Physics 版 (精华区)

发信人: ebook (pdf), 信区: Physics
标  题: 生物物理研究的个人心路历程(二) (zz)
发信站: 哈工大紫丁香 (Sun Dec 29 11:54:03 2002) , 转信

 

生物物理研究的個人心路歷程(二)
－與蒲慕明、葉公杼及詹裕農的訪談紀錄
吳文桂
國立清華大學生命科學院院長
E-mail: wgwu@life.nthu.edu.tw
細胞是生物體組成的最基本單位，它一方面藉由胞內的DNA所攜帶的基因訊息，複製後代

，
另方面則藉細胞膜上的蛋白質、醣類、或脂質等分子，來進行能量的攝取，偵測胞外的環


境，並將此訊息在細胞內及細胞間進一步地傳送，促使細胞做出適合生存及發育的適當反


應。如果說細胞的先天環境由DNA的訊息來決定的話，那麼細胞對後天環境的反應，則主

要
由細胞膜上的分子來進行。
為使得細胞能對環境做出快速的反應，細胞膜的半穿透性質，允許細胞進一步控制胞內的


生物分子，維持一定的組成及濃度，例如，生物細胞內外的陽離子，分別由鉀及鈉離子組


成，這種藉由薄膜所產生的離子極化作用，使得細胞膜產生一定的膜電位。當環境改變時


，細胞膜利用它本身調控細胞內外離子濃度的能力，也調控了膜電位。神經傳導，細胞運


動，甚或人類的五官知覺，都是在類似的細胞膜電位變化下產生的。
了解細胞膜控制離子進出細胞的分子機制，是生命科學界在神經科學領域的重要里程碑。


在過去的十年，離子通道的研究，有了關鍵性的突破，不僅其三度空間結構，陸續地被解


出，它的突變或訊號傳遞的異常所造成的病變也一一獲得了解。促成這些進展的關鍵研究


，主要是立基於葉公杼教授和她的先生詹裕農教授在美國加州大學舊金山分校，生物化學


及生物物理學系，所完成的鉀離子通道的分子選殖的工作。
葉教授1968年畢業於台大物理系，博士論文在加州理工學院戴爾布魯克（Max Delbruck）


的指導下完成，她在神經科學領域的學術表現從她自1984年起即擔任美國霍華休士醫學院


（HHMI）研究員，及1996年獲選美國國家科學院院士，可見一般。本篇訪談記錄，從葉教


授由物理領域踏入生命科學研究的心路歷程談起，對於鉀離子通道研究的過程，有不少討


論，相信對於神經科學有興趣的老師及同學可由這篇文章獲得寶貴的資料。
個人與葉教授之機緣主要在1994年間，為了解蛇毒的心肌毒蛋白與鉀離子通道的可能作用


，曾在葉教授的支持下，到她的實驗室進行兩個星期的研究。雖然研究結果並不如原先預


期，但是對於葉教授之樸實及對科學的執著，有了不可磨滅的印象。如果國內能有幾位類


似葉教授專注科學研究的科學家，已過逝的吳大猶教授，大概不會把台灣科學界稱作膚淺


薄弱吧！
本文的整理，在訪談後兩年才進行，心裏一直
■701■ 物理雙月刊（廿四卷五期）2002年10月
愧疚，主要是因錄音時，誤採由音量控制錄音(Voice-activated)的方式進行，許多對話

，
因聲音過小，而中斷。因此整理工作，相當困難，在此對葉教授敬表歉意。
葉公杼訪談紀錄
(一)從物理到生物的選擇
吳：妳在台灣大學時念物理，但到美國後改念生物，是有著什麼樣的原因？
葉：在台灣的教育系統裡，高中學生畢業時，就面臨進大學選擇科系的問題，常常並不清


