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這不是肯德基–以雞做為生物研究的模式動物

除了做為食物中蛋白質的來源外,雞與華人文化也密不可分,如十二生肖、日常生活成語等都有雞的色彩。這可能與雞很早就被馴化,成為日常生活中的一部分有關。然而大多數人可能不知道,雞除了供食用之外,在科學研究與生物技術產業中也有非常高的價值。
 
 
 
民以食為天。「雞」在中國各個地方菜系裡,都占了重要的地位。從四川菜中的「宮保雞丁」、上海料理的「花雕醉雞」、到臺菜中的「燒酒雞」、孕婦進補的「麻油雞」,真是不勝枚舉。除了做為食物中蛋白質的來源外,雞與華人文化也密不可分,如十二生肖、日常生活成語等都有雞的色彩。這可能與雞很早就被馴化,成為日常生活中的一部分有關。然而大多數人可能不知道,雞除了供食用之外,在科學研究與生物技術產業中也有非常高的價值。

相較於歐洲雞種多樣的外貌,在亞洲飼養的雞外貌變化很少。中興大學動物科學系陳志峰教授,在他的《雞隻外貌的遺傳多樣性》書中指出:這可能是因為在歐洲國家,雞並不只是做為肉用或蛋用家禽。在歐洲由皇室、貴族及富商玩賞者組成的品種協會,會針對某些特殊的外貌性狀加以培養,例如羽毛的斑紋、色澤,尾羽的長短,雞冠的形狀等。這些外觀品種的培育,都有詳細的品系親緣紀錄,如果能有系統地分析,將可更清楚地了解基因與性狀間的關係。

用雞胚胎當研究材料

由於雞胚胎是在母體外發育,因此很早便用來當作生物實驗與觀察的對象。大約在西元前 460 年,在希波克拉提斯(Hippocrates)的紀錄中提到,當時大多數的哲學家都認為雞和鳥都是由蛋黃轉變而來,蛋白則是這些轉換中的幼雛的食物。當蛋白被消耗光後,幼雛便孵化出來,另去覓食。

亞里斯多德則經由觀察每日雞蛋內雞胚的變化,提出了漸成式發育的觀念。他認為生物個體早期是一團沒有分化的物質,經過不同發育步驟和階段以後,長出新的器官而組成新的個體。這個觀念對胚胎學有深遠的影響,一直延續到西元 17 世紀。

在發育生物學上,個體「形態形成」的分子機制一直是研究的主題。所謂的「形態形成」,是生物體各部位在發育的過程中,獲得自己獨特形態的過程。而「形態形成」中最容易觀察到的部位,就是四肢、手掌或腳掌。例如人類手掌的五根手指頭各有不同的特性,但是除了大拇指外,其餘的指頭都同樣有 3 個指節,腳指也一樣。在正常的情形下,還可以借助其他的特徵來鑑定各個指頭。

然而,在經由基因操作而產生的突變個體上,很難分辨這些不正常指頭的本體。若使用雞胚胎當材料,就會簡單很多。這是因為雞的腳爪每一根指頭的指節數都不一樣:第一根指頭有 2 個指節、第二根指頭有 3 個指節、第三根指頭有 4 個指節、第四根指頭有 5 個指節。因此,當突變影響到「形態形成」的步驟時,就會產生不同的指頭性狀。

另外一個發育生物學家探究的課題是:各種細胞的起源。一個受精卵細胞終會發育成一個獨立的個體,並擁有各種不同特化的細胞與組織。可是,這中間的過程一直未能完全了解,我們仍然不知道許多組織與器官的幹細胞所在的位置。由於哺乳動物的胚胎在母體的子宮內發育,使得早期胚胎發育的研究非常不容易。相對地,雞是卵生動物,它的胚胎在母體外的雞蛋內發育,而且已經受精的雞蛋很容易取得。只要給予這些受精蛋適當的孵育溫度與濕度,就會開始發育。

