[轉錄]訂製人類疾病小鼠--進觀諾貝爾獎得主：똠…
這是轉自成大臨醫所蔡曜聲老師的一篇演講附錄文章
蔡曜聲是今年諾貝爾獎得主Oliver Smithies的學生之一，文章分兩部分
第一是有關Oliver Smithies的成就：基因剔除模式小鼠的發展
這類小鼠的出現，也讓許多疾病的分子病理機轉得以露出曙光
其重要性可以從各大期刊中的文章，幾乎都有基因剔除小鼠的出現也就不難得知了
難怪，實驗室裡的研究者常常戲稱「沒有基因剔除小鼠，就別想丟到知名期刊了。」
第二段我則節錄片段有關這位諾貝爾獎得主的一些描述
若有侵權，煩請告知，我會立即刪除文章。
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訂製人類疾病小鼠
小鼠基因標定技術，為熟知的基因剔除技術，在2007年獲得了諾貝爾生理與醫學獎的青睞
。利用小鼠的胚胎幹細胞，科學家能夠針對特定的基因進行修飾作用。而發展出此項技術
的三位科學家：猶他大學的馬里歐.卡佩奇 (Mario R. Capecchi)、英國加地夫大學的馬
丁.埃文斯 (Martin J. Evans)及北卡羅來納大學教堂山分校的Oliver Smithies，則共
同分享了這份榮耀。
隨著基因標定技術的發展，科學家幾乎可以針對小鼠基因體進行任何DNA修飾動作，如此
便能夠釐清某一基因在人類健康與疾病上所扮演的角色。迄今，已有超過一萬個小鼠基因
，利用了基因標定技術進行研究，而這樣的基因數目，已將近哺乳類動物基因總數的一半
！這項技術目前已被利用在許多人類疾病的研究上，像是心血管疾病、神經退化性疾病、
糖尿病及癌症等。對於未來，國際間也已經有了合作計畫，預計在2010年以前於小鼠達
成約兩萬個基因剔除的目標！
1980年代的研究：創新、和諧及美妙的三重奏
有許多方法能夠運用來進行基因修飾動作。同源重組是發生在兩個序列極度相似的DNA片段
上，彼此重新排列而進行互換。運用此原理，我們能將特定的DNA片段放置在預定的位置
上。事實上，在1958年Joshua Lederberg正是利用細菌的研究，發現同源重組的現象，而
獲頒諾貝爾獎。而在哺乳類細胞的同源重組效率並非很高。在1980年代初期，Smithies試
圖利用修補突變基因的方式，治療遺傳性疾病，及現今所謂的基因治療，在此目標下，
Smithies發現哺乳類細胞內的基因確實能夠被標記並置換。他將這項重大的發現發表在
1985年的Nature中，證實他是如何成功地在紅白血病細胞中，利用同源重組的方式，將
一個質體插入染色體上的beta-globin基因。
在同一時期，卡佩奇也在1982年獨立的觀察到哺乳類細胞中，被轉入的DNA能夠與染色體
上的親源序列進行同源重組。隨後在1986年，卡佩奇更證實了藉由特殊篩選機制，同源
重組的發生頻率應足以直接應用在哺乳類的基因操作上。
因此在1986年前，Smithies與卡佩奇所發展的技術已經能夠應用在哺乳類細胞層級，但
卻還不足以能夠製造出基因改造的動物。若要順利製作出基因改造的實驗動物，仍有待
另一項關鍵的突破：胚胎幹細胞。
早在1981年，另一位科學家埃文斯即成功的從小鼠胚胎中分離出小鼠胚胎幹細胞。1984年
，埃文斯與其團對更在Nature中發表，證明經過分離及培養的胚胎幹細胞能夠藉由注射方
式送回小鼠囊胚，並且移回代理孕母，緊接著在1986年，埃文斯試著將病毒基因轉入胚胎
幹細胞中進行基因修飾，結果也顯示病毒的DNA確實送入的胚胎幹細胞，嵌合後，出現在
小鼠的生殖細胞。
1985年，Smithies便與埃文斯電話聯絡，並且討論合作的可能。埃文斯隨即停止他的實驗
，帶著胚胎幹細胞樣本立即飛往美國。埃文斯剛回到英國不久，卡佩奇也立刻去英國拜訪
了埃文斯，並且向他請教了胚胎幹細胞的相關技術。兩年後，1987年Smithies首度利用培
養的胚胎幹細胞，以同源重組的原理，成功的修正了HRPT突變基因 (一個造成萊施-耐恩
二氏症候群的關鍵性遺傳性突變基因）。同年，卡佩奇也在胚胎幹細胞中，利用了
