2013-05-08

Badger (獾)

早幾天參加了堂弟的婚宴,還不知怎地被安放到主家席。於是便在新娘換衫時和這位一直不多見的堂弟聊了幾句。

在婚宴上才知道,堂弟自幼喜歡小動物,因此才一直在讀生物學。在香港,這科都不可謂不冷門,相信不少父母都會擔心出路的問題吧。不過,叔叔嬸嬸卻也由得他,一直讀到碩士。之後,他竟又拿得首屆「牛津大學裘槎獎學金」的資助,赴英國深造。今天終於學成歸來,成為真正的博士,還刊出了幾份論文,應該是某方面的權威吧。然而,每次問及他究竟在研究什麼,家裏人都是答:「唔知呀,好似係去森林研究一隻叫『獾』(粵音:歡) 的動物啩。」

「獾」(Badger)?有什麼好研究的?可愛?普通啦;瀕臨絕種?又不算。它是哺乳類食肉目的鼬科動物,學名 Meles meles,喜歡冰天雪地的地方,晚上才出來活動。據說它們會用自己熱呼呼的身體去暖和昏倒的登山客,把他們救回。不過,它們最出名的,應該是它們的勇猛。它們雖然只有小狗的大小,但是夠膽在花豹眼皮底下偷食、在非洲蜜蜂的狂螫下搶奪蜂蜜、甚至把毒蛇吞下肚!它們也會被毒液弄到醉醺醺,卻仍甘之如飴!

獾憑什麼如此凶悍呢?

堂弟花了這麼多年,到了可以以第一作者 (Lead Author) 刊登論文的地步,家人卻對他的研究毫不理解,好像有點可惜。所以為兄不才,決定以門外漢的身分,嚐試破解其中一篇論文的內容 (Sin, Dugdale, et al., 2012b),好讓長輩們安慰一下。

獾之所以如此無畏,是因它厚厚的毛皮,以及無敵的抗毒與免疫力。這種天賦,來自進化。



一種物種會不斷進化成不同的新物種,靠的,是基因突變 (Mutation)。之後,這些物種又不斷被自然淘汰,直到今天你見到的形態。譬如說,鹿因為沒有草,要吃樹上的葉,因而變成長頸鹿;其中需要經過一個階段,隻鹿條頸不長也不短,但這種鹿現在卻不存在。這個被歷史湮沒了的階段,以往需要依靠化石的發掘,再加上達爾文 (Darwin) 那種同源 (Homology) 推論 (好像蝙蝠的翅膀與人類的手臂有著相同的骨骼結構,從而被認為是來自同一個源頭),才能重塑出來。

今天,隨著科技進步,生物學家可以憑物種間的基因圖譜,找出進化的痕跡。當一種物種要適應環境的變化而出現基因突變時,有說是一組基因一起「協同進化」(Concerted Evolution),也有說是某段基因進行「生滅進化」(Life-and-Death Evolution)。後者的出現,主要是因為基因會突然間複製一段多餘的訊息,在沒有生存的壓力下,這段基因可以自由地變成其他東西 (即使話,一段用來造「肺」的基因,不能忽然消失,但如果有兩段,則其中一段可能變成造「腮」的基因)。如果你比較同類物種中不同表型 (Phenotype) 的物種的基因,如花豹與黑豹,便會發現黑豹是後來才出現的,並且能夠知道它是如何突變出來的。同樣是豹,因為突變而有不同的顏色,叫做多態性多形現象 (Polymorphism)

堂弟研究的,正是在多態的獾之中,比較不同表型的基因,找出它們進化無敵免疫力的過程。到了這裏,又要瞭解免疫力是如何出現的。

簡單來說,當一顆細胞被感染,它可以自首,把「我已中毒,請殺死我」的標籤插在自己身上,吸引毒殺性 T 細胞 (Cytotoxin T Cell, CTL) 過來,用「毒針」把它槍斃。那個「標籤」由蛋白質組成,被稱為「主要組織相容性複合體」(Major Histocompatibility Complex, MHC) 第一類 (Class I),簡稱 MHC-I(嚴格來說,MHC-I 更像一個在細胞表面的儀表版,由蛋白質的碎片,即「肽」組成;MHC-I 指數高為健康,過低則是要清除的細胞。)

