生物科技簡介 -基因工程的發展及其對社會的影響

Presentation on theme: "生物科技簡介 -基因工程的發展及其對社會的影響"— Presentation transcript:

1 生物科技簡介 -基因工程的發展及其對社會的影響
第 4 單元 生物科技簡介 -基因工程的發展及其對社會的影響 首先特別提出：去年 (2008) 的諾貝爾化學獎得主，分別由日裔科學家下村修、華裔的錢永健以及美籍的馬丁喬非三位研究者獲得，他們因研究水母體內的綠色螢光蛋白 (GFP) 而獲獎。GFP 是近年生命科學領域研究上的重大突破與重要技術，指的是在短波長的藍光照射下，細胞中特定的蛋白質會發出綠色螢光，利用螢光具備高靈敏性且易隨環境變化的特質，透過偵測 GFP 在植入細胞或個體後的表現，可讓研究者檢測追蹤傳統生物學研究上無法觀察到的細胞反應或神經傳輸過程，藉由發出螢光的強度或波長變化可做為判斷細胞變異與否的依據， GFP 可協助研究阿茲海默症的成因，在生物醫學研究上具有重大貢獻。 簡言之「GFP 可以在生命的任何地方發光」，而只要選擇妥當光源激發螢光蛋白質就可以發出不同波長(顏色)的螢光。包括遺傳改造的螢光魚、螢光豬等，也都是 GFP 的應用。 生物科技(Biotechnology)：利用科技控制生物發展的程序，以期符合人類之所需。而當細胞分裂時DNA複製的過程就是一個可以被我們運用、調控的生物程序。 在進入今日課程主題「生物科技」之前，先與同學們談談ㄧ本英國作家 Wells 於 1896 年所著的科幻小說 “The Island of Dr. Moreau” (莫諾醫生之島)。不知多少同學閱讀過這本書？在本書問世滿百年後，改編自本書的同名商業電影也於 1996 年上映，由馬龍白蘭度 (Marlon Brando) 與方基墨 (Val Kilmer) 等演員擔綱演出，在臺中譯片名為「攔截人魔島」。原著中避世而居的 Dr. Moreau, 偷偷在無人小島上進行著駭人的科學實驗，以當時最先進的外科手術 (電影版本則改為生化與生物技術) 改造各種「野獸」為「人」，自己嚴然以造物者自居，最後終遭受這些獸人--他的科技作品所反噬…。儘管這本書甫問世時曾遭受極端嚴厲的批評，對照於這百年內人類科技的演進與歷史發展，Wells 似乎早在百年前就已登上一個客觀而冷靜的 至高點，提出這個發人省思的疑慮：科技 發展是否不受限制？社會大眾對「科學家」與「科技」的不信任與恐懼所為何來？當生命科學與生物技術的發展，打破自然藩籬、物種的界線後，對人類而言是禮物還是災難？當基改 (GMO) 產品早已充斥我們生活，嵌合體生物 (chimera, 典出希臘神話一隻獅首、羊身、蛇尾的怪物) 也從神化幻想變成科學研究的一部份 (英國國會下議院於 2008 年 5 月 19 日通過《人類授孕與胚胎法》修正條文，同意政府授權科學家進行「人類混種胚胎」研究)，我們對於當代生物科技的進步與未來展望，更應具有基礎的理解認知，以便在面臨此類新興科技議題時能夠有客觀與智慧的判斷。今天的課程，就讓我們一同探討何謂「生物科技」。 授課老師 羅竹芳 【本著作除另有註明外，採取創用CC「姓名標示－非商業性－相同方式分享」台灣2.5版授權釋出】

2 基因工程與我們 (影片1’11) 影片說明：簡介基因工程與我們這個世代間的緊密關係與日益彰顯的生物倫理問題。 George Gastin

3 【突變】意外地變成使人類瞭解 自體形成的一種途徑（影片1'23 ）
播放影片-【突變】意外地成為讓我們瞭解身體形成的一種途徑 並非科幻電影的劇情，影片中我們所見都是真實的突變病例。突變 (mutation) 改變了生物原本的遺傳結構與表現，造成子代與親代遺傳上的變異。自然發生的突變有些對生物有利或呈中性而被天擇保留下來，造成族群遺傳的差異性；許多突變是有害甚至是致死的，這些突變造成遺傳缺陷而多受天擇篩選淘汰。突變提供了生物遺傳多樣性的基礎，因此我們都是突變所塑造出來的。 透過對人類遺傳突變的研究，是了解人類遺傳疾病與揭開人類發育機制的一種重要途徑。 Pschemp 突變-由於缺乏程序性細胞死亡造成腳中間兩趾無法完全分離

4 由細菌談起何謂遺傳工程？ 細菌無所不在。過去除了少數被人類 利用來釀酒、做起司的細菌外，我們 一直以為細菌對人類文明的助益不大， 這個觀念一直到1970年代科學家開發 了重組DNA技術（recombinant DNA technology）才開始有了重大的轉變。 重組DNA技術簡單來說是應用一連串 的技術，在試管中將不同來源—甚至 不同生物—的遺傳物質剪接在一起， 然後轉移到某個生物 （例如細菌） 體 內，在那裡進行新基因的表現。 大腸桿菌，10,000x 1970 年代科學家開發了重組DNA技術 （recombinant DNA technology），開啟遺傳工程的新頁。