雖然小鼠的懷孕期是 21 天,雞的孵化期也是 21 天,可是小鼠的胚胎前期花費了絕大多數的時間在發育胚外組織,也就是胎盤,來確保胚胎後期能獲得充足的營養。與實驗用小鼠的胚胎發育相比,雞胚胎有較緩慢的早期發育過程,特別是在原腸胚形成的過程。這點對於從事器官形成與細胞分化研究的科學家特別有用,因為可以直接在胚胎中觀察器官是如何形成的。若再加上藥物或基因轉殖技術的輔助,更可以解讀胚胎細胞分化的分子機制。

在 1970 年代,Dr. Le Douarin 利用雞與鵪鶉胚胎之間的組織互換,發現了神經脊細胞會遷移分化成顏面骨骼、神經、色素細胞等不同形態的細胞。後續的實驗更發現雞的淋巴細胞分別來自於胸腺上皮組織(thymus)及法氏囊(Bursa of Fabricius),而這兩種來源的淋巴細胞在免疫功能上扮演不同的角色,後來便依據其來源命名為T細胞與B細胞。哺乳動物體內並沒有法氏囊,可是與雞的B細胞有相同功能的細胞是由骨髓(bone marrow)分化而來,因此沿用了B細胞的名稱。

除了做為胚胎發育實驗的材料外,雞胚胎也應用在尖端基礎研究上。在分子生物學開始發展後,科學家嘗試用分子生物的觀念來探討生物學上長久以來未解決的疑問。例如,1989 年的諾貝爾醫學獎得主 Dr. Harold Varmus 就是利用雞的反轉錄病毒,證實了腫瘤病毒 Rous Sarcoma virus 的基因體中帶有致癌基因 src,在感染宿主後會表現,並導致腫瘤的形成。

此外,雞胚胎早在 1920 年就已經開始用來做異體移植的實驗。雞胚胎本體有發達的循環系統,可以提供養分和氧氣,並移除代謝廢物。再者雞胚胎本身尚未發展出成熟的免疫系統,因此外源性的細胞與組織可以在雞胚胎上順利地增生。

目前幹細胞的研究有兩大主軸:胚胎幹細胞及成體幹細胞。可是,這兩個方向都遇到一些根本的困難:使用胚胎幹細胞會直接面臨道德上的爭議,而操作成體幹細胞須解決免疫排斥的問題。已經有人利用上述的雞胚胎特性,來進行成體幹細胞的研究。許多的人類組織已經成功地培養在雞胚胎的絨尿膜上,其中包括了皮膚、角膜與其他各種不同來源的細胞。利用這個系統所獲得的成果,對於目前幹細胞領域的研究非常有幫助。

演化發育過程

看過〈侏儸紀公園〉電影的人,應該都不會忘記銀幕上霸王龍嚇人的身影。而故事中恐龍公園的創立者,就是利用基因工程的技術,把琥珀中未被破壞的恐龍 DNA 萃取出來,斷裂或缺失的片段則用兩生類(例如青蛙)的 DNA 去填補。這個觀念在過去一直被認為是非常合乎科學邏輯的,因為目前發現的恐龍的各種骨骼化石,的確和兩生/爬蟲類最相似。

可是最近在考古學上的發現,卻可能改變上述傳統的看法。第一、約翰霍普金斯大學 Dr. Bakker 等人研究恐龍的骨骼結構,發現某些恐龍的骨骼結構和哺乳類與禽鳥類非常類似,因此推論恐龍可能是溫血恆溫動物,而不是和兩生/爬蟲一樣是冷血變溫動物。

第二、哈佛大學 Dr. John Asara 由霸王龍的化石中找到了一些尚未變成化石的軟組織,他把這些軟組織取出,萃取其中的蛋白質,用質譜儀分析,再把得到的胺基酸序列和已知的蛋白質資料庫中的序列比對。結果,他發現這些恐龍的胺基酸序列是屬於軟骨組織的膠蛋白,而更令人訝異的是和這些恐龍膠蛋白序列最相似的,竟然不是青蛙或爬蟲類的膠蛋白,而是雞或鳥類的膠蛋白。

