1、周成功長庚大學生命科學糸99年3月8日,後基因體時代的生命科學,Life Science in the Post-genome Era,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,多細胞生物的誕生,細胞間的結合柔軟的黏合蛋白或堅固的細胞壁細胞結構與功能的分化生殖的方式生殖細胞與體細胞身體型態的發育,Acquisition of chloroplasts,Unicellular ancestor of plants,在這裡還有那一類的多細胞生物沒有被提到？,joanna8555,Jim Hammer,高慧芸,生命如何從簡單走向複雜?,多細胞生物的誕生,細胞間
2、的結合柔軟的黏合蛋白或堅固的細胞壁細胞結構與功能的分化生殖的方式生殖細胞與體細胞身體型態的發育,Fucus,Nereocystis,The Brown Algae,MulticellularAccessory brown pigment Giant kelp that can be over 100 meters long.,Teun Spaans,Jerry Kirkhart,植物從海裡走向路地的挑戰與對策,得到足夠的水及養分 + 固定防止過多水分的蒸發競爭與困境？輸送系统種子與孢子花及果實：為了誰？,Thalloid liverworts,Leafy liverwort,George Sh
3、epherd,植物從海裡走向路地的挑戰與對策,得到足夠的水及養分 + 固定防止過多水分的蒸發競爭與困境？輸送系统種子與孢子花及果實：為了誰？,Fern Sori,Luinfana,Forest & Kim Starr,Sorus,indusium,Sorangia,Frank Vincentz,植物從海裡走向路地的挑戰與對策,得到足夠的水及養分 + 固定防止過多水分的蒸發競爭與困境？輸送系统種子與孢子花及果實：為了誰？,Nemos great uncle,植物從海裡走向路地的挑戰與對策,得到足夠的水及養分 + 固定防止過多水分的蒸發競爭與困境？輸送系统種子與孢子花及果實：為了誰？,The pr
4、ivate life of plants-The seeds of a dandelion begin their flight,aussiegall,oceandesetoiles,The private life of plants-South African ants hauling the seed of a plant down into the underground nest, in order to eats its coating(p24),The private life of plants-The fearsome seed-pod of the African grap
5、ple plant (p23),植物的挑戰與對策,光合作用使能量來源不虞匱乏!安全成為首要考量建立細胞壁來保護自己失去了移動的自由失去了移動的自由的後果如何避免外界(動物)造成的傷害？完全再生的能力如何尋求交配的對象？世代交替風或動物如何彼此溝通(inter and intra communication)？氣體分子,周成功,動物的挑戰與對策,不能行光合作用，能量必須靠獵殺其他的生物 植物或動物!如何快速獵殺其他的生物而不致被其他生物獵殺？神經及運動系統氧氣及廢物的輸送體液幫浦接觸面積吸附蛋白,One hypothesis for origin of animals: colony of id
6、entical cells evolved into a hollow sphere.The cells of this sphere then specialized, creating two or more layers of cells.,周成功,李承維,早期動物進化的一些關鍵步驟,外胚層,內胚層,外胚層,內胚層,消化腔,中胚層,外胚層,內胚層,Burgess Shale,Smith609,Burgess Shale Fossils,Anomalocaris - an arthropod-like predator,Erik Segerdell,Nobu Tamura,Opabinia
7、 a “problematic“” member of the Burgess fauna,Burgess Shale Fossils,Olenoides serratus - a trilobite group ofextinct Arthropods). Trilobites were themost successfulCambrian group.,Burgess Shale Fossils,copyright (c) UCMP,Pikaia - a Burgess Shale fossil from 530 mya is the first known Chordate.The ve
8、ntral nerve cordis a precursor to thevertebrate backbone.,Nobu Tamura,Captmondo,Scorpion451,Hallucigenia another “problematic” fossil,Ghedoghedo,Cambrian Animals from the Burgess Shale,Fossilized animal embryos from Chinese sediments 570 million years ago.,Shuhai Xiao, Yun Zhang& Andrew H. Knoll (19
9、98) Nature391, 553-558,Acquisition of multicellularity,在這裡還有那一類的多細胞生物沒有被提到？,joanna8555,Jim Hammer,高慧芸,演化樹（phylogenetic tree）,最古老的兩界（kingdom）觀：動物 （Animalia）植物 （Plantae）改良的五界觀：動物 （Animalia）植物 （Plantae；包括藍綠藻 原核）真菌 （Fungi）原生生物（Protists；單細胞的真核生物）單原生物（Monera；單細胞的原核生物）較新的兩個超級界觀念：（風行約三十年）真核生物 （Eukaryotes）原核