5 生物科技的工具-限制酶 Restriction Endonucleases 生物技術的工具-1-限制酶： 1970 年代科學家發現
限制酶是細菌內自然存在的酵素，是一種能針對特定DNA序列進行破壞的核酸酶(蛋白質)。功能：細菌能使用限制酶切斷侵入細菌的病毒。 科學家發現限制酶有很特別的特性 它切割非常專一的位置，而非隨機性的切割。 DNA雙股螺旋的兩股互補、方向相反，但序列相同。 例如BamHI酶辨認的序列為GGATCC，當BamHI酶DNA雙股螺旋移動，遇見GGATCC便會對DNA分子的雙股做同樣方式的切割，它切在相鄰的G核苷酸之間。 DNA片段突出的一股有其意義，此DNA之「黏性末端」能非常容易的與另一個互補的序列黏合。 目前有1000多種不同的限制酶可以剪切數百個不同的位置。就是利用限制酶的專一位置特性切割， 因此可以在DNA上進行各種不同特定位置的切割。

6 可運用某些蛋白質（生長激素HGH）治療身高過矮
生物科技的工具-2-質體 臺灣大學 羅竹芳 以基因改造細菌，再運用這種細菌消除有毒廢物或臭味 細菌 得到大量基因拷貝以做後續應用 純化出來的質体 細菌之染色体 質体 將抗蟲害基因殖入植物體內 細菌 複製 重組型細菌 重組質体 可運用某些蛋白質（ 血栓溶解劑）溶解血塊，以預防心臟病發作 純化出來的細胞DNA 重組質体 轉送至細菌 得到大量重組蛋 白質以做後續應用 欲轉殖的基因 生物技術如何在試管內快速複製基因的複本： 生物技術的工具-2-質體(plasmid)： 細菌除了有單一環形的染色體之外，還有一個由DNA形成的環狀質體，此質體是獨立於細菌環形染色體外的核酸。 質體可做為載體(vector) 它只有1,000對鹼基 細菌的質體其功用-質體本身可隨著宿主菌分裂獨立複製，並且移入細菌的細胞內，如：抗藥性的質體在細菌間傳播使細菌產生抗藥性。 細菌可以在轉型的過程中取得環境中存在的DNA，被納取的DNA能在細菌的細胞內成為合成蛋白質的密碼。 E.coli經過化學的特別誘導可進行合成蛋白質。有些細菌則是天生擅長轉型的好手。 質體的DNA在被收納之後，將繼續留存在細菌體內作用，。 重組質體可以進入宿主的大腸菌中 (稱為轉形)。 遺傳工程學 遺傳工程學者從細菌中分離純化出質體DNA。 從另一種細胞中純化出人類想選殖的基因。這個細胞的來源可以是動物或者是植物細胞。而想要選殖的基因可能是能對抗蟲害的植物基因，或是能製造某激素的人類基因等等。 將含有選殖基因的一段DNA嵌入質體中，形成重組質體。 運用性狀轉換(transformation)方式將質體放回細菌細胞裡。 單獨培養這些經過遺傳工程改造過的細菌，因為剪接殖入質體的外來DNA在細菌細胞中不會干擾質體的複製，所以人類可以選殖到希望選殖的基因。 遺傳工程細菌(genetically engineered bacteria)可以用在許多不同領域中，我們的基因本身或它對代謝的影響都是。 DNA 含欲選殖某基因的細胞 可運用某些蛋白質（生長激素HGH）治療身高過矮

7 複製生物 Reproductive Cloning

8 複製植物 細胞分裂 胡蘿蔔 胡蘿蔔 小植株 單一細胞 臺灣大學 羅竹芳 8 在實驗室以「無性生殖法」培養單細胞成為有機生物體
對於植物而言，要以人為方式進行屬於無性生殖的「複製」相當容易，主要原因在於許多植物僅需要一點分生組織就可以在人工培養的狀態下產生新的植株，在園藝上常使用到壓條、插枝、嫁接等營養器官繁殖方式。 自然界中，也有許多種類植物會進行無性的出芽生殖，譬如落地生根等，這類植物的組織增生能力都很強；也有進行營養體無性繁殖的顯花植物，如雨後春筍即是竹子的地下莖部分、草莓靠匍匐莖繁殖、將洋芋眼點上的芽切下來可得到新植株等。 1960年，康乃爾大學的細胞生物學家史都華 (F.E.Steward) 發現-以晃動的方式將紅蘿蔔之根部細胞分開，再將分離胡蘿蔔後的根細胞放到培養基培養，經過不斷更新培養基，一個細胞就可以發育長大為一個獨立個體-小植株。 胡蘿蔔 胡蘿蔔 單一細胞 小植株 臺灣大學 羅竹芳 8

9 桃莉羊 出生: 桃莉羊從一隻成年羊 的乳腺細胞複製而來，1996 年7月5日出生於蘇格蘭愛丁 堡羅斯林研究所(Roslin Institute) ，六個月後才公 諸於世，牠配稱全世界第一 隻複製哺乳動物。 一般人就可以做複製植物，可是為什麼複製動物，會是那麼重要的一個議題呢？ 相較於植物， 1952年，布瑞格和金恩就已經完成複製青蛙的技術，只是複製青蛙，跟複製哺乳動物還是差之甚遠。因此大家可能沒有注意到，青蛙可以從體細胞，複製出另外一個遺傳組成完全一樣的青蛙個體出來，複製哺乳動物在技術層面上就困難得多。因為哺乳動物具有遺傳印痕 (genetic imprinting) 等特殊遺傳機制，增加複製過程的難度。世界上第一隻人工複製的哺乳動物，舉世聞名的桃莉羊於 1996 年誕生於英國的愛丁堡羅斯林研究所，同時也開啟了人類的生命科學研究史新頁。 遺傳印痕(genetic imprinting)是指生物體會標記來自父系或母系的特定染色體基因，而被標記的基因所具備的能力將被剝奪，甲基化作用是遺傳印痕(基因體印記)的分子機制，生命個體會將某些母系或父系組成染色體的胞嘧啶核甘酸進行甲基化，基因關閉即是甲基化印記造成的結果。若是一個來自父系的基因被做甲基化標記，則必定要自母系卵子得到正常的基因，子代才會正常，此種基因會隨來自雙親的不同染色體來源而展現出不同遺傳現象的情形即稱之為遺傳印痕。 臺灣大學 羅竹芳

