2015年8月4日

萃取古代生物DNA

作者/程樹德(臺大理學士,哈佛大學哲學博士,任教於陽明大學,長久致力於科學及醫療衛生的知識普及)

今年六月首映的美國電影《侏羅紀世界》,由於其在世界各地陸續推出,總票房收入,當月底就已經超過了十億美元,打破很多首映的記錄,該算是既轟動又暢銷了,但就是吸引不了我這位資深青年,其原因何在?首先,我長久以來就厭惡好萊塢影片常見的絢麗、吵雜、誇張、血腥、暴力及政治宣傳,其次,總感覺,與其耽溺於虛幻的世界,真實世界卻更為悲慘、更為奇妙,了解它改造它,都還來不及呢!哪有閒情逸致走入電影院!或許這是我理工男的偏見吧!

但回想過去二十多年所見過寥寥幾部電影,對這系列的首部《侏羅紀公園》卻依然歷歷在目,當時我的研究生們也很瘋迷這片子,把它的廣告海報貼在實驗室各處,而它所以能吸引理工男,就是那絕妙的點子吧!

科幻小說的絕妙安排
想要讓恐龍重現,先要取得它的遺傳物質(即DNA),但DNA在水中,會漸漸水解掉,變成越來越短的聚核苷酸,而恐龍骨頭就是沉積在水底泥沙很久,經過礦化後,所變成的化石,其中的DNA恐怕早就水解完畢了,如何得到長條的DNA呢?這小說《侏羅紀公園》的原作者克萊頓(John Michael Crichton)學識很豐富,知道松樹分泌的樹脂常包裹小動物,如蜜蜂蚊子等,這些松香若掉入水中,日久變成沉積岩,就是珍貴的琥珀化石,在波羅的海沿岸、印度及中美洲的多明尼加等地,常有這種化石被挖出來,並以高價出售給收藏者。


所以哈佛才子克萊頓醞釀了一個點子,侏羅紀的蚊子吸了恐龍血後,立刻就陷入松香池裡,最後變成化石,而恐龍血內的DNA也較完整地被儲存在琥珀內,然後一位研究生取出琥珀中的蚊子腹內完整的恐龍DNA,用它來取代當今爬蟲類(例如大鱷魚)卵內的DNA,由這恐龍遺傳物質,指導鱷魚卵的發育過程,讓恐龍重現於滅絕了六千六百萬年後的今天。

封埋住蚊子的琥珀化石。

即使用現有的技術,來評估這一九九零年的主意,也覺得這仍然是天方夜譚,例如蚊子體表及腹內,當有許多種細菌,會有水解酵素來降解DNA,已經斷成千千萬萬片段的聚核苷酸,怎樣準確縫合成原貌?而且卵的發育早期,是由母體DNA所編碼製造的蛋白質來指導的,這群鱷魚的蛋白質與恐龍DNA,已分歧演化了至少兩億五千萬年,它們能精確配合,演奏出發育這齣大戲嗎?讓我們想像一下,一位漁獵時代的樂師,懵懵懂懂初次步上當代樂團的指揮台,就能一舉成功地指揮《黃河交響曲》嗎?

但我們理工男的質疑,無礙文學家的想像,克萊頓原先想用這點子,寫個劇本,但後來大量吸收恐龍之知識以後,就擴大寫成小說,這引起好萊塢名導演史匹柏 (Steven Spielberg)改編成電影的興趣,為此,克萊頓靠這本小說以及改寫成劇本,直接就從環球片廠賺了兩百萬美元,當然票房收入以及小說銷售又有抽成,更使他成大名發大財。他一生結婚五次,只比寫《劊子手之歌》的名作家梅樂 (Norman Mailer)少了一次,誰說法律規定一夫一妻制,就能改變男人多重交配對象的嗜好?他倆有了錢,都快速換妻,達成實質的一夫多妻呢!

