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人類的好伙伴—昆蟲桿狀病毒：科學家的工具

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李景欽｜高雄醫學大學生物科技學系

病毒一直是人類避之唯恐不及的微生物，令人遺憾的是，病毒感染卻是無所不在、無時無刻地發生，例如流感病毒、腸病毒等。除了造成宿主細胞的死亡而引起嚴重疾病外，有些病毒所表達的蛋白質還有造成癌症的風險，例如人類乳突病毒是造成子宮頸癌的危險因子。

然而，昆蟲桿狀病毒卻是科學家珍貴且實用的研究材料，不僅在基因工程上已有諸多的用途，例如蛋白質生產、病蟲害防治、疫苗、幹細胞醫療應用等，也成為科學家解答病毒學疑惑的工具。

其中為科學家所津津樂道的，就是在1991年羅絲‧米勒博士（Dr. Lois K Miller）在加州苜蓿夜蛾核多角體病毒AcMNPV上發現一個抑制細胞凋亡（apoptosis）的基因p35，從此揭開病毒學和細胞凋亡的相關研究，使科學家對細胞凋亡路徑、宿主細胞的防衛機轉有更深入的了解。同時，藉由昆蟲病毒建立的病毒潛伏或持續性感染系統，讓科學家更有機會一窺病毒在這過程中基因調控的神祕面紗。透過對病毒感染的深入了解，可達到有效的防治和治療，免於被病毒感染的恐懼。

潛伏及持續性感染模式

病毒除了進行急性感染、毒殺細胞、快速繁殖子代外，另外一種延續生命的策略就是進入潛伏感染或持續性感染狀態。兩種狀態的共同特徵是病毒長期存在於細胞內而不把細胞殺死；差別是，前者僅部分病毒基因表現，無法完成整個生活史並釋放病毒，後者則仍有少量病毒的釋放。

病毒進入潛伏感染或持續性感染時期，因為病毒蛋白表現量減少，而躲過個體免疫系統的追殺。在這階段，被感染者是沒有症狀的，但當宿主遭受到壓力或免疫力降低時，病毒又會突然被「喚醒」而大量增殖，造成疾病。然而，就算病毒沒有適當的重新複製環境，長久下來對宿主細胞也相當不利，因為病毒表現的基因極有可能擾亂宿主基因的正常表現或功能，最後導致細胞的癌化。

病毒潛伏或持續性感染發生的比率很低，卻是一個普遍的現象，有如一個不定時炸彈深藏在體內某個組織或器官數年或數十年，有些病毒甚至跟隨宿主一輩子，形成揮之不去的夢魘。像常見的人類單純疱疹病毒、愛滋病毒、B型肝炎和C型肝炎病毒等都屬之。

因此，病毒如何進入潛伏感染，又如何再度復發，一直是科學家急欲解答的謎團。然而病毒潛伏感染是一個特殊且機率低的事件，在實驗室建立一個研究模式是必要的，卻也是項挑戰。尤其要操作感染人類的病毒，研究人員還必須背負被感染的風險。不僅如此，實驗樣品不易取得也是一大問題。

幸運的是，在米勒博士於1991年揭櫫p35基因和細胞凋亡的關係後，中研院分生所趙裕展博士的實驗室也在隔年利用p35基因缺陷病毒vAcΔp35，建立病毒持續性感染細胞株。

vAcΔp35病毒是少數可以在實驗室建立的病毒持續性感染模式，除了確認p35基因的表現是病毒持續性感染中的關鍵因子外，也發現vAcΔp35病毒可在秋行軍蟲細胞株進行持續性感染，但無法在擬尺蠖細胞株建立持續性感染，這意味著宿主細胞的特異性也是病毒能否進入持續性感染的決定性因素之一。這現象對照於人類單純疱疹病毒，似乎有共同的結論，因為人類單純疱疹病毒在表皮細胞是進行急性感染，在神經元細胞卻可進入潛伏感染。

此外，趙博士的實驗室也利用另一個昆蟲桿狀病毒HzNV-1，建立了病毒潛伏細胞株。研究結果顯示，HzNV-1病毒在潛伏感染時期，所有病毒基因表現都處於停止狀態，只有一個PAT1 RNA被轉錄出來。奇特的是，這個存在於細胞核中的RNA並不會繼續轉譯成蛋白質，卻可促使病毒進入潛伏感染。當進一步探討病毒復發機轉時，發現屬於病毒早期表達基因的hhi1，可以使潛伏在細胞內的病毒活化而產生病毒子代。顯然hhi1基因的表現對於病毒進入急性感染與否，扮演關鍵性的角色。

總結以上結果，衍生出更有趣且重要的研究議題，一個PAT1 RNA和hhi1蛋白質之間如何交互作用，如何決定病毒進入急性或潛伏感染？是否還有細胞的基因參與其中？外在的環境因子是否也有影響？這一連串的研究歷程，正是科學研究的挑戰和樂趣所在，當發現問題、解決問題後，又有新的問題等著你去探索。

HzNV-1和vAcΔp35昆蟲病毒是少數可在細胞中進行急性、潛伏和持續性感染的系統，由於人類並非昆蟲病毒的宿主，這些細胞株的建立使得操作者沒有安全上的顧慮。又因為可以永續和大量培養被病毒持續性感染的細胞，使得科學家有方便的工具可探索病毒基因體存在於細胞內的狀態為何？環境因子或病毒基因之間的相互調控如何誘導病毒的復發？這些知識都有助於對人類病毒潛伏或持續性感染的了解。