10 自白面母羊 白面母羊 乳腺取出細胞 胚胎移殖至另一隻黑面母羊 融合細胞分裂發育為胚胎 用電擊法將兩個細胞融合 抽換細 胞核
桃莉羊複製的過程 由英國愛丁堡羅斯林實驗室的威爾邁博士完成。 從1隻6歲白臉母羊的乳房取出細胞，取核。 從黑臉羊取卵細胞，去除核。將兩者融合，經過培養，再植入另一隻黑臉羊之子宮中，使其成為代理孕母。 桃莉羊擁有白臉羊的全部細胞核，所以基因與其相同，是為白臉羊的複製品。 自黑面母羊取出受精卵並且除去DNA 桃莉羊-複製羊 黑面母羊 臺灣大學 羅竹芳

11 桃莉羊的一生 1998年及1999年與一隻公羊交配，共生下四隻小羊 。
期間，羅斯林研究所中的科學家指出，桃莉羊的 DNA 有缺陷，一般認為這是造成桃莉羊有早老的現象主要原因 。 2002年當牠五歲半時，被診斷出罹患關節炎 。 2003年年屆六歲的桃莉羊，罹患末期肺病，二月中旬執行安樂死，結束其絢麗的一生 (一般而言羊的壽命約是12年左右) 。 臺灣大學 羅竹芳 雖然桃莉羊是科學史上第一隻成功的人工複製哺乳動物，但是桃莉羊具有早老性疾病等諸多徵狀。 羅斯林研究所的科學家認為桃莉羊在遺傳上有缺陷，桃莉羊的壽命也僅有正常羊隻的一半。 細胞的壽命由端粒主掌，端粒隨細胞分裂次數增多而逐漸變短，因此端粒可以視為辨識生物年齡的指標，有理論指出，當端粒縮短到一定的程度之後，就會使生物體表現出老化的現象。桃莉羊因為基因是從六歲的成羊複製下來的，因此桃莉羊細胞中的染色體端粒較同年齡的綿羊來得短，大約短了百分之二十，所以桃莉羊剛出生時細胞的分子時鐘-端粒就已經是成羊的長短，容易產生因老化併發的相關疾病。

12 桃莉羊給人的省思 複製的動物和原來的《本尊》並不相同。複製動物可能帶有他的《本尊》所沒有的缺陷。
在發展生產複製新生物的嶄新領域中，人類不知道會製造出甚麼樣的生物， 也不能控制讓不想要的特質表現在新生物身上。人非萬能，人類在創造新生物時該扮演甚麼樣的角色呢 ? 桃莉羊的誕生雖開創了生命科學研究的新頁，但是隨之而來的爭議卻未曾止息。複製科技在生物倫理上的省思，更是一個值得我們深思的議題。

13 複製非人類哺乳動物 複製胚胎之發展歷程 (影片5'15) 在基礎研究、農業及醫藥上的應用 複製豬以供異種器官移植
雖然複製動物的技術引起廣大爭議，但是在基礎科學研究、農業發展與生物醫療上可以提供重大貢獻。 透過『複製胚胎的需要與此技術之發展歷程影片描述』短片，我們可大致了解生物複製的基本原理與技術，同時也知道所謂生物複製包含了生殖複製 (Reproductive Cloning) 與醫療複製 (Therapeutic Cloning) 兩種不同方向的複製科技。 複製胚胎之發展歷程 (影片5'15)

14 生殖複製(Reproductive cloning)與醫療複製(therapeutic cloning)
將細胞核與移除細胞核的卵融合 體細胞中欲轉殖之基因 分裂成胚胎 卵 移除細胞核 生殖複製 因複製目的不同複製可以分成兩大類： 生殖複製-得到的是一個動物或人的個體的複製品。 醫療複製-製造出器官，供給病患做更換器官或組織使用-在醫療層面運用。 生殖複製 (Reproductive Cloning) 與醫療複製 (Therapeutic Cloning) 兩種複製科技的差異在於，生殖複製製造出一個與被複製者在遺傳上完全一致的個體，而醫療複製則僅複製至囊胚階段以取得胚胎幹細胞供被複製者醫療所需。 代理孕母 小羊 醫療複製 臺灣大學 羅竹芳 組織培養

15 兩種類型的複製（影片3'43） 透過『兩種複製』影片，更深入瞭解生殖複製 (Reproductive Cloning) 與醫療複製 (Therapeutic Cloning) 兩種不同方向的複製科技。 PRA 蒙貝利亞爾牛

16 什麼是幹細胞？ 指的是胚胎或成體中，一群未完全分化（或未分化）的細胞，可經由細胞分裂、增生出另一個完全相同的細胞，亦可經由分化( differentiation )，形成多種特定功能的成熟細胞 ( 例肝細胞、神經細胞等。 什麼是幹細胞 幹細胞指的是動物胚胎或成體中，一群未完全分化（或尚未分化）的細胞，幹細胞可經由細胞分裂、增生出另一個完全相同的細胞，亦可經由特定誘導分化 (differentiation)，形成多種特定功能的成熟細胞 (例肝細胞、神經細胞等)。 具有分化能力的細胞都稱做幹細胞，其相對意義者為已經功能完全確定的細胞 (已經過分化、特化完成)。 一個從H9亞型細胞株複製的胚胎幹細胞， A colony of embryonic stem cells, from the H9 cell line (NIH code: WA09). Viewed at 10X with Carl Zeiss Axiovert scope.

