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第七十期:社區大學與通識教育

細胞凋亡:微觀生死之下,想像愛麗絲的長脖子與柯南變身


文/楊倍昌 成功大學微生物暨免疫學研究所教授
細胞生死的幻想
 一百五十年前,英國作家Lewis Carroll幻想出小女孩愛麗絲的冒險故事。在《愛麗絲漫遊奇境》童話裡,無厘頭的兔子、抽煙斗的毛蟲,慫恿著愛麗絲喝藥水、吃蛋糕、咬蘑菇、搖扇子,經過了十二次的快速變身,隨意讓身體變大變小,最後竟然還可以恢復原來的模樣。功效最厲害的是上面躺著毛蟲的蘑菇。愛麗絲咬了一口右邊的蘑菇,下巴馬上撞到了腳;再咬左邊的蘑菇一口,結果脖子變長,還高過樹頂;東咬咬、西咬咬,身體一下變高、一下縮小。

 在細胞的體積大小維持穩定不變的前提下,要改變脖子的長度、身體的大小,必定會面臨改變細胞數量的難題。組成下巴、脖子的細胞生長分裂,細胞數變多,就可以讓下巴、脖子變長。但是,縮小時,如何減少細胞數量呢?應該是讓多餘的細胞消失吧!現實世界上,生物細胞真的會死亡而改變身材樣貌嗎?如果突然說:「人身體內,不只是細胞分裂生長,每天,都要死掉上百萬個細胞!」,你會相信嗎?

細胞生死的生物性
 細胞層級的生死,是微觀的世界,肉眼看不見。「生長」,細胞數量由少變多,醒目而簡單,建立出個體成長、發育的基礎;細胞「滅亡」,則多半視為由正常到異常的變化,由存有而幻滅,由多變少。死亡的細胞通常很快就被清除,不易追蹤,多半只能在「意外、病態」的狀態下才會注意到它的存在。

 一百年前,細胞滅亡只是少數病理學家偶而描述的異常。現在,動植物細胞會死亡,而且是主動自我滅亡,已經是生物學的基本常識。生長複製,組成細胞數量增多,生物個體由小變大;構成器官/組織的細胞死亡後,數量變少了,器官/組織就會萎縮、變小。甚至於,要是細胞只顧著生長而不死,人不只是罹癌,連手上的手指頭都會連在一起。

 大略來說,細胞死亡有兩大類型:壞死(necrosis)與凋亡(apoptosis)1(圖一)。動物細胞的壞死多半是發生在遭遇極劇烈的惡劣環境。壞死細胞的細胞膜出現穿孔、膨脹、產生空泡,最後,細胞結構瓦解,內容物四散,常常會引發劇烈的免疫反應。相對於水球炸裂似的壞死,細胞凋亡的過程則較為「安靜而有序」。起先,細胞膜會跟滾開水一樣起泡泡,細胞核皺縮,DNA斷裂,細胞崩散成許多包覆著完整細胞膜的小顆粒。之後,被周圍的吞噬細胞吞掉而消失,很少刺激身體的免疫系統。基本上,細胞凋亡是一種內建的主動自毀程序,是一種計畫性死亡(program cell death)。它的啟動與胚胎之發育或抵抗不良環境有關。現實上,壞死和凋亡常常混雜出現:組織損傷的大規模細胞壞死區,會有些凋亡的細胞;而細胞凋亡發生的末期,也有許多壞死細胞。


 
(圖一/兩種細胞死亡的方式:壞死(necrosis)與凋亡(apoptosis)。壞死細胞的特徵是細胞膨大、有許多空泡,最後,細胞瓦解四散。凋亡細胞首先細胞核皺縮,細胞散裂成許多包著完整細胞膜的小顆粒。之後,被周圍的細胞吞噬而消失。凋亡末期,部分凋亡細胞也會有空泡,內容物瓦解四散的壞死式樣。)

