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论当今生物科技发展对未来

日期: 2019-12-15 18:34
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发布日期: 2019-12-15

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  論當今生物科技發展 對未來人類社會的影響 武光東 一、導 論 就生命科學的發展速度和影響層面而言,二十世紀的前五十年可視為「演進」的時代,而 後五十年則可視為「革命」的時代。革命的導火線是來自一九五三年華森 (J.D. Watson) 和克里 克 (F.H.C. Crick) 二氏發現去氧核糖核酸 (deoxyribonucleic acid,簡稱 DNA) 的雙螺旋結構 (double helix) 並確認核酸是一切生物的遺傳物質。因此一九五三年可視為分子生物時代正式誕 生之年。從此新技術和新發現不斷推陳出新,波瀾壯闊,不但令人目不暇給,而且嘆為觀止。 在另一方面,自一九五○ 年代開始,哺乳類的體細胞 (somatic cell) 可以在體外作人工繁殖培 養,每一個細胞就是一個生物個體的縮影,其內含有兩套染色體和全部基因。遺傳學家可以把 這些細胞拿來作遺傳研究的材料,以探討遺傳疾病的成因。到一九七○ 年代,精子與卵子亦可 在體外結合,形成受精卵。把這些受精卵或其幼胚植入母體,也可以發育成正常胎兒,俗稱「試 管嬰兒」 ,以克服婦女不能自然受孕或避免丈夫壞基因傳給後代的困境。尤有進者,在精卵結合 之始,科學家更能偷天換日,把受精卵內的精原核和卵原核移走,再送進去一個體細胞核,然 後置入母體,以研究無性繁殖的可能性。這一類通稱「核移植 (nuclear transplantation) 」實驗, 雖曾遭受長期的挫敗,但到本世紀末年驟然開花結果,在英國誕生了一頭「桃莉羊 (Dolly)」 , 令舉世震驚。本文擬就上述「分子層次」和「細胞層次」來闡釋當今重要的科技突破和對未來 人類可能發生的影響。 二、簡介幾種關鍵性的分子生物技術 1、DNA 重組技術 把兩種不同生物的 DNA 分子,譬如控制人類生長的荷爾蒙基因,剪接到大腸菌內的質 體 (plasmid) DNA 上,讓它在那裡不斷地增殖、表現,這就是 DNA 重組技術 (recombinant DNA technology) 的一例,也就是所謂遺傳工程 (genetic engineering) 的主要內容。一個基 因是一個 DNA 分子上的一小段,要施以外科手術,把它切下來,所用的工具叫做內切限 制酶 (restriction endonuclease),它是一種分子刀。限制酶是細菌的產物,美國霍浦金斯大 學的史密斯 (H. Smith) 和那桑 (D. Nathans) 二氏首於一九七○ 年發現此酶(一九八六年諾 貝爾獎得主) ,到現在已先後分離純化出約四百種。此酶在切割 DNA 時,有極高的特異性 (specificity),一種酶只認識 DNA 分子上一種標記,在那裡下刀。被同一種酶切割開來的 DNA 片段,不管來自何種生物,在切口處都可重新接合。如此一來,不同種生物的 DNA 1 就可重新組合,美國史坦福大學的柏格 (P. Berg) 氏於一九七三年首度觀察到 DNA 重組的 事實(一九八○ 年諾貝爾獎得主) ,之後迅即成為遺傳工程最重要的一環,為分子生物學開 了全新的局面。 2、用載體來複製重組 DNA 分子的技術 經過重組技術,把一個人類基因轉接到大菌內的質體 DNA 上,是遺傳工程的第一步。 