17 依據其分化能力區分幹細胞 全能幹細胞（Totipotent stem cells）－ 亦稱「完整潛能幹細胞」，具有完全分化能 力的幹細胞，每一個細胞都具有發育成一個 完整個體的潛力。 潛能幹細胞（Pluripotent stem cells）－ 能分化成多種細胞，但無法分化成所有種類 的細胞，因此也無法發育成一完整胚胎、個 體。 幹細胞它的來源，可以來自胚胎，也可以來自於成體，但是在成體非常不容易取得。幹細胞在醫療應用上仍有風險，如果替患者植入胚胎幹細胞，由於它屬於未分化的全能幹細胞，所以可能會超出預期長出毛髮等各種各樣的細胞， 形成畸胎瘤。 但若是使用已經初級分化屬於特定類群的幹細胞—譬如神經幹細胞，它就會往神經組織的方向發育，發展成為神經細胞，較不易發展成為畸胎瘤等。 幹細胞依取得來源可分胚胎幹細胞與成體幹細胞。 幹細胞依據其分化的能力可以分為全能幹細胞與潛能幹細胞： 一個幹細胞可以發育成為一個獨立個體的任一部位，稱之為全能幹細胞。 如果這個幹細胞，已歷初始分化，可以分化成為很多種類型細胞，稱之為潛能幹細胞。

18 胚胎幹細胞 卵 囊胚 胚細胞 胚胎幹細胞 精子 胚胎 臺灣大學 羅竹芳
當動物的二倍體合子開始進行胚胎發育，至囊胚或是囊胚之後的發育期，可以由其中取得胚胎幹細胞。 受精卵五天之後會發育成一個中空、充滿液體的囊胚，總共約有 200 個細胞，其中包含大約140個尚未分化的細胞，外圍則由一層扁平的細胞構成，這層表皮細胞稱為滋養層，可發育成胎盤等支援胚胎發育的組織，囊胚中心的腔稱做囊胚腔，位於腔中一隅的細胞群稱之為內細胞團，內細胞團就是胚胎的本體，具可變化性稱之為胚胎幹細胞，這群細胞若在體外培養時加入白血球抑制的相關因子，就能使細胞維持在未分化的狀態，若白血球抑制的因子被消除，則會進一步分化為內胚層、中胚層、外胚層，不同胚層再各自分化形成動物不同的器官和組織。 胚胎幹細胞來自於胚胎。 胚胎幹細胞 精子 胚胎 臺灣大學 羅竹芳

19 胚胎幹細胞及其在培養時可分化成各種組織細胞
不同培養條件 胚胎幹細胞可以經由細胞培養，分化發育成個體的各種組織細胞。 相同的幹細胞，只要用不同的培養基的條件，它可以發育為神經細胞，肝細胞，心肌細胞等等。 當醫療心臟病，移植器官時，受贈者會有排斥反應，但如果來自於自體的幹細胞，並將其培養成為心肌細胞，以修補破壞的心臟，成功的機會就較高。 神經細胞 肝細胞 心肌細胞 臺灣大學 羅竹芳 不同的分化細胞

20 依據取得來源區分幹細胞 胚胎幹細胞（Embryonic stem cells）： 一般指取自囊胚內細胞質塊、培養於特定條 件下所得之幹細胞，具有自我增生、複製與 分化成各種細胞、甚至完整個體的潛力。 成體幹細胞（Adult stem cells）： 其中，「造血幹細胞」（來自於骨髓、周邊 循環血液臍帶血）與「間質幹細胞」兩大類 最受重視，可分化成骨髓細胞、淋巴細胞、 肝臟、軟骨、肌肉等組織。 取自於胚胎時期的幹細胞，稱之為胚胎幹細胞。但是在成體的體內也有幹細胞存在，諸如「造血幹細胞」與「間質幹細胞」等，前者主要來自於骨髓，後者則仍保留部分發育增生肌肉組織的能力。

21 幹細胞的應用 幹細胞之應用，最終目的不外乎是希望能治療人類疾病，諸如： 阿茲海默症 帕金森氏症 腫瘤 免疫缺損 自體免疫疾病 造血疾病等
或是應用至組織修復、器官移植上 幹細胞的應用： 對於老年癡呆症，或者是帕金森症，還有腫瘤，免疫缺損，免疫疾病與其他疾病等。 可利用特定幹細胞對藥物的安全性和效率進行篩選分析，科學家可藉由更加理解幹細胞分化成體細胞的過程來設計更專一、更有效的藥品。 確立細胞分化的過程中影響細胞制定決策的影響因素，使基因表現、癌症、發育的相關研究更深入透徹。 當今醫學界都在思考使用幹細胞來治療與修復，幹細胞真的有那麼大的希望嗎？請從下一個影片『治療帕金森氏症影片』中一睹科技的法展，並且思索其臨床應用的可行性。

22 幹細胞治療 帕金森氏病 (影片6’) 在腦深部插入電極以電刺激治療帕金森病
本段短片介紹了幹細胞在治療巴金森氏症方面的實驗性突破，但是本研究目前尚未普及至臨床醫學應用上。治療帕金森氏症影片說明概要： 認識帕金森氏病、症狀及傳統性的療法效果。 將胚胎組織植入帕金森氏病患腦部的評估。 使用自己的幹細胞，而非胚胎幹細胞的治療法介紹。 Thomasbg

