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閒話腦神經科學_果蠅—研究大腦的敲門磚
by 陳怡蓁, 2012-08-28 16:01, Views(1404)

果蠅

–—研究大腦的敲門磚

 

臺灣大學  謝豐舟教授

 

      

果蠅(實驗中常用的品種為黑腹果蠅,Drosophila melanogaster)是生物學非常重要的模式生物,大約一百年前,果蠅首次在哈佛大學被養殖以供實驗之用。接著Thomas Hunt Morgan在哥倫比亞大學利用果蠅做遺傳研究,經過二年的努力,終於發現了突變種的白眼果蠅,成就了染色體理論(chromosome theory),讓世人知道染色體上的基因就是孟德爾遺傳定律後面的推手,時為1907年。

    經過了一百年,果蠅仍是網路上最熱門的模式生物,在果蠅相關的遺傳學、基因體學、分類學、飼養繁殖以及郵寄訂貨等方面都已經具備了廣泛的資料庫。好幾位諾貝爾得主都是全部或部分以果蠅為研究材料而獲獎。在基因體定序方面,果蠅是基因組散彈定序法(whole genome shotgun sequencing)的初試啼聲,它的成功定序開啟了生物基因體定序的新時代。200711月,另外11種果蠅品系的基因序列也公諸於世,更使原本已經非常豐富的果蠅資料庫增添了基因體學的基石。

 

果蠅在生物學上之重要貢獻

    1984年果蠅同位序列(homeobox)的發現,可以說是發育生物學的羅賽塔石碑(Rosetta stone);具有同位序列區塊(homeobox domain)的同位序列基因(homeotic gene)竟然就是決定身體形態(body pattern)的基因。其後學者很快地就發現到在小白鼠、人類……等幾乎所有動物中,同位序列都具有類似的功能。此一發現讓脊椎動物的發育生物學有了全新的面貌過去發育生物學有一個抽象的概念:形態生成梯度(morphogenetic gradient—-亦即單一蛋白質量的上升或下降會形成一個梯度(gradient),從而決定身體各部份的發育,此一梯度相關的分子(如bicoid, nanos)也被發現確實存在於果蠅。其後十餘年,許多果蠅基因被證實在小白鼠的發育有其功能,甚至其相關基因的突變會造成人類疾病。1995年諾貝爾醫學獎頒給發現果蠅胚胎發育基因的三位學者,似乎果蠅的研究已經達到頂峰,有些學者轉而研究真正的脊椎動物如斑馬魚,以求進一步的發展。

    進入21世紀,學者開發出新的方法可以在正常果蠅中產生單個突變細胞(a single mutant cell),這個新技術揭開了細胞之間如何溝通的神秘機制(cellcell communication)。學者陸續從果蠅研究中發現許多訊息傳遞路徑(signalling pathway),也就是從細胞表面將訊息傳遞到細胞核,從而決定細胞發育命運(cell fate)的分子流程(rnolecular cascade)。果蠅的卵子細胞及胚胎成為研究生物體內各種細胞互動的溫床。這些發展使整個細胞生物學飛躍進步。

在免疫學方面,果蠅也發揮了重大的影響:果蠅免疫力的研究讓學者開始瞭解在從前沒有接觸病原的情況下,果蠅如何對抗細菌、黴菌、病毒的侵犯-也就是先天免疫(innate immunity),果蠅免疫力的研究也導致先天免疫的重獲重視,並且進而在醫學上有了重大的貢獻。

    在遺傳學發育生物學、細胞生物學,以及免疫學鞠躬盡瘁之後,果蠅研究可以更上層樓嗎?答案是yes,果蠅現在的新任務是研究腦子如何運作,也就是跨入了腦科學或神經科學的領域果蠅的腦子相當單純,但控制著複雜的行為,這些行為可以用簡單的儀器來分析果蠅研究有助於解腦子裡複雜的迴路如何控制行為,因為果蠅研究學者已經可以操控單一神經元並且有了更進步的影像及電生理工具來觀測神經元的運作。

 