如果我們想研究此一人類的基因構造,並進一步了解其功能,就必須這個基因能大量複製, 產生足夠的量才行。一個大腸菌內的某一質體,其上帶有某一人類基因,當此大腸菌進行 分裂增殖時(每二十分鐘分裂一次) ,質體也在快速地複製。這樣可以在很短時間內,產生 千千萬萬個大腸菌,也代表此特殊人類基因複製了千千萬萬次。此一基因複製品特別稱曰 clone 。此種方法稱曰用載體來複製重組 DNA 分子 (amplification of recombinant DNA molecules in cloning vectors)。 3、聚合酶連鎖反應技術 上述基因複製是在細胞內 (in vivo) 進行。到了一九八五年,毛利斯 (K. Mullis) 氏發 明了細胞外 (in vitro) 複製 DNA 的方法,稱曰聚合酶連鎖反應 (polymerase chain reaction, 簡稱 PCR)法,從此成了複製某一特定基因或某一特定 DNA 片段最有力的工具。此法的 前提是對所欲複製的片段,必須知道其兩端的核苷酸順序,然後依照鹼基配對(A=T 和 G ≡C)原理,合成互補短鏈(15-30 個核苷酸長度)作為新鏈合成的導體 (primers)。在高溫 (93~95℃)下,先把欲複製的雙股 DNA 分解成單股,加入 primers,降溫至 50~75℃, 使 primers 與單股 DNA 行氫鍵結合,然後加入耐高溫的聚合酶及 DNA 合成所需的四種核 苷前驅物,進行 DNA 合成。如是週而復始,形成連鎖反應,經過卅次這樣的反應之後, 原來的那個 DNA 片段已被複製了 100,000 次,這樣的量可以很容易的加以觀察和分析。 用來作複製的原有 DNA 片段,一方面需量極微,一個精子或一個毛囊 (hair bulb) 內 的 DNA 即可派上用場。同時此 DNA 也不需來自活細胞,無論是標本、屍骨或化石中的 DNA 均可用。因此聚合酶連鎖反應的應用至為廣泛。 4、動植物的基因轉殖技術 由於遺傳工程技術的日新又新,人類幾乎可以隨心所欲,替生物界亂點鴛鴦譜,把過 去必須藉有性生殖才能完成基因交換的規律打破,可以用人為的方法讓各種生物的遺傳物 質在彼此間自由流動,從而產生所謂基因轉殖植物 (transgenic plants) 或基因轉殖動物 (transgenic animals)。轉殖的目的有三:(1) 改良農作物和家畜的品質或產量;(2) 產生人類 所需某種蛋白質或藥物;(3) 研究基因表現的機制。 要完成基因轉殖,途徑很多。在動物方面,最常用的方法是在體外受精的精核和卵核 尚 未 融 合 以 前 , 把 外 來 DNA 經 由 微 細 玻 管 直 接 注 入 精 核 , 通 稱 顯 微 注 射 法 (microinjection)。所注射的 DNA 若成功地嵌入 (integrate) 精核的染色體上,由此受精卵分 裂而產生的所有細胞,就會帶有此一外來基因。在高等植物方面,則係利用土壤內的一種 2 細菌 (Agrobacterium tumefaciens) 來幫忙。此菌細胞內含有一種質體 (Ti plasmid),其上含 有若干基因,可使植物細胞癌化。植物的根與地面接觸的部分,每因風吹產生磨損,此菌 即會侵入傷處細胞,把質體上的癌化基因嵌入植物染色體上,就會在植物根部形成冠癭 (crown gall)。利用此一特性,如果把 Ti 質體上的致癌基因拿走,把某一有用的人類基因放 進去,這樣的質體 DNA 若嵌入植物染色體上,即可完成人類基因在植物內的轉殖。由於 已分化的植物細胞仍保有全能性 (totipotency),可以長成完整的植株,若把植物組織切片 與此細菌在培養劑內一起培養,就會完成基因轉殖。所得的轉殖細胞即可發育而成轉殖植 株,其法至便,而且應用極廣。 