這並不是說《侏儸紀公園》的作者麥可‧克萊頓的科學知識不正確,而是在他寫作這本小說時,專家學者們並不知道,和恐龍血緣最相近的現代生物竟然可能不是兩生/爬蟲類。因此,如果該小說作者現在要修訂這本小說,可能會把用來填補恐龍 DNA 片段的材料來源改成用鳥類的 DNA。

其實,依據 DNA 複製時的半保留性,我們體內的 DNA 序列中保存了絕大部分源自人類祖先的基因。威斯康辛大學麥迪遜分校的西恩‧卡羅教授稱這些在演化中被保留下來的 DNA 序列為「DNA 化石」。

根據「演化論」的推論,生物個體的性狀差異在經由環境的篩選後,會變得更加顯著。由分子生物的層面來看,這些外在性狀的改變,其實是源自於細胞內遺傳基因突變的累積。雖然在 DNA 半保留的複製過程中,有重重的關卡來確保新合成一股 DNA 的正確性,可是錯誤的發生仍然不可避免,這些在 DNA 複製過程中發生的錯誤就是突變。

如果突變發生在對生物有重要機能的基因上,造成這些基因失去功能,這樣的個體將不會存活,也不會有子代。相對來說,如果突變發生的位置只是稍微改變基因產物的活性,或者改變基因作用的時間或表現的位置,由於影響的層面有限,並不會讓生物個體死亡,甚至有極大的機會產生子代,這樣的突變則會遺傳給子代。

把這樣的觀念加以推演,可以發現:在演化的過程中,對生物有重要功能的基因,它的序列並不容易產生太大的變異;在這個基因中,如果產生突變,這些產生突變的位置應該不會影響到這個基因的功能。

因此,比對來自不同物種的對等基因的序列,可以發現這些基因的編碼區(可以轉錄/轉譯成蛋白質的區域)包含的變異很少,絕大部分的變異會在非編碼區出現。更進一步分析會發現:物種間的親緣關係越接近,DNA 序列的相似度就越高。

可是,這些相似序列是因為有重要功能而在演化中被保留下來的呢?還是因為演化分支的時間太近,DNA 序列尚未累積足夠的突變,以致無法區分重要跟不重要的序列?我們無法得知。如果把親緣關係較遠的物種的 DNA 序列加入比對,就可以發現在親緣關係比較遠的物種中,許多不重要的序列位置已經累積了很多的變異。

關於一個基因的功能,除了在所謂的編碼區之外,基因表現的時間和位置也是控制一個基因正常運作的重要因素。而基因表現的時間與位置,是由各基因的表現調控序列所控制。在這個調控序列中,除了包含許多轉錄子與抑制子的結合位置之外,也包含了空間緩衝序列,讓這些轉錄調控蛋白彼此之間有適當的三度空間排列順序。

在 DNA 序列比對中,可以發現人、猴子、家犬、小鼠等哺乳類,DNA 序列的相似度可以高達 90% 以上,我們無法分辨有重要功能與不具有重要功能的序列。由挖掘出來的化石的分析來推論,雞和哺乳類在大約 3 億 1 千萬年前分支演化。雞基因的編碼區雖然仍保有和哺乳類極高的相似度,可是調控序列中對基因表現重要的轉錄子結合位有保留下來,而不重要的位置則已經累積了足夠的突變,致使整個序列的相似度大幅降低到 70% 左右。在這種情況下,有重要功能的轉錄子的結合位被凸顯出來。

相同的推論可以應用在早期脊椎動物胚胎的發育過程上。在 1866 年,德國的動物學家 Earst Haeckel 提出了「發生重演論」。他認為,在脊椎動物胚胎的發育過程中,胚胎外形在成長中發生的變化與演化過程中產生的變化極為類似。

