人物訪談 大師專訪

呂俊毅老師專訪|中央研究院分子生物研究所

探尋基礎生物學重要問題的過程,不斷推進著科學的研究發展。本次專訪邀請到中研院分生所的呂俊毅老師,向我們闡述演化與遺傳學中有意思的現象,老師的研究深入分子機轉,從內共生的發展到物種形成的起源,這些現象不僅僅發生於久遠的年代,至今仍有許多值得科學家們潛心鑽研的問題,也提供了未來解構疾病起源的契機。專訪後半段,老師也與我們分享他在國內外從事研究工作時所觀察到的異同,並對科學研究有興趣的同學們予以建議。

學經歷

2021 年 7 月至今 中央研究院分子生物研究所 特聘研究員
2013 年 7 月─ 2021 年 7 月 中央研究院分子生物研究所 研究員
2010 年 11 月 ─ 2013 年 7 月 中央研究院分子生物研究所 副研究員
2006 年 ─ 2010 年 11 月 中央研究院分子生物研究所 助理研究員
1999 年─ 2005 年 哈佛大學 分子與細胞生物學 博士後研究
1999 年 耶魯大學 分子細胞與發育生物學 博士
1990 年 國立清華大學 生命科學所 碩士
1988 年 國立清華大學 化學工程學系 學士

 

利用纖毛蟲與小球藻,探尋內共生關係

呂俊毅老師的研究主題涵蓋內共生、表現型的穩定、與物種形成,而內共生則是老師近期的研究興趣。談到內共生,便要溯回真核生物的起源:粒線體與葉綠體──現今細胞內的兩個半自主胞器。在遠古時代,α-變形菌與藍綠菌曾經是獨立存活的,而後進駐到古細菌內與宿主相互依存、共享資源,逐漸演變成為現今所見的真核細胞樣態。地球上繁多的物種,亦是衍生自如此漫長的演化歷程。粒線體與葉綠體與其宿主的內共生關係發生於遠古,然而,至今仍有許多內共生現象不斷發生,使物種得以適應不同的環境。

呂老師的研究中發現,光是粒線體在細胞的演化,就可能促使種化的發生。這也牽扯到團隊先前針對種化的研究:許多種化的發生並不純粹是適應各種不同環境的結果,粒線體與細胞宿主之間的作用也有很大影響 [1] [2]。粒線體雖是細胞內的胞器,但仍擁有獨立的基因體,也因此它與宿主細胞核內的基因體的關係十分微妙——兩者既可以是類似互利的存在,也可以是兩個自私的因子,如此緊張的互動,常常是造成一個新的物種形成的原因。

目前研究室則探討兩種纖毛蟲(四膜蟲與草履蟲)與小球藻的內共生關係,一窺內共生的早期發生過程。纖毛蟲是一種古老而原始的原生生物,其細胞核的雙型性(nuclear dimorphism)是十分具有標誌性的特徵,其基因體的調控與可塑性也是科學家們積極探討的課題。另一方面,小球藻則是單細胞的綠藻,常應用於生質能源的產生。兩者可以分離後獨立存活,也可以藉由內共生並存,方便研究團隊進行實驗操縱,以探討內共生的遺傳機制。呂老師的研究團隊也藉由基因體分析,了解參與形成內共生關係的基因 [3]。

 

物種樣貌的維持與形塑:遺傳緩衝系統與表現型穩定性

「演化過程有太多有趣的問題了」,在訪談中呂老師如此與我們分享。老師的另一個研究主軸也是演化上的關鍵問題:遺傳緩衝系統(genetic buffering system)。科學家觀察到,不論在什麼樣的環境或條件處理之下,又或是帶有基因突變,同一個物種的形態大多能維持一定的樣貌,意味著發育的過程具有一定的穩固性(robustness),宛若能容受一定程度酸鹼擾動的緩衝溶液,由此便逐漸衍生出了遺傳緩衝系統的概念,意即由基因型到表現型之間,可能並非一般認定的表現型直接反映基因型,而是經過緩衝後呈現出來的結果 [4]。

討論過程中,老師也引導我們思考:一台機器可能稍微敲擊或碰撞就有發生故障的風險,那麼生物體又是如何對抗外界擾動,保持一定的特徵呢?