三、遺傳工程的應用 1、生物基因體的研究 所謂基因體 (genome),是指真核生物的一個生殖細胞 (gamete) 內所含有的全部染色 體(單倍體,haploid) 。若為細菌,因其本來就是單倍體,每一細胞內只有一個環狀 DNA, 此 DNA 分子就構成細菌的基因體。自一九九○ 年開始,人類展開了一個史無前例的大型 研究計畫,就是所謂的人類基因體計畫 (Human Genome Project)。這個計畫的目的有二: 其一是把人類染色體上的所有基因加以定位 , 建立完整的遺傳圖譜 (genetic map) 和物理圖 譜 (physical map)。其二是把人類染色體上約三十億個核苷酸全部加以定序 (sequencing)。 如此一來,每一條染色體上的核苷酸序列就會一目了然。此計畫於一九九○ 年首自美國開 始運作,其後許多國家如英、法、日、德、加拿大等國亦相繼加入,而成為世界性的合作 大業。中國大陸和台灣也於近年加入,參與一小部分的工作。依原有構想,人類基因體計 畫預定於十五年內 (一九九○ ~二○○五 ) 完成,但目前進度超前,或可於二○○三 年前 達成任務。 在推動人類基因體計畫的同時,有許多其他生物亦同步進行基因體的分析研究,成績 十分輝煌。到目前為止,若干病毒,好幾種細菌和一種酵母菌都已完成 DNA 的定序。在 多細胞生物方面,原蟲 (Caenorhabditis elegans) 的定序已於一九九八年底完成。一種植株 矮小的芥類植物 (Arabidopsis thaliana) 亦將於二○○○ 年底完成定序。此外,水稻、玉米、 老鼠 (mouse) 等動植物的基因體分析也正在緊鑼密鼓的進行之中。 大家勢必要問 , 利用基因工程技術來完成人類基因體的基因定位和核苷酸定序到底和 人類的福祉有什麼關係?為其他生物作基因體分析又有什麼重要性?答案是這樣的:當人 類基因體計畫完成之日,每個人細胞理所帶的基因(據估計約八萬個左右)是否正常就可 以很容易被加以鑑定,涉及所有遺傳疾病的診斷、預防和治療,也會引起若干倫理和社會 問題。其他生物的基因體研究,則一方面對人類基因體計畫有相輔相成之功,同時對動植 物的品種改良也會有莫大貢獻。因為生物都有其演化的源頭,生物之間的基因構造雖有變 異,但彼此間相似度仍極高。知道了原始而簡單的某一生物基因構造,很容易到高等而複 雜的生物裡找到對應的基因,使後者的分析找到了捷徑。 3 2、人類遺傳疾病的診斷、預防和治療 人類遺傳疾病,可依致病基因的所在位置及顯隱性,分為常染色體顯性 (autosomal dominant) 遺傳、常染色體隱性 (autosomal recessive) 遺傳、X-連鎖 (X-linked) 遺傳及 粒線體 (mitochondrial) 遺傳。人類的四十六條染色體,其中有四十四條(一~二十二對) 與性別無關,稱為常染色體 (autosomes),另兩條分別稱 X 和 Y,與性別決定有關,稱曰性 染色體 (sex chromosome)。事實上,Y 染色體扮演著性別決定的關鍵角色,但其上基因很 少,尚未發現遺傳疾病是由 Y 染色體上的基因突變所導致的。X 染色體則有許多基因,若 干重要遺傳疾病的致病基因就位於 X 染色體上。常染色體更是人類基因的大本營。染色體 位於細胞核內,由核內單基因突變所引起的遺傳疾病都遵守孟德爾遺傳定律,故統稱之曰 孟德爾式遺傳 (Mendelian inheritance)。這類疾病的認定與日俱增,現在已知近萬種。除此 之外,細胞質內的粒線體亦有 DNA,其上有三十七個基因,這些基因突變也會致病,但只 能由母方遺傳 (maternal inheritance)。