小線蟲立大功
96/08/07
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羅時成｜
長庚大學生命科學系教授
線蟲在動物分類學中又稱圓形動物，以牠們體形呈線狀，外橫切面呈圓形而得名。這隻使科學家獲諾貝爾獎的線蟲有個美麗的學名，中文稱作「新桿秀麗線蟲」，拉丁文科學名是Caenorhabditis elegans，這個名稱歸因其運動行徑呈十分優雅三角函數sine的曲線所致。一般人聽到線蟲，馬上連想到蛔蟲以及對人類有害的寄生蟲，但新桿秀麗線蟲行非寄生性生活，也不會使其他生物致病。牠們生長在土壤裡，以微生物和腐爛生物碎片為食物。
果蠅成為今日耳熟能詳的生物遺傳研究教材，主要歸功於1904年摩根在哥倫比亞大學建立世界第一個「果蠅研究室」（見《科學發展》409期）。同樣地，線蟲成為當今世界名聞遐邇的生物研究模式，背後也有一位偉大的推手，他的名字叫作悉尼‧布瑞納（Sydney Brenner）。
布瑞納是生物學界公認的研究奇才，1927年生於南非，10歲就開始進行植物色素萃取的實驗，18歲發表的第一篇科學論文就刊登在世界著名的《自然》刊物上。他後來到英國劍橋攻讀博士學位，與當時解開DNA結構的分子生物學界紅人華生和克立克相識，並且和克立克共用一間辦公室，朝夕相處所談的盡是分子生物學的話題。他除了和克立克共同在解開「遺傳密碼子」上有所貢獻外，也是第一個證明信息RNA存在的分子生物學家。
1960年初期在劍橋凱文得希實驗室（Cavadish Lab）克立克主持的分子遺傳組工作時，他開始感到應該捨棄使用大腸菌和噬菌體來探討分子生物學的問題，亦即改用其他生物作研究的時機已到。
他於1963年6月3日寫了一封信給凱文得希實驗室的所長麥斯‧貝魯玆（Max Perutz，1962年諾貝爾化學獎得主），敘述他想改變研究方向的理由。信中說到：「親愛的麥斯……在未來10年內幾乎所有『古典』分子生物學的問題，不是已被解開就是將被解開。我對分子生物學未來的研究，深感需要延續生物學不同領域來發展，比如重要的發育生物學和神經系統。因此我們要利用多細胞生物來作研究，牠需具有生活周期短的特性，像微生物一樣，容易養，體積小，可作大量的操作。牠應該只有很少的細胞數，可供深入進行細胞譜系的追蹤，以及生物形態產生的研究，而且牠要有足夠數量方便遺傳學的分析。」
1960年代是分子生物學研究的高峰期，不只遺傳密碼子已被解開，基因的複製、轉錄、轉譯等基礎分子生物學的問題也大致解開，甚至基因開啟的調控也以大腸菌代謝乳糖得到顯著的成果。
當時劍橋一些分子生物學家經常思考及討論有關什麼是生命科學的終極問題，人類大腦的發育和功能是大多數人的共識，但超過10億細胞的複雜大腦，如何著手研究呢？布瑞納認為應從簡單的動物著手，由簡至繁是解開神經科學之謎的途徑，他相信利用遺傳基因的特性來解開線蟲行為之謎是可行的，就如同分子生物學家利用大腸菌來解開生化合成路徑相關的基因，和用噬菌體了解其組裝要件及過程。
在實驗室中只要餵食大腸菌，線蟲在攝氏25度的培養條件下，由受精卵經過L1、L2、L3和L4等4期幼蟲發育成具有生殖能力的成蟲只需3天半，而且由受精卵到成蟲都是透明的，便於利用顯微鏡作細胞分裂和細胞譜系的觀察和追蹤。此外，成蟲大約只有1千個左右的體細胞，正符合布瑞納理想中小型簡單的多細胞動物的條件。
線蟲在提供遺傳學的研究上也有牠的特殊性。線蟲成體可分雌雄同體和雄體，兩者都具有5對染色體，但前者有兩個性染色體（XX），後者僅具有1個性染色體（XO）。一般雌雄同體可經由同體受精繁殖後代，在L4幼蟲末期，精原細胞經減數分裂產生約300個單套染色體的精子。這些不具鞭毛行阿米巴運動的精子先貯存在貯精囊內，到了成體時，精原細胞的基因程式改變，開始生產卵子，再和貯精囊內的精子結合形成受精卵。