23 幹細胞所帶來的問題 科學發展至今，幹細胞在再生醫療（Regenerative medicine） 上，已被賦予無限的期許。但是它的來源、它的用途以及它 對人類倫理、法律、社會等層面的衝擊，是極具爭議的議題。 在多種幹細胞中，以胚胎幹細胞最原始、分化能力最強；但 是，「受精卵究竟有無生命？破壞胚胎是否算是殺害生命？」 「一個受精卵是否具有人權？」等議題，都直接挑戰人類對 生命的定義以及人性的尊嚴。 而對於臍帶血中幹細胞的取得，爭議雖不若胚胎幹細胞，但 是，臍帶血的所有權，是屬於嬰兒或是父母親？更重要的是， 臍帶血存放者所留存的資料，是否會有隱私外洩之顧慮？這 些都是亟需立法嚴密規範的。 幹細胞研究與應用所帶來的問題，包括對人類倫理、法律、社會等層面的衝擊，都是極具爭議且應謹慎思考的議題。 幹細胞研究的倫理爭議未來可能會因這個重大發現而得到解決：去年 (2007) 由日本與美國的科學團隊研究發現，可將人類成體皮膚細胞轉製成類似於細胞發育初始階段—即近似於胚胎幹細胞發育狀況的「萬能細胞」。即使目前這項研究還有許多技術性的問題待突破，未來仍是再生醫學充滿希望的一個方向。

24 遺傳改造生物-基因改造生物 Genetically modified organisms, GMO
真實世界中的基因轉殖生物技術： 至 2007 年美國食品管理局核准了175種生計醫藥品和疫苗。 形同生物工廠的細菌 (E.coli) 可以生產人類生長激素、胰島素以及數種抗癌化合物。 酵母菌、倉鼠、以及數種大型哺乳類動物皆可進行基因轉殖生物技術。 舉例而言，基因轉殖山羊可以產生多種人類蛋白質，譬如 AT3 可以防止血液凝結成塊。使用山羊而不運用細菌的原因在於轉殖基因的蛋白質伴隨山羊的羊奶生產，一隻山羊一年可以產生 0.9 公斤的人類蛋白質。

25 Gene Manipulation 舉例 轉殖基因植物-基因沉默 轉基因李含C5的基因，耐李痘病毒
在 GMO 生物技術的應用上，科學家可藉由轉殖或改造不同的基因，使得園藝種植的花朵不易凋謝，也可讓乳牛在產乳時製造出營養成分更豐富的牛乳或是剔除牛乳中易讓人類不適的成分。並可使養殖的鮭魚體型變得更巨大以增加養殖生產，或是讓農作物譬如豆類在長期保存的過程中不易被昆蟲蛀食。 赫爾曼驚奇牛 美國加州生物技術公司-GenPharm 轉殖出赫爾曼驚奇牛，牠擁有人乳鐵蛋白 (鐵蛋白） 的基因。人的乳鐵蛋白提供抗菌和輸運鐵的蛋白給人類。許多赫爾曼的母牛其後代目前生產牛奶含有人類乳鐵蛋白，GenPharm 公司打算建立一個轉基因乳牛畜群，並商業化量產人類乳鐵蛋白。 防枯萎康乃馨 乙烯是植物的激素，它會造成鮮花枯萎，為的是進行植物繁衍下一代的功能-故讓果實成熟。普渡大學的研究人員已經發現使花瓣回應乙烯而執行枯萎動作的基因，並且代之以一種對乙烯不敏感的基因。結果一般康乃馨切割後只能持續3天，他們生產的轉基因康乃馨卻可持續3週。 超級鮭魚 加拿大漁業科學家已將人生長激素重組基因轉殖到發育中的鮭魚胚胎，創造出第一個轉殖基因鮭魚。這些轉基因魚不僅縮短了生產週期，同時平均比一般非轉殖基因鮭魚大11倍！對於漁業產業和全世界的糧食生產是的影響是顯而易見的。 防象鼻蟲豌豆 來自美國和澳大利亞的科學家工作團隊設計了只會在豌豆種子表現的基因。這種基因編碼出的「酶抑製劑」能抑制象鼻蟲咬食。 全世界有高達40％的糧食儲存損失是來自害蟲，而象鼻蟲是最臭名昭彰的。基因技術不僅提供農業病毒和病蟲害防治技術，它也提供倉儲技術防治病蟲害。 Marjori A. Matzke, Antonius J. M. Matzke; credit Jan Kooter for the left and middle images, and Natalie Doetsch and Rich Jorgensen for the right images 轉殖基因植物-基因沉默 轉基因李含C5的基因，耐李痘病毒