近年來,由於診斷技術的進步,這類疾病的數目也正 日益增加。 隨著遺傳工程技術的應用和人類基因體計畫的超前進展 , 許多重要的致病基因已經在 染色體上完成定位。基因本身也已被分離出來,基因內的核苷酸順序已經知道,其對應產 物(蛋白質)上的胺基酸順序也從而確定。因此無論就構造上或功能上,許多重要的致病 基因都已被徹底的加以解剖分析,無論一個核苷酸的取代或幾個核苷酸數目的增減,其對 蛋白質功能或對人體健康的影響都可一目了然。由這些基因所衍生而來的探針(probe,其 內含有同位素或螢光物)可直接由廠商購得,它們就像偵探一樣,可以偵測人體內是否帶 有某一致病基因,以及追溯到該基因內的那一個地方出了問題和出差錯的真正機制。應用 此一分子技術,可以對社會大眾作婚前檢查(常染色體隱性基因雜接合體) 、產前診斷、新 生兒篩檢和遺傳諮詢等服務。譬如人類的杭亭頓氏舞蹈症 (Huntington’s chorea),是一種常 染色體顯性遺傳,但帶著一個壞基因的人每每要到中年才會病發。現在利用分子技術,可 以在此人出生前(產前)或出生後(新生兒)即可加以確認,可預測到三、四十年後此人 的命運。又譬如女性患乳癌的機率甚高,其中一部份屬於家族性遺傳,因為帶有乳癌基因 BRCA-1 或 BRCA-2 所致。不帶此等致癌基因的女性也會患乳癌,但機率較低;而帶有此 等突變基因的女性則發病率大增。因此對女性,特別是對乳癌家族內的年輕健康女性,作 上述兩種乳癌基因的分子診斷是非常必要的。診斷結果可以達到預防的目的。 自一九九○ 年以來,基因治療 (gene therapy) 成了醫界渴望達成的一大目標。傳統的 治療是用藥物或外科手術,而治療遺傳疾病最好的藥就是基因本身。經過全世界無數科學 家的努力,基因治療還在摸索階段,而且嚐試的範圍只限於體細胞而不及於生殖細胞。 3、人類的血緣鑑定與犯罪認定 雖然世界人口已超過五十億,但卻很少有兩個人的指紋 (fingerprints) 完全一樣。因此 許多年來,指紋被普遍用作鑑定人的身分之用。同樣地,人類基因體上的核苷酸順序,也 很少有二個人完全一樣,除非他們是單卵雙胞胎。其中原因很多,最主要的是在人類的基 因體(三十億個核苷酸)中,只有約百分之三是帶有遺傳訊息 (coding sequence),是有功 4 能的基因,可以決定蛋白質分子的合成,其餘百分之九十七的 DNA 功能不明,其內發生 突變,並不一定發生可見的影響。因此在這部分 DNA 中,經過千千萬萬年的演化,其內 會累積許多變異,使得人與人之間很難完全相同。這些變異當中,有一類是來自於特殊的 DNA 片段,發生了次數不等的重複,而這些重複片段首尾相連,形成特殊的分子標記,稱 曰 VNTR (varied number of tandem repeats),經過特殊的限制酶處理,只在 VNTR 的兩端加 以切割,就會得到長度不等的 DNA 片段,經過電泳的分離及探針的追蹤,就可以得到特 殊的帶狀分佈 (banding pattern),所謂的 DNA 指紋 (DNA fingerprint),以之作親子或犯罪 鑑定。 在生父鑑定方面,過去靠血型分析來幫助。但血型分析只能做負面認定,指明某人不 可能為其生父,但卻不能作正面確認,指明某人必為其生父。DNA 指紋卻可克服上述困難, 同時對正負面認定作出結論。與此同理,若有兇殺或強姦案件發生,把受害人的 DNA,現 場採得罪犯留下的 DNA 樣本和嫌犯的 DNA 作 DNA 指紋分析,在法庭上成為越來越重要 的判刑依據。 實際的案例於一九九八年首度發生於美國。在一九八七年,佛羅里達州的一位法官在 審判一名強姦犯時,拒不採用檢察官所提出的 DNA 指紋證據,而將強姦犯無罪釋放。但 三個月後,該嫌犯再度犯案被捕。