此外，藉由病毒在潛伏感染狀態時並不會毒殺細胞的特性，揭開日後發展桿狀病毒非胞裂性蛋白質生產系統的新觀念。意即在不破壞細胞生理和生化功能的情況下，提高表現外源蛋白質的產量和品質，進一步使得病毒潛伏感染的應用進入另一個嶄新的里程。

病毒p35基因與細胞的毒殺

細胞是賦予病毒生命力的重要搖籃，因此病毒總是不斷尋找適合的宿主細胞，控制細胞的生理和生化反應，為己所用並繁殖子代。相對地，細胞內部也會先立即產生干擾素等細胞激素來抵抗入侵者，這是細胞先天性的免疫力。於是，細胞免疫和病毒入侵就形成了拉鋸戰。然而，當病毒占上風時，細胞已無法有效抵抗病毒複製，在大勢已去的情況下，細胞便開始有計劃地死亡，就像「玉石俱焚」般，目的是結束自己的生命，以拯救鄰近細胞不受病毒的感染，這種死亡方式稱為細胞凋亡。

細胞凋亡原本是生物發育過程中必經的途徑，蝌蚪到青蛙的變態就是一例。而這種以有計劃的死亡方式來抵抗病毒散播的新論點，歸功於米勒博士的新發現—當病毒缺少能抑制細胞凋亡的p35基因時，就無法阻擋細胞啟動細胞凋亡，且細胞凋亡的時間遠比病毒複製時間來得早，以「犧牲小我，完成大我」的方式，讓病毒來不及繁殖子代，進而達到有效阻擋病毒散播的目的。

這種自殺式的防衛機制看似消極，卻不失為一個有效阻止病毒散播的方式。反之，帶有抑制細胞凋亡基因的野生種病毒，可以使被感染的宿主細胞存活一段時間，直到病毒大量繁殖後，再使細胞裂解而釋放病毒。

醫療的工具

p35除了有上述的抗細胞凋亡特性外，近年來，學者更發現它在細胞內也有抗氧化的作用，使得p35再次吸引科學家的目光。

因為生物體受到環境或周遭化學物質不當刺激，如抽煙、酗酒、輻射、電磁波等影響，導致細胞正常生理發生變化，促使大量的自由基產生。而這些自由基會和核酸、蛋白質或脂質反應，破壞人體正常功能，導致老化、癌症、心血管疾病、白內障、巴金森氏症等疾病。

目前除了藉由藥物減緩這些疾病的症狀外，近20年來，以基因修補概念所開發的基因治療技術，也是一個選擇。它的特色是針對疾病的根源（基因缺陷或功能異常）加以治療，把所需要的基因送進細胞內表現，而使人體恢復正常生理功能，達到延續生命及提升生活品質的目的。

綜合對疾病成因的了解和醫療技術的進步，科學家對p35的抗氧化特性在醫療上的應用有了新的想法。從一連串的細胞或老鼠動物模式實驗中，發現p35基因可以有效幫助細胞抵抗氧化反應，而其抗細胞凋亡特性，也減緩神經細胞或眼球細胞的死亡。這時的p35有如人類細胞健康的守護者，不再是病毒感染昆蟲細胞過程中的幫兇。

也有學者發現p35可增加抗癌藥物對癌細胞的毒殺效果，可做為抗癌藥物的增強劑。雖然離臨床醫療的實用性仍有段漫長的路要走，但無疑地，p35基因已成為探討或治療這些人類疾病的一個重要工具。

改良農作物的工具

除了病毒學專家、生物醫學專家注意到p35基因的多樣基因工程應用價值外，植物學專家對它的應用也倍感興趣。由於地球環境的急遽改變和人口增加所衍生的糧食短缺問題已慢慢浮現，如何改進作物的特性，進而抵抗蟲害、病害、化學危害物質等，以增加作物產量及提升品質，一直是科學家關心的研究議題。

於是，科學家以能感染植物組織的農桿腫瘤菌為基因轉殖媒介，把p35基因送入植物染色體中，培養出帶有p35基因的轉殖番茄果樹。由於p35的抗細胞凋亡功能，得以提升轉殖植物對毒性物質和病原真菌的抗性。雖然目前以基因轉殖植物生產的糧食的安全性仍有待科學家審慎研究和評估，但不失為提供一個緩和糧食短缺問題的契機。

昆蟲桿狀病毒研究從80年代開始發展至今，不同病毒感染模式系統的建立，使得難以探究的病毒基因調控的研究露出曙光，而且研究範圍也從昆蟲學的領域跨足到人類疾病的治療和農作物的改良，這是跨越物種的基因工程應用的最佳寫照。

發現p35基因至今近20年，目前科學家對這方面的研究仍是前仆後繼，時時有驚奇的發現。迄今相關的研究報導近250篇，使得我們對病毒基因有不同的思考角度。一個促使病毒複製而毒殺細胞的基因，對生物而言未必全然有害，如果因了解其特性而能善加利用，將可以成為有利的工具。例如鼠類白血腫瘤病毒和禽骨髓細胞腫瘤病毒的反轉錄酶，現今已成為基因工程廣泛使用的工具。

發現p35基因的米勒博士因對桿狀病毒的重大發現和卓越貢獻，於1997年獲得美國國家科學院院士的殊榮。令人遺憾的是，米勒博士驟然於1999年因病去世，得年54歲，但她所留下的豐碩研究成果和智慧結晶，將永遠流傳人間。而科學家對p35基因的持續探討，將使它成為造福人類的工具。

資料來源

《科學發展》2011年8月，464期，34 ~ 39頁

危險因子(6) 科發月刊(5221)

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