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基因晶片與生物醫學

93/09/08 16407

黃國華｜交通大學材料科學與工程學（所）系

近十年來科學界與企業界致力於生物晶片的研發，從基因晶片、蛋白質晶片，到各式各樣的生物晶片，真可謂一片欣欣向榮，熱鬧無比。談基因晶片，必須知道其中的原理、功用，和它所帶來的衝擊，而遺傳學是一個適當起點。

遺傳特徵由基因決定

中國人說，龍生龍、鳳生鳳；十九世紀西方科學家則說，精子和卵子從父母身上擷取各種精華後，先結合，再混合，故其後代子女具有來自雙親的特徵。由此觀之，東西方社會對於遺傳的概念是相同的，其差別僅在以不同語言來詮釋遺傳現象而已。一八六五年，孟德爾建立了基因觀念，並以八年的豌豆實驗，奠定現代遺傳學基礎。他以嚴謹的科學態度，合理的假設，引進「定量」觀念，並以大量數據驗證，引導出遺傳存在的確定性，其中的關鍵物質便是基因。

往後近百年間，遺傳學緩慢而穩定地進步，卻無法令人興奮，這是因為科學家雖然發現更多的遺傳性狀，但都無法跳脫孟德爾定律的控制。在分析化學及細胞學引進後，生物遺傳物質是DNA的說法便浮上檯面，並在一九四○至一九五○年間的實驗研究中證實了這個說法。科學家發現，兩種細菌個體之間，可由互相轉移交換物質的方式獲得對方的遺傳基因；被噬菌體感染的細菌，則可經由轉移DNA方式，將其體內的噬菌體基因轉送入另一個未被感染的細菌體內。科學界據此確信，遺傳物質是位於細胞核內的DNA。

DNA雙股模型點燃研究熱潮

當華生（James Watson）與克立克（Francis Crick）還是初出茅廬的小伙子時，他們根據若瑟琳．佛蘭克林（Rosalind Franklin）及莫理斯．魏爾金（Maurice Wilkens）的Ｘ光繞射資料，推衍出DNA的雙股螺旋模型後，基因研究才又燃起另一波革命性的熱潮。

為什麼DNA雙股螺旋構造如此重要？在此之前，科學家只知道生物的遺傳物質是DNA，對於遺傳密碼如何傳遞到下一代，它是否在DNA裡的問題仍是一片存疑。之後經過ATGC配對，確認遺傳密碼的儲存形態和DNA的雙股螺旋構造，而且知道，遺傳密碼會以互補方式同時儲存在正負兩股DNA上。當要複製時，雙股DNA會自動打開，成為正負兩個單股DNA，然後各個單股DNA再去合成能與自己互補的單股DNA，直到形成兩組雙股DNA為止，這時複製動作才算完成。

基因表現從mRNA到合成蛋白質

什麼是基因呢？基因是記錄在DNA上的密碼檔案，能夠記錄一個蛋白質的氨基酸序列。不同的氨基酸序列，會決定蛋白質的三度空間結構，也決定蛋白質的功能。基本上，所有的蛋白質都由不同的氨基酸，一個接一個地形成，它們的差別在於氨基酸的不同組合、順序、與個數。在基因密碼檔案中，記錄著每一個蛋白質從第一個到最後一個氨基酸的順序。

高等動植物的染色體DNA位於細胞核內，而所有的基因密碼都存放在DNA上，無法移動。當細胞的外在環境改變，需要製造蛋白質或酵素作回應時，須藉由mRNA轉錄DNA上的基因密碼，這個DNA經由mRNA到合成蛋白質的程序稱為基因表現。如果蛋白質的需求量增高，抄錄出來的mRNA的量亦提高，因此，比較細胞在不同環境下mRNA量的變化，是了解基因功能及細胞功能的捷徑。

