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基因改造科技:基因轉殖螢光魚–魚躍龍門

螢光稻田魚的研究,意外地帶動臺灣各界開始把相同的思維及策略,應用於不同觀賞魚種的研發,大大提升了臺灣水產生物科技的實力及聲譽,至今十多年這一領域的研究熱潮仍不減退。
 
 
 
魚類的基因轉殖技術提供了一個在活體研究脊椎動物的基因調控功能、以及胚胎發育機制簡單有效的方法,還可以應用於人類疾病的動物模式、汙染物/毒物的檢測、藥物篩選或品種改良。但最有趣的莫如可用來創造帶有螢光的觀賞魚,而增加了熱帶魚的附加價值。

美麗的意外

當初筆者的實驗室想證明,含有組織(如眼睛或肌肉)專一性的啟動子與非專一性的啟動子,在轉殖魚身上的活體表現到底有多少差異,以及有哪些DNA組成的元素會增強外來基因在宿主上的表現。於是開始構築許多表現載體,並對一種小型且身體較透明的淡水魚–稻田魚(medaka fish,又稱青鱂魚)–進行基因轉殖,希望以綠螢光的表現程度做為初步的比較基礎。

筆者的一位碩士生周記源在1997年開始構築一些表現載體,並陸續轉殖到稻田魚胚胎中。其中一組含有非組織專一性(即全身性)啟動子的表現載體,在轉殖入魚體後,使整個胚胎都發出綠色螢光而亮了起來,這現象令筆者十分驚奇。接著,另位碩士生洪龍賢於1999年開始篩選這些發螢光的轉殖品系,進行配對、繁殖及DNA檢測,而使筆者實驗室產生了世界第一個全身都發綠螢光且能穩定繼代遺傳的基因轉殖稻田魚。於是,一種嶄新的觀賞魚品系「螢光魚」石破天驚地出現了。

螢光魚在國外又稱為「基因改造寵物魚」(GM pet fish)。螢光魚就是利用顯微注射法,把一段構築好的外來DNA片段注入熱帶觀賞魚的受精卵內,再經過培育、外表篩選、DNA檢驗、繼代培養所得到的一種特殊品系。

這些外來DNA片段是由魚本身的啟動子,連接上水母綠螢光基因或珊瑚的紅螢光基因所組合而成的。也就是說,構築外來基因片段的各組成分子其實都源自水產動物本身,而且所產生的螢光效果是出自於原本便自然存在於水母或珊瑚體內的蛋白質,而非化學試劑或放射性物質所致,因此安全無虞。

觀賞水族界的新寵兒

在觀賞水族的發展上,新品種的開發與改良具有關鍵性的影響,特別是臺灣的觀賞魚產業須與世界各地競爭,若沒有自己的特殊品系,是很難脫穎而出的。以往用來進行品種改良的方法,大多是以育種或雜交的方式進行,不僅耗時費力,又不易得到理想的外表組合。若能利用生物科技來改變外觀體色,使熱帶魚有了特殊色澤,便能大大地提高這魚種的觀賞價值及國際競爭力。

全身會發綠螢光的稻田魚不止外表會發出晶瑩剔透的綠色螢光,全身組織以至於產下的卵、胚胎、稚魚及仔魚全身都發綠色螢光。至於全身肌肉會發紅光的斑馬魚品系,雖然只在外表的骨骼肌才有紅色螢光,但與斑馬魚其餘組織白色底色搭配起來也十分好看。

其實,這些轉殖品系所顯現出來的綠色或紅色螢光,強度遠超過常用於研究的各種螢光基因轉殖魚。在一般的日光燈下,前者的魚體很容易就顯出綠/紅色螢光,而在可見光頻譜較弱的藍黑燈光下,更可凸顯出其特殊的綠/紅螢光體色,真是漂亮優雅極了。無疑地,這種全身會發螢光的淡水熱帶魚可以說是融合了「基因工程」及「基因轉殖」兩項現代分子生物科技,也是科技與藝術的結晶,使平淡無奇的淡水觀賞魚產生令人驚艷的效果。

水產轉殖科技的活教材

筆者首創的螢光魚除了國內電視臺、各大媒體和《科學月刊》都有專題報導外,在國外報章雜誌如《亞洲週刊》、《遠東經濟評論》、《華爾街日報》等平面媒體也有刊登,更榮獲世界著名的《科學》期刊編輯部的青睞,報導了筆者這方面的研究。2003年11月24日,螢光魚更獲《時代》雜誌選為2003年各行各業中40個世界級最酷炫發明之一。