26 基因轉殖米-黃金米 麴黴-真菌 野米 黃水仙 豆類 將肌醇六磷酸酶-植酸酶基因從真菌轉入米 將金屬硫蛋白基因從野米轉入米
將攜鐵蛋白基因從豆類轉入米 將β-胡蘿蔔素合成酶的基因從黃水仙轉入米 攜鐵蛋白增加黃金米的鐵含量 據世界衛生組織 (WHO) 2008 年統計每年將近有 1000 萬 5 歲以下的兒童死亡-每小時約超過 1000 名死亡。而全世界約有 2000 萬 5 歲以下的兒童有嚴重營養不良的現象，尤其是以米為主食的開發中國家最為嚴重，這使兒童對疾病承受力脆弱，並且過早死亡。2004 年 WHO 估計缺乏維生素 A 使每年約有50萬名兒童因而失明，1-2 百萬兒童因而喪生。 基改食物的生產國，試圖以黃金米幫助第三世界的居民，這是一個初始理想很好的概念。 圖中是一般的米和營養強化的黃金米。 黃金米： 轉基因米-由蘇黎士植物科學研究所之瑞士生物工程師 Ingo Potrykus 和他的研究團隊所研製。 由洛克斐勒 (Rockefeller) 基金會支援此計畫。 為了解決以米食為主食的人口其缺鐵和缺維生素A的現象。 Potrykus 首先分析米之所以缺鐵的原因如下： 米的胚乳中含鐵量極少：故將攜鐵蛋白基因從豆類轉入米，攜鐵蛋白是一種含鐵量非常高的蛋白質。 米含有高量的植酸：植酸會抑制小腸吸收鐵。故需從真菌把肌醇六磷酸酶-植酸酶基因轉入米，以合成出分解破壞植酸的-植酸酶。 米只含少量的硫：硫對於吸收鐵而言是不可或缺的，故將金屬硫蛋白基因從野米轉入米，使米富含足夠的硫。 對於開發中國家缺乏 VitA 的問題， Potrykus 以相同的作法先行分析： 米只能完成β-胡蘿蔔素製造的部分過程。米缺乏製造β-胡蘿蔔素的最後四個步驟的酶，故將4種β-胡蘿蔔素合成酶的基因從黃水仙轉入米。 鐵和維生素A缺乏症是一個嚴重的問題，轉殖基因米提供了改善發展中國家其人民食用米食的保證和希望。 超級米的思考： 這個產品生在台灣的我們不需要吃它，為什麼呢?它加了攜鐵蛋白，可讓食用者的鐵質吸收多一點，但是我們豬肉牛肉等肉類食品都足夠了，多數台灣民眾不會缺鐵，然而第三世界窮苦國家的人民，因為他們飲食中動物性蛋白質匱乏，沒有足夠的鐵質攝取，因此希望藉由此產品，就提供能吸收到足夠營養的食物。 然而，遺憾的是，各位同學可曾看過消費市場上有任何「黃金米」販售？沒有！為什麼呢？因為有些轉殖的基因早已被生技公司註冊了專利，若要大量推廣貧困地區栽種，這些地區的民眾無法負擔龐大的專利使用費，這也是為什麼黃金米自培育出後，始終無法推廣種植，無法達到研發者的初衷。更何況還有行銷通路、政治層次等相關問題，因此生物科技的發展，伴隨著非常複雜的社會與法律問題，其中更不乏許多商業利益和科學研究成果實現的角力。 β-胡蘿蔔素合成酶合成一種維生素A的前驅物-β-胡蘿蔔素 Rice Chromosome 臺灣大學 羅竹芳 金屬硫蛋白提供更多的硫會增加鐵的被吸收 植酸酶破壞「會抑制小腸吸收鐵」的植酸

27 抗(耐)殺草劑(Herbicide Resistance)
EPSP(5-烯醇丙酮莽草酸-3-磷酸) synthetase：植物利用EPSP合成酵素生產芳香族胺基酸 Roundup(農達)： 一種強力除草劑 只要生長旺盛的植物都會被它殺死 Glyphosate：Roundup (農達)除草劑的活性成分、在環境中易分解 Glyphosate (嘉磷塞) : 抑制植物 EPSP 合成酵素活性，使植物無法產生所需芳香族胺基酸而致死 人類不受Roundup(農達)除草劑的影響，因為人類無法製造芳香族胺基酸，人類完全透過所吃的植物中取得。 抗除草劑 GMO 也是農作物中相當常見的遺傳改造植物。殺草劑與如何使植物具抗殺草劑能力的原理如下：植物利用 EPSP 合成酵素生產芳香族胺基酸，殺草劑可抑制植物 EPSP 合成酵素活性，使植物無法產生所需芳香族胺基酸而致死。 科學家知道，有一種 EPSP synthetase，這是一種酶，植物需要利用這種酶來合成它的必要氨基酸-芳香族氨基酸。也就是 EPSP 合成酶是芳香族氨基酸合成途徑中的關鍵酶。 除草劑裏面的主要的成份，是 Glyphosate-嘉磷塞，生長中的植物需要產生很多蛋白質，嘉磷塞會破壞 EPSP synthetase 這種酵素，使植物無法製造蛋白質，最後植物因無法製造出所需的芳香族胺基酸而致死。 人類沒有這個基因，我們也不會產生這種酵素，人類所需要的芳香族氨基酸完全來自於植物。所以科學家找到一個安全的方法--這種除草劑對我們人類無害，但是對植物有害。

28 抗(耐)殺草劑轉殖植物 由細菌找到突變的EPSP 合成酵素基因 (和正常只有一個鹼基不一樣)
將細菌的EPSP合成酵素基因 轉殖到植物，結果對Roundup (農達)除草劑有抗力 科學家-遺傳工程人員經過篩選了上千種生物體後才發現有一種細菌在 Glyphosate (嘉磷塞) 的存在下可以存活 科學家將細菌的 EPSP 合成酵素選殖出來，它跟原來植物裏面的 EPSP 合成酵素，只差一個核苷酸，只差一個核甘酸的突變，這種 EPSP 就不怕除草劑的活性成分。 科學家將突變的 EPSP 轉殖到植物，於是轉殖植物對除草劑便具抗力。 思考：利用除草劑抗性植物改革農業有幾個好處： 生產農作物的成本降低，農人不需要多花錢買肥料讓雜草共用。農作物對農藥有抗性，所以不需費時費經費除草。 也由於不需要犁田除草，而嘉磷塞是一種進步的除草劑，它在環境中會分解，所以表層土地的肥力無減少之虞，土壤也不至於被侵蝕，事實上土壤被侵蝕是美國環境所面臨的最大挑戰。 是否使用後，未來也將無害處，此點值得探究和追蹤。

