老葉的植物王國

  阿拉伯芥。圖片來源： 維基百科 阿拉伯芥（ Arabidopsis thaliana ，又名擬南芥）因為植株小、種子多、基因體小、生命週期短、基因中內含子（intron）不長，在最近這幾十年來成為很受歡迎的模式植物（model plant）。這種原生於歐亞非三洲溫帶的野草，在野外也存在著不少的生態型（ecotype）。 收集阿拉伯芥在野外的生態型並進行研究，已成為瞭解基因功能的方法之一。最近英國的研究團隊研究在瑞典收集到的191個阿拉伯芥的生態型，找到一個對生物時鐘（circadian rhythm）影響相當大的基因。 研究團隊先在攝氏22度下將幼苗於12小時光照/12小時黑暗的循環下培育到14天大，接著便以24小時光照的狀況於攝氏22度下觀察植物的生物時鐘。結果發現不同生態型的阿拉伯芥的生物時鐘長度差異可達4.42小時：最長的為25.7小時、最短的為21.28小時。 綜合觀察發現，具有短週期的植物多半分布在北方，具有長週期的植物多半分布在南方。植物所在的海拔高度，對週期的長短沒有影響。南方的植物遺傳多樣性較高，基因體較小；北方的植物遺傳多樣性較低，基因體較大，且有較多的抗旱基因。研究團隊認為，遺傳多樣性的不同可能是因為過去冰河曾覆蓋北方較久的緣故。 進一步研究週期最長與最短的生態型發現，一個稱為 COR28 （cold-regulated gene 28）的基因在第58號胺基酸上的不同，對於週期的長度有很大的影響。由色胺酸（tryptophan，W）變為絲胺酸（serine，S）使得週期長了1.29個小時。這個基因在阿拉伯芥中過去曾發現與開花時間、抗凍以及生物時鐘有關。從色胺酸到絲胺酸的改變，不僅造成週期變長，開花時間也變晚了。 近年來的全球暖化，造成植物可在更高緯度的區域生長；但是更高緯度的區域其日照週期較長，對許多農作物的生長發育會造成影響。這個研究找到了單一基因可影響生物時鐘的長度，未來或許可進一步應用在作物的改良上，讓更多的作物可以在北方生長茁壯。 參考文獻： Hannah Rees, Ryan Joynson, James K.M. Brown, Anthony Hall. Naturally occurring circadian rhythm variation associated with clock gene loci in Swe...

  藍綠菌 S. elongatus PCC 7942 圖片來源： 維基百科 因為地球的一天大約是24小時，所以地球上的生物，除非一直生活在暗無天日的環境中，都具有大約24小時的生物時鐘（circadian rhythm）。雖然生物時鐘運作的機制一直引起許多科學家的興趣，但仍有許多待解的謎題。 藍綠菌（cyanobacteria）的生物時鐘可說是最簡單的了：它只包含了三個蛋白質，KaiA、KaiB與KaiC。其中KaiC是個腺核苷水解酶（ATPase），它即使在試管中也能維持24小時的節律性。 美國德州東南大學的研究團隊發現，將KaiC的第402個胺基酸（在野生種中為酪胺酸tyrosine）突變，可以延長或縮短藍綠菌的生物時鐘。一開始研究團隊是以化學致突變劑甲磺酸乙酯（EMS）讓藍綠菌 S. elongatus PCC7942產生突變，然後從中尋找生物時鐘縮短或拉長的個體。 結果研究團隊發現了一個KaiC的突變株：Y402C（酪胺酸突變為半胱胺酸），這個突變株的生物時鐘拉長為85小時。接著研究團隊測量了Y402C的腺核苷水解酶節律性，發現這個突變蛋白質需要103小時來完成一個循環。 這讓研究團隊非常好奇，於是接著研究團隊把這個位置（402）以其他19種胺基酸來取代，並測量這些突變蛋白質的腺核苷水解酶節律性與生物時鐘長度。研究團隊發現，大致上來說，佔據這個位置的胺基酸體積愈小，該藍綠菌的生物時鐘長度就愈長。不過具有最長的生物時鐘的突變株並不是Y402G（酪胺酸突變為甘胺酸），而是Y402P（酪胺酸突變為脯胺酸）。研究團隊認為，可能是從酪胺酸突變為甘胺酸造成蛋白質結構不穩定的關係。腺核苷水解酶節律性的研究也發現，胺基酸體積愈小，腺核苷水解酶節律長度就愈長。與酪胺酸最相似的苯丙胺酸，其生物時鐘長度也最接近野生種（24小時）。 雖然KaiC在試管中不需要KaiA與KaiB也有節律性，但在藍綠菌中要展現出生物時鐘，KaiA與KaiB是必不可少的。究竟KaiC是如何藉著改變腺核苷水解酶的活性，來影響它與其他兩個蛋白質的互動，達成調節生物時鐘的目的，是研究團隊接下來的重要課題。 參考文獻： Kumiko Ito-Miwa et. al.,PNAS August 25, 2020 117 (34) 20926-20931

