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"果蠅"+"人"=遺存學研究?
 

 

 
陳浩然教授
(Prof. HY Chan)
畢業於英國劍橋大學，現任香港中文大學生物化學系副教授 。

I. 序言

有沒有留意到當家裡的生果放上一段日子， 又或是在生果店的附近， 總不難找到很多細小又討人厭的小昆蟲？ 你可能不會相信， 這樣一種常見的小昆蟲， 正是研究人類遺傳學的一種重要的功具 --- 果蠅！ 那麼， 你可能會問 ： 研究人類遺傳學， 不是用人類來研究就可以了嗎？ 為什麼要選一隻比我們小那麼多， 又好像沒有什麼大關係的生物來作研究模型？ 其實，人與果蠅著實有很多相類似的地方，兩者的細胞裡均擁有相類似的遺傳基因。 而生物的行為， 除了會受外界環境所影響外，很大程度上都受到自身的遺傳基因所控制。 正因此， 我們和這討人厭的小昆蟲， 其實，不無關係……



圖一︰吃腐爛生果為生的果蠅

 

II. 甚麼是果蠅?

果蠅的學術名稱為Drosophila , 此名稱源自希臘文，有〝清晨愛好者〞的意思。當果蠅幼蟲從蛋裡孵化出來後，牠們會漸漸長大 (見圖二)。 幼蟲結蛹後便會蛻變為成蟲的果蠅。整個過程大概只需十天的時間， 而溫度則需維持在攝氏25度左右。

早在二十世紀初，遺傳學家Thomas H. Morgan已選擇了以果蠅作為研究遺傳特性的工具。於1910年, 他從一群正常的紅眼果蠅中發現一隻樣貌奇特的白眼果蠅。 這由紅眼到白眼的顏色轉變， 是由於一個名叫「白」(white) 的基因發生突變而引致的。果蠅遺傳學就在這時誕生。自此以後， 科學家繼續在果蠅身上找出了成千上萬的基因， 而當中跟人類致病基因相似的竟然高於百分之六十！

圖二︰果蠅的生命圈(life cycle)



圖三︰果蠅被培養在試管內

III. 果蠅與人相似到甚麼程度﹖

睡眠

為了更了解睡眠的作用，科學家嘗試利用果蠅， 從遺傳學的角度著手， 希望找出睡眠的功用及控制睡眠的基因。 他們發現原來〝清晨愛好者〞也跟人類一樣， 喜歡日出而作，日入而息；而且亦有在日間小睡的習慣。正常情況下， 果蠅對所有輕微的聲波都會作出反應， 而熟睡的果蠅則對聲波的干擾反應得相當緩慢。 然而當果蠅通宵不眠後，牠們是很難在熟睡中被吵醒的， 這不正是和人類一樣嗎？

我們都羨慕嬰兒每天可睡上十五至十六小時； 其實初生的果蠅跟人類的嬰兒一樣都需要比年長果蠅較長的睡眠時間。 而當果蠅被餵飼敏感藥 antihistamines 後, 又會變得昏昏欲睡。若牠們吸收了咖啡因後， 更會出現難以入睡的情況； 這種種有趣的發現， 不但加深了我們對果蠅行為的了解， 更為有效的利用果蠅基因的分析； 去找出控制睡眠的基因， 從而發展更有效更天然的安眠藥， 立下了有力的憑證。

酗酒

每個人對酒精的敏感度都不同，有人可以連喝數十杯啤酒也面不改容，但有人只嚐一口便會醉倒。 其實人對酒精的敏感度與基因有很密切的關係。 科學家運用了一個量度酒精敏感度及能幫助研究基因的儀器對 果蠅作出以下研究 (見圖四) 。

每次，科學家會將100隻果蠅加在一個叫〝inebriometer〞的特別儀器的頂部，然後將含有酒精的蒸氣注入該儀器， 當果蠅呼吸時便會將酒精一併帶進體內。研究員發現果蠅在吸入愈多含酒精的蒸氣，牠們就有像醉酒一樣的反應， 慢慢滾下。正常果蠅 (wild-type flies) 會在大約二十分鐘內〝醉倒〞，然後從儀器內跌出。 有趣的是科學家發現如果蠅擁有一種名叫〝cheapdate〞的突變基因, 是會比其他同類更快跌出〝inebriometer〞。 換句話說，牠們對酒精的敏感度比正常果蠅高。經過不斷的研究， 又發現在這種易醉的果蠅 (有cheapdate基因突變的果蠅)中， 在一個很重要的生化網絡 --- cAMP 生化網絡中的一個基因變得不再活躍， 以致這類果蠅對酒精特別敏感。 除〝cheapdate〞外， 研究還發現其他果蠅對酒精的不同反應。例如有一些果蠅對酒精異常的不敏感等……這些研究確實使我們對酒精的敏感度與基因的關係 有更深入的認識。