29 生物科技與智慧財產 基因轉殖的很多的例子，就是要長得快，要長得肥，可是實際上現在真正在農業生物科技裏面，我們要競爭的是品質。在應用方面目前也有顯著的發展成果。 蕃茄與草莓等都是容易過熟而腐壞的水果，應用 GMO 科技，科學家可以增加這些易腐壞水果的保存期，也可以植入多種基因讓農產品帶有更多營養。 在畜產方面，應用 GMO 科技，科學家可以減低牲畜的肉類中飽和脂肪酸的含量，讓消費者食用時更安心、健康，這些都是 GMO 在食品產製業上可以提供的貢獻。GMO 仍造成正反兩極的評價與爭議，但是不可諱言地，GMO 不但早已出現在我們生活中，未來仍將以各種形式出現。 具有抗破壞小麥根部真菌病的的免疫小麥。 螢光魚 關於生物科技的其他應用性以及關於遺傳資源的智慧財產議題 到底生物技術與智慧財產如何平衡？智慧財產需要要被保護，保護過當會將會阻礙科學進步、醫療發展，甚至剝奪大眾福祉，使得智慧財產反倒成為壟斷的利益，但是若不加以保護生物科技的智財權，研發者又將失去保障，結果無人願意開發？這是生物科技與智慧財產目前必須要解決的新興議題。

30 基因改造失敗豬（影片0”49） 自然篩選-看好唯一能表達基因的母豬，因為子代將遺傳母親的性狀，並導致更高的後代育成率。
基因改造失敗豬影片概述：美國研究中心在豬的DNA中加入『生長激素的人類基因』以便得到大且精瘦的豬。結果卻造成豬隻胃潰瘍、肺炎、心臟、肝臟及腺體腫大、不孕、癱瘓等病變，這個教訓值得謹記！ A New Theory for the Evolution of Genomic Imprinting. Gross L, PLoS Biology Vol. 4/12/2006, e421. 自然篩選-看好唯一能表達基因的母豬，因為子代將遺傳母親的性狀，並導致更高的後代育成率。

31 人類基因體計畫(Human Genome Project; HGP)簡史
1985：美國能源部( US DOE )提出構想 1990：美國國會通過30億美元的經費，由國家衛生院( NIH )領導執行15年計畫(六個國家之二十個中心組成聯盟) 1998：定序科技的突破(快速、自動化功能)；民間公司參與競爭 2000：完成人類基因體初稿( Human genome rough draft published ) 2003：宣告全完成人類基因體定序( finished sequence ) 有關「人類基因解碼」：1985年，美國能源部 ( US DOE ) 提出本構想，當時輿論覺得這是奇想，而且要花很多的經費與時間。 可是在 1990 年，美國國會終究通過了三十億美元的經費，以美國的國衛院為首，執行為期 15 年的計劃， 1998 年後期，由民間公司參與競爭，整體研究的速度快速增加，因為有快速的，自動化的定序儀器問世，可以使用很便宜的方法，快速的定出大量序列： 當有商業競爭投入時，世界整體研究速度可加速。 新技術的開發。 民間的公司加入-1998 年起由於定序科技的突破，一間名為塞勒拉 (Celera Genomics) 的民間公司進行投資參與競爭。由於塞勒拉以商業利益為著眼考量，其定序成果皆屬該公司之專利，引發極大輿論爭議。後於英美政治領袖斡旋調停下，塞勒拉同意放棄部分商業利益。 2000 年人類提早完成人類基因圖譜的初稿，所謂初稿，意味有些位置還無法連接。 2003 年人類基因圖譜完成，整個基因體序列宣告解碼。

32 人類基因圖譜之影響 後基因體時代來臨： 新的醫藥及分子檢驗試劑之發明
個體治療觀念（Single Nucleotide Polymorphism） 農林漁產品之改良 環境應用 法醫之診斷 道德，法律及社會問題（Ethical, Legal, Social Issues, ELSI） 人類基因圖譜完成後，在醫療上雖可提供重要貢獻，但是隨之而來的道德、法律及社會問題 （Ethical, Legal, Social Issues, ELSI） 也在後基因體時代成為全體人類的新興議題。

33 加拿大東部－紐芬蘭島 接下來向同學們介紹發生在加拿大東部紐芬蘭島的真實案例，遺傳疾病的悲劇與人類遺傳資源的財產權及科學倫理的爭議議題。

34 加拿大東部紐芬蘭島的特色 據 NHK2004/02/05的報導
當地人的特色： 大半都是17－19世紀間從英國或冰島移民而來。 以捕魚、森林、石油維生，生活辛苦。 居民很少和外界接觸。 總共約有 25,000 人的封閉型社會。 具有第四個資產－罕見的人類基因資料( 因為人民都有相同的遺傳性疾病 ) 。 紐芬蘭島: 屬於一個兩萬五千人的封閉社會。 長期近親通婚，造成隱遺傳缺陷性基因呈現且頻率相當高。 遺傳缺陷所帶來的遺傳疾病無法根治，但是這樣的遺傳樣本，可以拿來與正常人的基因比較研究，了解遺傳疾病。在紐芬蘭島，居民有特殊資產-人類的基因資料 (遺傳缺陷)，世界各地的科學家、民間研究團體、大藥廠爭相索取血液樣本，至於結果卻不一定會讓受試者瞭解。

35 事件 十年前，美國德州一個民間研究所到紐芬蘭島上做基因的研究，並且由當地的醫生協助，總共研究 1,000 個過去有心臟病的人的資料。
案例：2004 年，2/5 NHK 的報導：1993年，一個民間的研究所到紐芬蘭島進行人類基因與遺傳研究。當時當地的醫生亦熱心地協助，同時紐芬蘭島也提供了1000人過去的心臟病史，這些醫學與人口資料都非常珍貴，研究者根據遺傳法則畫出族譜以預測和研究相關遺傳疾病。

