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🏫 基因小學堂 🏫 基因小學堂 – 第一堂課】

第一堂課 侏儸紀公園 第一集的啟示~恐龍復活可能嗎? 基因扮演人類生命的重要角色

還記得當年的賣座大片” 侏儸紀公園第一集”中那些維妙維肖的恐龍如何誕生的嗎?

  • 恐龍顯然跟人類是不同年代的生物,電影中出現的恐龍場景和一連串不可思議的劇情都揭露了重大的秘密 ! 其一是生命的起源是甚麼? 其二是恐龍復活是可能的嗎?

電影雖說電影,但生命的起源與奧秘在這麼多年科學研究後,科學家發現了DNA在人體中運作的機制與生命的起源扮演了非常重要的角色!隨著科技日新月異,目前已經有太多有關DNA的應用,例如犯罪現場的DNA比對、親子鑑定等等。除此之外,全球無數個科學家還發現許多重大疾病的產生與基因有極大關連!!!

小學堂功課

#基因與DNA的關係?

基因在生物學中是指「攜帶遺傳訊息的物質」,因此我們常聽見的DNA及RNA也包括在其中。基因是存在於細胞中的一段遺傳信息。他是控制生物遺傳特徵和生理功能的基本單位。例如,眼睛的顏色、髮色、身高等特徵都是由基因決定的。而這一切的源頭就要從細胞核開始說起,細胞核中有23對染色體,由DNA所組成,而DNA包含了鹼基序列。DNA通過轉錄過程形成mRNA,mRNA進而轉譯為蛋白質,實現基因表達和蛋白質的製造。這些分子之間的調控,共同確保細胞的正常運作和遺傳訊息的傳遞。

#細胞中攜帶遺傳訊息的“細胞核”

構成生物體的基本單位為細胞,細胞內又有許多的胞器,並各司其職維持細胞的生理功能。其中有個胞器負責遺傳物質儲存、複製及傳遞的場所,也就是細胞核。細胞核是細胞的一個重要結構,位於細胞的中央。

#細胞核中的“染色體”

細胞核內含有染色體,這些染色體是由DNA和組蛋白纏繞而成的,也因此染色體包含了大量的DNA序列。人類細胞中通常有23對染色體,其中22對是體染色體,另外一對是性染色體,也就是俗稱的XY染色體,而染色體的主要功能是在細胞分裂時傳遞正確的遺傳信息。

#染色體是由“DNA”所組成的

DNA又稱去氧核醣核酸,為雙股螺旋的結構。每一股上有各類型的含氮鹼基 (A, T, C 及G),這四種鹼基的排列組合形成了一個獨特的密碼。而基因表達是由DNA轉錄成mRNA的過程,主要是在RNA聚合酶的催化下,將DNA中帶有遺傳資訊的DNA片段複製到RNA中。

#DNA經由轉錄作用形成“RNA”

RNA 又稱核醣核酸,為單股的結構。每一股上有各類型的含氮鹼基 (A, U, C 及G)。RNA具有許多的功能,根據其功能,RNA可以分為幾個類型。在細胞中,mRNA(messenger RNA)是遺傳信息的傳遞者,能夠轉譯成蛋白質。由於mRNA具有編碼蛋白質的能力,因此也稱為編碼RNA。其他沒有編碼蛋白質能力的RNA被稱為 ncRNA (non-coding RNA)。ncRNA 雖然無法產生蛋白質,卻能夠調控蛋白質的合成,其中包括tRNA、rRNA和miRNA等。

#RNA經由轉譯作用形成“蛋白質”

DNA轉錄而成的mRNA會被運送到細胞質中的核醣體,經由轉譯作用形成胺基酸,並摺疊成具有功能的蛋白質,這些製造出來的蛋白質能夠調控身體中許多的生理變化。

簡而言之,每個人都擁有分別來自父母的遺傳訊息,每當細胞分裂時,這些遺傳訊息都必須被正確地複製。然而,如果我們的生活環境或攝取的食物中含有致癌物質,會使這些物質大大增加遺傳訊息被改變的機會。導致許多重要的蛋白質將無法正確製造,使結構發生變化,從而導致各種疾病發生的風險增加!!!

#基因對人體的重要性為何?

基因可比喻成一種個人化的密碼,這些密碼能夠做成特定的蛋白質,並調控許多生理反應,包括物質的製造、運送及協調,影響著身體內外以及身體機能的運行。因此,如果基因發生變異可能會對身體的基本運作以及複雜的生理過程產生影響。

不過基因的變異並不完全為缺點,適當的變異能夠造成生物的多樣性。舉例來說,黑猩猩是目前與人類基因相似度最高的動物。相似度約大於 96%,僅有不到 4% 的差異,然而同為人類,人類彼此間的差異自然更少。但也正是這微小的差異,造就了每個人都是獨一無二的存在,這必須歸功於單核苷酸多樣性(single-nucleotide polymorphism,SNP)的作用。SNP指的是基因序列中單一核苷酸的變異,這種微小的差異足以讓每個人的基因成為獨一無二的存在,就像是每個人體內的”身分證字號”。

在日常生活中,我們常常用 “體質” 這個詞彙來形容這種差異。相信每個人身邊總有個明明吃不多,卻仍容易變胖的朋友,或者寒流來襲,卻穿著短褲短袖出門的人。我們可能會說「他有易胖體質」或「我的體質就很怕熱」等等。

那我們該如何了解自己的體質呢? 人類基因體計畫由美國NIH主導,於1990至2003年間,定出人類全基因序列。結果發現多數的疾病都和「基因變異」有關。因此近二十餘年來,科學家致力於研究基因變異位點與不同疾病的關聯性。也因此造就如今的精準醫療。

#基因跟人體的健康與疾病有何關連?