因此1隻雌雄同體一生可產生200～300隻的子代，在理想狀態下，1星期內就可產下將近1萬隻的後代。而且每隻的基因都一樣，有如無性生殖的大腸菌，可維持其基因純品系，提供簡單方便的遺傳分析。
雌雄同體也可和雄體交配行異體受精，造成基因的多元性且可以依孟德爾遺傳定律進行分析。一般1隻雌雄同體線蟲後代中有千分之一的機率產生雄體，它的出現率低是因為大部分精子卵子都可獲得1個X性染色體，極少部分不均勻的X性染色體分配造成不含性染色體的精子或卵子，這些精子或卵子與正常卵子和精子結合就發育成雄體（XO）。
在實驗室中若要獲得大量的雄體來作研究，可用化學藥品或溫度來控制，提升雌雄同體產下缺乏X染色體的配子而增加雄體的比率。再利用雄體和雌雄同體交配，產下後代大約有50％是雄體，或以him-8突變的雌雄同體作自體受精可獲得約37％的雄體。
基於上述線蟲的特性，布瑞納首先利用遺傳學方法建立起行為或形態異常的突變種，他用化學突變劑EMS處理線蟲，讓線蟲產生基因點突變的下一代。通常在子一代雖有點突變發生，卻是以異型結合子形式存在，因此突變的性狀無法表現。到子二代時，有四分之一的同型結合子個體就呈現突變的性狀了。挑出突變株讓牠自體受精，若所有後代都是突變的性狀，大概就獲得一株突變株品系了。為了確定純品系，許多實驗室都是讓突變株連續自體受精十代，仍保持突變性狀才放心。
布瑞納大量篩選各類行為或形態的突變株，如運動失調者、個體小者、個體長而細者、或短而肥者。經過約10年的努力，他建立了300株各類突變株線蟲，而且把100個相對應的突變基因坐落在哪一個染色體的位置也訂定出來，這是何等浩大的工程！整個成果奠定了線蟲遺傳學的基石，並於1974年發表在《遺傳學》雜誌上。這是線蟲研究的第一個里程碑，也讓布瑞納獲得2002年的諾貝爾獎。
之後，線蟲研究的重大里程碑都是由布瑞納的弟子完成的，其中一位也是2002年諾貝爾得主之一的約翰‧薩爾斯頓（John Sulston）。他在1969年完成博士後研究，由美國加州返回英國加入布瑞納的研究團隊，以他專長的組織化學方法鑑別線蟲各類神經細胞。
為了更清楚了解神經細胞分類，他採用以顯微鏡追蹤細胞分裂及其譜系的方式，於1976年發表了線蟲腹索神經的發育。此外，也連同另一位2002年諾貝爾得主羅伯特‧霍維玆（Robert Horvitz），以及一位來自哈佛大學的博士後研究員，於1977年發表了胚胎後的細胞譜系。最後於1983年完成胚胎期的細胞譜系。前後將近7年的工作，拼出了整隻蟲從受精卵到形成959個細胞成體的完全細胞譜系，不僅建立了生物科學的研究典範，也替線蟲研究立下了第二個里程碑。
線蟲細胞譜系追蹤是件枯燥的工作，需要相當大的耐心。幸運的是線蟲蟲體透明，細胞分裂有一定的速度，每個細胞有一定的相對位置，可利用顯微鏡加以辨識追蹤，每天追蹤幾顆細胞，隔天再繼續追蹤。就如同閱讀一本厚達500頁的小說，看到120頁休息後，隔天可從120頁繼續唸下去，毋須從頭唸起。
雖然發育是動態過程，但有如放映的電影不會停頓，每隻線蟲發育過程是一模一樣的，如同一部電影可重複放映，每次可挑相對期別的胚胎再繼續追蹤下去。就像找到銜接點，一部電影可分幾次看完，即使如此，線蟲將近一千多顆細胞的來龍去脈，也花了科學家七年多的苦工才完成！
在薩爾斯頓作線蟲細胞譜系追蹤研究的同時，另外一位布瑞納的弟子約翰‧懷特（John White）也是用苦力完成了第三個里程碑。他把1公釐大小的蟲體作連續超薄切片，照了上萬張的電子顯微鏡照片，再從幾隻蟲的照片重新建構起線蟲的三度超微結構。最後確認了302個神經細胞，並了解每個神經細胞和哪些細胞形成哪種神經突觸，以及將近8,000個突觸所建立的神經相連的網絡，對探討線蟲覓食、社交、向性、生殖、運動等行為奠定了基礎。這些研究成果於1984年發表，稱作「線蟲的心智」。