現實中的科學進展
《侏羅紀公園》電影問世後,激發了很多生物學家,都想看看能否從古代生物遺物中,抽取出DNA 來,但在一九九零年以前,已經有些人嘗試過,而且也出現於著名的科學期刊中,克萊頓是否曾被這些研究所啟發,我沒考證,但克萊頓是哈佛大學人類學系畢業,又是哈佛醫學院訓練的醫生(medical doctor),他寫作極度炫才,常有長篇的科學講述,故若我假設他熟悉生物學重要新進展,該不太離譜,且為了公平及正義,這段早期歷史不能忽略。

在一九八零年代,加州柏克萊大學的阿蘭威爾森(Allan C. Wilson)開拓了研究演化的新路徑,就是用蛋白質內的胺基酸種類及序列變化,以及DNA 內核苷酸序列變化,來推論物種的分枝演化,就像大樹的根部,代表原始祖先,而樹幹的一再分枝,代表新種的形成,而枝梢就是現存物種,這可以稱為「親緣關係樹」或「種系發生樹」(phylogenetic tree)。威爾森及他的學生的重要貢獻,包括「現代人由非洲起源」及「人與黑猩猩大約在五百萬年前分枝」這兩大驚人的理論,雖然威爾森英年早逝,他的這兩大理論,仍然是分子演化學的爭論重點。

在威爾森實驗室工作的日裔學生樋口羅素(Russell Higuchi)等人,曾設法從博物館內拿到斑驢(Equus quagga)標本的乾肌肉,嘗試從中抽取DNA,斑驢是活在非洲南部的生物,在一八八三年滅絕。樋口他們發現,可以抽出來的DNA,大約等同從新鮮肌肉可得量的百分之一,而且其分子量低,表示斷裂嚴重,已成碎片;但他們還能選殖一些片段到細菌的質體(plasmid)上,質體是可以生存在細胞質內的環狀小DNA 分子,藉此能讓細菌複製大量的DNA 片段,以供分析。從斑驢乾肌肉選殖的DNA 片段中,有兩條來自粒線體(mitochondria),定出其核苷酸序列後,發現其二二九對核苷酸中,只與山斑馬相差十二對,算是最少,也即斑驢和山斑馬牠們兩種是最親的。

這研究不但顯示博物館的生物標本含有DNA,而且也蘊含演化訊息,這大大鼓舞遠在瑞典的研究生帕博(Svante Pääbo),他是曾獲1982 年諾貝爾生理及醫學獎的瑞典生化學家伯格斯特龍(Sune Bergström)的外室(也即俗話的細姨或小三)子,故由媽媽帶大,也從母姓。十三歲時,母親帶他到埃及玩了一趟,啟動了他對考古學及古埃及學的興趣;一九八三年夏天,他在長輩的援引下,到東德首都東柏林的國立博物館,取木乃伊的組織,嘗試抽取其中的DNA。

他能從一具兩千四百年之久的孩童木乃伊身體組織,抽出長達三千四百個核苷酸之片段,並選殖到質體上,這是比威爾森等人更為驚人的成果,當他把這篇研究論文的Nature 期刊校樣寄給柏克萊的威爾森後,學術聲名如日中天的威爾森教授,居然回信,不但尊稱他為「帕博教授」,還希望到他的實驗室休假兼工作。

以上兩研究指出,古老生物樣品的DNA,不但比新鮮樣品少很多,也破碎成短片,很難取得,但一九八零年代末開始盛行的「聚合酶連鎖反應」(PCR),為這難題提出破解之道。


也是加州柏克萊大學畢業的博士穆利斯(Gary Mullis)有個點子, 若用高溫水來分散DNA 的雙股, 再為每一條單股配上一小段互補的寡核苷酸鏈(也叫引子,primer),再加入聚合酶(polymerase)以及單元核苷酸(single nucleotides; dNTP),在適當的溫度下,酵素會催化合成另外一股,故一輪這種操作後,一份雙股DNA,就變成兩份雙股DNA,類似核能發電廠內,鈾-235 分裂後,激發更多其他核的分裂,這技術神妙處,能將一份DNA,經過很多輪反應後,擴增成千萬份。

