臺大學術卓越系列報導─生命科學院　木材形成的平衡調控

發現王者之上的王者 -木材形成的平衡調控—生命科學系林盈仲老師

植物次級細胞壁是世界上最大量並且可再生的生物材料，次級細胞壁在莖的木質部累積後形成木材，可用於房屋建築、家具製作、造紙、食品添加物、以及生物酒精能源製造等。木材在製作各種產品時，有許多的障礙和困難。例如：造紙時，木材中纖維若過短，會造成紙張品質低；製作生物酒精時，木材中的木質素會大幅降低木材轉換成酒精的效率。數十年來，如何改善木材品質成為世界許多國家政府一個重要的議題。木材形成是一個多種細胞同時發育成長的過程，其中包含了許多複雜的調控，由於對於木材形成的調控方式尚未清楚，造成木材品質改善窒礙難行。本篇報導中，發現木材形成過程中重要的調節基因，將有助於日後林木育種與木材材性提高的基石。

植物次級細胞壁的合成過程中目前知道有兩個主要調控者SND1和VND6基因，SND1只存在纖維細胞，VND6只存在導管細胞 (圖一)。SND1和VND6分別獨立調控纖維細胞和導管細胞的生長發育。以往的研究沒有發現可以調節SND1和VND6的基因，若SND1和VND6的活性沒有被調控，植物的生長就會受阻而不正常。

圖一: 在植物的莖裡面，有兩種主要的細胞: 纖維細胞和導管細胞。纖維細胞有支撐植物體的功能，導管細胞有輸送水分的功能。

該團隊在2012年時發現SND1在木本模式植物毛果楊中的調控者，我們命名為SND1-A2IR。

本篇研究中，我們發現了VND6的調控者，並且將其命名為VND6-C1IR。我們進一步發現SND1-A2IR和VND6-C1IR同時從在纖維細胞和導管細胞，並且SND1-A2IR調控VND6，VND6-C1IR調控SND1-A2，達成兩個家族相互被調控的效果。這個現象在草本植物裡面沒有觀察到，而這個是不是造成木本和草本差異的其中一項重要因素呢?有待後續的研究繼續探討。

圖二: SND1和VND6基因透過SND1-A2IR和VND6-C1IR形成互相調控的網路

論文連結

光調控植物生理的秘密-從茉莉酸胺基酸合成酶(FIN219-FIP1)蛋白質複合體結構探究其分子機制—生命科學系鄭貽生老師

太陽光影響著植物的生長與發育，光線中的紅光與遠紅光，可被植物細胞中一種光敏素蛋白感知紅光與遠紅光的變化，進而影響植物的生長、種子萌發與光型態/暗型態的轉變。光敏素如何將這個訊息傳遞下去?2000年，科學家找到一個對遠紅光不敏感的蛋白質，稱為FIN219 (Far-red insensitive 219)，FIN219蛋白位於光敏素訊息傳遞路徑的下游。後續研究發現，FIN219與另一個不受茉莉酸調控的蛋白質JAR1 (Jasmonate resistant 1)是同一個蛋白質，由於茉莉酸(Jasmonic acid, JA)是一種重要的植物荷爾蒙，在植物受到病原菌感染或昆蟲攝食時，會誘發產生防禦蛋白質，如抗菌或抗蟲蛋白質的產生。因此FIN219/JAR1就成為植物細胞中，光線調控生長與防禦反應這二條訊息路徑的關鍵蛋白。FIN219/JAR1是一個可將茉莉酸從非活化態的茉莉酮酸 (Jasmonate) 轉化為活化態的茉莉酸-異白胺酸 (Jasomonoyl-isoleucine, JA-Ile)的酵素。在光調控路徑時FIN219是否有其他的調控蛋白來參與作用？ 2007年，科學家找到一個受光敏素調控，並會與FIN219結合的蛋白質，稱為FIP1 (FIN219 interacting protein 1)，FIP1是一個半胱胺酸S轉移酶(Glutathione S-transferase)，但FIP1為什麼與FIN219結合？其結合的方式對FIN219有什麼影響？若是能夠解釋其結合的方式及影響，對於光調控茉莉酸訊息的分子機制，將是重大的發現。