由發育生物學的角度來看,脊椎動物胚胎最早期產生的器官及構造,對於胚胎後續的發育與存活很重要,因此雖然鳥類與人類的親源關係很遠,但是鳥類器官早期的形成過程與哺乳類仍是極為相似的。如果再進一步由分子生物學的層面來看,可以發現其實這些脊椎動物是使用相同的訊息傳導途徑與細胞分化機制,來控制胚胎的生長發育。

雞的基因體計畫

對於研究生物資訊的人來說,每一個物種的基因體都帶有非常多的訊息,等待我們去發掘。然而在單一物種的基因序列方面,2004 年 12 月已完成第一階段雞的基因體計畫,並發表在《自然》上。雞的染色體是雌性 38 + ZW,雄性 38 + ZZ,其中包含了大約 10 億個鹼基對,預估有 4 萬個基因。

雖然目前雞的基因體序列只完成了大約 90% 的基因標識,卻已經顯示出很多有趣的現象。例如,Oct4 是哺乳動物維持幹細胞分化特性必須有的一個基因,小鼠有,人類也有。當 Oct4 基因失去功能時,胚胎內的幹細胞便不再有分化的能力,當然這種個體是無法存活的。可是到目前為止,在雞的基因體內只發現到一個低度相似的基因 PouV 存在,而沒有其他類似功能的同源基因。

這讓我們感到疑惑,因為根據上面的推論,Oct4 基因應該在不同物種間被高度保留下來。而缺少 Oct4 基因的雞,應該早就滅絕了。可是 Oct4 基因在雞的基因體內不被保留的事實,讓我們由另一個角度來思考到底 Oct4 基因是不是對幹細胞的維持是絕對必要的。

在 2007 年,哈佛大學的 Dr. Rudolf Jaenisch 與他實驗室中的研究人員,共同發表了一篇文章,證明了 Oct4 基因雖然對胚胎幹細胞的維持很重要,可是在成體幹細胞中卻是可以移除的。當然,除了 Oct4 基因之外,在分析雞的基因庫時,也發覺有其他基因在小鼠的實驗系統中是很重要的,卻沒有列在雞的基因序列中。目前正在積極研究中,希望能找出這些基因在雞的基因體中消失的祕密。

在醫學及產業上的應用

雞胚胎除了前述用來做免疫及胚胎幹細胞的研究外,還可以應用在很多方面。在此舉兩個例子加以說明。

癌症藥物的篩選 先前提到外源性的細胞與組織可以在雞胚胎的絨尿膜上順利地增生,其中包含了許多癌細胞的培養。因此絨尿膜組織培養常用來探討不同階段的癌症發病的分子機制,例如原發性癌細胞的生長、局部性入侵、內滲、轉移與血管增生等。相較於運用裸鼠或者帶有免疫系統缺失的小鼠來做異體移植,用雞胚胎絨尿膜組織培養的成本較低,所需時間較短。目前已有許多國外的實驗室開始使用雞胚胎來做大規模的藥物篩選,進行抗癌、心血管疾病等藥物的開發。

特殊醫療用蛋白的產製 在人類飲食中,雞蛋是一個重要的營養來源。雞蛋不但生產量大、成本便宜、雞與人少有共通傳染病,安全性較高,而且雞的蛋白質轉譯後修飾與人類相似。在目前發展蛋白質藥物的趨勢下,若用蛋雞來生產特殊醫療用蛋白,將可大幅降低成本,並提高安全性。目前,已經成功利用雞蛋來產製用於治療黑色素細胞瘤的單株抗體及人類的干擾素 IFN−β。

當然,除了研究以外,由於雞的受精蛋易於取得、操作、培養及觀察,目前中興大學生命科學系已經把「雞胚胎的發育與操作」納入大一必修「生命科學實驗」的課程中。筆者更建議雞胚胎應增加為國、高中生物科實驗的材料之一,讓更多的學生能接觸到這個實用且獨特的實驗動物。
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