能蛋白質且重複性高的非編碼序列（non-coding sequence）。兩個基因在序列上有一定相似程度者，稱之為同源基因，同一物種的同源基因稱之為平行同源基因（paralogous gene），但在演化過程中彼此產生的蛋白質可能具有不同功能。不同物種的同源基因稱之為垂直同源基因（orthologous gene），彼此產生的蛋白質功能相似度高。同源基因的歧異度可作為演化先後順序的證據，為物種鑑定分類提供有別於形態、行為的另一指標。

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反轉錄酵素（Reverse Transcriptase）

2013/10/21
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反轉錄酵素（Reverse Transcriptase）
國立臺灣大學生命科學系研究助理徐翡曼

在分子生物學中，遺傳中心法則（central dogma）係指去氧核醣核酸（DNA）經轉錄作用（transcription）合成核醣核酸（RNA），再轉譯（translation）成作用分子蛋白質，進而影響生物體的功能。然而在1970年，科學家Howard Temin及David Baltimore發現，在特定的RNA腫瘤病毒如勞氏肉瘤病毒（R-MLV）中，有特殊的反轉錄酵素（reverse transcriptase），能將遺傳信息經由反轉錄作用（reverse transcription），從RNA反轉錄成DNA。同樣的反轉錄作用也陸續被發現存在於真核生物中，如反轉錄跳躍分子（retrotransposon）及端粒體（telomere）的合成。此發現與相關研究在1975年獲得了諾貝爾生物醫學獎。

反轉錄病毒

反轉錄酵素具有RNA依賴性DNA聚合酶（RNA-dependent DNA polymerase）的活性，以反轉錄病毒（retrovirus）為例，其基因體中具有2條正股RNA，在侵入宿主細胞後，反轉錄酵素會以RNA作為模板，反轉錄出單股的互補DNA，進而由DNA依賴性DNA聚合酶（DNA-dependent DNA polymerase）合成雙股DNA，將病毒的遺傳信息嵌入宿主基因體中，再在宿主細胞內依轉錄及轉譯作用，合成新的病毒蛋白質，最後組出成熟的病毒顆粒。其中最廣為人知的即為人類後天免疫缺乏病毒HIV，現今許多反傳錄病毒藥物即為反轉錄酵素的抑制劑。由於反轉錄酵素不具有校正（proof reading）的功能，其反轉錄出的DNA較容易發生錯誤，也因此提高了反轉錄病毒的基因突變率。

真核生物

在真核生物中的線性染色體末端具有端粒體（telomere），其功能在於保護染色體末端不在DNA複製時縮短。端粒酶（telomerase）本身為帶有RNA模板的反轉錄酵素，可在DNA末端合成寡核苷酸（oligonucleotide），並加入固定且重複的DNA序列，如人類的端粒體序列為(TTAGGG)n，保護真核細胞的染色體在進行DNA複製時不會急速縮短。另外，真核生物的基因體中帶有反轉錄跳躍基因（retrotransposon），反轉錄酵素會將轉錄出的跳躍基因RNA反轉錄為DNA，再嵌入細胞染色體中，引發染色體的變異。

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基因重製（Gene duplication）

2013/08/06
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基因重製（Gene duplication）
國立臺灣師範大學生命科學系研究助理鄭杏倩

DNA的數量（copy數）可藉由基因重製（gene duplication）事件而增加。基因重製依照參與重製之基因體長度之不同而分為以下幾個類型。

（1） 部分基因重製（partial/internal gene duplication）
（2） 完整基因重製（complete gene duplication）
（3） 部分染色體重製（partial chromosomal duplication）
（4） 完整染色體重製（complete chromosomal duplication）
（5） 多倍體化/基因體重製（polyploidy/genome duplication）

前四類型皆為區域性的基因重製（regional duplication）事件，重製後並不會改變生物體內染色體的數量。因此，一般認為多倍體化事件對演化所扮演的角色遠遠大於區域性之基因重製。然而近來的研究顯示，區域性的基因重製在演化上也扮演著舉足輕重的角色。