果蠅之於神經科學

  目前12種不同品系的果蠅完成了其基因體序列,在仔細比對之下,可以發現奧妙的功能單位(functional element),並在果蠅身上加以印證。不同的品系會有不同的行為,配合基因體序列的比對,也許有助於基因體序列與行為的聯結。

    顯然腦科學的研究是少不了果蠅這個小小伙伴。其實,對果蠅神經系統的研究,早在40年前就已開始。加州理工學院Seymour Benzer可以說是果蠅神經基因學的鼻祖。Brenzer本來是研究抗菌素(bacteriophage)基因的大師,但在1960年代中期,他的研究方向卻突然轉了一個大彎。他認為單一基因可以控制複雜動物的行為」。19679月他在PNAS上發表首篇論文,證明具有異常對光反應行為(phototaxis behavior)的果蠅變種確實存在。

    神經基因學派的主張是:動物複雜的行為,如學習與記憶的能力,體內生物學節奏(internal biological rhythm求偶和性(courtship and sexuality)都是在基因控之下,這種想法被當年的學界被視為異想天開。

  不過Benzer以具體的研究來支持神經基因學的概念,也證明IQ零蛋的小小果蠅是研究腦科學的敲門磚。1969Cosens等人發現了光誘發視網膜電生理(light-evoked retinal electrophysiology)有變異的果蠅變種(shaker mutant, sh)。1987Benzer的學生Yuh Nung JanLily Jan分離出sh mutant的變異基因。這是目前龐大的瞬態受器電位離子通道家族(transient receptor potential (trp) ion channel family)的第一個成員,其後在脊椎動物與無脊椎動物中,trp被發現參與了許多不同生物學過程,包括對嗅覺、味覺、刺激物反應(如山葵唐辛子甲醇)冷、熱、觸覺、聽覺。

    1960年代末期,William Pak收集了許許多多在視覺訊號傳導(visual signal transduction)方面的果蠅變種,例如ninaneither activation nor potential)。針對這些光傳遞(phototansduction)變種果蠅的遺傳分析,導致了其後Pak等人將視覺訊號傳導的分子--釐清。

    Sh基因與trp基因的發現,證明了神經基因學的威力,兩者都是源於試圖證明神經基因學的假說:從對具有異常表現型(如shaky或是視網膜電生理異常)進行遺傳基因分析,有助於了解神經元功能(neural function)的機制。更可貴的是神經基因學所需要的只是適當的行為測試方法(suitable behavioral paradigm讓果蠅發生單一基因突變,及一般的分子遺傳學技術,就可以探索表現型異常的果蠅背後的基因型變化(progress from a mutant phenotype to genotype)。

    Brenzer與其門生從1967年開始的革命性創舉,如今已經引發了果蠅的各種神經生物學研究,甚至及於小白鼠、斑馬魚以及包括人類在內的其他許多物種。以下從果蠅神經基因學最原始的三個行為研究生物學節律(biological rhythm)、性求偶(sexual courtship)以及化學感受(chemoreception)來對40年來這方面的蓬勃發展做個介紹。

 

果蠅晝夜節律之基因

    果蠅的生活跟地球上所有的動植物一樣,和地球和太陽的節律同步。果蠅和人類的生活步調相去不遠:在天亮時醒來,下午小睡片刻,夜裡則大部分都在休息,這個生物節律大致上維持著24小時的周期,因此稱之為日節律(circadian (circa diem-around a day) rhythm)。此一節律雖然深受外界環境節奏變化的影響,但數代均在黑暗中生長的果蠅還是可以維持此一24小時周期。