楚自己到底適合念什麼。我高中時念北一女中的甲組，那時候聽一位同學的哥哥說，大學


中有兩個科系：物理系和電機系，不適合女生，我聽了他的話實在很生氣，也很不服氣，


因此就賭氣決定要念這兩個科系！其實我在高中時很喜歡化學，也花比較多的時間，不過


後來聯考考上物理系，就很少再碰化學了。
當然另一個主要原因是李政道和楊振寧在我進中學前得到諾貝爾物理獎（1957），這件事


對我，相信也對很多其他的人有很大的影響，導致很多人選擇念物理系。我於台大物理系


畢業後，申請到美國加州理工學院物理系。選擇加州理工是因為他們的高能物理很強。

在物理系一年之後，我轉而念生物，做這個選擇只是一種感覺，並不是真的了解生物領域


的研究範疇及重要。當然這種感覺的產生是來自週遭的環境，一是因為受到宿舍裡同學的


影響，那時在同宿舍的，不僅有物理系的同學，也有學生物的，與物理的領域相較，經常


可以感覺到生物系同學，令人鼓舞、興奮的對談及對未來展望的樂觀態度。另外一個原因


則是，受到戴爾布魯克的影響。每個星期物理系都有固定的演講，他邀請柏克萊加州大學


的一位曾經得到諾貝爾獎的分子生物教授到物理系，聽了這場演講後，我加深了我的感受


。
吳：戴爾布魯克那時已拿到諾貝爾生理獎嗎？我們知道他早期也是學物理的。
葉：戴爾布魯克本來在德國跟哥廷根的波恩（Max Born）做理論物理研究，在洛克非勒基


金會（Rockefeller Foundation）的支持下，也曾分別到瑞典波爾（Niels Bohr）及蘇黎


士鮑立（Wolfgong Pauli）的實驗室。到美國後，就完全轉而研究生物，在加州理工生物


系扮演著很重要的角色，吸引不少物理系的人轉而研究生物學。他在冷泉港實驗室也開課


，主要運用病毒Phage的研究系統針對沒有生物背景的人提供入門的基礎。他於1969年與A


. Hershey和S. Luria因為對細菌分子遺傳學的貢獻，共獲生理及醫學獎。
吳：當時加州理工物理系的環境與生物系的互動又如何？聽說連理論物理學家費曼也曾嘗