新的審案法官則採信了由嫌犯精液所得的 DNA 指紋, 從而將嫌犯定罪。根據估算,嫌犯被誤判(純由機會造成)的機率約為一百億分之一,可 謂微乎其微。因此產生冤獄的機會可以忽略。 由於聚合酶連鎖反應的應用,作 DNA 指紋分析所需的 DNA 量極少,無論是來自微量 的血液、精液、毛髮或身體其他細胞均可。 4、利用細菌來製造真核基因產物 細菌可以為人類製造許多重要產品的事實已久為人知。譬如抗生素、胺基酸、維他命 等為其著者。一九八二年,經由 DNA 重組技術,人類的胰島素基因首度被成功地移植到 大腸菌內,而且以細菌細胞為工廠,在那裡生產製造人類胰島素,以作治療糖尿病之用。 其後相繼成功的重要人類基因產物,包括第八凝血因子(blood clotting factor VIII,治療血 友病) 、血纖維蛋白溶酶原活化物(plasminogen activator,可溶解血塊) 、人類生長荷爾蒙 (human growth hormone,治療侏儒症)以及許多干擾素(interferons,可治癌症)等,均 已對人類醫療產生重大的影響。 除上述可以治病的人類基因產品外,遺傳工程亦可讓微生物製造許多重要的工業用蛋 白質。譬如有的酶用於乳酪生產,有的酶可以分解化學污染物乃至塑膠廢料,有的酶可以 把禾穀藁稈分解轉化而成酒精,以取代石油能源的不足等均有極大的工業發展潛力。事實 上,遺傳工程本身即需多種酶蛋白的參與,如內切限制酶、連接酶 (ligase)、聚合酶、反轉 錄酶(reverse transcriptase) 等,現在都是經由 DNA 重組技術,把有關基因接到細菌內的質 體 DNA 上,利用細菌細胞來生產製造的。世界上許多大型藥廠和化學公司都紛紛轉型, 來爭相生產生物科技產品。 5 5、基因疫苗 所謂基因疫苗,是把製造病毒蛋白質或細菌蛋白質的基因,接到質體 DNA 上,再把此 質體注入人體的肌肉、皮下或黏膜等組織,讓質體上所攜帶的病毒基因或細菌基因在人體 內表現,製造相關蛋白,引起免疫反應 [1]。一九九三年默克 (Merck) 藥廠首度應用此技 術,於實驗動物中成功地讓流行性感冒病毒的核蛋白基因表現。過去幾年來,基因疫苗已 成為世界各國疫苗研究發展的熱門領域,對於傳染病、癌症、過敏症與自體免疫症等的預 防和治療都有很大的潛力。只是目前仍在動物的實驗階段 [2]。 6、基因轉殖植物的應用 廿世紀的最後十年,從植物上見證了遺傳工程的無限潛力,植物革命悄然發生。所謂 基因轉殖,就是這些植物的染色體上含有外來基因。此等基因或許來自細菌、來自人類、 來自其他動物或植物。簡言之,利用遺傳工程技術,人類可以從心所欲,把任何一種物種 的基因移入任何一種植物細胞核內,在那裡定居、表現、製造其特有的基因產物。這些產 物的功能形形色色,或者可以改善禾穀類種子的營養成分、增加產量、抗蟲、抗旱、抗鹽、 抗重金屬、抗殺草劑等。透過光合作用,植物可以合成八萬種以上的合成物,其中有的是 主營養素 (macronutrients),有的是微營養素 (micronutrients),它們均與人類的健康息息相 關 [3]。小麥、玉米、水稻、大豆等為人類重要的食用作物,其內的微營養素含量均甚低, 如今利用基因轉殖,可以大大改善其營養成分 [4]。產於熱帶和亞熱帶的次要作物,如馬鈴 薯、樹薯 (cassava)、棕梠、香蕉等也已利用基因轉殖,產生抗病或高油含量的新品種 [5]。 目前更多令人驚奇的研究成果正逐漸浮現。譬如利用轉殖植物來製造藥物,製造可食 用的植物疫苗,甚至製造植物性的塑膠 [6]。一九九八年八月在美國聖路易舉行的第十六屆 國際植物學大會中,有好幾篇重要的研究報告。