圖四︰醉酒的果蠅

社會行為

曾經有科學家將兩隻雄性果蠅放在同一個只有一隻雌性果蠅的地方， 然後進行觀察。在30分鐘內，兩隻雄性果蠅平均有27次 (每次歷時11秒) 的會戰。有趣的是首先作出進攻的果蠅通常會有較大的機會勝出， 而在首次勝出的果蠅於稍後的比武又有較大的勝出率。研究員在實驗當中發現了數種果蠅用作進攻 (包括撥弄兩翼作威嚇動作、 追逐、拳擊及扭打) 及自衛 (包括步行、奔跑-通常是被追逐的時候-或飛離對方範圍) 的招數。這些行為與我們人類的反應都很相似。

科學家之所以研究果蠅的交戰情況， 其實是想找出控制這好勝行為的因由。在一個「比賽」的實驗中， 六隻果蠅被安排要為食物和配偶競爭。其中有些果蠅的表現因欠缺了某些基因或被餵了某些藥物而大受影響。 科學家發現原來其中控制果蠅體內dopamine (一種腦部的神經傳導物質) 份量的基因及腦裡其中一個部份 - 冬菇體 (mushroom body) 與好勝行為很密切的關係。這研究使我們對人的好勝及不正常行為有進一部了解。

遺傳病

近數十年，我們因醫學進步而得益不少，但很多疾病的起因還是來歷不明的。直至近年臨床遺傳學分析的進步， 一些疾病如某些糖尿病、柏金遜症及老人痴呆症已得以證實是基於遺傳因素而患病的。 由於以人類作研究的費用相當高昂， 所以科學家會在一些結構較簡單而又得到深入研究的「實驗室有機體模型」作進一步的分析 --- 果蠅便是其中一種。 而到了有進一步的成果後才把研究對象轉回人身上， 這樣便可省卻不少時間和金錢。

研究顯示出百分之二年過七十歲的老人患有柏金遜症 (一種非常普遍的腦疾病) 。柏金遜症主要的病徵包括四肢僵硬、 行動緩慢及容易因失平衡而跌倒等。導致這些病徵的原因是病者腦裡一部份神經細胞逐漸死亡。 喪失這部份神經細胞帶來的結果是令一隻名〝dopamine〞的化學物份量調低，而實驗亦證明這些病徵會因〝dopamine〞的增多而得以緩和。 縱使〝dopamine〞對於治療柏金遜症是很有效用，但也不能醫治病情嚴重的病者。

透過對果蠅的實驗，科學家發現Alpha-synuclein是一種能導致柏金遜症的蛋白質。當這蛋白質被加在果蠅身上時， 科學家發現牠們有以下的行為：逐漸喪失神經細胞、失去平衡及不能向上爬。科學家更進行了一個「果蠅爬行比賽」的實驗- 先將果蠅放在試管底部，然後觀察牠們需要多少時間從底部爬上試管頂。一如所料，這些「柏金遜」果蠅的表現強差人意。 這實驗證明了人與果蠅擁有極其相似的基因！因此，「柏金遜」果蠅現已成為試驗新藥物的好幫手。

IV. 研究果蠅有助於更了解我們的身體嗎﹖

藥物篩選

雖然至今仍未有實驗室開始用「柏金遜」果蠅來試驗新藥物，但科學家已成功透過果蠅研究出有效的藥物來以醫治其他人類疾病如「肯定頓綜合症」(Hungtington’s disease) (見圖五)。 現時很多美國藥廠均採用「腦退化」的果蠅作試驗(研究員會將抑制退化藥物打進果蠅身體內以減慢腦細胞的退化)，務求能找到更有效的藥物醫治人類不同的病症。

 下次當你在家裡看見那些有大量果蠅〝盤旋〞著的熟水果時，你會想把牠們一一擊斃？ 還是開始欣賞一下這跟我們人類未來醫藥發展有重大意義在小昆蟲呢？

圖五︰透過基因技術矯正已退化的腦細胞。

圖左方為已退化的果蠅。

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