目前了解到,遺傳緩衝機制的重要元素之一為輔助蛋白質折疊的熱休克蛋白 Hsp90(heat shock protein 90)。基因突變可能導致蛋白序列改變,進而使蛋白質產物摺疊出錯,影響其正常功能;不同程度的突變便可能使蛋白具有程度不一的活性,決定了表現型的差異,若是累積許多突變,蛋白甚至會完全無法正確摺疊而失活。Hsp90 透過減緩蛋白錯誤摺疊的速率,提高蛋白正確摺疊的可能,藉以補回蛋白的功能性、減弱基因突變引致的效應。Hsp90 的系統目前已被證實不管在酵母菌、植物、或動物體內,都具有遺傳緩衝的能力,是一個演化上高度保留(conserved)的生物途徑。

遺傳緩衝系統不僅說明了表現型的穩定性,也可應用於解釋疾病發生的可能。近年來,透過大量資料分析,能篩選並鑑測出可能致病的基因。這些基因變異的累積,雖可能會致使罹患特定疾病的機率增加,然而也並非絕對。如以雙倍體的生物而言,大多數基因在僅有一份完好的基因拷貝時,仍會呈現正常的表現型,意味著或許僅需一半的蛋白活性即可維持正常生理機能。也就是說,就算 A 基因突變會使該蛋白活性降至 10%,在 Hsp90 協助摺疊的情況下,假設可使活性恢復至約 50%,則該個體可能不發病。然而,包含 Hsp90 在內的遺傳緩衝系統,往往對於環境因子相當敏感,在細胞面臨壓力時,將主要被用於抵禦壓力,對於基因突變的緩衝能力便可能隨之下降,那麼該基因變異就有機會使個體發病。

呂老師的研究便希望能夠更深入探討:熱休克蛋白所能緩衝的對象到底是什麼呢?除了熱休克蛋白之外,還有什麼基因可以協助進行緩衝的作用?而不論是 Hsp90 或是其他的遺傳緩衝系統,它們所能調控的基因又有什麼?老師分析,「最簡單的想法就是從生物的中心法則(central dogma)思考」。Hsp90 是作用於轉譯後的蛋白摺疊修飾,因此能針對使蛋白結構改變的突變進行緩衝。而假設另一個突變發生在基因的啟動子上,便可能進而影響基因的轉錄作用,那麼這個過程中,有沒有可能也存在著另一種緩衝的機制呢?

「Hsp90 可能只是這個機制中的冰山一角而已」,老師笑說,這些問題其實都非常有趣,然而目前所知的卻仍舊非常有限,之所以投入這麼多心力探討這個現象,也是希望能回答更多的問題。

長遠來看,如此的遺傳緩衝系統對於族群的影響又是什麼呢?遺傳緩衝系統降低了突變原本對於個體生理作用可能造成的負面效應,使個體在帶有突變的情形下仍能維持一定的機能,有利於個體生存。由族群的觀點來看,該個體即是一個基因突變的帶因者(carrier),其存活年齡的延展,便使得此突變更有機會傳播到族群之中,則可能對族群的生存造成負面影響。然而,換個角度思考:這個突變可能只是在目前生存的環境中不利於生物體生存,但是若族群面臨劇烈的環境變化抑或外來因素的擾動,在族群中留存下來的這些突變,便可能成為族群得以存續的關鍵。呂老師生動地比喻,「我們現在如果長出鰓來,你會覺得這樣一點用處都沒有,對不對?可是想想看,如果哪一天,假設全球暖化,全世界都淹水了,也許就只有這些會長鰓的人才能夠存活啊。」