其一是把人類的基因放到煙草鑲嵌病毒 (tobacco mosaic virus) 的基因體上,然後用此病毒感染菸株,菸株內就合成了人的基因產物 酶,此酶可用來治療人類的遺傳疾病或者癌症 [10]。其二是研究者把轉殖的菸株當成製造 蛋白的工廠,所合成的人類蛋白質由菸株根部釋入培養液內,這樣既便於分離純化,而且 菸株仍然活者,可以繼續不斷的製造和分泌 [7]。另一篇報告則以水稻為轉殖對象,育成一 種金色水稻 (golden rice),稻粒是金黃色,由於其內含有外來的胡蘿蔔素 (β-carotene), 此物乃合成維他命 A 的前驅物。更可貴的是,此稻粒內亦含有益人類健康的鐵元素。此一 轉殖共涉及七個基因,四個基因產物為合成胡蘿蔔素所必需的酶,另三個基因產物則與鐵 的存積有關。這七個基因分別來自細菌、真菌和另一種植物,如今被稻株所利用,產生極 有價值的稻米,可以嘉惠全世界億萬的人口 [9]。 基因轉殖植物,特別是可以合成殺蟲劑或者可以分解殺草劑的主要作物,如大豆、玉 米、棉花、油菜和馬鈴薯等的產地和產量正逐年迅速增加。以過去三年為例,全球種植轉 殖植物的面積在一九九六年為二百八十萬英畝,一九九七年為一千一百萬英畝,一九九八 年為二千七百八十萬英畝。其中美國佔總面積的百分之七十四,加拿大百分之十,阿根廷 百分之十五,其他國家總計佔百分之一。因此植物革命的成果已現,更大和更多的突破必 將隨新世紀的到來而日顯 [9]。 6 7、基因轉殖動物的應用 轉殖動物最實用的目的,是希望把人類基因轉殖到牛、羊類大型產乳動物細胞內,讓 人的基因產物,隨者牛乳或羊乳同時分泌出來,然後加以分離純化,以供治療疾病之用。 在白種人中,纖維性囊腫 (cystic fibrosis) 是一種常見的遺傳疾病,而α1-抗胰蛋白酶 (α 1-antitrypsin) 可能對此病有療效。從人類血清中雖可分離出這種酶,但極其昂貴。因此在 十年前,英國科學家已將人類抗胰蛋白酶基因轉殖入綿羊細胞內,這條轉殖成功的羊叫做 崔西 (Tracy),此羊已有 800 個後代子孫,其中有些羊每一公升羊乳中可產生十三~十七克 酶,可供英國對纖維性囊腫患者作臨床試驗之用。 其他由轉殖動物所製造的人類蛋白也正在臨床試驗之中。譬如人類的抗凝血素 (antithrombin) 基因在山羊體內可以表現,從山羊乳液中分離出來的人類抗凝血素在治療病 人時已證明安全無虞,因此製藥公司已在歐美國家對心血管阻塞而作繞道手術的患者進行 臨床實驗。此外,利用轉殖動物來製造多種疫苗蛋白和單株抗體的實驗也在進展之中。此 等產物可能對癌症治療有所裨益。 牲畜類基因轉殖技術近來亦大有突破。威斯康辛的布里米 (R. Bremel) 氏把外來基因 先注入正在進行減數分裂的牛卵母細胞中,然後再與精子結合,結果轉殖成功率大增,從 過去的 10%左右增到近乎 100%。這對於未來牲畜製藥 (livestock pharming) 產業必有很大 的幫助 [10]。 四、細胞培養及細胞核移植技術的應用 1、細胞培養 雖然早在一九○七 年,哈里遜 (R. Harrisan) 首次成功地把青蛙胚胎脊髓的切片在體外 培養劑上長出神經纖維,但高等動物組織培養在其後進展緩慢。到了一九五○ 年代,人類 子宮頸癌在體外育成長生不死的細胞株 (HeLa cell),同時人工培養劑內的營養成分逐漸完 成定性和定量分析,從而加速了哺乳動物細胞培養的進展和應用。自一九六○ 年代以來, 在體外培養人類細胞就像培養微生物一樣,每一細胞內含有人類基因組的全部遺傳訊息, 如果某人患有某種遺傳疾病,則由其所培養出的細胞就可能測出此病的病因,譬如某種酶 的異常或某種代謝物含量的高低。利用培養的細胞,可以有助於病毒、癌症、代謝性疾病、 染色體異常等等的研究,在人類遺傳學和臨床診斷上都扮演極重要的角色。 