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有毒的海洋生物:以基因體辨別有毒魚種

96/12/06 瀏覽次數 27900
上為無毒的克氏兔頭魨(左,或稱黑鯖河魨)及懷氏兔頭魨(右,或稱白鯖河魨),下為劇毒的月尾兔頭魨(或稱栗色河魨、毒鯖河魨)。上為無毒的克氏兔頭魨(左,或稱黑鯖河魨)及懷氏兔頭魨(右,或稱白鯖河魨),下為劇毒的月尾兔頭魨(或稱栗色河魨、毒鯖河魨)。
 
 鑑別物種的方法

棲息在水中的動物物種甚多,其中鑑定有毒的也不少。把這些有毒的水中動物記錄分類,對確保民眾的安全有正面效果,一旦中毒,也可以快速提供正確的魚種和致毒物質,對治療很有幫助。鑑別物種的方法,早期是以骨骼學、肌肉學、歧支分類學、生活史特徵,甚至鰭特徵、鱗片、腸形等來區分魚種的親緣關係。隨著生物科技的進步,蛋白質及基因技術已廣泛應用在分類學的研究上,準確性也受到高度肯定。

蛋白質分類技術有硫酸十二酯鈉-聚丙烯醯胺凝膠電泳法、二維電泳法等。至於基因分類方法,有聚合酶連鎖反應-隨機放大多型性核苷酸法、直接定序分析比對法、聚合酶連鎖反應-限制片段長度多型性法等,都經常使用於新物種種別的鑑定。

加工製品會因加工或加熱導致外觀特徵的去除,使原料物種的判別變得困難,這一困擾可利用基因體辨識來解決。因為核酸在加熱過程中會發生裂解,但利用瓊酯凝膠電泳法分析裂解後核酸圖譜和種別特異性引子(primer)的增幅作用,以增幅極短基因片段,這方法在原料魚種鑑別上甚為普遍。

基因體的遺傳性質

大家也許都聽過「基因」這個名詞,它是遺傳特徵的基本單位。基因是由核苷酸構成的,而基因裡更蘊含著建構生物個體的遺傳訊息。就如電腦以「0」與「1」做為機器語言的密碼,在生物世界裡,是以A、T、G、C這4個英文字母的密碼,把遺傳訊息儲存在長鏈的核苷酸分子裡。然後,細胞再透過「轉譯機器」根據A、T、G、C的遺傳密碼製造出特定結構的蛋白質,以便執行複雜的生理功能。
 
DNA的雙股螺旋結構(左),A、T、C及G的結構式(右)。DNA的雙股螺旋結構(左),A、T、C及G的結構式(右)。
 
當細胞進行分裂繁殖時,會把這套密碼忠實地複製一份,分別藏到子代細胞裡,而可以繼續執行任務。決定核苷酸裡遺傳訊息的密碼,就這樣一代一代地保留下來。

近年來由於基因技術的快速發展,許多分類學家不斷嘗試應用這種新穎技術於物種的分辨上。由聚合酶連鎖反應-隨機放大多型性核苷酸法、直接定序分析比對法,進而到目前最普遍使用的聚合酶連鎖反應-限制片段長度多型性法,分析方式由複雜逐漸趨於簡單化、快速化,也使得基因技術在物種的分類上有更重要的貢獻。同時也創造出另一項應用,即食品原料物種的鑑定。

原先以傳統方法鑑定經加工後的魚肉製品有許多困難,學者就藉由「粒線體核苷酸」的基因密碼分析其序列差異,以了解原料物種的來源,因此建立了一套物種鑑定的新方法。

鑑別物種的目標基因

以粒線體核苷酸鑑定物種
 利用粒線體核苷酸鑑定物種,是因為它的遺傳多型性最早被完整研究,例如目前已澈底了解人類、老鼠和牛的粒線體基因。此外,粒線體核苷酸有以下幾個特點可以用來重建親緣關係。

(1)遍存於真核生物中,幾乎所有物種都具有相同結構。(2)容易分離與操作。(3)基因結構簡單。(4)演化上的變異很單純,主要是鹼基的取代。(5)基因傳遞過程無重組,是直線式的。(6)能提供一組特徵以推斷親緣關係。(7)演化快速,適於親緣相近生物的比較。

一般而言,在動物中粒線體核苷酸具有一些生物共同特徵,這些特徵也是重建親緣關係的重要因素,理由如下。

(1)遺傳特性是單套,且是母系遺傳,不受有性生殖干擾,因此可回溯演化歷史。(2)粒線體核苷酸本身缺乏修補機制,在複製過程中比較容易發生突變,因此演化速度比細胞核內核苷酸快1至10倍。(3)雙股環狀分子,長約16,000~20,000鹼基。(4)無內隱子(intron)、偽基因(pseudogene)等中斷基因。(5)基因序列在門或綱階層內仍很穩定。

以細胞色素b基因鑑定物種 以細胞色素b基因做為鑑別物種的指標,理由如下。
(1)位於粒線體核苷酸中tRNA Thr與tRNA Glu基因片段之間,長約1,200個鹼基對,是粒線體中特有的。最早在粒線體核苷酸中被設計出來的引子就位在這一片段,因此是物種中了解得最透徹的片段基因,研究學者也認為是探索物種演化相關性的開端。
(2)細胞色素b基因有動物間序列極相似的保留區,可供設計引子複製出大部分脊椎動物的基因。
(3)粒線體核苷酸序列因種屬之間的不同而有差異,藉著這方式可以判斷親緣相近的種類。
(4)細胞色素b位於粒線體內膜,含9至10個蛋白質,在粒線體氧化磷酸化反應中構成複合體Ⅲ。複合體Ⅲ發生轉移電子至細胞色素c,同時伴隨發生的是質子通過粒線體內膜,且包含了電子傳遞中重要的氧化還原中心丙二酮分子。