近幾十年科學家發現基因本身的缺陷與變異可能跟某些遺傳性疾病或疾病的發生有極大相關性。遺傳性疾病可分為體染色體遺傳及性聯遺傳。

體染色體隱性遺傳: 每個人都有22對體染色體,一對染色體中一個來自父親,另一個來自母親。因此,若雙親在體染色體上攜帶相同的致病性基因,則有 25% 機率生出病患寶寶;50% 機率生出「帶有」致病性基因的健康寶寶;有 25% 機率生出「未帶有」致病性基因的健康寶寶。

性聯遺傳: 每個人有一對性染色體,男性則帶有XY染色體,女性則帶有XX染色體。因此,若母親在X染色體上攜帶致病性基因,生出男性有 50% 機率為病患寶寶;生出女性有 50% 機率生出「帶有」致病性基因的健康寶寶。

在某些遺傳疾病中,染色體的結構異常或數目異常會導致特定基因的缺失、重複或互換,從而影響相關蛋白質的正常合成或功能。這些異常可能導致發育畸形、智商低下或生長遲緩等,例如唐氏症或愛德華氏症等。

#基因的變異是如何影響疾病的發生?

基因變異是指DNA中發生了變化或錯誤,就像是英文單字 ”Gene”替換字母後變成 “Gewe”,導致從原本的 ”基因” 變成了其他意思。在DNA複製或傳遞的過程中,有時會發生錯誤或變異。這種變化可能是自然發生的,也可能是由外界因素引起的。而DNA變異可能會對我們的健康和特徵產生影響。

DNA中的每個字母和詞彙都有特定的含義,所以某些變異可能導致DNA的鹼基序列改變,從而影響mRNA的鹼基序列,進而影響蛋白質的功能,導致疾病的發生。例如,變異的基因會造成癌細胞過度增殖,最終形成腫瘤。

想必大家都對他不陌生,他是好萊塢女星安潔莉娜裘莉。安潔莉娜裘莉的個人經歷是一個震驚全球的事情。她在發現自己帶有乳癌基因變異 BRCA1(breast cancer1)後,毅然決然地選擇切除乳房,並計劃未來切除卵巢。她的故事引發了對於基因檢測是否能成為未來應對癌症或其他疾病的新解決方案。

BRCA gene 其名稱來自於Breast Cancer開頭,目前已知的乳癌相關基因為BRCA1與BRCA2。BRCA gene 功能正常時,BRCA1 或 BRCA2 會修復 DNA,維持基因穩定,並防止癌細胞的發生。因此當BRCA gene 發生變異時,會因BRCA1 或 BRCA2 蛋白質結構異常而失去原本的功能,導致乳癌的發生率增加。目前研究發現BRCA1 變異有55% – 72% 罹患乳癌,有39%–44% 罹患卵巢癌。BRCA2 變異有45% – 69% 罹患乳癌,有11%–17% 罹患卵巢癌。

總而言之,基因在遺傳疾病中扮演著重要角色。深入瞭解基因有助於我們更好地理解疾病的遺傳機制,從而進行預防、提早診斷和治療。

[原始論文]:
Cano-Gamez, Eddie, and Gosia Trynka. “From GWAS to Function: Using Functional Genomics to Identify the Mechanisms Underlying Complex Diseases.” Frontiers in genetics vol. 11 424. 13 May. 2020, doi:10.3389/fgene.2020.00424

Zhao, Lin-Yong et al. “Mapping the epigenetic modifications of DNA and RNA.” Protein & cell vol. 11,11 (2020): 792-808. doi:10.1007/s13238-020-00733-7

Kontomanolis, Emmanuel N et al. “Role of Oncogenes and Tumor-suppressor Genes in Carcinogenesis: A Review.” Anticancer research vol. 40,11 (2020): 6009-6015. doi:10.21873/anticanres.14622

Gorodetska, Ielizaveta et al. “BRCA Genes: The Role in Genome Stability, Cancer Stemness and Therapy Resistance.” Journal of Cancer vol. 10,9 2109-2127. 14 May. 2019, doi:10.7150/jca.30410

Jackson, Maria et al. “The genetic basis of disease.” Essays in biochemistry vol. 62,5 643-723. 2 Dec. 2018, doi:10.1042/EBC20170053

Colombo, Maria Giovanna et al. “Clinical utility of genetic tests for inherited hypertrophic and dilated cardiomyopathies.” Cardiovascular ultrasound vol. 6 62. 19 Dec. 2008, doi:10.1186/1476-7120-6-62

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK526016/

https://www.cancer.gov/about-cancer/causes-prevention/genetics/brca-fact-sheet

https://time.com/3450368/the-angelina-effect/