值得一提的是,這種新穎的螢光魚也替臺灣做了小小的國民外交,因為牠吸引了一些從來沒到過臺灣的外國媒體,他們為了拍攝螢光魚專程造訪臺灣。

例如2003年9月「探索頻道」(Discovery)和「動物星球」(Animal Planet)工作小組,就從英國倫敦來臺拍攝了4天。第一天在實驗室拍螢光魚研發實驗過程,第二天到產學合作的邰港公司拍螢光魚的量產養殖,第三天到淡水拍日落晚霞以及臺北街頭的霓紅燈,最後一天一早再到實驗室拍攝心臟螢光魚,直至中午才急奔機場離臺(這紀錄片已於2004年6月在美國播出)。

2004年1月及7月,又各有法國第三電視臺與日本朝日電視臺前來拍攝「螢光魚專輯」。另外,《國家地理》雜誌也陸續刊登了採訪螢光魚的新聞。

筆者實驗室開發的螢光魚除了被放入高中、高職、國中、小學的生科教材外,也受到外國教學用書的青睞。例如2005年新加坡Thomson Brooks∕Cole公司出版的《生物技術概論》(Biotechnology : An Introduction)就在第8章〈海洋生技〉中特別列出「生技革命:螢光魚寵物」一節以表重視,該文由美國邁阿密大學巴能(Susan Barnum)教授主筆。

螢光魚受到大家的喜愛,又能讓人真正看到或摸到這種活生生的科技成就。它在正常日光下看似與原生魚無異,也不需特別照顧;但在暗光下,只有螢光魚才會顯出螢光。因而螢光魚被推薦參與國科會91年度主辦的科教活動,而螢光魚的題材更出現在103年大學指考的生物考題中。

不會影響生態環境

農委會漁業署一直到最近才頒布「漁業法基因改造水產動植物專章」的法規,這法規規定只准許推廣基因改造觀賞魚,且只有不孕的基改觀賞魚才能夠通過田間安全試驗評估。這法規是採高標準,也是正確的方向,其實任何創新科技產生的成果,如螢光魚,也不應對現有的生態環境造成衝擊。因此,筆者也長期致力於轉殖魚的不孕研究。至今在稻田魚的不孕方面已相當成功,而使臺灣成為第一個能生產不孕的轉殖稻田魚的國家。

也就是說,縱使讓不孕的螢光稻田魚被釋放到野外,牠們也無法與野生種或其他魚種雜交,造成轉殖基因的擴散,如此便能確保各水生種動物原有的基因庫及多樣性不致受到衝擊。螢光個體的壽命大約是一年多,這些個體在死亡後,體內的外來螢光蛋白原本就是水母或珊瑚中表現的螢光蛋白,也就是海洋生物食物鏈的一環,並沒有毒性或汙染生態環境的疑慮。其次,做為轉殖對象的魚種一定不能是繁殖力特強,或對環境適應力特好,或可食用,或體形大,或侵略性強的種類,如此可以降低基因外流的風險。

在生物醫農上的應用

除了上述可以產生螢光的品系之外,以斑馬魚或稻田魚為模式魚進行分子生物及胚胎發育的研究也很合適。因為哺乳類的胚胎在母體內並不利於觀察,且若欲偵測某一基因在胚胎發育各階段的情形,就必須犧牲這個體進行組織切片,因此無法在同一個體中做連續觀察或活體追蹤。但這些模式魚是脊椎動物且有諸多優點,如小型、卵多、胚胎透明、用光就可控制排卵、沒有產卵期的限制、基因轉殖操作簡單、可突變、基因體小等。

而且模式魚種的胚胎是透明的,因此能在活體上直接觀察,可以追蹤螢光細胞在胚胎發育過程中的動態表現,這都是以前研究用生物難以做到的。為了善用這些優勢,以下簡介在筆者實驗室建立的一些轉殖品系及其應用。

只有心臟發螢光的魚 魚類是所有動物中最早擁有心臟的,也是現今研究心臟發育最好的材料。筆者的研究生黃秋茹及蕭崇德複殖出心臟專一性的第二型心臟肌凝蛋白輕鏈基因的調控序列,並構築了表現載體,之後又進行轉殖,成功建立了世界第一隻只有心臟會發螢光的基因轉殖斑馬魚品系。發表這轉殖品系的論文至今已被引用168次,這轉殖品系也獲得中華民國發明專利與美國專利。這個基因轉殖魚品系可讓科學家更清楚心臟發育的分子機制,也可應用於心臟病基因的研究及新藥的開發。

