酵母菌會老嗎?

如果人會老,那麼植物會不會老?這個問題的答案我不知道,或許是沒有人真正好好觀察:長在溫室中的多年生木本植物,記錄它的年齡,看看它究竟能活多久!細菌呢?我想也很難去計算細菌的年紀。因為當一個細菌分裂成二個大小相同的子代時,我們搞不清楚誰是「媽媽」,誰是「女兒」。這樣就沒有辦法追蹤單一的細菌,看它究竟能分裂多少次和活多久!因此過去的老化研究中,植物和細菌都不是被看好模式!

賈茲溫斯基的酵母菌實驗

大約五、六年前,美國路易斯安那州立大學的賈茲溫斯基(Jazwinski)教授想出了一個「奇笨無比」的方法,來看看酵母菌是否有一定的壽命。有一種我們平時作麵包的酵母菌(Saccharomyces ceravisiae),它以出芽分裂的方式繁殖後代(見圖一:出芽酵母菌的生命史)。所以我們在顯微鏡下很容易看出,誰是「媽媽」誰是「女兒」。賈茲溫斯基把單一剛「出生」的酵母菌附著在洋菜膠上,給予充分的營養之後,酵母菌就開始行出芽分裂。賈茲溫斯基在顯微鏡下連續觀察,每當新芽迸出,就用一種超細微的鉗子把這個剛出生的「女兒」鉗走,這樣算「媽媽」細胞複製了一次!

酵母菌也會老死

就這樣地周而復始,看了許多酵母菌後,賈茲溫斯基下了一個結論:酵母菌也會老死!因為每一個新出生的子細胞都有一定的分裂潛能,最多大約能分裂四十次左右。他發現酵母菌和人類相仿,死亡率會隨著年齡(酵母菌的年齡是用分裂代數來界定的)而呈指數的增加(見圖二:酵母菌的年齡與存活率(A)及死亡率(B)的關係)。換句話說,對酵母菌老化、死亡,一方面是機率問題,另一方面它又有其不可超越的極限。這個極限與機率又會隨著「物種」(species)的不同而有所不同,顯示它們是由遺傳基因來決定的!

酵母菌的「螺旋滑梯」模型

這裡有一個有趣的問題,大家也許已經注意到了。那就是酵母菌的壽命是用生殖代數來計算的。酵母菌在養分充裕時,沒有法子像人一樣,逍遙自在地活著而不進行生殖。一旦不進行分裂,則表示環境惡劣,酵母菌會立刻變成孢子蟄伏起來,以等待環境好轉。所以說酵母菌生命(生活)的目的,就是在延續繼起之生命!賈茲溫斯基把酵母菌的生命史,用一種稱為「螺旋滑梯」的模式來解釋。剛出生的酵母菌宛若坐在滑梯的頂端,開始往下滑,每轉一圈就產生一個子代,直到終點。但是每一個出生的子細胞又立刻回到滑梯的頂端,從頭來過(見圖三:酵母菌的「螺旋滑梯」模式)。

酵母菌的老化特徵

酵母菌的老化究竟有什麼特徵呢?賈茲溫斯基首先注意到的是年老的酵母菌進行分裂的速度較慢,而且愈老愈慢。譬如說年輕的酵母每60分鐘就可以分裂一次,而老酵母需要180分鐘才能分裂一次。有趣的是如果老酵母菌分裂出的子女,不立刻脫離母體的話,那麼這個「子女」也需要較長的時間才能分裂一次。但是此時若將「子女」移到另一處去,開始分裂所需的時間和「媽媽」一樣長,並且一、二代後就會重新恢復「生機」,變得和年輕細胞一樣快。這個現象表示,老的細胞中可能存在一些會遲緩細胞分裂的物質,這些物質會滲入未脫離的子代,而影響它們的分裂速度。鑑定這些物質是什麼?有什麼功能?為什麼會延緩細胞的分裂?這些都是有趣的問題,目前難以從傳統生物化學尋得答案。

LAG1基因與酵母菌的老化有關

賈茲溫斯基開始利用分子生物學的技術,去分析比較看看,年輕與年老的細胞其基因表現究竟有何不同。前段述及的物質必然應該只在年老而非年輕的細胞中表現。但是這種分析比較是非常耗時的,因為年輕與年老細胞中的基因表現,必然有上千種定性或定量上的差異。那些是老化的原因,那些是老化的結果,都得再經過繁複的驗證,才能得到較為確切的答案。好在酵母菌平時只有一套染色體,我們很容易用同源重組(Homologus Recombination),把某一特定基因破壞,然後看看這個基因失效後,細胞的反應如何!

賈茲溫斯基最初找到十來個互補DNA(cDNA),在年老與年輕的酵母菌中有不同的表現,但其中並沒有前述「老化基因」的產物,倒是有一個基因在年輕時會大量表現,並隨著「年齡」逐漸消失不見;兩者之間的差異高達10倍之多。從核酸序列看來,它和已知所有的基因都不同,但是有個相當奇特的結構,它有二個穿膜區(transmembrane domain),在N端及C端有許多可被磷酸化的位置。這些資訊都不足以說明它究竟有那些功能,因此依慣例還得借助酵母遺傳學的方法,把酵母菌內的這個基因破壞。

結果當這個基因被破壞後,酵母菌仍然好端端地活著,表示它與細胞基本的存活運作無關。那它與老化之間的關係又如何呢?賈茲溫斯基發現當酵母內這個基因失去功能時,「壽命」縮短了40%,也就是說正常細胞平均可以分裂21次才會老死,但是「此君」平均分裂的能力只有12次就老死了!很明顯地這個基因的功能可延遲老化,他們便稱之為「LAG1」基因。

對LAG1基因的質疑

如果LAG1基因的確在控制老化的過程,失去了它將使老化提前,那麼若使LAG1在細胞中大量表現,細胞會有什麼反應呢?難道酵母菌也會長生不老呢?結果是「亂七八糟」:當細胞大量表現LAG1基因,有的細胞「壽命」的確延長了,但也有的細胞不僅壽命沒有延長,反而提前死亡!經過仔細的研究才發現,LAG1基因表現的時間和數量,決定了細胞的生死命運!如果我們植入細胞中的LAG1基因,能在年老細胞自己的LAG1基因停止作用後仍繼續表現,這樣就能延緩老化的發生。反之,在年輕時細胞自己的LAG1基因已在大量表現,你再火上加油,讓細胞中LAG1基因產物太多,反而會促使細胞提前死亡。

賈茲溫斯基的研究的確讓我們對老化的研究大開眼界。以下有幾點個人的想法,條列如後供大家參考。

  • 賈茲溫斯基並非出身什麼「名門正派」。路易斯安那距離波士頓或舊金山的距離與台北相比,所差有限,都是遠離學術中心的邊陲之地。
  • 賈茲溫斯基的論文都在一般水準的期刊上發表,而並沒有發表在《Science》、《Nature》或《Cell》的論文。
所以只要問題問到節骨眼上,功夫下得深,一樣可以作出漂亮的研究,為生命科學中老化這個「千古奇案」開創一個全新的天地。當然最後還是要提醒讀者,在問題還沒有弄清楚前,就「急病亂投醫」,往往得到的是反效果,LAG1基因在老化過程中的影響是如此,現在所謂「科學管理」的道理,不也是如此嗎?

 

圖片作者: mararie 圖片來源: http://www.flickr.com/photos/mararie/4048969247/