生物有许多不可或缺的必要基因，例如：小小的酵母菌体内就有一千多个，如果某个必要基因消失，生物一定会死亡吗？中研院基因体研究中心张典显研究员发现，如果人为删除酵母菌的必要基因 PRP28，酵母菌依然能勉强存活，甚至经过三百代演化后，还能恢复原本活力！论文成果于 2018 年 10 月登上国际学术期刊《自然生态演化》（Nature Ecology and Evolution）。
▲ 中研院基因体研究中心研究员张典显发现酵母菌去除必要基因，仍然能够绝处逢生的演化奥秘。
生物皆有必要基因
每种生物都有一群不可或缺的“必要基因”（Essential gene）。它们不只是从远古流传下来的基因，也是生物基因体的核心。“在我们研究的细胞体系里，如果人为把一个重要基因拿掉，细胞几乎必死无疑。从基因的角度来看，这是细胞发生突变、重要基因消失，就像电影中的邪恶势力杀掉正义联盟的领袖，然而……”张典显话锋一转：“在电影里，正义之师仍然会继续对抗恶势力、等待复兴的时机。那么，如果去掉细胞内重要基因，细胞是否会随演化发生转机，继续存活甚至恢复繁盛，出现宛如《星际大战：原力觉醒》的戏剧性转折？”
但生物演化通常需要漫长的岁月，怎么研究？张典显挑选酵母菌下手，酵母菌跟人类细胞一样，都是真核细胞，除了用来酿酒和烘焙，也是分子生物学重要的模式生物。更重要的是，
人类一个世代传承要花 60 年，更需要十万年、百万年的时间才看得出演化结果。酵母菌每 90 分钟分裂一次、产生一个新世代，短时间就能看到演化历程。
仔细研究酵母菌，它约有 6 千个基因，其中一千多个是必要基因，特别是与“遗传资讯复制”相关的基因，一旦缺少恐将死亡……但，这是真的吗？张典显的研究指出，即使删除了一个必要基因 PRP28，酵母菌依然能勉强存活，演化三百代后甚至恢复了活力！
▲ 显微镜下的酵母菌， 90 分钟即可产生一个世代，非常适合进行演化实验。（Source：Masur / Public domain）
基因 PRP28：RNA 的剪接师
基因 PRP28 是什么？它负责协助 DNA 转录后，不可或缺的“剪接”工作！
生物所有基因的资讯全部是在 DNA 上，好比身上的“硬盘”，保存重要资料。细胞要使用这些资料，第一步是“转录”，把细胞核里的 DNA 的资讯，转成 RNA，这个步骤好比用“随身碟”把硬盘资料拷贝出来。然后，RNA“随身碟”的资讯会进入细胞质，进行“转译”，制作各种有用的蛋白质，好比把随身碟内的资料打印成有用的文件。
▲ 生物所有基因的资讯全部是在 DNA 上，好比身上的“硬盘”。细胞要使用这些资料时，必须把细胞核里的 DNA 的资讯，转录成为 RNA──好比用“随身碟”把硬盘资料拷贝出来。接下来，RNA“随身碟”的资讯进入细胞质，进行转译，制造各种蛋白质，好比把随身碟内的资料打印成实体文件。
但在转录、转译之间，还有一个很重要、一般人不熟悉的步骤，称为“剪接”。因为 DNA 基因不是呈连续性的，中间穿插一些不需要的片段称为内含子（introns）。因此 DNA 拷贝成 RNA 之后，必须剪去内含子，把有用片段接起来，变成信使 RNA（mRNA），细胞才能使用。
▲ DNA 基因不是呈连续性的，中间穿插一些不需要的片段称为内含子（introns），转录后的 RNA 必须剪去中间不需要的部分，把有用片段接起来，变成信使 RNA（mRNA），细胞才能根据它制作蛋白质。
这个剪接步骤是在细胞核内的 RNA 剪接体（Spliceosome）中进行。每个人体内都有这部剪接机，它能将 pre-mRNA 中不需要的片段剪掉。这个剪接体与剪接步骤的正确性很重要，如果剪接体坏了，细胞没有正确资讯可用就会死亡。
“我们的研究曾发现，酵母菌的剪接体中有一个很重要的蛋白质叫做 Prp28，能让细胞的剪接过程运作顺利，如果把 Prp28 拿掉，细胞就无法运作可能崩垮。”张典显说。显然的，制作蛋白质 Prp28 的基因，是酵母菌的必要基因之一。
张典显决定把 Prp28 的基因拿掉，看看酵母菌失去 Prp28 之后，是否可以存活？更进一步说，它们能不能透过一代代演化，重新爬回高峰？这在生物学称为“弹性恢复力策略”，是指生物进入新的困难环境，一开始可能变很糟、掉入谷底，但经过一段时间，最后重新适应环境并恢复活力，重回高峰。