若被感染的細胞不自首,它們也會被告發,告發它們的是「抗原呈獻細胞」(Antigen-Presenting Cell, APC),有三種,分別是樹狀細胞、巨噬細胞和 B 細胞。它們會搖「旗」吶喊,直至 T 細胞來殺掉被感染的細胞。那支「旗」便是所謂 MHC 的第二類,即 MHC-II

由於在自然生態中,透過基因突變,不斷有新的病毒與細菌 (看看禽流感便知),這些免疫工具也必需與時並進,特別是辨認不同 MHC 的能力,必需不斷提升,否則 T 細胞便無法知道誰是敵人。用我堂弟的說法,這是一場基因的軍備競賽。也許是由於獾在這場競賽中,表演得極之出色,堂弟才選擇了它作為研究對象。他的論文正是依靠分析不同表型的獾的 MHC 基因排序,推斷 MHC-I 是依靠「協同進化」的,而 MHC-II 則是來自「生滅進化」的 (Sin et al., 2012b)。有趣的是,論文提到獾之所以進化得那麼快,可能與它們採取多夫多妻制有關,所以基因圖譜才會如此多樣化。

如果你一直耐心地讀到了這裏,你可能可以大概明白原文的摘要 (Abstract) 了。能做出這樣的研究,固然很厲害,但又是否值得一位年輕人花那麼多青春來研究呢?

那就視乎你能否看出 MHC 的基因研究,跟某些你聽過的東西有關。對,如果你能找出製造不同的 MHC 的基因排序,你便能夠標記不同的問題細胞,叫自身的免疫系統來清除它們。這個概念,是否很像大家經常提到的「標靶藥」?原來我們每天身體都會因為基因突變而生出千多顆癌細胞,再由 T 細胞與其他免疫系統的成員把它們消除掉。癌症之所以出現,其中一個原因是癌細胞懂得偽裝自己,不讓標籤出現在自己身上 (也有其他原因,例如某些癌細胞可以殺死 T 細胞)。如果我們能夠把癌細胞拿出來,找出它的基因排序,製造會搖旗吶喊的 MHC,那病人便能靠自身的免疫系統消除癌細胞,而不影響健康的細胞。這種免疫療法,早就證明能醫好像風濕般的頑疾;今天,研究人員正在把不同的癌症的基因圖譜紀錄下來,準備逐一擊破。

堂弟雖從來沒有明說,但我不禁想,為家人健康操心,又會否是堂弟研究 MHC 背後的動機呢?至於他的另一篇論文,則是有關獾的鼻子裏生長的細菌與嗅覺 (Sin, Buesching, et al., 2012),又不知是否有相似的動機呢?

無論如何,我並不是生物學的專家,以上亦有不少過度簡化的解釋。若有錯漏,還望各位高人指正。

Reference:
Sin, Y. W., C. D. Buesching, T. Burke, and D. W. MacDonald. 2012. Molecular characterization of the microbial communities in the subcaudal gland secretion of the European badger (Meles meles). FEMS Microbiology Ecology 81(3): 648–659.

Sin, Y. W., H. L. Dugdale, C. Newman, D. W. MacDonald, and T. Burke. 2012a. MHC class II genes in the European badger (Meles meles): Characterization, patterns of variation, and transcription analysis. Immunogenetics 64(4):313–327.

Sin, Y. W., H. L. Dugdale, C. Newman, D. W. MacDonald, and T. Burke. 2012b. Evolution of MHC class I genes in the European badger (Meles meles). Ecology and Evolution 2(7): 1644-1662.

2 則留言:

Pierre 說...

Thanks for this, this is a really good introduction. A good starting point for people like me who have not had very deep understanding about this topic. Now I can do more extensive reading based on the background in this post.

Paul Sin 說...

Hi Pierre,

Glad that it helps :)

Cheers,
Paul