10、生物（Prokaryotes；細菌？）最新的三領域（domain）觀念：真核生物 （Eucarya; eukaryotes）真細菌 （Bacteria; eubacteria）古生物（Archaea; archaebacteria古細菌）,從複雜的個体、族群到生態圈是競爭還是合作？,食物,交配,陽光和水,競爭：生命中無可逃避的宿命！,Corey Leopold,Rob & Dawn Shrewsbury,Jezzebelle,Waugsberg,Waugsberg,自殺的工蜂為了保護蜂巢,為什要合作？,都是基因惹的禍:自私的基因！Richard Dawkins: The Selfish Gen
11、e,Pablo Costa,無私的個人與自私的基因,Parent birds feed their chick,Mike Baird,無私的行為源自於自私的基因！,Altruistic donor individual,Selfish “helping” gene,李承維,基因與個体間的関係,在生殖的過程中完成複製.,身體是DNA的載具，它所有的作為都是在保存並散播DNA。,DNA,Organism,完美的利他主義者如何解釋這種完全利他的生命行為？,Rafael kage,W.D. Hamilton (1936-2000),完美的利他主義者如何解釋這種完全利他的生命行為？,去幫助蟻后 (姐妹，
12、R = 0.75)；比照顧自已的後代 (R = 0.5) 更划算！,Rafael kage,合作是生物世界中的常態嗎？,當然不是！任何團体中都會有吃飯不作事的投機份子。,多細胞生物的源起：單個細胞合作的成果！,黏菌世界中的投機分子：只想成為孢子，而不願成為犧牲自已的支柱細胞！,周成功,生物世界如何對付投機分子？,投機分子多半由於某些基因的損傷。這些基因多半身負多重功能。黏菌的投機分子單獨存在時，遇到惡劣環境往往無法正常發育分化成為孢子！此處得了便宜，它處必然得付出代價。,生物學：一亇帶着歷史經驗的科學,“Any living cell carries with it the experienc
13、es of a billion years of experimentation by its ancestors”“ A physicist looks at biology” Max Delbruck, 1949,Nothing in biology makes sense except in the light of evolution.,T. Dobzhansky 1900 - 1975.,23對染色體 (22對体染色體加上對性染色體)攜帶了2組(一組來自父親，一組來自母親) 約30億個遺傳密碼，組成約23,000個基因。,周成功,人 類 基 因 體 計 畫,開始日期：1990 年 1
14、0 月 1 日基因體已完全定序之生物（Mb 百萬鹼基）流感嗜血桿菌 1.8 Mb1995酵母菌 12.1 Mb1996大腸桿菌 4.6 Mb1997線蟲 97.0 Mb1998果蠅 180.0 Mb1999人 3,164 Mb 2003,流桿菌酵母菌線蟲果蠅人類,基因組大小(百萬鹼基) 基因數,1.8 12 97 180 3,164,1,709 6,241 18,425 13,60020,488 (2007),人類有多少基因 (遺傳程式)?,Nature 409: 860 921; 2001,誌謝: Four of the groups that contributed particularl
15、y significant amounts of data were: S.-F. Tsai (蔡世峰) of National Yang-Ming University (陽明大學), Institute of Genetics (遺傳研究所), Taipei, Taiwan, Republic of China,人類基因組序列究竟可以告訴我們些什麼？,人之所以為人的道理！,人之異於禽獸者幾希?,Fred Seibert,Thomas Lersch,感染愛滋病毒但不會得到愛滋病不會受到瘧疾原蟲的感染沒有月經周期很少有心臟血管疫病很少有愛斯海默症很少有上皮細胞的癌症,黑猩猩和人究竟還有那些不同
16、？,從基因組的資訊看生物間的演化,Socar Myles,The Pung Father,noyminx,Jungleboy,AGAGTTCTGCTCGAGGGTTATGCGCG,每個人都不同,身高/體重/相貌生病的型態對葯物的反應 X Y Z ,遺傳資訊多樣性 A B C D,(身分證號碼 ),遺傳資訊多樣性決定了我們每一個人的體質！,李承維,遺傳易感受性 (genetic susceptibility),allele 1: 50%allele 2: 50%,allele 1: 83%allele 2: 17%,李承維,透過遺傳標記與罹病族群的比對，來尋找致病基因,罹病族群:,控制族群:,C
17、harles Roffey,Marciela,乳糖耐受性的表徵可以在世界不同地區人群中獨自產生,C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6,乳糖分解酶所催化的反應,李承維,周成功,全世界乳糖不耐受性族群的分佈,Jurvetson,初生時給你一張大表： 告訴你所有的risk 全然設計的生活型態 終身依循的準則,未 來 預 防 醫 學 景 象,人類基因組定序告訴今天的我擁有那些遺傳資訊,但是它沒有告訴我們的過去！人是怎麼樣演化出來的？,1 page = 1 stretch of DNA (gene),Diversity,Single Nucleotide Polymorph
18、ism (SNP),Copy Number Variants (CNV),1 copy,4 copies,Wae attili,Mouse,Edward Simpson,Moose,David Hall,Chromosome 4,Perry et al. Am J Hum Genet 82:685-95 (2008),單一核苷多樣性(Single Nucleotide Polymorphism : SNP),0.1% : 不同人基因組之間的差異,兩大類型的遺傳變異,基因套數變異：(Copy Number Variants：CNV),0.4% :不同人基因組之間的差異,6 copies of a
19、mylase gene,10 copies of amylase gene,12 copies of amylase gene,Iafrate, Feuk et al. Nature Genetics, 2004,一般人平均的基因套數,基因套變少,基因套數變多,8,7,6,5,4,Low-starch diet,High-starch diet,Biaka,Mbuti,Hadza,Datog,European-America,Yakut,Japanese,澱粉水解酶的基因套數,食物中澱粉高低不同的族群分佈,“遺傳程式是歷史的產物，它可以一直回朔到生命的起源。所以今天我們所擁有的遺傳程式其實溶入
