諾貝爾獎「跳躍基因」技術,找出兒童大腦發育疾病關鍵基因

人類身上共有2萬多個基因,找出哪些基因與大腦發育有關,將有助於未來提早篩檢疾病,甚至發展新的治療策略。而陽明大學腦科學研究所副教授蔡金吾,利用諾貝爾獎的「跳躍基因」(transposon)技術,應用在大腦發育疾病篩檢,找出30多個可能造成大腦發育疾病的基因,成果發表在國際頂尖期刊《Nature Communications》《自然通訊》的2018年6月號上。

陽明大學腦科學研究所副教授蔡金吾  說明研究關鍵基因的動機與實驗邏輯

蔡金吾副教授於影片中表示:「大腦相關的疾病要找相關的基因突變,其實是相當困難的。因為這些突變常常是在大腦內部發生,我們要一一的檢視這些突變是非常不容易。」

「於是我就回想到我學生時代看過的看過的一本書,主要是描述諾貝爾獎得主Barbara McClintock[註1],她所做的跳耀基因的研究。而我們這個研究,主要是利用一套新的方法,利用跳躍基因在小鼠胚胎幹細胞裡面誘發突變。然後,我們再一一篩選,這個突變所造成的一些大腦發育的問題。」

「我們利用這個新的方法,找到30個多個新的基因,這些新的基因可能都對大腦發育的過程,扮演相當重要的角色。那同時呢,我們也在一些大腦發育疾病的患者裡面,找到相似的突變。而這些突變 會造成相當嚴重的大腦發育疾病。」

「我們這個新的研究方法,除了第一個在方法上有相當的創新,可以幫助我們在基礎科學研究上面,利用這個方法可以找其他的相關疾病的一些突變。同時呢,我們所找到的這30幾個基因,能幫助未來醫師們在做臨床診斷的時候,成為基因篩檢早期發現與早期治療的重要指標。」

跳耀基因篩檢方法  造福 新生兒大腦發育疾病患者

人體中有多少基因突變,會導致大腦發育異常,一直是科學界嘗試解答的謎團,尤其是許多新生兒大腦發育疾病,例如:小腦症、平腦症、智力發展遲緩等,已被證實與基因有關的疾病。但由於人類身上共有2萬多個基因,而自然狀態下的基因突變又非常罕見,一一去測試基因與疾病的關係,彷彿大海撈針,是極其艱鉅的任務。

陽明大學腦科學研究所副教授蔡金吾表示:「因為在自然界或人類中基因突變的機率非常低,所以找到致病的基因需要非常久的時間。但就在某天睡夢中忽然聯想到,諾貝爾獎得主Barbara McClintock的跳耀基因技術,可應用在大腦基因篩檢上。因為玉米、昆蟲,甚至人類都有跳躍基因,若能用動物模式加速細胞突變,克服人體試驗困難,直接與發病的手術組織比對,就可以快速找到相關的問題基因,克服現有遺傳學的限制。」

所以,蔡金吾研究團隊反其道而行,利用一種在DNA序列中會跳躍的基因,植入鼠腦神經幹細胞中誘發突變,並觀察那些基因會對老鼠腦部神經細胞的發育產生影響,用這種跳躍基因的篩選方法,找33個可能與大腦發育有關的基因

由於人類大部分的基因都可以在老鼠身上找到,大腦發育的過程也非常類似,所以蔡金吾進一步與臺北榮總神經醫學中心關尚勇醫師與榮陽基因體中心林奇宏教授團隊合作,把在鼠腦中找到的基因與小兒癲癇患者的人腦基因進行比對,發現部分突變基因互相吻合,證實跳躍基因的篩檢方法,能加速找到造成大腦發育異常的問題點

此外,這個跳躍基金的篩檢方法,若能被科學界完整研究,除了應用在大腦發育問題上,可以探討其他未知基因與人體疾病的關聯,對於基礎科學以及後續醫學應用具有原創性貢獻。

[註1]跳躍基因最早是由諾貝爾醫學獎得主Barbara McClintock在1950年代研究玉米時發現。她發現玉米粒上不同的顏色,是由於基因具有「跳躍」的現象,不會乖乖地待在固定的基因序列中。跳躍基因隨後被發現在很多動植物體內,這個過程一般認為可造成基因的改變或重組,進而影響生物的演化與突變。

文/黃聖筑  圖/許嘉真

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