演化，让酵母菌从破车变超跑
“我们做的实验很简单，高中生也可以做！”张典显笑着说。他们将一组保有 Prp28 蛋白质基因的酵母菌（野生型，wild type），种在培养基里，分别放在摄氏 20 度、22 度和 28 度的环境培养，作为对照组。另一组是去掉 Prp28 蛋白质基因的酵母菌，也分别放在上面 3 种温度的环境，观察其生长情况。
一开始他们发现，如果将 PRP28 搭配的零组件进行互补性改变，细胞可以不需要 PRP28。但这种缺少 PRP28 的酵母菌，RNA 剪接效率低，生长得很缓慢，特别在低温摄氏 20 度的培养基。
不过，随着细胞不断分裂，一个变两个、两个变四个……最后酵母菌仍可慢慢长满培养基。等到酵母菌长满，研究人员就取出其中一部分，种到新的培养基，直到再次长满，再移到新的培养基……
最后，神奇的现象发生了！失去 Prp28 蛋白质的酵母菌，起初要花 14 天才能长满培养基，但一代传一代，生长速度变越来越快，最后只花 5 天就长满了！张典显说：
这些酵母菌经过许多代演化，已产生有用的突变，活力变得越来越好，简直像从一部破车，重新变回一部超跑！
细胞在分裂过程，DNA 复制可能出现错误而产生新突变，当突变对细胞有利即会被保留，而突变后的细胞的活力和繁殖力较好，会逐渐取代其他细胞。如果一代代传下去，新的有利突变陆续加进来，可能走向另一条演化的道路，让细胞恢复活力，就像电影的原力觉醒、濒死复活一样！这个成果于 2018 年 10 月获刊在《自然生态演化》，也是台湾首度刊登于本期刊的论文。
▲ 一开始的白色细胞均为失去 Prp28 的酵母菌，活力非常差，但细胞分裂可能出现有利突变（红色细胞），活力和繁殖力较好，如果继续繁衍，红色细胞会取代其他活力和繁殖力差的白色细胞，白色细胞越来越少。一代代传下去，最后几乎只剩下红色细胞。
▲ wild type（WT）列为带有 Prp28 的正常酵母菌细胞，在不同温度下的生长情况（每个温度下又分成不同浓度的酵母菌样本）。不管 20 度、22度、28 度，正常酵母菌都长得很好。Anc = 还没有经过演化的 “老祖宗”（Ancestor）细胞，Prp28 已被去除，因此活力很低，特别是 20 度长得最差。其他 EvX 列则是从这种老祖宗细胞开始，循着不同演化路径的结果。经过一代代培养，Ev3 列的细胞与 wild type 列生长情况一样，代表这些细胞已经恢复活力，新突变把酵母菌救回来了，其他如 Ev6、Ev9 列也是同样情况。
破解酵母菌绝处逢生的秘密
下一个问题是：到底在酵母菌里发生什么事，居然可以起死回生？张典显的团队继续追查，找到答案：酵母菌是透过降低 RNA 聚合酶进行转录作用的速度，让细胞恢复健康。
把细胞想像成一座工厂，DNA 一直拷贝，转录成 RNA，再进行转译，最后变成蛋白质，中间有许多机器在工作。如果下游的机器（剪接机）坏了，但前面的机器（转录机）仍然一直生产，后面的机器无法及时处理，会产生一大堆废料，导致这个细胞死亡。
不过，如果演化让上游转录机也放慢速度（发生另外的突变），让上下游机器速度再度同步，有种负负得正的概念，最后细胞仍可恢复活力，这就是酵母菌绝处逢生的秘密。
▲ 张典显团队用漫画方式呈现酵母菌绝处逢生的秘诀：虽然细胞的剪接机慢了下来，但借由演化让上游转录机也减慢速度（发生了另外的突变：蛋白质 Luc7 和 SAGA），于是上下游速度再度同步，使细胞恢复活力。
“我们的实验结果显示，生物系统中有许多错综复杂的基因表现路径，不同步骤可以互相影响（例如：RNA 转录与 RNA 剪接），让我们更了解细胞运转的逻辑与生物系统的演化。”张典显继续延伸：“这个观念可以被运用到生物系统的优化，提供未来设计调控生物系统的新方法，比如说，在开发治疗疾病的药物时，可针对标的物的上下游进行调整，以达到系统的整体平衡。”
生命的韧性、演化的奥妙，真的比电影剧情更曲折离奇、引人入胜，等待更多的科学家挖掘与发现。
（作者：欧宇甜、黄晓君；本文由 研之有物 授权转载；首图来源：shutterstock）