本院生命科學系鄭貽生老師研究團隊，日前於國際重要科學期刊「美國國家科學院院刊」(PNAS 2017 114:E1815-E1824)報導FIN219與FIP1的蛋白質複合體結構研究。在這個研究中，描述了FIN219-FIP1的結合方式，並觀察到FIN219的C端結構與FIP1結合後，產生構形改變，這個C端構形改變，進一步影響FIN219與受質茉莉酸(JA)，異白胺酸(Ile)與三磷酸腺苷 (ATP) 的結合，促使FIN219-FIP1的酵素活性，較FIN219單獨存在時來得高。另外，研究中還指出，FIN219會先與茉莉酸結合，再與異白胺酸或三磷酸腺苷進行結合，有受質結合的優先順序。這個研究的重要性，在於探討了FIN219酵素細微的結構及活性，受光調控的結合蛋白FIP1影響，對於植物光生理與逆境生理機制的連結，有著重要的意義。

FIN219蛋白在一般狀況(左側路徑)與遠紅光訊息(右側路徑)受FIP1結合之分子活化作用機制

環境適應間的交互作用如何影響物種演化—生態學與演化生物學研究所李承叡老師

本院生演所李承叡老師的研究著重生物基因體，遺傳機制，及環境適應間的交互作用如何影響物種演化。

在今年發表的 Nature Communications 文章中，李老師團隊針對已公開的阿拉伯芥 (Arabidopsis thaliana) 基因體資料進行大數據分析，推測這種植物過去的族群消長。研究顯示本物種過去的族群歷史和人類高度相似：現代人約十萬年前從非洲向歐亞大陸擴張，途中排擠掉了歐亞大陸上的原住民–尼安德塔人（Neanderthals）及丹尼索瓦人（Denisovans），並與其發生基因交流。這些基因交流對現代人的環境適應產生不少影響，比如現代西藏人體內存留著繼承由丹尼索瓦人的基因片段，能夠適應西藏高海拔的嚴苛環境。阿拉伯芥種內有多個高度分化的族群，包括一個遍佈全歐亞大陸的雜草族群及數個分佈在南歐各地原始森林的自然族群。李老師團隊發現現存於南歐的各個自然族群曾經隨著冰河退卻從南歐往北歐擴張並佔據全歐洲。直到約一萬年前，其中一個族群（現在的雜草族群）變得極為強勢，擴張並排擠掉了歐亞大陸的自然族群。雜草擴張的過程中和各地的自然族群產生雜交，造成我們今日觀察到的現象：在物種分佈範圍邊緣（非洲北部，南歐，北歐，及俄羅斯北部）的個體，體內殘存著較多繼承由自然族群的基因片段，而歐洲中緯度地區的個體是雜草族群的直接後裔，彼此間的遺傳相似度極高。在伊比利半島，雜草族群在擴張的過程中曾和自然族群發生雜交，從自然族群族群體內繼承了適應當地特殊氣候環境的基因片段，讓由西歐入侵伊比利半島的雜草得以適應當地環境，這與西藏人類的故事非常相像。

2017年中研院年輕學者著作獎生命科學組—生化科學研究所冀宏源老師

冀宏源老師為耶魯大學分子生物物理和生化學系博士，於2010受聘於本院生化科學研究所，建立實驗室研究DNA修補及重組的生化機制，於2014年獲本校教學傑出教師，並在2015年獲得科技部吳大猷先生紀念獎。

其研究專注深入，幾年來集中於了解同源染色體的重組機制。所提出的三篇論文皆為探討RAD51重組酵素的活性，且專注於兩個合作蛋白質SWI5和SFR1的功能。 RAD51是真核生物體內的一種蛋白質，相當於原核生物的RecA。從酵母菌到人類之間的變異不大。人類的RAD51於同源重組中扮演主要角色，參與搜尋同源部位與DNA的配對過程，對於基因體的傳承與修復，有關鍵性的角色。冀博士發現SWI5和SFR1蛋白形成1:1的分子複合體，以穩定RAD51核蛋白聚合物的形成，進而使得RAD51核蛋白聚合物能以具有活性的ATP結合構形，而呈現高度的DNA修復的酵素活性。此研究成果增進我們對於同源重組修復受損基因分子機制的了解，不僅在學術研究上有重要的貢獻，未來可能具有在癌症預防及治療上的應用價值。

本次等獎著作主要內容為，人類的基因體隨時都遭受不同形式的損害，例如環境中的致癌物或是高能量紫外光，都會使基因受損。若細胞未能及時和適當地修復受損的基因，則可能導致基因體異常及不穩定而對生物體造成嚴重後果，像是國人十大死因之首的癌症。所以細胞具有嚴密的基因修復機制，來確保基因體的完整性。我們的研究團隊專注在細胞如何精準無誤的修復受損基因及其分子的作用機轉。在得獎著作我們以生化學的研究策略，闡明了SWI5-SFR1基因修復蛋白如何協助細胞來修復受損基因的機制。