neomycin抗生素耐受基因終止了正常的HRPT基因的功能。置入抗生素耐受基因的策略，
使得基因重組的過程中能夠進行正負篩選動作，而這樣的設計則納入了現今大部分的
基因剔除固定流程中。
1987年Smithies及卡佩奇兩個團隊，各自將他們在胚胎幹細胞所進行的基因操作技術，
發表在兩篇重要的文獻之後，1989年HRPT基因修正小鼠及其他基因剔除小鼠分別誕生
於Smithies及其他實驗室。這些基因改造小鼠及剔除小鼠的誕生，開啟了基因遺傳研究
的新紀元。
在生物醫學研究的重要性
在基因標定技術發展以前，我們只能透過人類或動物體上自然出現的基因突變，瞭解某
個特定基因的功能角色，使得科學家們的研究處於被動。並且由於只能利用遺傳的關聯
分析，及統計學的關係計算，部分的特定基因也只能曖昧的牽扯進某種疾病。儘管過去
也可以利用添加方式調整基因產量來瞭解基因功能 (按：over-expression)，但卻無法
解決基因與疾病之間的因果關係。憑藉剔除特定基因進而瞭解基因功能，便可以區分基因
與疾病的因果關係或相互作用。Smithies、卡佩奇與埃文斯的重大發展，徹底改變當代
的生物醫學研究，也因為他們建立了小鼠的基因改造模式，後續其他研究群更產生了相
當多的基因改造小鼠，使得越來越多的研究者捨棄大鼠，轉而利用小鼠作為研究模式。
這項技術的運用在生物醫學領域也飛快成長。對於解決人類疾病的問題，新的治療機制將
被建立在基因標定小鼠模式的基礎上。
進觀諾貝爾獎得主：Oliver Smithies
從蛋白質化學到蛋白質遺傳學的轉變
1925年，Smithies出生於英國，並且從小就想當個發明家。1950年他在加拿大的多倫多
大學接下了第一份工作，並且開始他人生中第一個重大的發明。他最早的計畫是關於胰島
素的研究，他相信胰島素是一個前驅物質，為了驗證他的想法，他必須找出可以將胰島素
跟胰島素前驅物質區分的方法。最後，他利用煮過的馬鈴薯澱粉形成的膠體，放入胰島素
於膠體中，經由電流使其達到分離的效果，因此發展出高解析度膠體電泳的技術。這個點
子在1955年公布，並且成為日後最常被引用的生物科學文獻。高解析度膠體電泳技術的
開發，也使Smithies獲得了著名的Gairdner Foundation International Award獎項。
憑藉好用的研究工具，他開始觀察是否蛋白質會受到遺傳因子的影響而出現變異。在膠體
電泳中，他發現血液裡肝球蛋白 (hepatoglobin)出現的對偶基因變異性是因為染色體重組
互換所造成的結果。他利用自己製作的簡易PCR機器 （按：當時PCR機器尚未發明）選殖
出第二的人類基因--胎兒球蛋白基因。他提出證據指出，胎兒球蛋白的對偶基因變異，是
由於同源重組現象所造成。這現象使他從一個蛋白質化學家變成了蛋白質遺傳學家，也
使他開始致力於同源重組的研究。
對科學的熱忱
至今已82高齡的他，仍然每天親自做實驗。他依然使用著過去他發明的乾式膠體電泳，並
且還使用他開發製作的溫度循環水槽進行聚合酶鏈鎖反應，那是在聚合酶鏈鎖反應自動
機器還未被發展出來前就已經架好，歷經20年的古董。他只是熱愛在工作當中，並且
渴望瞭解現象是如何發生的。「並不是成就感，」他解釋：「好奇心是讓我想要這樣的
工作態度，嘗試去解決問題，並且獲得解答。」他接著說：「當你置身在研究工作當中，
每一天都有件事物能讓你享樂其中，那麼科學研究一點也不會無聊，因為每天都有新的
發現在等你。」
Smithies分享著他最愛的三樣興趣：做科學、和太太Nobuyo一起吃午餐及開著他的小飛機
在天空遨翔。不過大家都不太敢領教他的飛航功力，包括他的太太也是。Smithies說：「
當你飛翔在雲層中，卻只能完全依靠簡單的儀表找出你現在所在的位置，那種感覺就好像
是在伸手不見五指的暗房裡，透過顯影劑等待著實驗結果在底片出現一樣。」（按：我都
是狂流汗，好結果興奮得一身汗，壞結果也是一身冷汗。）
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