用CRISPR技術來揭開螞蟻複雜社會行為的演變之謎

作者/林翰佐,銘傳大學生物科技學系副教授,本刊副總編輯

(與《科學月刊》568期共同刊載)

複雜的社會行為
雖然有許多人不喜歡螞蟻,但大多數的人還是會承認,螞蟻是一種神奇的動物。螞蟻似乎有些靈性,可以預知災難的來臨,所以古人會藉由觀察螞蟻搬家的現象來趨吉避凶。生物學家越深入對螞蟻的研究,就益發地對螞蟻的種種感到不可思議,包括螞蟻與蚜蟲(aphids)的共生關係、不同蟻窩之間會發生的部族戰鬥以及彼此掠奪幼蟲與蛹的偷盜行為等。在這些自然發生的現象裡,螞蟻展現了猶如人類般複雜的社會行為(social behavior),令人嘆為觀止。科學家們甚至於以「超個體(super-organism)」[註一]一詞來形容螞蟻群,盛讚這樣群體協同能力猶如一生物個體。



那,螞蟻是如何辦到的呢?長久以來科學家們一直相信,即便昆蟲的社會行為與人類看來相近,但兩者仍然有著根本上的不同。從生物觀點上來說,人類的社會行為是一種群體意志的展現,涉及一些源自動物根底的本能,還有人類之所以為人的人性。雖然複雜,但是其中的一個重要因素是修正的潛能;行為本身可以透過教育訓練,生活經驗進行改變。而螞蟻的社會行為看起來更像是一種演化後的既定行為模式,是一種無法經過學習產生改變的必然結果。即便信者言之鑿鑿,科學家們似乎一直無法拿出明確而直接的證據來證明這個想法的正確性,再則,就算螞蟻的社會行為真如科學家們所預測的那樣一板一眼,光是想了解螞蟻如何能執行這樣精緻複雜的社會行為,以及演化的過程當中螞蟻如何發展出這樣精緻的社會行為,都是生命科學研究上的重要命題。

CRISPR話外音自從CRISPR系統在2012年由加州大學伯克利分校(University of California, Berkeley)杜德納(Jennifer Doudna)與其合作者卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)首度在試管實驗中發現,並一舉登上Science期刊。相隔一年,麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology)以張鋒為首的研究團隊也發表了透過CRISPR技術實際應用在動、植物等真核細胞當中,此CRISPR系統在科學界掀起一陣波瀾,受到熱烈的討論,也讓杜德納、卡彭蒂耶與張鋒在2016年共同獲得了唐獎(Tang Prize)中的生技醫藥獎(Biopharmaceutical Science)。

自此之後,CRISPR技術被運用在各項研究中,許多科學家投入了大量心力,想透過CRISPR基因剪輯技術來探討更多的生物生理機制,如本文的研究。然而,最早發現與實際應用的2大團隊在近期卻因為CRISPR技術專利部分而鬧上法庭,此專利案雖在3月初已告一段落,張鋒團隊能夠持續保有已申請通過的CRISPR相關專利,而杜德納團隊所申請的專利則與之不相牴觸下持續在美國專利商標局(United States Patent and Trademark Office, USPTO)進行送審。


慶幸的是,在學術的基礎背景下,CRISPR技術不在專利的收取費用範圍。不過,看著去年3位前往臺灣領取獎項及共同進行演講的和樂畫面,或許也是我們當初始料未及的。


基因體修編技術的應用
先前我們曾經提過CRISPR這樣一個劃時代,新興的生物基因體編修(gene editing)技術。透過轉染(transfer)一段人工合成的質體(plasmid)片段進入受精卵當中,科學家們便能導引酵素的攻擊,在特定基因序列的位置上誘發DNA的雙股斷裂(double strand break),然後造成基因實質上的剔除。即便CRISPR技術在實驗上仍有著不確定的模糊地帶,但因為對研究物種的限制低、實驗成本低廉等優點下,目前這樣的技術已經廣泛應用在各種動植物的研究上,以用來了解特定基因以及它的蛋白質產物在生理上所扮演的多元角色。CRISPR技術特別適用於具有豐沛子代的物種當中,像是果蠅(drosophila)、斑馬魚(zebrafish)等模式動物的研究,所以用來解答螞蟻社會行為的演化之謎,看來是個相當可行的方法。

意外地困難重重
在英雄所見略同的狀況下,世界上頂尖的螞蟻研究團隊相繼的投入利用基因體編修技術來研究螞蟻,但很快的,這些團隊便發現事情沒有想像中的來得容易。在嘗試的過程當中,科學家們發現螞蟻蛋是一種非常敏感的東西,在顯微注射(microinjection)的操作中很容易就弄死了這些脆弱的蛋,就算通過考驗,成功的在蟻蛋的基因體上完成編修,缺乏工蟻們的照顧,螞蟻的蛋也很難孵化存活,想要生產「一整窩」基因改造的螞蟻其實具有相當的難度。在多數的生物學研究當中,研究上的瓶頸大多受限於高端分子生物技術上的限制,但這一次,科學家們似乎在培養螞蟻這樣的基本議題中就被困住了。