2、體外受精 由於體外細胞培養的成功,人類的精細胞和卵細胞都可自體內取出,放在人工培養液 內,進行受精,然後受精卵行有絲分裂,待分裂二~三次而成四~八個細胞的幼胚時,再 植入母體子宮內完成發育,而得所謂的「試管嬰兒」 。一九七七年在英國誕生了第一名試管 嬰兒,取名魯意絲.勃朗 (Louise Brown),開啟了體外受精以生育後代的先河。在當時雖 曾經舉世稱奇,但廿多年來已有幾十萬個這樣的嬰兒誕生,體外受精在婦產科診所已習以 7 為常。此法可讓不孕的夫妻獲得子嗣,也可以讓患有遺傳疾病的夫妻經由借用精子或幼胚 細胞分子診斷技術生下健康的下一代,有其消極的優生功能。 3、細胞核移植 一個真核生物的細胞,都含有細胞核和細胞質兩大部分,兩者間經由核膜加以分隔。 從本世紀初年起,生物學家就對細胞分化的現象極感興趣,想探究細胞核與細胞質在分化 過程中所扮演的角色及其相互關係。用作研究材料的生物包括蠑嫄 (newt) 、草蛙 (Rana pipiens)、蟾蜍 (Xenopus laevis)、老鼠 (mouse) 等。所有的生物都顯示:受精卵是一個全 能細胞,經過分裂分化,可以形成各種器官和組織;但已經分化的細胞,則已失去全能的 作用,不能由之產生一個生物體。分化的細胞一如受精卵,其內的遺傳物質並無增減,所 有的基因都在,其間的差異乃在於基因的表現(功能) 。因此科學家利用顯微手術,把受精 卵內的精原核 (male pronucleus) 和卵原核 (femele pronucleus) 或卵母細胞的核拿走,代之 以來自已分化的體細胞核,看看這樣重新組合的細胞能否發育而成個體。所得的結論是, 在受精卵發育至囊胚期 (blastula) 時,細胞核仍有全能性,但之後則全能性逐漸喪失,到 了成體 (adult) 則全無返老還童的可能。直到一九九七年二月英國的「桃莉羊」新聞公佈 之後 [11],情況才急轉直下,哺乳類的成體細胞核也有返老還童的潛能。經由細胞核移植, 用無性的方法來複製牛、羊、鼠等生物也已成功 [12],那麼複製人的遠景又如何呢?從技 術層面言,答案似乎是肯定的。 把成牛的體細胞核移入牛的卵母細胞質內可以育成一頭小牛是已知的事實 [12]。如果 把人的體細胞核,移入牛的卵母細胞質內又將如何?科學家在有意無意之間作了這一類的 嚐試,這樣的人-牛組合的細胞在體外也可以分裂而成幼胚。人和兔子的核移植也得到類 似的結果 [13]。這些科學發展每令人有匪夷所思之感。 牲畜類的複製顯然有其經濟價值。基因轉殖是一件費錢費時的事,如果把基因轉殖成 功的豬、牛、羊,再經核移植技術加以複製,就可產生許多基因組成完全相同的生物,用 作活的生產人類蛋白的工廠,潛在的利益極大。但是複製人顯然不能從經濟觀點著眼,這 個問題就變得極其複雜了。 4、人類胚胎細胞株的建立 哺乳類的受精卵在發育到囊胚時期,所有細胞的細胞核都還具有全能的作用,特別稱 之曰胚幹細胞 (embryonic stem cells)。胚幹細胞若在體內繼續分裂發育,就越來越分化, 而失去全能作用,成為分化細胞。如果把囊胚細胞拿到體外培養,能否設法抑制它們的分 化,讓其永遠停留在全能的階段,而且可以生生不息,一代一代的繁殖下去。如果可行, 那我們就建立了胚幹細胞株 (embryonic stem cell lines)。 上述的願景並非空中樓閣,到了一九九八年十一月初,兩篇有關人類胚幹細胞株建立 成功的報告已經出現 [14, 15],為這一個新領域帶來曙光。 胚幹細胞株到底有什麼重要?這些細胞株的每一個細胞就像一個受精卵,放到婦女的 8 子宮內就可發育而成「人」 ,這個「人」不就是「複製人」嗎?但是對人來說,這樣的複製 並無意義,因為這些細胞是來自幼胚或胎兒,我們無從得知幼胚或胎兒的優點何在。 