老師進一步談到,從最初生物學家觀察生物發育的過程開始,他們所思索的問題,到了現在持續深入探問,進入到基本的分子機制,最終都能夠導向許多重要的問題,例如人類疾病的起源、族群未來的演化等,「這些問題可能表面看來不是那麼有應用價值,但是追根究柢,就會發現這些東西其實都和我們的現實生活環環相扣。」

開窗放入大江來:引入新技術與方法學進行研究

呂老師的研究中結合了分子演化與遺傳分析,也引入了體學(omics)等新技術。那是怎麼在既有的主軸上,綰合特定的技術與方法,找到說故事的脈絡呢?老師笑說自己很幸運,因為學習最前沿的研究工具與方法學,關鍵要素往往在於實驗室的成員是不是對於這項技術感興趣、願不願意接受挑戰去學會它。此外,藉由與其它實驗室合作,在討論與熟習技術的過程中,對於方法學的細節也能掌握得更為精確。

然而,由體學分析所得的資料往往甚為龐雜,面對大量的數據,又是如何抽絲剝繭,分析問題呢?一般來說,進行科學研究時常常會先形成假說,再對實驗結果進行探討,然而如此的研究方式難免會造成偏誤。在研究中利用體學分析時,呂老師較傾向進行無偏差的整體分析,而非僅針對特定的基因或生物途徑探討,如此一來便仰賴強大的分析能力與對結果的洞悉程度:面對全面性的資料分析,我們能夠看到多遠、思考到多深的層面?面對不同的情況,種種條件都需要反覆的測試與探尋,才能更進一步探觸到問題的解答。

跨領域之始末

呂老師坦承自己起初念化工其實是聯考的結果,但也因此在大學期間廣泛涉獵不同領域,後來決定要念碩班時,才進入自己比較有興趣的生物領域。在當時指導教授:分生所陳枝乾老師的帶領下,開始從事遺傳學相關的生物實驗,並且從中產生極大興趣,進而在出國申請博班時選擇以遺傳學為主軸的實驗室,從事酵母菌遺傳的研究。在選擇博士後研究領域時,原本想朝染色體生物學發展,卻陰錯陽差投入演化領域。當時演化學的研究多以理論探討或提出模型假設為主,然而若是要釐清演化的運行方式,呂老師改以分子生物學角度切入、解析機制,認為或許更能實際了解演化對於生物體產生的影響,如今已不知不覺做了一輩子的演化研究。老師認為轉換領域其實並不困難,雖然一開始缺乏基礎背景時會遇到一些挑戰,但這些無法掩蓋接觸新東西的樂趣。

 

學習的挑戰與樂趣

呂老師提到自己在國外攻博和從事博士後研究時,發現國外的氛圍與國內有些差異。老師在國外的研究機構時,常感受到與優秀的人們共事的愉悅,以及冒險精神。老師分享道,他當時如果要學正在開發中的前沿技術,往往要主動去別的地方學,而不是等著學長姐教。根據他在國外的經驗,大家常常是很直接地從論文中的 protocol 開始摸索,雖然過程中會花一些時間,但一旦學會了就會很有成就感,要是起初因為恐懼而不願嘗試,就會錯失這方面的樂趣。呂老師也鼓勵學生,如果想做科學研究,就要學會接受挑戰和享受學習的快樂。

 

給同學們的勉勵與建議

對於有興趣從事科學研究或出國進修的同學們,老師鼓勵要好好培養語文能力,勇於跨出國界。此外,老師認為台灣學生的數學或分析能力多半有一定的基礎,可以多探索資訊或物理等方面的知識,開發跨領域的能力。即使想鑽研的方向主要是生物學,計算生物學、生物資訊等都是非常強大的工具,如果願意多學習,可以對於這些領域的知識有更深刻的了解,不要輕易地把原本的數理基礎丟掉了。