36 1993年研究計畫的通知 調查人：由當地紐芬蘭的醫生負責 調查目的：瞭解心臟病發生的關係原因 調查項目：
心臟病發生與遺傳 親屬罹病情形 遺傳法則 人民不完全知道檢查項目，只記得被採血 研究者想要知道心臟病與遺傳的關係，如果這種關係符合遺傳法則 (由基因控制)，就可排除因為食物或是生活習慣引起的問題。 在一九九三年，島上居民非常配合，讓研究者抽血，也做了心電圖， 結果： 對於這起事件，媒體以「德州吸血鬼」稱呼該民間研究機構。 民眾普遍的反應認為，該民間研究機構只注重自身的研究，而未盡到告知被檢測者本身遺傳疾病的義務，將被採樣民眾的健康擺在自身做科學研究的利益之後，甚至耽誤接受醫療的機會。 然而，該民間研究機構卻主張：『他們只是進行科學研究而非醫療單位。』 就生物倫理或醫學倫理的觀點而言，該研究機構並未善盡研究上的倫理規範與準則，也就是說並沒有考慮到被研究者應該從研究得到得助益與治療。 然而，如同紐芬蘭島島民的無奈心聲，他指出，如果對後代有所幫助，他還是願意提供自己的遺傳樣本供科學研究。由此可看到在過渡階段需要兼顧研究成果與掌握並告知受測者可能罹患遺傳疾病之間的兩難。而島民為了家人的健康問題，願意付出多麼大的委屈以求得到生機。

37 生物倫理學家的意見 假如發現受檢查的人發生某種病，工作人員有義務告知對方，在檢查中發現受試者（合作檢查的人）可能會發生某種病，也應該要採取預防治療措施。 調查工作應以符合倫理的手段進行，而讓島上的人也應被禮遇得到一種利益，讓受試人民提前做預防或適當的治療工作。 生物倫理學家根據『研究倫理』提出以下觀點： 做檢測或研究的人，在檢查中發現合作檢查的受試者，健康可能問題的時候，研究者雖不一定具備醫療能力，但有告知受測者的義務，使受測者能夠有時間採取預防的措施，而非以科學研究當藉口隱藏研究資訊。 調查研究工作應該要以符合倫理的方式來進行，也應該要由法律的規範適度限制。但是無論當時的加拿大或當今的台灣，與遺傳資源相關的法令仍是匱乏不足的，而研究人員對於生物研究倫理的知識仍尚未普及，並且未將其視為一種道德的表現。

38 思考 當面對： 『紐芬蘭這個地方，是研究遺傳性疾病的天堂！』的說法時： 媒體到底應該扮演甚麼樣的角色？
從事這專案研究檢查的人，應該要按照倫理道德來進行檢查 。 檢查的結果，應該告知當地人，還給她們一個公道，讓他們受益、瞭解有什麼病、怎樣去治療，這樣才是正面的調查目的。 加拿大根本沒有法律約束檢查的內容。但基因的調查，應該要有一定的法律規範。 人本思考與科學發展之間的平衡點 媒體：處理新聞，應如何主持正義並以客觀不偏頗的角度呈現事件始末，讓雙方可以做更有效的溝通且都有利益。 從事科學檢測的人員，該有那些倫理道德，依照甚麼途徑和方法進行研究，並且有合適的檢查公布機制，讓受測者可以藉由配合研究，對自身健康和疾病的防治得到良好的協助與認識。 應該為基因的調查建立健全的法律規範，以避免研究發展侵擾受測人的人權和被告知結果以便掌握治療先機的權益，讓人類社會中應該被保障的基本權利和科學的發展不會相牴觸、衝突甚至對立，彼此可以相輔相成。 其他：在臺灣，中研院也曾經對民眾採血建立遺傳資料庫，如今該計畫已開始在衛生署監督下初步執行。

39 參考書目 Neil A. Campbell, Jane B. Reece, Lisa A. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Robert B. Jackson (2008). Biology . Eighth edition.Chapter 15.page286~301. San Francisco: Benjamin Cummings. Neil A. Campbell, Jane B. Reece, Lisa A. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Robert B. Jackson (2008). Biology . Eighth edition.Chapter 38.page815~817.San Francisco: Benjamin Cummings. Neil A. Campbell, Jane B. Reece, Lisa A. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Robert B. Jackson (2008). Biology . Eighth edition.Chapter 20.page396~422.San Francisco: Benjamin Cummings.Peter H. Raven, George B. Johnson (2002). Biology. 6th edition, Chapter 19. Boston Burr Ridge: McGraw Hill. Peter H. Raven, George B. Johnson (2005). Biology. 7th edition, Chapter 16. Boston Burr Ridge: McGraw Hill. Page 39 Page 39 39

40 參考網站： Page 40

41 參考影片 National geographic基因複製 Discovery 基因工程 Discovery 基因的秘密
Discovery DNA人體解碼 NHK 基因的研究，2004年2月14日 Page 41 Page 41 41

42 版權頁3-1

43 版權頁3-2

44 版權頁3-3

45 本 ppt 內『引用圖片』之資料來源 GNU Free Documentation License, Version 1.2 or any later version published by the Free Software Foundation 請註明本著作採用GNU Free Documentation License, Version 1.2 or any later version published by the Free Software Foundation. 遵循其規定。並標明作者、網址。 WIKI -This image has been (or is hereby) released into the public domain by its author. 請註明本著作採用WIKI public domain 相關條款。 創用CC-Creative Commons 請註明本著作採用之創用CC授權條款， Page 45 45

46 版權頁面說明 圖片若出自相關的『自由分享媒體資料庫』，該圖片資料將標明使用規則標記、圖片網址出處、作品創作年、作者名。
圖片若非出自相關的『自由分享媒體資料庫』，而該圖片又不屬於本PPT創作者，本PPT創作者雖已獲同意並經授權使用，然並無再授權之權利，凡此類圖片皆附有特別標記，使用者如需引用請遵循下列原則： 請按版權頁說明上的授權規則，聯絡圖片所有權人。 若有該圖片出處網址，則詳情請參考該網址版權頁中之引用原則。 除另有標示，本PPT內容之相關圖片皆採用創用CC「姓名標示－非商業性－相同方式分享」台灣2.5版 Page 46 46