生物體的運作需要依靠一大群蛋白質的協調表現，而每條蛋白質由一條或多條的氨基酸鏈組成；只是，DNA中每一段基因只負責轉譯一條特定的氨基酸鏈，而且氨基酸鏈上的氨基酸排列順序，主要是由DNA的核酸排列次序決定。實際上DNA遺傳訊息的傳遞，須靠RNA作中間媒介；換言之，在細胞遺傳表現的流程中，先由DNA將基因訊息轉錄、複製成不同的mRNA分子，再由mRNA與核醣體共同合作，譯成氨基酸鏈，最後形成蛋白質。

點漬法偵測基因表現

基因數目眾多，在同一時間裡，單一種細胞至少含有二千種以上不同基因的mRNA，研究人員該如何偵測單一基因的mRNA呢？點漬法是早期經常使用的方法，先把欲偵測基因的DNA（例如血紅素基因）固定在耐龍膜上，再抽取待測細胞的mRNA，以放射線標定，待所有標定序列都具有放射性以後，再和固定在耐龍膜上的基因做篩選，此時，只有密碼序列和DNA完全互補的放射線標定物可形成雙股結構，其餘不相干的基因產物，會因無法結合而被洗掉。最後呈現的放射線強度即可反映出血紅素mRNA的含量，也即血紅素基因的表現量，也就是這個基因在細胞內的活性。

基因解碼助益無法估計

早期研究基因功能時，最棘手最費時的，就是尋找和研究目標有關的基因。想在數萬個基因中，找到和特定疾病直接有關的少數基因，相當不容易。整個尋找過程必須包括：邏輯化的設計、合理的假說、事後的驗證、功能的確定，不斷的重複。到了九○年代，科學界了解的基因約有五千個。

當時已有愈來愈多科學家警覺到，若以基因在染色體中的密度估算，合理的數目約在十萬個左右，因此認為基因的數量不是天文數字。當時由於自動定序技術出現了突破性發展，以人類染色體總長三十億鹼基對來說，要完全解碼只是遲早的問題。染色體解碼可以直接協助我們估算基因總數，了解基因的組合構造，加速找出疾病與基因之間的關係，如此亦可為醫藥研究帶來無法估計的助益。

由美國官方支持的人類基因體計畫（Human Genome Project）大約花費三十億美金，完成解讀三十億鹼基的工作，而隨之發展出來的新一代生物技術，卻是始料未及。二○○○年六月二十三日，美國總統柯林頓與英國首相布萊爾，共同宣布完成人類基因圖譜草圖。在人類染色體總長度約三十億個鹼基對中，約含有四萬個基因，這是生物學家首次以整體方式研究人類的基因，而醫藥上的研究方針亦從此改觀，科學研究從此正式進入後基因體時代。這項研究又刺激了其他物種的研究，並加速各種基因體研究的進展，真可謂科學研究上的一大里程碑。

基因體計畫的完成，直接改變了生命科學的研究理念。科學家得以拋棄過去種種「尋找」或「釣魚」的研究方式，改用更直接的方式掌握所有的基因。例如在八○年代，倘若發現一個癌症基因就是一條破天荒大新聞，在今天，只需要一個星期就能找到上百個癌症基因。

效用無窮的基因晶片

基因晶片是基因體計畫完成後衍生出來的產品，成本相當低，但效用無窮，是目前所有生物晶片中應用最廣的，也是最有成效的生物技術。一般而言，基因晶片是利用微處理技術，先把人類所有的基因分別固著在三公分長、兩公分寬的玻璃片上，成為一個同時可以處理四萬個基因的點漬片。然後，平行地、大量地、全面性地偵測基因體中mRNA的量，也就是偵測基因的表現。

基因晶片依照材質可分為玻璃晶片及塑膠晶片，DNA附著方式分為打點及光罩合成，mRNA標定的方法則分為螢光、放射線、及免疫顯色。目前應用最廣泛的基因晶片，是把DNA以打點方式附著在玻璃晶片上，再用螢光偵測進行分析，此法稱為互補DNA微陣列（cDNA microarray）。