試進行一些生物實驗。
葉：當時加州理工學院的研究環境很好，陣容堅強，對學生的要求也非常嚴格，每年大約


只有一半學生能夠通過資格考試，因此並不是所有的人可以留下來念物理。我雖然通過了


考試，但是仍然決定轉系，那時我的導師在希臘開會，我於是留紙條給物理系指導教授說


明我的決定，教授認為既然可以繼續讀物理，為什麼要轉系。我的回答是我的年齡對學物


理而言太老了！
■702■ 物理雙月刊（廿四卷五期）2002年10月
當時的生物系，在洛克非勒基金會的資助下，由摩根（T. H. Morgan）一手在加州理工學


院建立的果蠅遺傳研究已踏入了分子遺傳的階段，戴爾布魯克的Phage病毒研究也因基因

密
碼的解決，已轉向探討Phyomyces植物的趨光現象。而另外一位物理出身的分子遺傳學家

班
瑟(S. Benzer)則已著手進行遺傳基因對果蠅行為的影響研究，因此生物系是有不少物理

背
景的老師。
事實上當我和其他的同學提出轉系申請時，生物系有些老師持保留的態度，主要因為我們


在生物的領域，實在一點經驗都沒有，但他們還是接受我們的申請。生物系大部分的課程


我都沒有修過，許多基礎的課程，例如植物、動物，並沒有適合給研究所學生選修的課，


因此我們必須自修考資格考，我只得到50幾分，系上也特別通融讓我通過。因為如不通過


，答應我們進入生物系的可憐教授就得為轉系的研究生開此類課程。其他基礎課程，如有


機化學和生物化學則在第一個學期補修。
吳：進入生物系，可以選擇完全生物學領域的研究，但也可以選擇「非常不生物學」的領


域，例如電子顯微鏡或核磁共振儀等方面的研究。身為物理系的畢業生，後者的選擇似乎


容易些，至少我自己就作這個選擇，當時物理生化技術亦正在起飛，妳為何沒有考慮？

葉：我想，一位生物系的老師Jeron Venograde對我的影響很大。他告訴我們作生物研究

必
須用生物學家的眼光看生物學，而不要仍用物理的眼光。我畢業時拿到的學位是「生物物


理暨物理學」，那只是個歷史因素，通常「生物物理學位」是給具有物理學背景的生物系


學生，而我的論文卻是較古典的生物化學研究，學位裡還有「物理學」的名稱只是因為我


已經通過物理系的口試。
吳：妳如何決定「視紫紅質」（rhodopsin）的生物化學研究作為論文題目，又可否談談

當
年研究所資格考的情形。
葉：攻讀博士學位時，我選擇生物學的主要目標，只希望能得到足夠的經驗以及解決重要


生物問題的技巧。在60年代末期，美國學生運動相當活躍，而我之前的博士班學生資格考


，相當地不合理。這個考試為期一週，採取open book的方式，考題很困難，學生整個禮

拜
躲在圖書館找資料寫答案，幾乎不睡覺，有些人甚至靠藥物支持，實在很累。到了我們這


一屆，學生們覺得這個制度很不好，跟教授反應，沒想到竟然獲得教授同意更改考試型態


，並希望我們提出構想，再由教授討論是否可行。因此，最後的決定是要求應考的每個博


士班學生提出一個研究計畫，並且每個人要對其中兩個實驗，由教授進行口試。我當時寫


的計畫就是「視紫紅質」（rhodopsin）的生化研究，所以後來就繼續作相關研究。
(二)兩個不同風格，不同學術領域的博士後訓練
吳：一般而言，我們總是鼓勵博士後研究期間能進行與博士前時期較不同的訓練。你曾待


過的班瑟分子遺傳實驗室，在最近出版有關他的傳記：＜時光，愛與回憶＞，對於他實驗


室的介紹，給人一種非常異樣的感覺。你可否談談博士後研究的重點呢？
■703■ 物理雙月刊（廿四卷五期）2002年10月
葉：第一個博士後研究做了三年，留在加州理工，跟的是班瑟；第二個博士後研究二年是


在波士頓的哈佛醫學院，則跟隨庫夫勒（Stephen W. Kuffler）。
我想我的運氣很好，戴爾布魯克、班瑟兩人各有特色，我跟他們都相處得還不錯。我不知


道班瑟收學生或博士後的標準是什麼，但是大都有很好的表現，我去的時候，他有關控制


時間週期的果蠅基因研究，已有相當的進展，控制果蠅時間週期的突變基因也找到。同時


Bill Harris也建立了如何在細胞內去除特定基因的技術，是個相當令人興奮的時期。
班瑟允許每個人在實驗室裡有很大的自由度進行喜歡的研究工作，例如班瑟的實驗室在我


和裕農之後，才開始進行神經與肌肉系統的實驗，因此他的研究方向基本上可由學生自行


決定的。班瑟早上起床起得很晚，通常午餐是他一天的第一餐，接著便是在實驗室閒聊。


大家做實驗相當地大膽，並非小心翼翼地，唯恐犯錯，而是一有構想，就放手去作，所以


我們基本上是獨立的，也因此找到類似Shaker走路會搖擺的果蠅突變種，在前往哈佛前我


們大致已知這個變種主要是因鉀離子通道突變造成的，提供了我們利用基因選殖方法，將


離子通道的研究推向分子層次的機會。
吳：三年後，妳到哈佛進入庫夫勒的實驗室做第二個博士後研究，妳在許多研究中都用果


蠅做實驗，跟進入庫夫勒的實驗室是不是有關係？
葉：不是的，雖然我們目的之一是想學點更前瞻的電生理的技術，但能不能在果蠅上運用


，完全是未知數。裕農剛開始時和我是不同的研究題目，而我則打算做腦部各功能區域的


標示工作。後來我到冷泉港修了一些課，才又開始作神經與肌肉系統的研究。
雖然我們在庫夫勒的實驗室所做的與果蠅無關，我們心裡一直沒有放棄這個研究方向，事


實上，我們一路由加州開車到波士頓，除帶著剛出生小孩Emily外，在車上就是我們找到

的
突變種果蠅及各種培養皿，到了波士頓，因為無法進行果蠅的實驗，只好將這些果蠅托寄


在Brandis大學J. Paul的實驗室。一直到我們兩年後要回加州時，再全數帶回。
吳：妳在哈佛學習，有沒有什麼事情讓妳印象深刻、比較有趣的事？比如說，實驗室裡有


