基因與基因體學 生態與演化 科學報導

2018 系統生物學、演化生物學回顧

去年三月,我們透過系統生物學帶領大家站在宏觀的角度來窺探生物系統內部複雜機制。過去大多的研究只專門深入 探討 DNA、RNA 或蛋白質中的特定物質或反應,但系統生物學能把多元的領域面相串連起來並建構出可以理解的模型結構,進行資料量化、預測性和動態性的探討。(就好比讀一本書,藉著整合書本各個分散部分片段的資訊,而能了解整個書個全面的內容。)藉由系統生物學的方式,不僅讓科學家能夠以數學模型達到數據量化以及探討神經動態傳導,也能經由電腦分析做出模型;人類基因組計畫就是其中一個著名的例子 [1]。除此之外,系統生物學的應用也為蛋白質的解析帶來大幅的進展,透過建立以及解析蛋白質的結構,研究者們可以進一步了解蛋白質的作用機制。2017 年於 Cell Systems 上發表的 DeepContact 預測方法就是其中之一, 如 DeepContact 這一類新的工具與研究方法,便是透過整合卷積神經網路(Convolutional Neural Networks)分析大量的數值資料,得到相關變數以及特徵值並運用在對未知反應的樣本中進行預測 [2]。而對於複雜的神經科學研究,系統生物學也能應用於模擬出果蠅大腦的神經網路分布,不僅能幫助我們更了解複雜的記憶的機制,對於腦中訊息傳導更是有著不可忽略的功勞 [3]。在這樣的趨勢下,系統生物學似乎只會不斷地顯現出其重要性。

對於演化生物學,可不單單只是如國高中生物或歷史課本所講得界門綱目科屬種的分類學,或是探討達爾文進化論及拉馬克用進廢退說的對錯(但透過表觀遺傳學也顯示拉馬克的假說並非完全錯誤);從演化生物學的角度其實可以幫助人類了解各種生物上的機制。

在去年度四月的演化生物基因體學主題上,我們介紹了 RNA 編輯A-I editing由 RNA 腺苷脫氨酶Adenosine deaminase acting on RNA, ADAR來執行轉譯後加工修飾ADAR 也在今年被一篇文章顯示在癌細胞中若缺失 ADAR1 能夠在治療上提高腫瘤對免疫治療上的效率 [4]。我們也針對科學界在 Alu 和 long non-coding RNA 上看法的翻盤 —— 從以為是毫無作用的垃圾,變成炙手可熱的研究課題,給予更完整的介紹。同時我們也用腸道內細菌來看演化的過程 [5]。在去年 11 月,另一篇文章也顯示腸道內細菌經過移民顯示出腸道內細菌多樣性的下降,並且與肥胖增加有關 [6]。不外乎的,系統生物學也在演化研究上幫助科學家們分析各種基因、核醣體的構造。在新的一年,相信一個藉由與過去結合的演化生物基因體學、一個與現今科技結合的系統生物學的這兩個領域,能為我們帶來更多精彩的故事。

Image extracted from the http://genomics.energy.gov website from the U.S. Department of Energy Genome Programs

參考文獻:

  1. 系統生物學 -維基百科,自由的百科全書, Retrieved from https://goo.gl/qqnwhw
  2. 【「深」入蛋白質:分子結構的預測】. The Investigator Taiwan. (2018, March). Retrieved from https://goo.gl/eJPCpt
  3. Howard Hughes Medical Institute. (2018, July 19). Complete fly brain imaged at nanoscale resolution. ScienceDailyhttps://goo.gl/atpoHk
  4. Ishizuka, J. J., Manguso, R. T., Cheruiyot, C. K., Bi, K., Panda, A., Iracheta-Vellve, A., … Haining, W. N. (2018). Loss of ADAR1 in tumours overcomes resistance to immune checkpoint blockade. Nature565(7737), 43-48. doi:10.1038/s41586-018-0768-9
  5. Garud, N. R., Good, B. H., Hallatschek, O., & Pollard, K. S. (2017). Evolutionary dynamics of bacteria in the gut microbiome within and across hosts. doi:10.1101/210955
  6. Vangay, P., Johnson, A. J., Ward, T. L., Al-Ghalith, G. A., Shields-Cutler, R. R., Hillmann, B. M., … & Batres, R. (2018). US Immigration westernizes the human gut microbiome. Cell, 175(4), 962-972. doi:10.1016/j.cell.2018.10.029

撰文|高唯真
審稿|藍冠鈞

About the author

高唯真

日本東北大學研究所。目前努力適應日本生活以及學習日文,主要專攻癌症方面基因和蛋白質的表達。對於細胞生物方面充滿的熱情及好奇,希望藉由Investigator 能與各不同領域的朋友一起學習交流。

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