有了這種技術,加上《侏羅紀公園》的鼓舞,一九九二年後,發掘古代DNA 的論文,如石油從井中噴出,不但攻佔期刊封面,還常發布在新聞雜誌的頭條,連Nature 及Science 倆期刊,為了爭聲望、地位甚至銷路及廣告,也搶著發表這類論文。

其中挺引人注目的,是美國猶他州楊百翰大學(Brigham Young University)的伍德沃德團隊,一九九四年發表在Science 期刊的文章,從八千萬年前的恐龍骨頭內,抽取出粒線體的細胞色素的基因片段,次年北京大學幾位教授,也從河南省出土的恐龍蛋內,抽出了DNA,似乎這些技術將為演化史,帶來驚天動地的革命。

真的找到了恐龍DNA ?
批判的聲音來自已經在這領域打滾多年的老手,例如,賓州州立大學的赫基斯(S. Blair Hedges)等人寫信給Science 期刊建議,伍氏等人應該把他們得到的恐龍基因序列,與脊椎動物其他種的同源基因比對一下,做個親緣關係樹分析。赫基斯說:「我們已經分析過了,你的恐龍基因,怎麼跟人的基因最親密呢?」另外帕博這時在慕尼黑大學也開設了實驗室,他的博士後學生齊史勒更絕了,他分析親緣關係後,也覺得這段恐龍基因,很像嵌入人類細胞核內染色體的粒線體基因,於是他收集了同事男生們自發貢獻的精液,分離精子的DNA,因為精子的頭部只含細胞核染色體,沒有粒線體DNA,也就是單純的人類細胞核DNA,可以用來和「恐龍」序列比對。齊史勒用了猶他州團隊使用過的相同引子進行PCR,再定序後,果然確定,伍氏的樣品,被人類DNA 所汙染。八千萬年的恐龍DNA,以及侏羅紀的恐龍蛋DNA,都成了一陣幻影,雖然其論文還永存人間。

原來,PCR 太強大了,些微的現生生物基因的汙染,尤其是實驗者的口水、皮膚、毛髮,都有大量DNA 能汙染古代生物樣品,沒有精細防範,就難以萃取出真正的古代DNA。

經過這一陣衝刺與撤退,這一「古代DNA」研究領域,終於慢慢建立了,成果也慢慢累積,二零一零年,帕博的實驗室提出尼安德塔人的基因組草稿,認為有少量尼安德塔人基因,因交媾而進入現代人基因組內;二零一二年,艾倫多夫等人(Allentoft et al.)用紐西蘭已經絕種的莫亞鳥(moa,巨大但不能飛的鳥) 的遺骨來研究,發現骨內DNA 是以指數方式降解,即每一段固定時間,會降解一半數量,他們建立了一個模型,並推測,縱使是份數很多的粒線體DNA,在攝氏零下五度,經過六百八十萬年,即降解成單一核苷酸,喪失所有遺傳資訊了。

但我們依然很樂觀,百萬年內的古代DNA,還是多到讓我們難以想像呢!它們能提供的演化史細節,也正待我們去發掘呢!

延伸閱讀:Ancient DNA-Wikipedia.

3 則留言:

Melonfly's 提到...

會產生琥珀的植物 是近百萬年才出現的 即使包裹了隻蚊子 那永遠也沒有恐龍血 因為在六千五百萬年前恐龍早死啦

匿名 提到...

您說錯了, 琥珀植物的松伯門在三億年前就出現了~比恐龍還早
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%9F%B3%E7%82%AD%E7%BA%AA

匿名 提到...

琥珀是松脂,古松早在距今一億四千萬年前白堊紀就出現了,而且相當繁盛。你說近百萬年前才有琥珀是嚴重失實的。