酵母菌的演化重生
生物有許多不可或缺的必要基因，例如：小小的酵母菌體內就有一千多個，如果某個必要基因消失，生物一定會死亡嗎？中研院基因體研究中心張典顯研究員發現，如果人為刪除酵母菌的必要基因 PRP28 ，酵母菌依然能勉強存活，甚至經過300代演化後，還能恢復原本活力！論文成果於 2018 年 10 月登上國際學術期刊《自然生態學與演化》（Nature Ecology and Evolution）。
張典顯，中研院基因體研究中心研究員，他發現酵母菌去除必要基因，仍然能夠絕處逢生的演化奧秘。 攝影│林洵安
生物皆有必要基因
每種生物都有一群不可或缺的「必要基因」 (Essential gene)。它們不只是從遠古流傳下來的基因，也是生物基因體的核心。「在我們研究的細胞體系裡，如果人為把一個重要基因拿掉，細胞幾乎必死無疑。從基因的角度來看，這是細胞發生突變、重要基因消失，就像電影中的邪惡勢力殺掉正義聯盟的領袖，然而……」張典顯話鋒一轉：「在電影裡，正義之師仍然會繼續對抗惡勢力、等待復興的時機。那麼，如果去掉細胞內重要基因，細胞是否會隨演化發生轉機，繼續存活甚至恢復繁盛，出現宛如《星際大戰：原力覺醒》的戲劇性轉折？」
但生物演化通常需要漫長的歲月，怎麼研究？張典顯挑選酵母菌下手，酵母菌跟人類細胞一樣，都是真核細胞，除了用來釀酒和烘焙，也是分子生物學重要的模式生物。更重要的是，
"人類一個世代傳承要花 60 年，更需要10萬年、百萬年的時間才看得出演化結果。酵母菌每 90 分鐘分裂一次、產生一個新世代，短時間就能看到演化歷程。"
仔細研究酵母菌，它約有6000個基因，其中一千多個是必要基因，特別是與「遺傳資訊複製」相關的基因，一旦缺少恐將死亡……但，這是真的嗎？張典顯的研究指出，即使刪除了一個必要基因 PRP28，酵母菌依然能勉強存活，演化300代後甚至恢復了活力！？
顯微鏡下的酵母菌， 90 分鐘即可產生一個世代，非常適合進行演化實驗。 圖片來源│維基百科
基因 PRP28： RNA 的剪接師
基因 PRP28 是什麼？它負責協助 DNA 轉錄後，不可或缺的「剪接」工作！
生物所有基因的資訊全部是在 DNA 上，好比身上的「硬碟」，保存重要資料。細胞要使用這些資料，第一步是「轉錄」，把細胞核裡的 DNA 的資訊，轉成 RNA，這個步驟好比用「隨身碟」把硬碟資料拷貝出來。然後，RNA「隨身碟」的資訊會進入細胞質，進行「轉譯」，製作各種有用的蛋白質，好比把隨身碟內的資料列印成有用的文件。
生物所有基因的資訊全部是在 DNA 上，好比身上的「硬碟」。細胞要使用這些資料時，必須把細胞核裡的 DNA 的資訊，轉錄成為 RNA—-好比用「隨身碟」把硬碟資料拷貝出來。接下來，RNA「隨身碟」的資訊進入細胞質，進行轉譯，製造各種蛋白質，好比把隨身碟內的資料列印成實體文件。
資料來源│張典顯
圖說設計│黃曉君、林洵安
但在轉錄、轉譯之間，還有一個很重要、一般人不熟悉的步驟，稱為「剪接」。因為 DNA 基因不是呈連續性的，中間穿插一些不需要的片段稱為內含子 (introns)。因此 DNA 拷貝成 RNA 之後，必須剪去內含子，把有用片段接起來，變成信使 RNA (mRNA)，細胞才能使用。
DNA 基因不是呈連續性的，中間穿插一些不需要的片段稱為內含子 (introns)，轉錄後的 RNA 必須剪去中間不需要的部分，把有用片段接起來，變成信使 RNA (mRNA)，細胞才能根據它製作蛋白質。
資料來源│張典顯
圖說設計│黃曉君、林洵安
這個剪接步驟是在細胞核內的 RNA 剪接體 (Spliceosome) 中進行。每個人體內都有這部剪接機，它能將 pre-mRNA 中不需要的片段剪掉。這個剪接體與剪接步驟的正確性很重要，如果剪接體壞了，細胞沒有正確資訊可用就會死亡。
「我們的研究曾發現，酵母菌的剪接體中有一個很重要的蛋白質叫做 Prp28，能讓細胞的剪接過程運作順利，如果把 Prp28 拿掉，細胞就無法運作可能崩垮。」張典顯說。顯然的，製作蛋白質 Prp28 的基因，是酵母菌的必要基因之一。
張典顯決定把 Prp28 的基因拿掉，看看酵母菌失去 Prp28 之後，是否可以存活？更進一步說，它們能不能透過一代代演化，重新爬回高峰？這在生物學稱為「彈性恢復力策略」，是指生物進入新的困難環境，一開始可能變很糟、掉入谷底，但經過一段時間，最後重新適應環境並恢復活力，重回高峰。