    Benzer實驗室裡的Ronald konopka最先證明:果蠅的生物時鐘是在基因控制之下而且可以經由突變誘發(mutagenesis)而改變之。利用簡易的活動監測裝置(activity monitoring device),KonopkaBenzer分離出同一個基因的三個不同突變基因型(mutant alles);此一基因叫做period (per),三種基因型分別為pero:具此基因型之果蠅睡眠作息正常;pers:每日同期較短;perl:每日同期較長。最近有個驚人的發現,就是在表現與pers 相似的家族性過度睡眠症候群(familial advanced sleep-phase syndrome)的病患具有PER2基因的突變,而PER2就是pers在人類的同源染色體(homologue)。1984per基因被成功轉殖。permRNAPER蛋白質均有晝夜循環,而使它們在細胞核有周期性的累積,導致PER以回饋抑制(feedback suppressor)的方式來控制生物時鐘。per其實是控制生物節律相關基因的冰山一角,控制生物節律相關基因包括了生物時鐘基因(clock genes時鐘附屬基因(clock accessory genes)以及時鐘控制基因(clock-controlled genes目前已知的果蠅生物時鐘包括了正向轉錄回饋迴路(positive transcriptional feedback loop:包括clockclkcyclecyc)以及vrillevil);二負向轉錄回饋迴路(negative transcriptional feedback looppertimeless (tim)調控以上基因受光線影響而累積之基因:包括double timedbtshaggysggcryptochromecry pigment-dispersing factorpdf果蠅這些時鐘基因都可以在脊椎動物找到其同源染色體證明了果蠅確可做為研究基因晝夜循環表現的動物模式。

 

果蠅性行為的基因

    果蠅的交配是以兩性不同的交配前求偶行為做為前奏曲(sexually dimorphic pre-copulatory courtship)。Benzer的門生HallYoshiki Hotta使用遺傳分析確定雄性果蠅中樞神經系統中,求偶行為的必要部位以及控制異性行為(heterosexual heharior)的基因。1963K.S. Gill辦識出fruitless fru)基因,30年後被Duisuke Yamamoto等人成功轉殖(cloned)。此一基因已被證明是控制果蠅性行為的關鍵基因(master gene),fru基因所產生的轉錄因子存在於成熟果蠅部份的中樞、周邊、感覺及動作神經元。fru基因發生突變可以造成同性求偶行為:只見一大群的雄性果蠅連成一長串彼此求偶。最近Barry Dickson顯示:染色體為雌性的果蠅,若將fru基因改變成雄性的基因型,則這些雌蠅也會對其他雌性果蠅表現出雄性果蠅的求偶行為。Catherine Dulac等人在小白鼠也可以呈現同樣的結果。下一步希望能找出fru的分子標的以及控制男性及女性性行為的神經迴路。

 

果蠅的嗅覺溝通基因

果蠅會被醋、酵母菌、腐爛水果的味道以及彼此強烈吸引,此一化學感覺的行為最先由Benzer門生Obaid Siddiqi研究。利用嗅覺T迷宮(olfactory T-maze)以及其他嗅覺行為測驗模式收集了許多這方面的變種。其中之一,acjb證明是控制某一組嗅覺感受器基因(odorant receptor genes)的關鍵基因。利用目前已經完成的果蠅基因體序列,果蠅全部62種嗅覺感受器(odorant receptor)以及68種味覺感受器(taste receptor)已被辨識出來並定序完成。原始嗅覺中心連接圖的全貌也拼湊完成,在較高等的生物,此一系統的初步面貌也浮現。這些嗅覺受器如何受到配位體(ligand),尤其是費洛蒙(pheromone)的刺激也已被釐清。進一步的研究希望能了解果蠅如何能區別不同的氣味,還有費洛蒙相同的迴路如何轉變成定型的行為。

 

果蠅複雜行為的基因

    William QuinnWilliam Harris以及Benzer的經典之作證明果蠅能被訓練(conditioned)避免與電擊相連結的某種氣味,隨後研究者陸續發現一系列沒有這種學習能力或很快就會遺忘的果蠅變種。接下來的基因分析顯示許多學習與記憶有缺陷的異常果蠅,其突變都影響了cyclic AMP pathway,令人興奮的是此一路徑(pathway)已被顯示與海鹿(Aplysia)與小鼠的被制約(conditioned)行為相關。Tully等人更進一步地以生物晶片找到許多與記憶相關的果蠅基因,其中某些是與mRNA轉譯的局部控制有關。

