2004年諾貝爾生理及醫學獎－芬芳何來？

轉載自：http://www.sciscape.org/news_detail.php?news_id=1635
Oct 19, 2004
編輯 Wei-Chiao Chang 報導

嗅覺，對大多數的動物而言都是相當重要的，許多動物利用氣味來區分敵我，追求異性與辨認勢力範圍。
在人體的眾多感官功能中，嗅覺一直是最難以理解的領域之一。今年度的諾貝爾生理暨醫學獎得主－Richard Axel現年58歲，美國紐約哥倫比亞大學教授。Linda Buck 現年57歲，美國國家科學院院士，目前在西雅圖Fred Hutchinson Cancer Research Center從事研究工作。他/她們都是研究嗅覺分子機制的專家，一系列研究成果中，他/她們一步步地掀開嗅覺系統的神秘面紗。
二十年前，科學家們發現了掌管紅、藍與綠的三種顏色受體(colour receptor)，這三種受體能讓我們能辨識各種不同波長的光線，能讓我們欣賞絢麗的彩虹之美。但是，神經科學家們醉心於視覺系統研究，並獲得長足的進展的當時，嗅覺領域卻仍是處於渾沌未明的階段，對於嗅覺形成的機制與原理，科學家們更是所知有限。
Richard Axel 與 Linda Buck改變了這一切！當Linda Buck在Richard Axel的實驗室(Howard Hughes Medical Institute，簡稱：HHMI)從事博士後研究之際，開始進行嗅覺受體的基因定位工作。經歷了多次的實驗失敗，終於在六年的努力後，共同在國際知名期刊《細胞》 (Cell 65, 175-187, 1991)上發表了他/她們的研究成果，這篇論文震撼了嗅覺生理學界，也為他/她們贏得諾貝爾生理暨醫學桂冠。
Richard Axel 與 Linda Buck 的一系列研究中，他們發現一個大型基因家族，在這個基因家族成員中約包含了1000個不同的基因(這數量約佔人類基因的3%)，而這些基因最終也能轉譯出相同數量的嗅覺受體(olfactory receptor)。這些嗅覺受體位於鼻腔上端內皮層的嗅覺細胞中，一種嗅覺細胞僅能表達一種嗅覺受體，它們能偵測各種吸入的氣體分子。
嗅覺受體是屬於G蛋白質偶合受體(G-protein-coupled receptors)，當嗅覺受體被氣味分子活化後，會促使cAMP的形成，進而開啟離子通道，並將傳遞嗅覺訊息至大腦。大多數的氣味是由多種分子所組成，而每種分子又可活化一種或多種嗅覺受體，所以雖然人體僅有約1000種嗅覺受體，但這些受體可以經由排列組合後，形成大量的【氣味模式】，當這些【氣味模式】傳至大腦後，大腦會將這些氣味進行更高級的分析並記憶於腦中，最終產生情感、認知等生理反應。
Richard Axel 與 Linda Buck的同事們形容：他/她們的成功除了本身持續不懈的努力之外，HHMI也對科學家們提供了穩定且強而有利的支持。哥倫比亞大學神經科學家Stuart Firestein指出：如果研究人員必須仰賴固定地發表論文，來確保下一個研究經費的安全無虞，那許多細膩的研究工作反而都會變得難以進行。
註一：Howard Hughes Medical Institute於1984年成立至今，以孕育出13位諾貝爾獎得主。
註二：Linda Buck成為歷史上第七位贏得諾貝爾生理暨醫學獎的女性科學家。
原始文章：
1.Press Release: The 2004 Nobel Prize in Physiology or Medicine. Nobelprize.org
2.Science of smell wins medicine Nobel. Nature 431:616 (2004)

2006年諾貝爾生醫獎－意外的干擾

轉載自：http://www.sciscape.org/news_detail.php?news_id=2118
Oct 10, 2006
編輯 Jun-An Chen 報導