圖片來源： wiki 過去對生物時鐘的研究，多半都著眼在轉錄（transcription）作用上，在阿拉伯芥，目前已知有三分之一的基因的轉錄受到生物時鐘的調控；而這些基因則是經由三群時鐘基因（clock genes）經由互相抑制來管理什麼時候要表達什麼基因：早晨基因（morning gene）如CCA1與LHY會抑制如TOC1,LUX,ELF3,ELF4等傍晚基因（evening genes），傍晚基因會抑制PRR5,PRR7,PRR9等白晝基因（day genes），而白晝基因又抑制早晨基因。不過，轉譯（translation）是否也受到生物時鐘的調節呢？ 當信息RNA（mRNA）與核糖體（ribosome）結合時，由於核糖體的質量較大，信息RNA便可以被離心下來；而且越多核糖體連接到信息RNA上（也就是所謂的多核糖體polysome結構）就越重，越容易被離心下來。於是，德國與美國學者組成的研究團隊，利用差異化離心（differential centrifugation）技術，找尋是否植物會在一天中不同的時間合成不同的蛋白質。 他們發現，相對於轉錄，植物的基因只有15%在轉譯時有呈現節律性。在這15%裡面，包括了粒線體細胞呼吸的酵素與核糖體的蛋白質，在晚上的時候產生最多；以及光合作用的光系統I（PSI），在晚上與黎明時產生最多；至於光系統II則在黎明時產生較多。不過，光系統的天線--光收穫複合體（LHC，Light Harvesting Complex）則在白天產生較多。 由於時鐘基因都是轉錄因子，究竟是什麼基因調節這些基因的轉譯呢？這有待進一步的研究。有意思的是，在細胞呼吸中，醣解作用（glycolysis）的兩個重要的調節點：PFK-1（phosphofructokinase）與pyruvate kinase，它們的轉譯也受到晝夜節律的影響。 當研究團隊將植物放在連續光照的狀況下時，他們發現雖然植物的蛋白質的產生還是會有節律性，但這個節律卻不是二十四小時，而是比二十四小時要長一點。而且如果把時鐘基因CCA-1高量表現時，植物的蛋白質產生的節律性，就變得只聽命於光照，不再受到內生性節律的調控了。 參考文獻： Anamika Missra, Ben Ernest, Tim Lohoff, Qidong Jia, James Sat...

濃縮咖啡。圖片來源： wiki 晚餐後，來杯咖啡如何？ 筆者不知道多少人喜歡餐後來杯咖啡，但它可以讓筆者整夜在枕上徘徊！所以，筆者在下午兩點後就不敢喝咖啡了。但是，有多少人知道，其實傍晚的一杯咖啡，不僅會影響睡眠，也會重新設定人體的生物時鐘。 在「科學轉譯醫學」（Science Translational Medicine）期刊中的 一篇研究報告 指出，在睡前3小時接受相當於一杯濃縮咖啡的劑量的咖啡因，平均可造成生物時鐘往後撥40分鐘的效果。 在實驗中，五名志願者在他們的正常就寢時間之前幾個小時，服用咖啡因藥片或安慰劑藥片，然後暴露在昏暗或明亮燈光下，來觀察咖啡因的效果。由於受試者只有五人，因此研究團隊讓每個受試者都接受各組不同條件的測試，使他們可以作為自己的對照組。 結果發現，咖啡因的效果大約等於置身於明亮的燈光下的一半強度。研究團隊同時也發現，以人體細胞株來接觸咖啡因，也可以造成生物時鐘延長的效果。 不過，既然咖啡因可以調整生物時鐘，這也意味著在長途旅行後，若能抓對時機喝咖啡，可以幫助人們更快地調整時差。所以，對於那些喝咖啡會失眠的人來說，或許只有長途飛行後才能在晚餐後「來一杯」吧。  參考文獻：  Gretchen Vogel. 2015/9/16. Coffee disrupts the body’s internal clock . Science Now.