呂老師建議同學們要多問問題,而不僅僅是被動地回答別人發現的問題。老師指出,台灣學生有解決問題的能力,但往往較不擅於想出一個問題,而找尋問題的能力在獨立執行研究的過程中十分重要,「有趣的問題很多啊,很多東西其實都值得去嘗試,可是你要是沒有辦法想到這些問題,都是在做和別人類似的題目,不是有點可惜嗎?」

研究題目的發想往往來自於閱讀經驗的積累,不止是教科書或是課堂上的指定讀物,亦要多方地閱讀科學傳播文章與書籍。閱讀期刊論文發表的研究成果、抑或書本上的描述時,往往會對其中的一些發現留下了深刻的印象。老師笑說,許多有趣的生物現象都值得深入推敲,或許早在一百多年前科學家就曾經觀察到並有文字記述,可能早已有了清楚的解答,也可能只有初步的推測、留待更進一步的研究釐清,這就可能是一個很好的研究問題。

呂老師分享道,我們對生物學有興趣其實是十分幸運的一件事情,因為只要留心觀察與思考,便有不匱乏的問題可以深入探索。許多有趣的生物問題都不是艱澀的玄學理論,而研究工作最大的優點便是提供了研究者盡興問問題的彈性,因此更要提出有趣的問題,善加推展。

 

參考文獻

[1] Lee, H.-Y., Chou, J.-Y., Cheong, L., Chang, N.-H., Yang, S.-Y., &Leu, J.-Y. (2008). Incompatibility of Nuclear and Mitochondrial Genomes Causes Hybrid Sterility between Two Yeast Species. Cell, 135(6), 1065–1073.
https://doi.org/10.1016/j.cell.2008.10.047

[2] Chou, J.-Y., Hung, Y.-S., Lin, K.-H., Lee, H.-Y., &Leu, J.-Y. (2010). Multiple Molecular Mechanisms Cause Reproductive Isolation between Three Yeast Species. PLOS Biology, 8(7), e1000432.
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.1000432

[3] Cheng, Y.-H., Liu, C.-F. J., Yu, Y.-H., Jhou, Y.-T., Fujishima, M., Tsai, I. J., &Leu, J.-Y. (2020). Genome plasticity in Paramecium bursaria revealed by population genomics. BMC Biology, 18(1), 180.
https://doi.org/10.1186/s12915-020-00912-2

[4] Siegal, M.L. and Leu, J.-Y. (2014). On the nature and evolutionary impact of phenotypic robustness mechanisms. Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics 45: 495-517.
https://doi.org/10.1146/annurev-ecolsys-120213-091705

 

延伸閱讀|呂俊毅老師實驗室網頁

採訪|洪維謙、陳品萱、蕭如秀
撰稿|陳品萱、蕭如秀、張芷榕
審稿|呂俊毅老師、陳品萱、黃云宣

About the author

陳 品萱

陳 品萱

2019國立陽明大學基因體科學研究所碩士畢,主要研究興趣為人類遺傳學與基因體學,對於congenital anomalies & developmental diseases的源起與遺傳背景格外好奇並持續探索中。曾參與2015 iGEM,並於大學期間擔任職涯沙龍副召及營隊教學長。喜愛科學傳播與寫作,期盼在Investigator與來自不同領域的人們交流,共同學習與成長。

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蕭如秀

就讀台灣大學生命科學系,曾參與中研院暑期實習計畫。有興趣的領域很廣泛,從合成生物學、系統生物學到生物物理,還在學習的階段所以就多聽多看。因高中與大學參與專題研究和生物學競賽的關係,對研究開始有一些了解,也認識一些熱心科學推廣的夥伴,希望能藉由investigator把有趣的研究新知分享給對生醫領域有興趣的同好。

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張 芷榕

張 芷榕

目前就讀於陽明交通大學藥學系。
大學期間曾前往日本藥科大學&九州大學交換,
並且透過健喬信元獎學金計畫完成一年的神經藥理學專題。
期待能在Investigator TW認識更多對生醫對研究有興趣的人,和大家一起切磋學習。

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