看見細胞凋亡
 很早以前就有科學家報導細胞死亡的現象。只是,光是有人看過、說過的零星經驗,並無法建立出堅固的知識,開啟科學新視野。以細胞凋亡這種特殊的死亡現象來說,1885年Walther Flaming就發現在哺乳動物的卵泡表皮細胞間偶而會有萎縮、核散裂的細胞變化,他稱之為chromotolysis,強調染色核質(chromato-)的裂解(-lysis)。只是,當年研究發育生物學的人無法了解它的意義。關鍵的病理研究要等到1971年,John FR Kerr透過血管結紮造成肝萎縮,組織消失的病變,發現可以有效而穩定的引發大量典型的壞死(classical necrosis)及萎縮型壞死(shrinkage necrosis)。次年,John FR Kerr, Andrew Wyllie和Alastair R Currie三人再透過電子顯微鏡,細緻的描述這些萎縮型壞死細胞的細胞膜、胞質、核與胞器等等的變化2。重新替它取了個富有詩意的名字apoptosis,希臘語的意思是指:墮落、離枝飄落。中文翻譯成細胞凋亡。到2016年9月為止,這篇文章被引用次數達16,008次(retrieved: 2016/09/28 google search)。在生物學的領域裡,它的知名度可說是名列前茅。

 雖然如此,這種博物誌、集郵式的觀察知識,能讓生物學家深入討論的議題並不多。1973-1989年之間,生醫學界以apoptosis/program cell death為議題的研究文章數量每年都不過十來篇,多半是那種「在某某條件下,也有細胞凋亡」的me-too研究模式3。這個階段主要的工作在於證實細胞凋亡廣泛存在於生物界。不只是血管堵塞、放射線照射、病原菌感染、化學藥品毒害會引起細胞凋亡,胚胎發育、葉落、蝌蚪尾巴的消失等等過程都需要依賴它,才有辦法正常運作。

研究細胞凋亡的催化劑
 2000年之後,研究細胞凋亡的文章快速增加,每年都有上萬篇相關的研究。更因為Sydney Brenner、Robert Horvitz、John E. Sulston三人以新桿秀麗線蟲 (Caenorhabditis elegans)為模式動物,研究細胞死亡的基因調控與器官發育,獲得2002年醫學及生理學諾貝爾獎,打下堅固的知識新版圖4

 線蟲是一種簡單,而且容易培養的動物。對研究發育生物學的科學家來說,最棒的是,它的生長時間短,個體透明,而且每一個細胞都可以詳細標定,進而追查確切的發育源頭。以成年雄性線蟲的身體發育為例,從受精卵開始發育,共產生1,090顆細胞,其中131顆細胞進行凋亡,留下959顆細胞。

 在新的研究歷程中,Brenner建立了線蟲的突變株,勾畫出基因控制器官發育的觀念;Sulston發現某些特別的細胞,在發育過程中,注定會死亡。並且確認第一個和細胞凋亡有關的基因nuc-1,它負責分解凋亡細胞中斷裂的DNA。約在1980年間,Horvitz找到兩個蛋白分解酶基因ced-3及ced-4,負責執行細胞凋亡過程中的種種分解蛋白質及核酸的反應,並且證明ced-9這個抑制蛋白能和ced-3及ced-4結合,來阻止凋亡程序的進行。破壞了ced-3及ced-4基因之後,細胞凋亡不會發生,線蟲身體的細胞總數就會大於959顆細胞。反之,讓ced-9失去了功能,發育中的細胞就會提早死亡。

 總括來說,開啟分子層次的研究模式是加速細胞凋亡研究的要件。期間,主要目標是找出細胞凋亡的運作機制,任務包含三大範疇:建立簡單的實驗模式、尋找負責下指令的基因/酵素殺手、描述啟動凋亡的順序。這類的研究也顯示出現代生物學研究的特徵:透過指認與控制分子層面的「目標物」,來研究它與生命現象之間的關聯性。實驗的標準模式是:知道負責的基因,就以基因工程的技術來關閉它;知道負責的酵素,就以抑制劑來阻斷它的反應。

 生物學知識,若只是停留在「我知道細胞凋亡」「你不知道細胞凋亡」之類的對話,其實是不長進的。承續由線蟲所建立的細胞凋亡知識圖像之外,生物學家還有新進展嗎?答案是:「有的」。2000年之後,每年發表上萬篇相關的文章,除了研究哪個基因、哪個分解酵素、在哪個細胞上做了甚麼事、造成了什麼病之外,並且將啟動細胞凋亡的條件具體化,變成簡單的分子開關來左右免疫系統、腫瘤發生,而發展成治療疾病的新策略5

