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表徵遺傳及其在養豬領域之應用

陳立欣

表徵遺傳的興起和在生技科學上的應用
「表徵遺傳」(epigenetics)又稱表觀遺傳或外觀遺傳,是屬於生物學門之下的特定遺傳學領域,著重於基因組相關功能改變而不涉及核苷酸序列之變化,係自1980年代起逐漸興起的一門學科。

從事表徵遺傳之探討,旨在不改變DNA序列而透過若干的機制,繼而引發可遺傳的「基因表達」(gene expression)或「細胞表現」(Cellular expression)之變化型別,得據以研究某些載錄於孟德爾(註一)遺傳學法則內,不符於生命現象或遺傳法則的事例。表徵遺傳學的英文字首碼epi,是源自希臘語文,意為「奠植於…之上」,因此表徵遺傳學的特質,乃是超逾傳統的遺傳或據以衍生的另類研究。

若和經典或謂是正統的遺傳學上,常係以研究基因序列影響生物體功能為核心的情形相互比較,表徵遺傳學主要是研究表面、特徵現象之建立與賴以維持的機制。造成這些現象的因素,包括有來自DNA、RNA者,以及若干來自「組織蛋白」的變化修飾(histone modification,是指組織蛋白在相關酶之作用下,發生甲基化、乙醯化、磷酸化、腺苷酸化、泛素化、ADP核糖基化…等修飾的過程,組織蛋白又常簡稱組蛋白)。

對於上述之差別,表徵遺傳之研究範圍,主要包括「基因選擇性轉錄表達」的調控和「基因轉錄後的調控」兩個類項。前者即選擇性表達(Gene selective expression),是指基因在細胞分化中,於特定的時間和環境條件下有選擇表達的現象,此等結果形成了形態結構和生理功能不同的細胞,計有基因印記(genomic imprinting)、DNA甲基化、染色質重塑和組蛋白共價修飾;後者即基因轉錄後調控(Transcriptional regulation),則指經由改變基因轉錄速率,從而改變基因的表現,其活化因子增強RNA聚合酶與特定啟動因子的相互作用,繼而促進基因的表現,包括有基因組中非編碼RNA、微小RNA及反義RNA等。

表徵遺傳學在真核生物中,主要是用於展現細胞的分化過程。以DNA和組蛋白之修飾為例,咸可在不改變DNA序列之前提下,調節基因的對外顯現,阻止蛋白透過結合基因沉寂作用,從而控制基因的表達。而基因沉寂作用乃是真核生物细胞基因,表達調節機制的一種重要過程,這些變化可藉由細胞分裂保留下來,並且可能會持續數代之久。這些變化皆僅著重於非基因因素,並導致生物體基因表現或是自我表達上的差別,然而在當前階段,專家們卻猶未能夠全盤掌握組蛋白的修飾機能。

表徵遺傳與染色體構造適應上的關聯
在胚胎形態演進之過程,全能幹細胞(Totipotent)將分化成完全不同的形態,亦即可由一個受精卵細胞,分化出包括肌肉細胞、神經細胞、血管內皮細胞,以及上皮細胞等各種不同類型的細胞,並藉著抑制其他細胞和啟動相關基因,從而持續進行細胞分裂的作用。

在歷經十餘年來的演進下,現今科學界對於表徵遺傳學已有更趨嚴謹的定義,也可被用於描述猶未全面證實的組織蛋白修飾之遺傳過程。例如,即有學者將表徵遺傳學定義為「染色體的構造適應」,以便形成或保持其變構上的活性狀態。

此一界定既包羅有涉及DNA修復或細胞週期的瞬態改變,亦包含著多代細胞的穩態改變,然則並未包含細胞膜結構和朊病毒(註三),除非其影響及於染色體功能。另外,生技學界於2011年的相關研究中業已獲得證實,mRNA的甲基化對於人體內的能量平衡,可發揮至關重要的功能,並且開創了以RNA引領表徵遺傳學之領域。

朊毒体最早是被發現於哺乳動物的傳染性海綿狀腦病,包括最為大眾耳熟能詳的「狂牛症」、羊搔癢症(Scrapie,註四)、慢性消耗病,以及發生於人類的「庫賈氏症」(Creutzfeldt-Jakob disease,簡稱CJD,包括散發性、家族性、變種庫賈氏症,和致死性家族失眠症,乃至於往昔於食人部落發現到的庫魯病),而現前所有的傳染性海綿狀腦疾病仍均無法醫治。

上段提及到的變種庫賈氏症,是會由牛隻傳染予人類的「跨物種疾病」。該病原體並會經由飲食過程而被食取者攝入,並穿越其腦部屏障,逐漸毀壞及其腦組織結構,最後則會導致受害者的死亡,最主要的方式往往是透過食用已感染狂牛症的牛隻產出之肉,或是其內臟而導致感染。

(詳細內容請參閱2018年11月號現代養豬第47頁)