    Dunceduc)基因的成功轉殖而且它在果蠅腦部中稱為蕈狀體(mushroom body)的部位特別豐富,使此一領域從基因層次跨入細胞學層次。Davis等人的研究強烈地指出:果蠅的此一嗅覺中心就是果蠅記憶(memory)之所在。目前研究者正致力於釐清果蠅腦子中連結電擊與氣味的細微迴路,此一迴路如何被制約(conditioning)所影響?學習與記憶的擷取是如何區隔?神經基因學的發展使學者能將某種記憶能力定位至腦中相關位置做得愈趨精準。

HeisenbergLiu等人將學習某種視覺特徵(visual features)定位到稱為扇形體fan-shaped body)的兩群神經元。雖然果蠅腦子相當微小使其電生理研究極為困難,但最近Rachel WilsonGilles Laurent等人已經顯示此一困難可以加以克服,而使單一蕈狀體中的記憶能進行更詳細的功能性分析。此外Ulrike Heberleid已經做出酒精中毒(alcohol intoxication)的果蠅模式。他的研究顯示:果蠅對急性酒精中毒的表現與人類極為相似:首先變成高度易受刺激(hyperexcitable),接著失去協調性,最後不省人事。學習記憶必要的某些cAMP基因會影響果蠅對酒精的敏感性。

    原本研究龍蝦侵略性行為(aggressive behavior)的Edward KravitzRalph Greenspan最近將注意力轉向果蠅。果蠅不分雌雄都會表現侵略性行為:雄性果蠅會因雌蠅的存在而彼此互鬥,而雌性果蠅之間則為會爭搶食物大打出手,Kravitz顯示:果蠅互鬥的模式因性別而異,而且是由fru基因控制。Greenspan則已經成功地經由多世代選殖得到特別好鬥及特別溫和的果蠅品系,並進行基因組微陣列(whole genome microarray)分析,找出許多會影響此一行為的相關基因。這些研究開啟了將來對侵略性行為(aggression)基因研究的新方向。

    Roland Strauss最近開發出稱為間隙跨越(gap-crossing)的行為測試模式。研究者讓果蠅面對一個間隙(gap),這些間隙的寬度不同,從可以輕鬆跨過到不可能跨越,看果蠅能不能做出適當的判斷而進行跨越間隙的行為。此一行為測試有助於解析動作計畫與協調(motor planning coordination),以及距離評估的能力。學者將可以藉此一測試模式找出risk-averse(遠離風險)和reckless(莽撞)的果蠅變種:前者對明明可以跨越的間隙避而遠之;後者則對不可能跨越的間隙仍要強行跨越,進而利用這些變種對風險反應的行為進行基因分析。

    過去,果蠅不被認為是社會性動物,但近來的研究顯示果蠅還是有社會性互動,例如雄性果蠅的晝夜節律會因雌性果蠅的存在而被干擾,果蠅的性行為在自然群體的狀態之下,也有結合了前戲、交配以及食物的相當複雜集體行為。1967Benzer注意到果蠅會避開以前曾被電擊過的果蠅所居住的管子,後來證明這是果蠅天生的本能且與嗅覺有關(an innate olfactory avoidance of a Drosophila stress odor, dSO)。此類研究將有助於對焦慮壓力及先天恐懼的了解。

果蠅神經基因學的發展使我們對於生物時鐘感覺系統、學習與記憶性求偶及其他許多行為有了進一步的了解。從這些比較單純的行為出發,更複雜的動物行為甚至情緒,都將可以在果蠅身上做進一步的研究,諸如社會性常識利他同理心挫折嫉妒同儕壓力等等,惟一的障礙可能是我們自己認為果蠅根本沒有情緒,以及我們無法找到可以加以測量的行為模式亦即我們畫地自限。

    除了黑腹果蠅之外,11種果蠅基因體序列的揭曉有助於不同種系果蠅間費洛蒙化學溝通(pheromonal cummunication)以及辦認同種方式的了解。這些果蠅有些生存在重疊的生態環境,彼此之間卻能正確地進行求偶。對於不同種屬果蠅的食物偏好(food preference),以及其對嗅覺與味覺感受器演化的影響,也可望藉由比對不同種系果蠅的基因體序列獲得線索。有些果蠅什麼都愛吃,有些果蠅則偏好特定食物,學者最近發現D. sechellia(一種果蠅的基因組)的嗅覺系統特化到能偵測它喜歡的食物Nori fruit

    相信再過一個40年,這些不起眼而且IQ零蛋的小小果蠅,將會為神經系統如何產生行為帶來更多的驚嘆號。

 

It’s never too late to begin!