2006年諾貝爾生醫獎桂冠由兩位美國科學家 Andrew Z. Firer 和 Craig C. Mello 共同掄元，以表彰他們發現 RNAi 干擾基因表達的現象。
長久以來，科學家公認的分子生物學中心教條為－雙股DNA為基本的遺傳物質，雙股DNA會先轉錄成單股RNA，單股RNA接著再轉譯成蛋白質來執行實質的生理功能。大部分的學者也認為，單股RNA充其量也只不過是扮演串場DNA變成蛋白質的中場配角，很少有科學家會將想到RNA也有可能會直接參與調控基因的表達。
1998年時，Fire 和 Mello 發現將 unc-22 基因的同義單股RNA或反義單股RNA微注射至線蟲的胚胎裡，都無法觀察到線蟲因 unc-22 基因被調控後的表現型 (phenotype)。有趣的是，當他們將這兩段序列互補的單股RNA黏合成為雙股RNA時，再將這段雙股RNA注射至胚胎，竟然可以忠實地干擾 unc-22 的基因表達。他們首度將這個意外發現的”基因沈默”現象稱之為－ RNA干擾 (RNA interference, RNAi)，並且將這個實驗結果發表於 Nature [1]。在這篇期刊論文裡，他們大膽地假設 RNAi 的干擾現象可能是普遍存在於各種生物體裡的防禦機制。隨後不久，Mello 也小心地實驗證明 RNAi 的干擾機制主要是藉由雙股RNA忠實地干擾其標地的訊息RNA (mRNA)之基因表達 [2]。
有趣的是，Fire 和 Mello 從發現 RNAi 的干擾現象到奪得諾貝爾桂冠僅僅花了八年的時間。筆者認為主要的原因有三:
ㄧ、 RNAi 的技術近年來已被廣泛地引用在取代”基因剔除”的技術，這項技術可以大量的節省研究人員的研究時間和經費。隨著各項模式生物的基因組陸續完成定序，使用 RNAi 干擾的技術更可以完成一次大規模掃蕩剔除所有功能性基因的雄心壯志 [3]。
二、 這五年來，微RNA (micro RNA, miRNA) 紅到發紫的研究熱潮也加速 Fire 和 Mello 掄元桂冠的速度。 miRNA是生物體內自行合成的一段長髮夾型單股RNA，miRNA並不會被轉譯成蛋白質，相反地，miRNA會經由類似 RNAi 的抑制基因表達機制來調控生物體本身的生理功能 [4]。鑑定 miRNA在何時表達，何處調控已儼然成為最熱門的研究之一。
三、 結合 RNAi 干擾的技術與 miRNA的生理作用機制，可以提供未來以 RNAi 干擾的技術來治療人類癌症或退化性疾病的基石。 RNAi 干擾的臨床應用已初步在長尾獼猴上被證明有效 [5]，未來實質應用在人類疾病的治療上應是指日可待。
繼2002年後，2006年諾貝爾生醫獎再度頒發給以”線蟲“作為研究題材的學者，讓這個看似不起眼的小蟲再次成為當紅炸子雞!或許不久的將來，線蟲學者又會再次風光地回到斯德哥爾摩的頒獎台上!
原始論文:
1. Fire, A. et al. Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans. Nature 391, 806-11 (1998).
2. Montgomery, M. K., Xu, S. & Fire, A. RNA as a target of double-stranded RNA-mediated genetic interference in Caenorhabditis elegans. Proc Natl Acad Sci U S A 95, 15502-7 (1998).
3. Kamath, R. S. et al. Systematic functional analysis of the Caenorhabditis elegans genome using RNAi. Nature 421, 231-7 (2003).
4. Kloosterman, W. P. & Plasterk, R. H. The Diverse Functions of MicroRNAs in Animal Development and Disease. Dev Cell 11, 441-50 (2006).
5. Zimmermann, T. S. et al. RNAi-mediated gene silencing in non-human primates. Nature 441, 111-4 (2006).