什麼研究上的新發現？
葉：我們去的時候，庫夫勒在做sympathetic neuron，我們在那邊兩年主要解決Sympathe


tic ganglia中反應較慢但持續較久的EPSP神經傳導物質的問題。有趣的是我們找到與此

反
應有關的生 是完全偶然的，庫夫勒是沙克研究所的研究員，所以他從拉荷亞回來有時總

會
帶回一些有趣的與神經反應有關的生 ，為了加快搜尋的速度，我們經常將兩三種物質加

入
測試反應，有時也不知要加入什麼生物分子，只在冰箱裡拿了就做實驗，等到發現有作用


時才知道LHRH有可能是此EPSP有關的神經傳導物質。庫夫勒每年暑假有二~三個月到Woods


 Hole工作，他回來後，我們大致確定了LHRH可能扮演的神經傳導的角色。但是要真正證

明
它，則必須有更直接的證據，也就是除了要找到一些對抗物去阻斷它的作用，並且也要問


，我們的神經細胞是否真的會釋放出我們認定
■704■ 物理雙月刊（廿四卷五期）2002年10月
的LHRH。解決這些問題最直接的方法是做放射免疫標定實驗，所以接著的時間，都花在這


個實驗方法的建立上。
在班瑟的實驗室，並沒有人進行電生理的紀錄工作，所以我們得花很多的時間設立相關設


備，如今到了一個專門進行電生理實驗的地方，卻因這個偶然的發現，反而進行實驗室裡


不曾進行的放射免疫標定實驗。當時庫夫勒的實驗室卻連個PH meter都沒有，相關實驗進


行的困難是可以想像的。
(三)夫妻檔科學家的甘苦談
吳：你們在哈佛做博士後研究時，小孩剛出生不久，現在都長大了，已經是大學四年級的


學生，很難想像，你們兩個人同時如何能在實驗室和家庭之間兩者兼顧？
葉：我的父親過世較早，母親一直在台灣待到我拿博士學位時，才能跟我們住在美國。她


對我們的幫助很大，小孩還小時，裕農跟我必須輪班做同一個實驗。當時做的是late slo


w EPSP，對神經元的刺激每次長達十幾二十分鐘，實驗中等待的時間很長，而且一大早就


要到實驗室解剖……，到了晚上我倆走路回家吃晚飯，之後裕農再走回實驗室繼續做實驗


，製備物能撐多久就做多久的實驗。我們兩個人彼此支援，同時在家的時間很少。
吳：後來你們應聘到加州大學舊金山分校（UCSF），兩人同時要發展各自的學術研究，如


何帶孩子？我記得A. Kornberg在他的For the love of Ezymes自傳裏曾提及他家小孩較

多
，為能協助太太家務的負擔，他每次出去開會總會帶個小孩隨行。
葉：我們有兩個小孩，剛來這裡時，老大才兩歲，為了小孩，兩人因此約定好不同時出門


開會，通常也自我限制每個月最多出門一次。你知道，我和裕農的實驗室共有果蠅的發育


研究及離子通道的兩種不同研究方向，有了出門次數的限制，雖然早期，我們倆分別在這


兩個主題輪流參加會議，但很快地，我們了解到不太可能做好這件事，因為很多會議及討


論要有延續性較好，慢慢變成我光去Channel（離子通道），裕農則光去Development（發


育學）的會議。
(四)離子通道的基因選殖及結構決定工作
吳：在還沒有運用基因選殖方法探討離子通道之前，所有通道的訊息，主要來自50年代Ho


dgkin和Huxley的電生理研究方法。但是到80年代中葉，Numa的鈉離子通道以及你們的鉀?