以這個轉殖魚品系做為平臺,進一步建立可以誘導外來基因只在心臟專一表現的轉殖魚品系。筆者的研究生蔡維原與臺大醫院臨床醫學所謝豐舟教授及心臟科何奕倫醫師合作,成功地建立在胚胎或成魚誘導降低心肌肌鈣蛋白,而產生心律不整的擴大性心肌病變的魚個體,這種病類似人類不完全房室阻滯的心臟疾病。這個轉殖魚在心臟病發生的分子機制及心臟病藥物的篩選上有很大的貢獻。

藥物影響胚胎發育的研究 筆者的研究生黃昱愷與三軍總醫院陳穎信醫師合作研究臟得樂錠對胚胎發育的影響,它是第三型抗心律不整的藥物,用來舒緩多種心律不整症狀,但對初期懷孕婦女的胎兒影響仍未知。為了解懷孕婦女使用這藥物的影響,使用了斑馬魚做為模式物種,並發現臟得樂錠浸泡的斑馬魚胚胎心臟會血液逆流。在後續的研究中,更進一步地解析了臟得樂錠造成瓣膜無法產生的分子機制。

只有皮膚發螢光的魚 筆者的研究生陳曜鴻建立了會產生紅螢光表皮的基因轉殖品系,當這些品系的幼魚浸泡在含砷的溶液中,就可輕易見到其皮膚的哪個部位產生了腫瘤。這個品系有助於皮膚病變的研究,或能當成環境汙染指標的新材料。

當做生物反應器的轉殖魚 由於斑馬魚數量多,易繁養,因此可做為低成本的生物反應器。牛的乳鐵蛋白是具有抗各種微生物能力的廣效性抗菌蛋白,因此筆者的研究生林正勇用斑馬魚本身或魚卵做為生物反應器來生產乳鐵抗菌蛋白質,並且篩選出可高量表現這種抗菌蛋白的穩定遺傳品系。用一顆3天大的魚卵內所含的乳鐵抗菌蛋白,可以相當於用0.1微克的合成青黴素殺死大腸菌的效力,並證明餵食這種轉殖卵的幼魚能有效抵抗水產養殖常見的病菌感染,這個策略也是降低水產養殖使用抗生素的另一途徑(這一成果已獲得中華民國發明專利)。

監測水質的轉殖魚 現行檢測環境汙染物對生物的影響,都著重在汙染物造成實驗生物的死亡率或畸形率的高低。然而,在這些實驗生物死亡或畸形顯現之前,其體內細胞的生理狀態早已受到汙染物的影響,只是缺乏可以直接動態觀察的方法或材料去檢測。為此,筆者的研究生李鴻杰、林凱彥和黃惠蘭研發了轉殖魚品系,以活體條件下會發出綠螢光的有無為標準,可靈敏地監測河川或養殖環境水域中是否有重金屬、農藥、毒物或環境荷爾蒙等汙染物。這品系已獲得中華民國發明專利。

後記

筆者在臺大任教時,102年底有10位選修社會科學院通識課「海洋與社會」的學生,為了寫「螢光魚」的專題報告專程訪問筆者,並寫了一份期末報告。本文末了就從他們的心得中摘錄數則做為最後的註腳。

心理二林耿丞同學:「……上網查了資料才發現螢光魚居然是由臺灣領先全球研發出來的!我還一直以為這是國外進口的特殊基因改良魚種,更沒想到發源地就在臺大!」

園藝四王怡軒同學:「……社會上有一群對世界漠不關心的人,也有一群較有遠見的人,而他們出來反對這樣的螢光魚產品,但不可否認地科學家也是另外一派擁有遠見的人,他們看到的是這個成果幫助科學躍進了一大步,教授也用自己最大的力量去維護這個生態,讓螢光魚不孕……在訪問教授之前,我認為螢光魚只是為了觀賞而做出的基因轉殖動物,但訪談後總覺得牠有點被汙名化了,螢光魚的研究成果對於醫學界有很大的幫助,卻鮮為大眾所知。」

醫學二王思貽同學:「……這次的參訪除了看到美麗的螢光魚,深入了解很多相關知識與其廣泛的應用,顛覆原本對『基因轉殖生物』抱持負面態度的想法之外,最多的是感受到蔡教授那份對研究的熱血與執著之情,讓我懾服於一位研究者傲然不屈的姿態。我以後還蠻想到蔡教授的實驗室進行研究工作(蔡教授有提到很多醫生會與他合作,而且蔡教授也跟我說很歡迎我們以後去),但是並不是為了研發出更多美麗的螢光魚,而是把螢光技術應用在醫療的研究工作方面,讓我不僅可以在臨床上行醫救人,還可以藉由研發醫藥造福更多的病人。」
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