演化，讓酵母菌從破車變超跑！
「我們做的實驗很簡單，高中生也可以做！」張典顯笑著說。他們將一組保有 Prp28 蛋白質基因的酵母菌 (野生型，wild type)，種在培養基裡，分別放在攝氏 20 度、22 度和 28 度的環境培養，作為對照組。另一組是去掉 Prp28 蛋白質基因的酵母菌，也分別放在上面三種溫度的環境，觀察其生長情況。
一開始他們發現，如果將 PRP28 搭配的零組件進行互補性改變，細胞可以不需要 PRP28。但這種缺少 PRP28 的酵母菌，RNA 剪接效率低，生長得很緩慢，特別在低溫攝氏 20 度的培養基。
不過，隨著細胞不斷分裂，一個變兩個、兩個變四個 ……最後酵母菌仍可慢慢長滿培養基。等到酵母菌長滿，研究人員就取出其中一部分，種到新的培養基，直到再次長滿，再移到新的培養基……。
最後，神奇的現象發生了！失去 Prp28 蛋白質的酵母菌，起初要花 14 天才能長滿培養基，但一代傳一代，生長速度變愈來愈快，最後只花 5 天就長滿了！張典顯說：
"這些酵母菌經過許多代演化，已產生有用的突變，活力變得愈來愈好，簡直像從一部破車，重新變回一部超跑！ "
細胞在分裂過程，DNA 複製可能出現錯誤而產生新突變，當突變對細胞有利即會被保留，而突變後的細胞的活力和繁殖力較好，會逐漸取代其他細胞。如果一代代傳下去，新的有利突變陸續加進來，可能走向另一條演化的道路，讓細胞恢復活力，就像電影的原力覺醒、瀕死復活一樣！這個成果於 2018 年 10 月獲刊在《自然生態學與演化》，也是臺灣首度刊登於本期刊的論文。
一開始的白色細胞均為失去 Prp28 的酵母菌，活力非常差，但細胞分裂可能出現有利突變（紅色細胞），活力和繁殖力較好，如果繼續繁衍，紅色細胞會取代其他活力和繁殖力差的白色細胞，白色細胞愈來愈少。一代代傳下去，最後幾乎只剩下紅色細胞。 資料來源│張典顯
圖說重製│黃曉君、林洵安
wild type（WT）列為帶有 Prp28 的正常酵母菌細胞，在不同溫度下的生長情況 (每個溫度下又分成不同濃度的酵母菌樣本)。不管 20 度、22度、28 度，正常酵母菌都長得很好。Anc = 還沒有經過演化的 「老祖宗」 (Ancestor) 細胞，Prp28 已被去除，因此活力很低，特別是 20 度長得最差。其他 EvX 列則是從這種老祖宗細胞開始，循著不同演化路徑的結果。經過一代代培養，Ev3 列的細胞與 wild type 列生長情況一樣，代表這些細胞已經恢復活力，新突變把酵母菌救回來了，其他如 Ev6、Ev9 列也是同樣情況。 資料來源│張典顯
破解酵母菌絕處逢生的祕密
下一個問題是：到底在酵母菌裡發生什麼事，居然可以起死回生？張典顯的團隊繼續追查，找到答案：酵母菌是透過降低 RNA 聚合酶進行轉錄作用的速度，讓細胞恢復健康。
把細胞想像成一座工廠，DNA 一直拷貝，轉錄成 RNA，再進行轉譯，最後變成蛋白質，中間有許多機器在工作。如果下游的機器（剪接機）壞了，但前面的機器（轉錄機）仍然一直生產，後面的機器無法及時處理，會產生一大堆廢料，導致這個細胞死亡。
不過，如果演化讓上游轉錄機也放慢速度(發生另外的突變)，讓上下游機器速度再度同步，有種負負得正的概念，最後細胞仍可恢復活力，這就是酵母菌絕處逢生的秘密。
張典顯團隊用漫畫方式呈現酵母菌絕處逢生的秘訣：雖然細胞的剪接機慢了下來，但藉由演化讓上游轉錄機也減慢速度 (發生了另外的突變：蛋白質 Luc7 和 SAGA)，於是上下游速度再度同步，使細胞恢復活力。 圖片來源│張典顯
「我們的實驗結果顯示，生物系統中有許多錯綜複雜的基因表現路徑，不同步驟可以互相影響（例如：RNA 轉錄與 RNA 剪接），讓我們更了解細胞運轉的邏輯與生物系統的演化。」張典顯繼續延伸：「這個觀念可以被運用到生物系統的優化，提供未來設計調控生物系統的新方法，比如說，在開發治療疾病的藥物時，可針對標的物的上下游進行調整，以達到系統的整體平衡。」
生命的韌性、演化的奧妙，真的比電影劇情更曲折離奇、引人入勝，等待更多的科學家挖掘與發現。
本文轉載自《研之有物》，一個串聯您與中央研究院的科普橋梁。