x
子通道基因選殖完成後，整個研究進入了分子層次，另一個重要進展則等到二十世紀末的


鉀離通道三度空間結構由Mackinnon陸續完成。從這個觀點看，你們的工作，承先啟後，

為
細胞奠定生理作用的分子基礎，立下了里程碑，可說是典型的突破研究，相信不久的將來


，此基礎研究，將會對許多疾病的病因，提供醫療的分子基礎。可否說明其中與同行的競


爭情形，以及你們花了相當多的時間才完成這個工作，期間所碰到的特殊困難。
葉：我們的工作大致從1983年開始，實驗初期由於沒有基因選殖的經驗，完全不知道怎麼


作，當1986年我們決定Shaker的離子通道蛋白質
■705■ 物理雙月刊（廿四卷五期）2002年10月
的基因次序時，另外有兩個研究群也幾乎同時完成，因此是個相當競爭的工作。第二類型


的鉀離子通道，則又等到1992年才完成。進行基因選殖的工作，有四個必要的步驟：要能


製作DNA片段，能進而頭尾銜接，將重組的DNA引進自我複製的細胞，最後用適當的篩選方


法將含重組DNA的細胞挑選出來。由於我們僅靠著Shaker果蠅突變種所知的基因位置來搜

尋
表達離子通道的DNA片段，並進行選殖，因此必須運用染色體游走（Chromosome Walking

）
，跳躍（Jumping）及推擠（Squash）等不同技巧來達到選殖的目的，進行過程碰到很多

死
角仍是可預期的。
我們有三個Postdoc（博士後研究員）同時進行各種不同的方法，花了相當長的時間才游

走
出20多萬個鹼基配對的區域，到達已知的染色體位置。但是單純使用游走的方法是不夠的


，如果碰到有無法選殖的區域，導致游走不過這個區域，實驗就得停擺。這時，我們就得


試跳躍的技巧，也就是將這些游走不過區域的DNA，頭尾反接，來跳過這個障礙。但是進

行
頭尾反接時，也有可能接錯到原來不在一起的DNA。最後，還好由於果蠅特有的DNA特性，


可以用Squash（推擠）的DNA重組技術來完成，我們終於越過一段無法選殖的一千對鹼基D


NA，達到最後的目的。
但是，我們怎麼知道已經走到要選殖的DNA呢？所幸，當時已有離子通道的DNA次序，而我


們歷經多年選殖的DNA片段，其次序發現與鈉離子通道類似，再加以表達後，鑑定其確實

對
鉀離子有專注性，我們才鬆一口氣。當然，果蠅的Shaker選殖工作完成後，很快地不到幾


個月的時間，我們也完成了老鼠上類似基因的選殖工作。由於有了Shaker的DNA序列，也

因
此讓很多實驗室在不同的細胞裏找到很多類似的離子通道。至於第二類型的鉀離子通道則


又等到6年才完成。與其相似，但受到G蛋白調控的鉀離子通道很快地也不用多久就跟著找


到。
吳：當一個生物醫學的研究進入了分子層次，很自然的，就必須進行該分子三度空間結構


的決定，你們的實驗室既然是第一個將鉀離子通道選殖出來的研究群，為什麼第一個離子


通道的結構卻是由洛克菲勒大學醫學院的Mackinnon完成，而與其相接的細胞內T1區域卻

又
由沙克研究所完成呢？有趣的是，就我所知Mackinnon本身並不是進行X-光繞射的專家，

當
時，美國在細胞膜膜蛋白的結構決定上遠遠落後歐洲，正欲急起直追的時候，Mackinnon

又
如何能在1998年擊敗群雄，脫穎而出？！
葉：Shaker的DNA次序出來後，我們就與這裏的生物物理系進行X光結構研究的實驗室接觸


，由於N端的蛋白質在細胞質內，不是膜蛋白，較容易進行晶體的養成，自然是我們的第

一
個目標。
當然在結構決定前，須要了解它的功能，我們發現當這些離子通道表達時，必須包含同一


類型，才能在細胞膜上組合成完整的離子通道，會不會N端的蛋白質扮演的就是進行組裝

的
功能呢？！我們知道鉀離子通道須要四個分子共同組成，或許N端蛋白質的功能正
■706■ 物理雙月刊（廿四卷五期）2002年10月
是選擇正確通道分子，加以組合。我們現在就把這個區域叫做T1。
我實驗室的習慣是每個人進來時，跟他們解釋那些問題比較重要，新的博士後研究員要做