聰明的選擇露出研究曙光
生命科學研究上的趣味性也許就在這裡,當你覺得在一頭撞入死胡同之際,巷子裡的某些角落裡也許另有一扇為你而開的窗口,提供一條脫困之路。變更研究中所使用的實驗物種有時候也是一個好的研究策略。美國紐約洛克斐勒大學(Rockefeller University)的康勞爾博士(Daniel Kronauer)以及他所領導的團隊在看待這樣的研究議題時,有智慧的選擇了一種特別的螞蟻作為他們的研究材料。這種螞蟻名為畢氏粗角蟻(Ooceraea biroi),是一種侵略性強,有強烈掠奪行為的突擊蟻(raider ants)。在生殖上,畢氏粗角蟻的族群當中並沒有專司生育的蟻后,每一隻雌性均具有生育的能力,可以自行的孕育自己的後代,比起其他高度分工的螞蟻物種,在人工繁殖上會容易許多。

不過,實際的研究工作仍然遠比想像中得來的複雜。在為期2年的研究當中,研究團隊致力於研究畢氏粗角蟻卵中的一種可以抑制其他成蟻下蛋的費洛蒙機制。他們相信透過了解這樣的機制,除了可以秣馬厲兵,建立相關分子生物技術研究上的平台之外,透過控制費洛蒙的抑制機轉,才能實現大量生產研究中所需要的「一整窩」螞蟻,為未來的研究鋪上康莊大道。為了實現這樣的夢想,團隊進行著一系列的分子生物學前置作業研究,挑選適當的目標基因,並將包含這些目標基因以及引發CRISPR剔除作用所需之DNA序列訊息的質體注射入螞蟻蛋中,靜候基因體修編現象的發生。根據文獻中的描述,光是這部分的研究,團隊就進行了近萬次的顯微注射嘗試;研究者必須小心翼翼的收集這些完好無暇的螞蟻蛋,讓它們整整齊齊的排列在玻璃片上,然後透過顯微注射的方式將適當的DNA片段分別的注射到這些蛋裡面,然後個別的進行近3個月的培養。

研究的結果如何呢?文章中提到有關orco基因被破壞後的實驗成果。orco基因,是記錄著螞蟻觸角上一種構成嗅覺受器神經元(odorant receptor neuron)的蛋白質,與螞蟻執行嗅覺的功能有關。在昆蟲的世界裡,螞蟻是著名的「好鼻師」,根據現今的研究,在螞蟻的觸角上至少有350種不同種類的嗅覺受器神經元,而大多數的昆蟲則跟果蠅的數量比較接近,大概只有46種左右。康勞爾博士以及其他螞蟻學專家們都相信,複雜的嗅覺感官提供了螞蟻執行深度溝通的基礎。

嗅覺並非是orco基因剃除對螞蟻所產生的唯一影響
在orco基因遭到剔除的螞蟻實驗中,研究團隊觀察到一些有趣的行為改變。在正常的狀態下,成長中的粗角蟻顯得安份,在頭一個月會與同窩姊妹待在一起,但基因剔除蟻在剛孵化後便顯得格外的活潑躁動,四處不停的隨處遊走。此外,基因剔除蟻也不具備追蹤由其他螞蟻遺留下來的氣味足跡的能力;這種多數螞蟻皆具備的能力被視為是螞蟻得以團隊合作的基礎。有趣的是,不論在壽命或是生育能力上,這些嗅覺障礙的基因剔除蟻都顯得較為羸弱;正常的畢氏粗角蟻平均每2周會生產6顆蛋,但基因剔除蟻僅能生產1顆蛋。正常的畢氏粗角蟻平均壽命大約6~8個月,但是基因剔除蟻的壽命則縮短成2~3個月。

更有趣的現象則發生在基因剔除蟻的大腦當中。在正常組織結構當中,同一類型的嗅覺受器神經元的神經纖維末梢在進入大腦之後,會連結成為一個稱為「小球(glomeruli)」的結構,然後再向上連結第二級的神經元細胞。在先前以老鼠所作的orco基因剔除研究中顯示,這個名為小球的組織結構會隨著基因的破壞而消失,不過在果蠅身上所作的orco基因剔除研究則顯示,小球結構則並未有明顯的改變,暗示著隨著物種的差異,orco基因所記錄的蛋白質產物扮演著不完全相同的角色。雖然血緣上,螞蟻與果蠅的關係比螞蟻與老鼠間親近了許多,但在畢氏粗角蟻身上所作的實驗結果反而與老鼠相似,小球結構在這些基因剔除蟻的組織並未形成。這個結果是否暗示著,除了嗅覺受器神經元種類的差異之外,螞蟻在嗅覺神經系統的演化上也比它的昆蟲親戚們更趨向如同高等動物般的分化發展?

目前整個研究仍處於開端,但無疑的,這是一個全新知識領域的窗口。同為螞蟻專家,來自伊利諾大學(University of Illinois)的羅賓森(Gene E. Robinson)教授盛讚這是一個「大開眼界的研究(the real eye-opening result)」。對我而言,大開眼界的不光是獲得螞蟻相關知識的本身,還有研究團隊為了研究這個議題所付出的努力與堅持。

〔註一〕:超個體,其定義為一群個體能夠協調的進行一致性的活動,由集體來支配的現象,是一種真社會性動物的社會單位,在此社會中個體被高度分工且專業化,強調個體單位通常無法長時間獨自生存,著名的超個體有螞蟻、裸鼴鼠等。

延伸閱讀
林翰佐,〈物種基因剔除技術爆炸性的新突破─CRISPR/Cas9技術淺談〉,《科學月刊》,2015年12月號。

Elizabeth Pennisi, World’s first genetically modified ants shed light on how complex insect societies evolved, Science, 2017/3/8.

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