區域性的基因重製之發生機制如下。在細胞進行有絲分裂，同源染色體配對進行基因重組（recombination）時，發生非同源區域互換，亦即不對等互換（unequal crossing-over），使得有些配子體（gamete）帶有兩套相同的基因，而相對的有些配子體的某基因就消失了。以下用簡單的示意圖（圖一）來描述不對等互換造成基因重製之事件。

英文字母代表基因在染色體上的位置，白色圓圈為中心粒的位置。左圖顯示聯會事件發在非同源之區域，因此產物3多了一個Ｃ基因，產物2則少了一個C基因。

不對等互換事件常發生在染色體中有許多重複序列的地方，且一旦發生了第一次不對等互換，此區域再發生不對等互換的機率則增加（因為有更多的重複序列提供不對等互換發生），因此常常可以看到基因體中某一區域有基因家族（gene family）的狀況。當重製事件產生後，個體內的第一套基因負責正常功能運作，另外多餘的第二套基因則可以累積變異而不會影響生物之正常運作，經過長時間的天擇（natural selection）或是中性的遺傳漂變（genetic drift）後，第二套基因有機會可以累積足夠的變異而演化成具有新功能之新基因（new gene）。

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微衛星DNA

2013/08/06
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微衛星DNA（Microsatellite DNA）
國立臺灣師範大學生命科學系研究助理鄭杏倩

生物的基因體（genome）序列中有許多重複出現的片段，我們稱之為重複序列（repetitive DNA）。這些重複序列的組成單位為核苷酸（nucleotide），其每一單位核苷酸的數量及重複的數量很多元，且有很大的差異。根據在基因體中重複的位置區分，這些重複序列可分為以下兩類型。第一型：局部分佈的重複序列（localized repeated sequences），此類型的序列在生物體DNA序列中佔有很大的百分比，且主要分布在中心粒（centromeric DNA）以及異染色質序列（heterochromatin DNA）中；第二型：分散分佈的重複序列（dispersed repeated sequences），此類型的序列散布在基因體的各個位置，且依照其重複的狀況可以分為簡單重複序列（simple tandem repetitive sequences）和散佈重複序列（interspersed repeats）。以下簡圖為簡單的將生物基因體重複序列的狀況做一個分類。

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偽基因（Pseudogene）

2013/07/12
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偽基因（Pseudogene）
國立臺灣師範大學生命科學系研究助理鄭杏倩

在生物的基因體序列中存在著許多偽基因（pseudogene），雖然其構造與功能性基因（functional gene）非常相似，但是因經過突變而造成無意義的突變（nonsense mutation）、移碼突變（frame-shift mutation）…等原因，而使得DNA序列無法被成功的轉錄（transcription）或是轉譯（translation），因此在細胞中不會表現偽基因序列的產物。為了區分功能性基因與偽基因，在文字標記上，常在偽基因的名稱前面加上 “Ψ”，例如 “Ψβ-globin”，在電腦化的資料庫中，有時也會在基因的簡寫後面再加上 “P” 來代表，例如 “CA5P” 代表α-carbonic anhydrase pseudogene 5。大部分的偽基因無法被轉錄，然而有少部分的偽基因可以被轉錄甚至轉譯。此種雖然存在卻沒有真正的功能的情況，可將偽基因視為基因層次上的痕跡性狀（vestigial trait）。

偽基因屬於廢物DNA（junk DNA）的一員，然而因為其與功能性基因擁有相同的祖先，因此在演化歷史的探討應用上為一重要的研究工具。偽基因的演化速率相較於其同源（homology）的功能性基因快很多，因此藉由相同物種內偽基因與功能性基因序列，以及不同物種間偽基因與偽基因序列等的比較，可以深入地做不同演化層次（基因、物種）的探討。

偽基因依照其來源可大致分為以下三類，其構造及應用上皆有所不同。

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鋅手指（Zinc finger）

2013/04/16
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鋅手指（Zinc finger）
國立臺灣師範大學生命科學系研究助理陶韻婷