第四個線蟲研究里程碑主要是由薩爾斯頓所領導的桑格中心團隊，和艾倫‧卡爾森（Alan Coulson）在華盛頓大學所率領的基因體中心聯合完成的。這兩個團隊花了將近10年的功夫，完成了線蟲基因體全部9,700萬的核啟序列的分析，並發表於1998年的《科學》雜誌上，這是第一隻動物完整核啟序列的分析。他們工作經驗的累積用於人類基因體的定序，不但加速完成人類基因體定序的時程，也阻止了私人定序公司把人類基因序列申請成為專利品。
基因體定序是件繁瑣的工作，耗時又耗金錢，因此整個工作期間在爭取經費上有些波折，在定序策略上也受到挑戰。有些科學家認為只要會作蛋白質的基因定序就好，也就是說只作cDNA庫的定序可以節省一些經費，薩爾斯頓則堅持作整體基因定序。他的明智決定確實對線蟲研究有極大貢獻，因為調控基因的序列不是在cDNA庫裡，缺乏這些資料是難以了解線蟲發育的全貌。
上述四大里程碑的成果，其共同點就是經由大量辛苦繁瑣工作所堆砌而成的，難怪有科學歷史學家評論這些工作策略是「蠻力」方法，在生命科學研究中的確獨樹一格。也就是因為有如此豐富扎實的基礎資料，使得線蟲研究率先解開「細胞凋亡」的奧祕及「微小RNA」在細胞內的功能。這兩大發現幾乎是放諸各真核生物皆準的現象，又可應用於人類癌細胞和其他疾病的治療，因此脫穎而出獲得諾貝爾生理醫學獎（相關資料請閱讀《科學月刊》第396和444期）。
從1965年布瑞納開創第一個「線蟲實驗室」，以遺傳學來了解神經發育和神經系統，至今已經有三千多個「線蟲實驗室」遍布全世界，研究的內容也擴增到生理學、細胞學、比較演化學等領域。從1974年起，每年有關線蟲研究的論文數量從個位數至今每年平均有上千篇，這也歸功於布瑞納的遠見。
他希望建立一個友善的「線蟲社群」，所有研究材料可以快速而免費獲得，且研究成果可快速發表。目前有一名為wormbase的網站（http://www.wormbase.org）提供所有線蟲研究的相關資訊，包括所有基因體核啟序列、基因蛋白的序列和人類或其他生物同源基因的演化差異和相似度、各線蟲實驗室介紹、線蟲研究方法的困難和討論等。
線蟲研究社群目前仍以研究行為和神經系統居多，因為302個神經細胞功能和調控尚未全部了解。在線蟲新興研究領域中，研究「老化」和「抗老化」逐漸熱門，因為每種生物都會老化與死亡，個體老化死亡也和基因有關，線蟲比利用其他高等生物作老化研究的好處是，它的生存齡相較於果蠅或小鼠可節省數倍至數十倍的時間。
當一隻雌雄同體的線蟲下完蛋後，平均能活20天，類胰島素受體基因缺損的個體就多活40天。有趣的是，這些基因一樣的個體每隻存活的時間不同，充分顯示個體存活除了基因的因素外，尚有環境的因素。因此科學除了找尋更多「長壽基因」外，也找尋一些抗老化的藥物，也許有天找到使線蟲延壽的藥物也能讓人活得更久！
當然線蟲還可以提供更多有趣的研究題材，比如為什麼線蟲只能長到1公釐而無法長到1公分？為什麼線蟲只分裂到959個細胞就不再分裂了？而同屬圓形動物的蛔蟲，如何突破這個限制成為數十公分的個體？
臺灣最早建立「線蟲實驗室」的是臺大動物系的吳益群，她是霍維玆的博士班學生，於1998年畢業後回國，以線蟲為材料探討細胞凋亡後鄰近細胞如何吞噬死亡細胞的機制，目前在臺灣與她合作或由她那裡獲得材料開始作線蟲研究的有五、六個實驗室。此外，臺大醫學院謝豐舟老師聯合生命科學院的一些老師，以辦研習會方式把線蟲模式介紹給高中老師，再由高中老師帶領高中學生以線蟲為材料做一些科學實驗。這種扎根的工作假以時日，將使得線蟲研究在臺灣也能有亮麗的成果。