由於胚幹細胞有各式各樣的分化潛力,如果我們能創造出適當的培養環境,來指導這 些細胞向單一而特定的方向分化,那我們就可以製造成血細胞,製造肝臟組織,或製造人 體任何組織來作器官修補或,以治療疾病。這些人工製造的不同人體組織,也可 以做篩檢藥物之用,以確定藥物的治療功效或機制。因此胚幹細胞株在未來醫療上可能會 有重要的貢獻。 五、結 論 遺傳工程無疑是廿世紀生物界的一大革命,其影響的層面既深且廣。在過去,生物體間遺 傳物質的交換必須經由有性生殖的過程,而且僅限於種內生物之間。譬如馬和驢是兩種不同物 種的生物,雖然可以交配,但所生的雜種後代(騾)卻無生育能力,仍然不能達到遺傳基因相 互流動的目的。但是遺傳工程可以打破生殖障礙,人的基因可以移置入細菌和高等動植物的細 胞之內,在那裡定居和表現。就基因而言,可稱此種現象為「演化亂倫」 ,大大破壞了在演化長 流中所形成的生物血緣關係。 人類有些顯性遺傳疾病,譬如杭亭頓氏舞蹈症,患者帶有一個致病基因,但出生後一切 正常,多半要到中年才開始發病。現在由於分子生物學的發達,這些尚未發病的患者可以在產 前或產後就診斷出來。產前診斷可以作人工流產,以免悲劇。但產後診斷出來的幼兒或青少年, 則產生了許多後遺症。因為此病現尚無法治療,診斷結果對病人本身毫無助益,反而使他的心 理蒙上陰影,使其後若干年本可正常的生活也變的不正常。同時保險公司對這樣的人可能拒保, 找工作也可能受到雇主的歧視。像這類的例子將會越來越多,立法機關必須制訂相關的法律加 以因應。 基因轉殖植物的成功,被稱為「植物革命」 [3]。這些帶有外來基因的重要作物產品,在 美國受到普遍的歡迎,但在歐洲卻引起了抗爭的風暴 [16]。譬如一九九九年美國大豆的種植面 積為二千九百萬公頃,其中有一半面積所栽的大豆為經由遺傳工程所改造過的品種,其內含有 抗殺草劑的基因 [16]。當這些大豆或其他類似經過遺傳改造的食物外銷到歐洲時,不但銷路不 好,而且受到消費者抗議。主要的關鍵還是安全問題,美國人似乎對科學家較有信心,認為這 些產物不會危害健康,而歐洲人則不肯置信。 把動植物改造成活的製藥工廠,用廉價和量產的方式,為人類製造可食用的疫苗,各種 治病的蛋白質,也是製藥工業的一大革命。現在很多資金雄厚的製藥和化學公司,都把目標轉 移到生技產業上來 [17],此種趨勢將必成為二十一世紀的發展主流,值得大家的重視。 哺乳類可以複製的訊息,為這個快將結束的世紀也引起了一陣騷動。動物複製雖可能有 經濟價值,但桃莉羊提早老化表示體細胞核內的基因對於生物發育的年齡有著銘記的作用。以 人而言,以幼兒的體細胞核所作成的複製人,其壽命可能與一般人相當;但若以中老年人的體 細胞核作複製,顯然一出生的嬰兒就已經老了好幾十歲。幼兒的才華未露,成就未知,作複製 9 似乎無的放失。而事業有成,腰纏萬貫者則又失去複製的先機。即使年齡不是問題,複製人仍 有許多道德、倫理和法律上的困擾,故可行性不大。 胚幹細胞株雖可能造福人類,但世界各國多立法禁止用人胚來作實驗。在美國,政府的 經費絕對禁止用於這方面的研究。儘管如此,在企業界的經費支持下,胚幹細胞株還是誕生了。 因此美國政府的立場已經開始鬆動,勢必要對立法加以某種程度的修正,以適應此一無法阻擋 而且也攸關人類福祉的新趨勢 [18]。 總而言之,廿世紀是人類歷史上科技成就最輝煌的世紀,不僅生物科技如此,資訊科技 和太空科技亦莫不如是。科學進步故可造福人群,但相應而來的也有許多前所未有的適應症候 群,衝擊著人性與神性,這些都將考驗未來人類的智慧。 參考文獻 1. 2. 3. 4. 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