    十年前,我注意到臺大醫學院除了小白鼠類之外,其他的模式生物:酵母菌、線蟲、果蠅、斑馬魚完全沒人運用。因此開設了發育生物學課程加以引介,並且時常為文強調這些模式生物的重要性。因為人微言輕,影響有限,不過,對的事情總會出頭(The right things will prevail eventually)。醫學院裡慢慢了有這些小生物的蹤影,例如李芳仁、鄧述諄老師的酵母菌研究,表現搶眼;斑馬魚也有生化學科的游偉絢老師;眼科的王一中老師建立魚箱設施進行斑馬魚研究。王一中老師剛在JBC上發表了一篇以斑馬魚的水晶體基因研究,只是始終不見已有百年歷史的老牌模式生物果蠅的蹤影。

  最近看到Nature刊出果蠅研究insight系列,赫然發現果蠅居然在神經基因學有如此大的貢獻。回想起來我從20055月開始在臺灣大學推動神經科學之際,第一次的神經科學學術演講,邀請的就是清華大學的果蠅專家江安世老師。當時正值他剛發表獨家的果蠅腦部特殊染色法,初試啼聲,受到囑目。於是我邀請他在2005817在臺大介紹他的果蠅研究。事隔數年多的現在,老師已經在Nature NeuroscienceCell發表果蠅橢圓體(ellipsoid body)以及狀體的研究,也與冷泉港實驗室(Cold Spring Harbor Lab)有緊密的合作,可見臺灣本土的神經基因學也非吳下阿蒙。

  臺大醫學院一直沒人做果蠅研究,原因令人好奇。有一個說法是:在醫學院養殖果蠅做研究的話,萬一果蠅逃出籠子會飛到醫院傳染疾病。當我親耳聽到這種說法時,真是驚為天人。不過The right things will prevail eventually,今天聽說醫學院寄生蟲學科剛成立了一個昆蟲室,也有老師與研究開始進行果蠅研究,高興之餘,不禁閉目祈禱天佑臺大。老天有眼,臺大醫學院終於踏出果蠅研究的第一步。其實2005年我請教江老師如何在臺灣向來忽視基礎生物研究的大學裡成功建立果蠅研究室?他說起先幾年,大家對他玩果蠅也無人看好,苦熬幾年才得出頭,其後就不乏錦上添花者了。

  臺灣大學的神經科學研究已經踏出了第一步,成立了校級研究中心,相關學程及博士班,購置正子斷層造影(Positron Emission Tomography, mPET)、功能性核磁共振造影(functional Magnetic Resonance Images, fMRI)等重型武器,建立鼠類行為測試設施,更重要的是建立了大家對神經科學的認識(awareness),較諸三五年前,目前臺大醫學院與臺大醫院大概沒人會否定神經科學的重要性了。接下來的第二階段,希望醫學院不再觀望,大力投入,而剛成立的昆蟲室雖然還是小得可憐,然而01之間的差異較諸1100之間的差異相去甚遠。希望這遲來的果蠅研究剛好趕上神經基因學的列車,讓臺大醫學院為臺灣大學的神經科學做出有目共睹的亮眼表現。

 

 

取材文獻

1.     Vosshall LB: Into the mind of a fly, Nature 450:193,2007

2.     Liu YC ,Chiang AS: High-resolution confocal imaging and three-dimensional rendering. Methods 30(1):86, 2003.

3. Chiang AS et al: Specific requirement of NMDA receptors for long-term memory consolidation in Drosophila ellipsoid body. Nature Neurosci 10( 12):1578, 2007.

4. Lin HH, Jason Lai SY, Chin AL, Chen YC, Chiang AS: A map of Olfactory Representation in the Drosophila Mushroom Body. Cell 128, 1205, 2007.