那些問題，則通常採用班瑟的方式，讓每個人有自己的選擇，而且讓他們有足夠的時間去


發展，直到他們能建立自己的實驗室為止，你知道現在申請計劃都會要求有初步的研究成


果，因此一旦我給了他們這個計劃就很少干預，就在進行期間，UCSF另一位生物物理系的


畢業生到沙克研究室後，得到了第一個T1的晶體。
吳：他有你們選殖出的離子通道系統嗎？
葉：我們一向都會將選殖出DNA片段提供給任何想進行相關實驗的人。當然能夠成為第一

個
完成結構決定的人是相當不錯的，但是從整個科學研究領域的觀點來看，那不是終點，而


是另一個起點。有了晶體結構後，發現T1區域的整體結晶有其特殊的地方，比如在不同分


子的界面埋著帶電荷的胺基酸，而且有些厭水的胺基酸，如Thr有很強的作用，利用這些

訊
息，可以去製作單一胺基酸變異的突變種，進而研究其結構與功能的關聯。目前的感覺是


某些在T1區域介面的胺基酸扮演調控離子通道開關的功能，而不是與穿透脂質膜部份的通


道延伸成拉長的離子通道。
至於有關解出膜部份離子通道的Mackinnon是Christian Miller在Brandies的學生，他的?

d
趣是離子穿透通道的性質研究，他一開始使用一些動物毒素蛋白（Chorgdotoxin）與離子


通道的作用來了解這些問題。但是他能夠決定踏入結晶的新領域並完成結構的工作，確實


是他的功績。當然就時機來講，也相當適合，在那時運用我們Shaker的DNA次序，很多人

也
在細菌裏比對出很多相似的鉀離子通道，適合進行大量生產及置換胺基酸的工作。即使在


我們自己實驗室裏的討論會中，也曾考慮研究細菌產生的鉀離子通道，是個不錯的想法，


另一個可能是使用酵母菌，因此也沒有道理完全採用細菌的系統。目前一個重要且爭辯中


的問題是探討已解出的X-ray結構的鉀離子通道是關閉或是開啟的狀態。
吳：讓我們討論離子通道多樣性的問題。藉著不同鉀離子通道單一分子進行組成不同型的


通道，是有可能達到各細胞間存在有相當程度歧異且可能功能不同的鉀離子通道。但是離


子通道就是這幾種，所須進行的功能也不致有太大的變化，主要就是能讓鉀離子通過。為


何須要有多樣性？葉：舉例來說，實驗室裏的Morgan Shen最近發現在神經細胞上不同的

部
位，有不同的鉀離子通道。他們基本上都屬於由電壓控制的鉀離子通道（voltage-gated

K+ channel），但位於樹突（dendrite），後突觸點（post-synaptic site）與前突觸點


的離子通道，還是屬於不同的分子。最近Cooper利用電子顯微鏡觀察發現，有的鉀離子通


道位於「頸部」，也就是軸突剛開始擴張到與神經細胞彼此相接的地方，該處的離子通道


很可能具有特別的功能，因此各種特異區基於功能，有可能需要這麼多不同的isoform，

來
將神經細胞所傳遞的訊息，傳遞到專一性非常高的目標區域。而且，也可能因
■707■ 物理雙月刊（廿四卷五期）2002年10月
此須要有許多特殊的調節作用，譬如利用不同的活化酵素負責訊號傳遞調控的功能等。在


未來，不只是離子通道，可能各種膜蛋白會發現可以和各種活化酵素、訊號傳遞分子，甚


至細胞骨架，進行不同的組合，而形成超大的不同聚合體結構，不只在細胞的不同區域，


甚至在不同的細胞，都有各種不同功能的多樣性分子聚合體。
 




--

※ 来源:．哈工大紫丁香 http://bbs.hit.edu.cn [FROM: 202.118.229.86]