擴增部分基因體辨別物種

聚合酶連鎖反應(polymerase chain reaction, PCR)是現在分子生物領域中最廣泛使用的基本技術。PCR的理論於1970年代提出,但是當時基因定序技術尚未建立,因此這項構想很快就被遺忘了。15年後,再次被人提出,這次科學家把它實際化,並正式命名它。

PCR是利用少量的核苷酸原料在體外大量增幅,其數量可達2n倍。這項技術對於刑事案件證物的鑑定、生物多樣性、稀有動物的保育,以及物種的分析和鑑定有很大的幫助。因為在刑事現場或生物身上只能採集到微量的核苷酸樣本,如頭髮、體液等,但利用PCR放大就很容易進行下一步的分析、定序等鑑定步驟。

要進行PCR之前,必須知道待增幅區域兩端的序列,以設計一對引子。PCR可分做3個步驟。第一步是變性,以加熱的方式把含有標的片段(也就是想做增幅的區域)的DNA模板雙股核苷酸分開,一般要把雙股核苷酸完全分開須加熱至攝氏95度。

第二步是引子黏合。這階段要降低溫度,使引子能黏合至單股模板核苷酸的互補序列上。由於每一種引子和模板核苷酸黏合所需的溫度不同,而且有許多因素會影響PCR的結果,因此須先測試出一個信號最強、雜訊最少的黏合溫度,一般大約是攝氏五、六十度。

第三步是延展或稱聚合作用。核苷酸聚合酶可從引子3'端進行聚合反應,合成新的雙股核苷酸,一般核苷酸聚合酶的最佳反應溫度(也就是延展溫度)是攝氏72度。

以這3個步驟為一個循環,接下來再重複這3個步驟進行另一個循環,一般一個PCR要執行25至30個循環。這增幅方式是以等比級數增加片段的數量,因此理論上只需要進行25個循環,產生的標的片段核苷酸就可達原來的225倍。

實際案例

衛生署、漁業署長期以來就以各類宣導方式,加強加工業者和民眾對於河魨魚種的辨識能力及正確的使用方式,但誤食、誤用或濫用有毒河魨魚種做為香魚片原料的情形仍時有所聞,也經常造成嚴重中毒的悲劇。
 
經加工後的魚肉製品以傳統方法鑑定有許多困難經加工後的魚肉製品以傳統方法鑑定有許多困難
 
2000年1月,彰化5名民眾食用不明魚種的魚湯後,出現嘴部麻木、四肢麻痺、昏迷、噁吐、呼吸困難等疑似河魨毒中毒的症狀。其中兩人情況較嚴重,經治療1周後才康復,其檢體證實含有河魨毒(或稱河豚毒)。同年次月,另5名民眾食用香魚片後出現疑似中毒症狀,其殘餘檢體也含有河魨毒。2001年4月,高雄一名民眾食用烏魚子後出現疑似河魨毒中毒症狀,經送醫治療約1周後才康復,殘餘烏魚子檢體經檢測含有河魨毒。

上述3件中毒案例,都曾利用粒線體部分細胞色素b基因的序列分析及限制5切位鑑定其魚種。

在2000年1月的案例中,烹煮過的檢體經粗萃核苷酸後,利用設計好的引子組增幅部分細胞色素b基因序列並定序,與衛生局提供疑似遭誤食的草河魨新鮮魚肉比對,顯示烹煮過殘餘的河魨肝檢體與衛生局提供草河魨的部分細胞色素b基因序列完全相同,而與虎河魨(無毒)、瀧紋河魨(含猛毒)及毒鯖河魨(含猛毒)的序列呈現明顯的差異。

另以限制酶(具專一性,可以辨認特定位置)分解中毒案例殘餘檢體與草河魨的增幅DNA,都呈現同樣限制切位,產生兩片段247個鹼基對和129個鹼基對,因此證實彰化民眾誤食的魚種確實是含河魨毒的草河魨。

第2個中毒案例的殘餘香魚片,以同一組引子組增幅殘餘檢體中部分376個鹼基對的細胞色素b基因序列後,顯示中毒殘餘香魚片的序列與毒鯖河魨的完全相同。再經由限制5確認後,證實其原料魚種是毒鯖河魨,具同樣限制切位,而與虎河魨、瀧紋河魨及草河魨有所差異。

第3個中毒案例中的殘餘檢體,經與毒鯖河魨、黑鯖河魨、白鯖河魨、草河魨、虎河魨和瀧紋河魨的部分細胞色素b基因比對,顯示殘餘假烏魚子檢體的序列與毒鯖河魨的完全相同,而與其他5種河魨的序列呈現明顯差異。且經由限制酶確認後,證實假烏魚子的原料實際上是毒鯖河魨。

烏魚子的加工一般都是反覆加鹽日曬,然而反覆地加鹽容易造成檢測時核苷酸萃取的困難。所幸這次中毒檢體假烏魚子加熱處理可能較少,其核苷酸仍有少量完整,且大部分核苷酸片段大於300個鹼基對,因此順利證實它是毒鯖河魨的魚卵。

以基因體辨別有毒魚種,確實可提供非常準確的科學證據。隨著科技的進步,鑑定的方法也會越趨純熟、簡單及快速。只要基礎基因圖譜的數據資料建立完備,未來可能走向更快速的生物晶片分析,這種技術會是下一階段鑑定技術的主流。
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