冀老師研究團隊的成果不僅在基礎研究上增進了基因修復在分子機轉上的瞭解，也將有助於對基因修復反應失調所造成的癌症，進一步做到癌症預防及治療。例如美國影星安潔莉娜裘莉(Angelina Jolie)，進行預防性的乳房切除手術，來預防乳癌的發生。這是因為她帶有家族遺傳性BRCA基因的突變，而BRCA基因正是參與修復受損基因的重要修復蛋白之一。此外在癌症的精準醫療(Precision Medicine)，若得知癌細胞在基因修復功能有所缺失時，可做為精準用藥的判斷以提高治療效果，達到個人化醫療。因此深入探討細胞修復受損基因的分子機制，不僅在基礎研究上是非常重要的生物課題，未來在癌症預防及治療上更具有應用性。

本院除教師研究量能卓越外，大學部學生也不遑多讓，最新公布的105年度科技部大專生研究創作獎，本院生命科學系有李佳怡盧璟誼兩位學生獲獎。

科技部大專生研究創作獎─探討MCPH1蛋白在DNA雙股斷裂修復機制中所扮演的角色─生命科學系李佳怡同學

由本院生化所冀宏源老師副教授所指導的生科系學生李佳怡同學(科技部大專生研究計畫)，研究小頭症相關蛋白MCPH1於DNA同源重組修復機制(Homologous recombination)中所扮演的角色。目前研究發現，MCPH1基因的突變除了會造成小頭症之外，其蛋白表現量的下降及功能上的缺失，也會造成細胞執行同源重組修復受損基因的能力降低，使基因組不穩定，因而提高罹患癌症的機率。另外，MCPH1會與同源重組酵素RAD51一起被免疫沈澱出，顯示MCPH1可能參與在同源重組修復機制中，然而因為受限於蛋白純化之困難度，使得MCPH1在DNA修復機制中的詳細分子作用機轉仍未知。

在該研究計畫中，首次成功使用Expi293TM人類細胞株表達及純化全長的MCPH1蛋白，並發現其具有與單股以及雙股DNA結合之能力。另外，也藉由純化之MCPH1蛋白與RAD51蛋白，觀察到兩蛋白有直接的蛋白質交互作用，藉由以上結果首先確認了MCPH1直接參與在同源重組修復機制的可能性，並得以瞭解MCPH1本身的生化特性以及其可能參與於同源重組修復中的角色，提出其造成小頭症的可能原因。藉由對於MCPH1蛋白更深入的了解，讓未來面對小頭症以及MCPH1缺失造成之癌症患者，可以有更精準的治療。

科技部大專生研究創作獎—長果藤的高效率傳粉系統揭示廣食性鳥類在東亞花部演化的潛在角色—生命科學系盧璟誼同學

由本院生命科學系王俊能老師所指導的生科系學生陳凱修與盧璟誼(科技部大專生研究計畫)，研究臺灣廣泛分佈苦苣苔科植物長果藤(Aeschynanthus acuminatus)之傳粉生物學與花部性狀。

此計畫於三峽滿月圓地區進行多日實地觀察與紀錄，確認廣食性鳥類冠羽畫眉與繡眼畫眉為其主要傳粉者，並且透過花朵與鳥類之形態比較，發現於鳥身上獨特的花粉放置位置能達到精確的花粉傳遞，與掃描式電子顯微鏡技術(SEM)觀察下柱頭上高比例的同種花粉結果相符；同時也定量多項傳粉性狀：藉由反射光譜量化花色、透過屈折計(Refractometer)和HPAEC技術測量花蜜濃度與糖分組成，皆符合廣食性鳥類之傳粉性狀；綜合高傳粉效率，顯示長果藤在臺灣和廣食性鳥類有緊密的傳粉/食性關係。

而東南亞分部之長果藤屬植物多數具有典型太陽鳥傳粉性狀，本研究中首次發現的廣食性鳥類高效率傳粉系統，顯示長果藤的傳粉者轉移應是該物種在無太陽鳥分布的臺灣成功適應的關鍵。本結果不僅為臺灣首篇完整的鳥媒花傳粉研究，更揭示了廣食性鳥類在東亞地區傳粉關係與花部演化扮演的潛在角色。