基因晶片與生物醫學

在八○年代以前，欲尋找和單一疾病相關的基因的困難度相當高；如果需要研究基因活性變化時，也只能透過觀察方式推論出有限的基因。在生物醫學研究領域中，自從分子生物學注入醫學研究以後，對於疾病的研究，大致又分成診斷與治療兩個發展方向。

研究者早就知道，生了病的組織和正常組織，在基因表現的質或量上均有顯著差異。受到生病影響而表現增加的基因，蛋白質可能因為過度增加而逃出組織、進入血液、進入尿液，或藏在平常測不到的部位。此時利用特殊抗體，即可在實驗中快速地檢測出血液中或尿液中是否含有因病變而產生的蛋白質，進而達到早期診斷功效。

大部分重大疾病，如癌症，若能在早期癌細胞剛成形，且尚未轉移前即診斷出來的話，單純的手術移除，簡單的化學或放射線治療，加上適當的追蹤治療，就有可能治癒這個令人聞之色變的病痛。透過基因晶片，可在短時間內比較出哪些基因受到影響，作為早期診斷的目標。所以說，基因晶片可用來發展早期診斷的測試。

診斷之外，倘若能整理出眾多表現差異的基因，就能預知細胞中哪些功能正因為疾病的發生而產生變化。換句話說，藉著了解基因群功能的改變，我們可以詳細地描述細胞內的變化，找出受損傷的源頭基因。這時，就能利用藥物抵抗細胞內特定的生化反應，或選用外來的正常基因替代受傷病變的基因，以幫助細胞回復正常功能。

老年癡呆症是老化疾病的研究重點，尤其進入高齡化的西方工業國家的情況特別嚴重。以美國為例，每年必須花費至少六百五十億美金的醫療成本來治療或照顧病患，這是嚴重的社會問題。然而多年來的醫學研究已確認，β—澱粉樣蛋白質（β－amyloid）的變性是罹患老年癡呆症的主要原因，可惜目前並無有效的診斷及治療方法，但是應用基因晶片後，想必能夠更有效率及快速地找出對策。

早在七○年代，生物學家已開始懷疑，細胞內眾多的基因調控系統之間，可能具有某些密集而微妙的關係。這個想法，可從經常發現基因調控有效的系統中獲得，只是不同系統之間又靠何種方法互相聯絡呢？這些問題都是傳統分子生物學無法解決而寄望於基因晶片來突破的。

雙股DNA模型發表至今50年，全世界科學家已了解七千多個基因的功能。在四萬個基因中，目前尚有三萬多個基因的功能，或可能有的醫療用途，我們仍一無所知。透過基因晶片的應用，可快速探測這些基因在各類疾病或生物體變動中的功能，加速我們對人類所有基因的了解。

科學與技術是密不可分的。綜觀當今生物科技可發現，奈米技術將是基因晶片的下一個戰場。在奈米世界中，各種物質的物理性質隨著物質結構的大小而產生巨大改變，若能借此科技把基因晶片縮小一千倍，而敏感度上升一千倍的話，則科幻電影中的情節就不再是虛幻了。我們期望，下一代晶片能具有更小的體積，更靈敏的偵測能力，針對困擾人類已久的重大疾病能夠找出更佳的解決之道。

附錄

蛋白質合成機制　細胞因外在環境改變，而需要製造蛋白質或酵素回應時，染色體的DNA開始將基因密碼複製到mRNA上。因mRNA一次只抄錄一個基因密碼，所以長度較短，可自由離開細胞核，進入細胞質。細胞質內的核醣體即抓住mRNA，從頭到尾讀取基因檔案，再根據密碼順序，以相對應的氨基酸合成氨基酸鏈，新合成的蛋白質即可行使適當功能。

資料來源

《科學發展》2004年9月，381期，64 ~ 69頁

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