鋅手指（zinc finger）是一種像手指形狀的蛋白質構形（motif），具有這種結構形狀的蛋白質能與DNA、RNA分子、蛋白質甚至脂類結合。Zinc finger蛋白質在真核生物細胞較常見，少見於原核細胞，是主要調控基因轉錄的蛋白質，在許多基礎的細胞生化反應都扮演重要的角色，如：複製（replication）、修復（repair）、轉錄（transcription）、轉譯（translation）、代謝（metabolism）、訊號傳導（signaling）、細胞增殖（cell proliferation）以及細胞凋亡（apoptosis）等。

蛋白質的結構可分為四級。一級結構（primary structure）為胺基酸的排列，而二級結構（secondary structure），如α螺旋（alpha-helix）及β摺板（beta-sheet），則是由不同胺基酸彼此之間的分子作用力（如氫鍵（hydrogen bond）、凡德瓦力（van der Waals’ force）而形成，。二級結構的子單位彼此經過摺疊（folding）就形成（tertiary structure）三級結構，三級結構再彼此結合就形成四級結構 （quaternary structure）。Zinc finger屬於超二級結構（super-secondary structures），有許多不同種胺基酸的排列皆可產生zinc finger，並依照zinc finger的3D結構形狀（three-dimensional structure）分成幾種類別，如：cys2his2、gag knuckle、treble clef finger、zinc ribbon及zn2/cys6等。

首先被科學家研究透徹，且為最典型的鋅手指構形是cys2his2，具有α螺旋及β摺板各一個，大約有23胺基酸排列形成手指形狀，此構形保護著由β摺板上的2個cysteines與α-helix的2個histidines所共同鍵結的一個鋅原子。Cys2his2蛋白質在真核生物中，為常見的轉錄調控因子（transcription factor），它以α-helix嵌入DNA雙股螺旋的大溝槽（major groove）中，由β摺板與DNA上的糖-磷酸骨架（sugar-phosphate backbone）交互作用，並以鋅原子穩固著整體的架構。Zinc finger較偏好DNA上GC鹼基較多的部分，因容易形成氫鍵穩定。

Gag knuckle則與cys2his2構造相似，有比較短的β髮夾（beta-hairpin）和較大的α螺旋。人類免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus, HIV）具有gag knuckle類的zinc finger蛋白質，治療後天免疫缺乏症候群（acquired immunodeficiency syndrome, AIDS）的部分藥物即是利用鋅手指抑制劑（zinc finger inhibitors）抑制HIV gag knuckle蛋白質的合成。

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「抗自由基」保健品有害？

2013/01/21
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2013年1月9日，中央社根據英國每日郵報的報導，發布新聞稿：「諾貝爾醫學獎得主美國科學家華森表示，時下流行的防癌超級食物如花椰菜、藍莓，與維他命丸等食品補充劑，無法預防疾病，甚至可能帶來疾病，增加致癌風險。」國內媒體紛紛跟進，不過只是人云亦云，並沒有查證，更沒有釐清事實。 原來華森在1月8日發表了評論文章，該篇文章有兩個目的：第一、他為抗癌的生物醫學研究，提出了一個方向；第二、他認為研究社群必須夙興夜寐、全力以赴，才可能為治療癌症帶來新希望。 華森指出，絕大多數用來直接殺死癌細胞的工具，無論是輻射線還是藥物，都透過活性氧自由基(ROS)達到目的。簡言之，就是以活性氧自由基破壞細胞周期。可是癌組織在演化過程中，最後都會產生大量的抗自由基，那些分子正好能夠克制抗癌機制的作用。 例如近年備受矚目的抑癌基因p53，功能之一是控制細胞周期。要是細胞出現異常狀況，如DNA受到損傷，p53能夠促成細胞凋亡。因為它能啟動合成活性氧自由基的基因。華森推論，大多數細胞凋亡事件，可能都是活性氧自由基直接造成的。p53一度受到誤會，以為它是致癌基因。現在科學家已經明白，要是p53發生突變，就無法啟動細胞凋亡機制，癌組織於是因而坐大。華森推論，有些頑強的癌症，最後藥物之所以無效，可能是因為癌組織中含有大量的抗自由基。
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