20、了我們所有祖先的演化經驗！”,“Is biology an autonomous science?” Ernst Mayr 1985,Thomas Lersch,周成功,參考自Huxley (1863),Kees de Vos,Eric Kilby,sly06,Thomas Lersch,Evanmaclean,Dick,TKnoxB,？,Old World monkeys (e.g., Rhesusu monkey),Gibbons,Orangutan,Gorilla,Common chimpanzee,Bonobo (pygmychimpanzee),Human,Macacamulatta
21、,Hylobates,Pongo pygmaeus,Gorilla gorillla,Pan troglodytes,Pan paniscus,Homo sapiens,Old world monkeys, apes, and humans,Great apes, and humans,apes, and humans,African Great apes, and humans,參考自Sarich and Wilson (1967),Kees de Vos,Eric Kilby,sly06,Thomas Lersch,Evanmaclean,Dick,TKnoxB,0,10,20,30,Ti
22、me (millions of years),Commom ancestor,Gibbons,Orangutan,Human,chimpanzee and Bonobo,Gorilla,Old World monkeys,參考自Stauffer et al. (2001),Dick,Thomas Lersch,TKnoxB,sly06,Eric Kilby,Kees de Vos,Million years ago,10,20,30,0,Human,chimpanzee,Gorilla,Orangutan,Gibbons,Old World monkeys,基因組序列比對告訴我們人、黑猩猩、巨
23、猿與紅毛猩猩在演化上的關係,Kasserman et al (2001) Nat. Genet. 27: 155-56,1997年尼德安持人骨(30,000 年前!)中粒腺體 DNA 序列定序(378 bp) 對比完成,Ovchinnikov et al. (2000) Nature 404, 490-493,Krings et al. (1997) Cell 90, 19-30,現代人的粒腺體 DNA與尼德安持人的粒腺體 DNA序列非常不同人與尼德安持人沒有親源的關係！,Krings et al. (1997) Cell 90, 19-30,百分之一點四到百分之四!,Fred Seibert
24、,Thomas Lersch,感染愛滋病毒但不會得到愛滋病不會受到瘧疾原蟲的感染沒有月經周期很少有心臟血管疫病很少有愛斯海默症很少有上皮細胞的癌症,黑猩猩和人究竟還有那些不同？,Fred Seibert,Thomas Lersch,Fig. 2. Cytogenetic analysis of human and great ape chromosomes. Human chromosome 2 (a) and equivalent chromosomes from chimpanzee (b), gorilla (c) and orangutan (d) are shown in the l
25、ate-prophase (1000 band stage).,自從人與黑猩猩在演化上分道揚鑣後又發生了什麼事?,Hacia (2001)Trends in Genetics17, 637-645,(a)人類第二套染色體(b)黑猩猩其中一套染色體(c)巨猿其中一套染色體(d)紅毛猩猩其中一套染色體,染色體融合事件,Changes in gene expression(Enard et al. 2002),Hydroxylase,human,chimp,gorilla,mouse,A 92 bp deletion in the CMP-Neu5a hydroxylase is specific
26、to the human lineage,ATG,Sialic Acid 大不同 Chou et al. (1998) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 95, 11751-11756,N-Acetylneuraminic acid (Neu5Ac),N-Glycolylneuraminic acid (Neu5Gc),ATG,ATG,ATG,黑猩猩不會受到人類瘧疾原蟲的感染的原因？,Thomas Lersch,Angels,Neu5Ac,Neu5Gc,Human 1 CAAGTCCAATCTATGACATCAATTATTATACATHuman 2 CAAGTCCAATCT
27、ATGACATCAATTATTATACATHuman 3 CAAGTCCAATCTATGACATCAATTATTATACATHuman 4 CAAGTCCAATCTATGACATCAATTATTATACATChimp 1 CAAGTCCAATCTATGACATCGATTATTATACATChimp 2 CAAGTCCAATCTATGACATCGATTATTATACATChimp 3 CAAGTCCAATCTATGACATCGATTATTATACATGoril 1 CAAGTCCAACCTATGACATCGATTATTATACATGoril 2 CAAGTCCAACCTATGACATCGATTA
28、TTATACATGoril 3 CAAGTCCAACCTATGACATCGATTATTATACAT,What about organism specific substitutions?,參考自http:/sayer.lab.nig.ac.jp/silver/,C-C chemokine receptor (nucleotides 1 to 60),Problem: How can we make a conclusion based on one substitution?,文明病的演化根源：節檢基因,暴飲暴食的体質我們的身体是過去幾十萬年演化出適應蠻荒生活的需要食物缺少，取得困難胰島素的生理功能：儲存、充份利用文明社會的病徵：肥胖與胰島素抗拒胰島素與長壽,版權標示頁,