2007年諾貝爾生醫獎－我把基因標靶在你的胚胎幹細胞裡

轉載自：http://www.sciscape.org/news_detail.php?news_id=2279
Oct 13, 2007
編輯 Jun-An Chen 報導

2007年諾貝爾生醫獎桂冠由美國科學家 Mario Capecchi, Oliver Smithies 以及英國科學家 Martin Evans共同獲得此殊榮，以表彰他們利用老鼠胚胎幹細胞建立 “基因剔除鼠”的技術。
老鼠是生物學家使用最普遍的哺乳類模式動物，老鼠除了有易於飼養繁殖的優點外，其基因與人類亦保有高度的相似性。更重要的是，由 Capecchi, Smithies和 Evans共同建立的“基因剔除鼠”技術，既可以讓生物學家利用老鼠來研究特定基因在胚胎發育過程中所扮演的角色，更可以進一步研究因為基因缺陷所造成的人類遺傳性或退化性疾病。
在1980年代初期 Capecchi和 Smithies就已利用“同源重組”的分子機制成功地在哺乳類體細胞裡標定基因，也就是把外來的基因片段插入宿主原有的基因組裡 (1, 2)。但這項突破僅限於體細胞層次，尚無法標靶生殖細胞而進一步建立能穩定繁衍標定基因的老鼠。約莫此時，在英國的 Evans已成功地從小鼠的囊呸內質團裡分離出胚胎幹細胞，而且證明胚胎幹細胞具有分化全能性，當然包括可以分化成生殖細胞 (3)。如過能把同源重組的技術標靶在胚胎幹細胞裡，那麼就有可能建立“基因剔除”或“基因插入”的老鼠了！於是 Capecchi, Smithies分別進一步在培養皿裡以胚胎幹細胞為宿主，利用“同源重組”的方式將外來基因插入欲取代的基因 (4, 5)，再將基因重組成功的胚胎幹細胞移植回到代理孕鼠的囊呸裡，導致代理孕鼠產下具有基因重組成功的”蓋美拉老鼠“ (chimera是源自希臘神話裡具有獅頭、羊身和巨蛇尾巴的怪物)，接著如果將蓋美拉老鼠與一隻正常的老鼠交配，其產生的部份子代會有半套染色體含有同源重組成功的基因 (稱為hemizygote)。若將 hemizygote子代的老鼠持續作近一步的相互交配，則可產生約有25%的第三代老鼠身上帶有全套染色體的同源重組成功基因 (稱為homozygote)－這也就是我們俗稱的“基因剔除鼠”。
從“基因剔除鼠”的技術建立至今，估計約有10000個基因剔除鼠的模式已被建立 (人類與小鼠大約有30000個基因)。這項技術不但是基因工程的一大突破，更實質為人類臨床醫學帶來莫大的貢獻。“基因剔除鼠”榮膺今年的諾貝爾生醫獎桂冠，的確實至名歸!
參考文獻:
1. Capecchi, M. R. High efficiency transformation by direct microinjection of DNA into cultured mammalian cells. Cell 22, 479-88 (1980).
2. Slightom, J. L., Blechl, A. E. & Smithies, O. Human fetal G gamma- and A gamma-globin genes: complete nucleotide sequences suggest that DNA can be exchanged between these duplicated genes. Cell 21, 627-38 (1980).
3. Evans, M. J. & Kaufman, M. H. Establishment in culture of pluripotential cells from mouse embryos. Nature 292, 154-6 (1981).
4. Doetschman, T. et al. Targetted correction of a mutant HPRT gene in mouse embryonic stem cells. Nature 330, 576-8 (1987).
5. Mansour, S. L., Thomas, K. R. & Capecchi, M. R. Disruption of the proto-oncogene int-2 in mouse embryo-derived stem cells: a general strategy for targeting mutations to non-selectable genes. Nature 336, 348-52 (1988).