 可以透過細胞表面的分子來啟動細胞凋亡,讓人工控制細胞凋亡的想像成為可能,其實是個偶然的發現。當初的實驗是利用細胞表面蛋白為抗原,製作抗體,以研究細胞分化程度。沒想到其中有些抗體竟然可以誘發細胞凋亡6。之後日本與德國科學家的競賽,就是找尋這隻抗體所辨認的CD95(又稱為Apo1或Fas)基因,並且追查它所傳遞的死亡訊號路線7。在青山剛昌的卡通《名偵探柯南》劇情中,灰原哀發明APTX-4869(apoptoxin)的點子,應該就是受到日本科學家參與這段科學競爭的啟發。APTX是apoptoxin的縮寫,apoptosis toxin,影射可以引起細胞凋亡的毒藥。工藤新一被迫吃了APTX-4869,而縮小身體的想像,跟愛麗絲胡亂變長脖子的套路不同的是:柯南是身體細胞凋亡之下的結果。可想而知,如果不了解啟動細胞凋亡的分子開關,灰原哀就不可能調製出解藥來拯救工藤新一。

生物觀念的開展
 「生、老、病、死」是人最關切的四大生命現象,是生物學的研究範疇。在台灣國中、高中的課堂教學上多半以「營養(新陳代謝),生長,感應,繁殖」這種「知識名詞」的方式來表述。只是,「營養,生長,感應,繁殖」,大概精簡扼要地說明了「生與老」這半局的生命而已。「死亡」這個顯而易見的生物性落在「營養,生長,感應,繁殖」之外。它飄渺不明、經常被視為文化禁忌。「未知生,焉知死」)成了生命現象中無法說明的空白。

 「生死」作為生物學的研究議題,如果光用標準知識名詞作為想像的基礎,不講求研究工具、沒有掌控它對應於自然界的物性,指認出分子層面的「目標物」,而想要強求解答,那只是自找苦吃而已。生物學家花了將近百年的光陰,釐清細胞凋亡的機制,提供新的視野,讓人不必再用「未知生,焉知死」來迴避生死議題。甚至於,可以在細胞層次上實質斷言:「死亡不只是代謝功能的終止,它對完整的生物個體而言,是不可或缺的一環」。換言之:生死有時,猶如花開花落,太早或太晚、太多或太少都不行。


參考文獻
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Kerr JFR. “History of the events leading to the formation of the apoptosis concept.” Toxicology 2002, 181-182:471-474.
Kerr JFR, Wyllie AH, & Currie AR. “Apoptosis: A Basic Biological Phenomenon with Wide-Ranging Implications in Tissue Kinetics.” Br J Cancer 26 (1972): 239–57.
Majno G, & Joris I. “Apoptosis, Oncosis, and Necrosis: An overview of cell death.” Am J Pathol. 1995,146:3-15.
Trauth BC, Klas C, Peters AMJ et al.“Monoclonal antibody-mediated tumor regression by induction of apoptosis”Science 1989, 245:301-305.
Yonehara S, Ishii A, Yonehara M.“A cell-killing monoclonal antibody (anti-Fas) to a cell surface antigen co-downregulated with the receptor of tumor necrosis factor.” J Exp Med. 1989, 169:1747-1756.
"The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2002". Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014. Web. 16 Oct 2016. <http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2002/> 


注釋
1.Majno G, & Joris I. “Apoptosis, Oncosis, and Necrosis: An overview of cell death.” Am J Pathol. 1995, 146:3-15.
2.Kerr JFR, Wyllie AH, & Currie AR. “Apoptosis: A Basic Biological Phenomenon with Wide-Ranging Implications in Tissue Kinetics.” Br J Cancer 1972, 26:239-257. Kerr JFR. “History of the events leading to the formation of the apoptosis concept.” Toxicology 2002, 181-182:471-474.
3.參考Pubmed - National Center for Biotechnology Information (NCBI)資料庫。
4."The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2002". Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014. Web. 16 Oct 2016. <http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2002/>
5.Green, DR. “Means to an end: apoptosis and other cell death mechanisms.” 2011, Cold Spring Harbor Laboratory Press.
6.Yonehara S, Ishii A, Yonehara M. “A cell-killing monoclonal antibody (anti-Fas) to a cell surface antigen co-downregulated with the receptor of tumor necrosis factor.” J Exp Med. 1989,169: 1747-1756.(日本研究團隊)Trauth BC, Klas C, Peters AMJ et al. “Monoclonal antibody-mediated tumor regression by induction of apoptosis”. Science 1989, 245:301–305.(德國研究團隊)
7.CD: cluster of differentiation。CD95,按照發現的時間排序,第95個與分化相關的細胞表面抗原蛋白。Apo1: apoptosis antigen 1。Fas: antibody recognizing human diploid fibroblast FS-7 cell line。這個基因,由日本科學家Nagata S (1991)與德國科學家Krammer PH (1992)各別選殖。
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