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國立臺灣大學微生物學研究所學位論文/Graduate Institute of Microbiology

國立臺灣大學,正常發行

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  • 學位論文

自2007年3月至2007年10月,調查桃園北區養豬場及台北縣林口鄉一山豬場共十四間 (一貫場四間,肉豬場七間,山豬場三間),在每一飼養欄內隨機取一豬糞為材料,共取230個樣本,所有樣本皆以福馬林-乙醚離心沈澱法 (formalin-ether centrifugal sedimentation) 濃縮,並用汞碘醛 ( merthiolate-iodine-formaldehyde ) 溶液染色後鏡檢。結果顯示各種寄生蟲的總感染率為:豬蛔蟲 (Ascaris suum) 16.1% (37/230)、豬鞭蟲(Trichuris suis) 20.0% (46/230)、豬腸結節蟲 (Oesophagostomum dentatum) 18.3% (42/230)、豬球蟲 (coccidia) 68.3% (157/230)、大腸纖毛蟲 (Balantidium coli) 61.7% (142/230)、芽胞囊蟲 (Blastocystis sp.) 13.0% (30/230)、內阿米巴原蟲 (Entamoeba spp.) 77.0% (177/230)、梨形鞭毛蟲 (Giardia lamblia) 4.3% (10/230)及麥氏唇鞭毛蟲 (Chilomastix mesnili) 2.6% (6/230)。另自2007年7月至2008年5月止,分三批次從桃園北區某個屠宰場採得豬血液總共176個樣本。將血液離心得到血清後,以乳膠凝集試驗檢測豬隻血清中弓蟲 (Toxoplasma gondii) 抗體之力價,結果21.6% (38/176) 之血清呈現弓蟲抗體陽性反應。

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端粒(telomere)的存在能夠維持染色體的穩定性,而端粒的複製則仰賴端粒酵素的活性。缺乏端粒酵素活性的哺乳類癌細胞或酵母菌細胞可藉由ALT (Alternative Lengthening of Telomeres)的重組方式來維持端粒長度。本研究發現由缺乏端粒酵素的酵母菌細胞衍生而來的type I 存活者對於DNA的傷害有高度敏感性。藉由比較野生型和typeI存活者之突變率的實驗,我們認為此現象並不是由於基因的改變而發生。另一方面,利用端粒PCR及TRF (Telomere Restriction Fragment)分析法來追蹤缺乏端粒酵素的酵母菌從孢子形成到存活者出現的過程,我們發現端粒的長度和存活者的敏感度有密切的關係。此外本實驗也發現type I 對於雙股DNA斷裂的敏感性必須仰賴MEC1基因的存在,顯示此現象可能來自於檢查點持續地被啟動及其所造成的延滯的細胞週期。先前的研究指出在缺乏端粒酵素的酵母菌中,縮短且失去正常功能的端粒會引發相似於DNA損傷的反應。為了進一步釐清此現象是否因為縮短的端粒將細胞中的修復蛋白質凝聚至染色體末端而造成染色體其他位置的斷裂無法有效被修復,我們利用染色質免疫沉澱法來觀察同源性重組機制中的Rad51蛋白質在野生型和type I存活者中與單一DSB (double-strand break)結合的能力。結果顯示此能力在type I存活者相較於野生型,確實有下降的現象。

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C型肝炎病毒 (Hepatitis C virus, HCV) 非結構性蛋白質NS3具有serine protease和RNA helicase的功能。NS4A作為NS3 protease的輔因子。在NS4A的存在之下,NS3會將病毒的多蛋白質進行切割,同時也會進行NS3的內部切割。在先前的研究中指出,NS3-4A會存在於細胞的粒線體當中,並且利用protease的酵素活性去切割粒線體上的MAVS/IPS-1而去干擾type-I IFN-b 的產生,使宿主的免疫反應受到抑制。近來也有研究顯示,NS4A會累積在細胞粒線體中,進而活化caspase-3及引發細胞凋亡。本研究首先建立能經由doxycycline誘導表現NS3-4A的HepG22-NS3-4A穩定細胞株。在此細胞株觀察到NS3-4A表現時會自行切割得到NS3和NS4A蛋白質,NS3和NS4A在細胞中的分佈大致重疊,位於粒線體和內質網上。過去已知脫氧膽酸會造成粒線體膜電位的改變。在此研究中發現不論是誘導表現NS3-4A的穩定細胞株或在短暫轉染表現NS3-4A的細胞當中,在給予脫氧膽酸的情況下,相較於控制組,都會減緩脫氧膽酸對於粒線體膜電位的影響。當分析293細胞在表現NS3-4A時,對於脫氧膽酸所造成DNA fragmentation、cytochrome c釋放和caspase-3活化的情形,發現NS3-4A的表現能減緩脫氧膽酸所造成cytochrom c的釋放和caspase-3的活化,但是對於脫氧膽酸所造成的DNA fragmentation,則沒有太大的影響。進一步將帶有NS3、NS4A的表現質體分別轉染293細胞,發現NS3和NS4A單獨存在時都具有穩定粒線體膜電位的功能,減緩脫氧膽酸的效應。其中NS4A也能減緩脫氧膽酸所造成的cytochrome c釋放。已知位於粒線體的p53會促使細胞進行粒線體相關細胞凋亡。實驗亦發現,當NS3-4A表現時,p53在粒線體上的分佈量明顯下降。NS3-4A或許藉由調控粒線體上的p53,來達到抗細胞凋亡的效果。但其真正作用機制還有待進一步的確認。

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C型肝炎病毒 (Hepatitis C virus, HCV) 非結構性蛋白質NS4B為一鑲嵌於內質網之疏水性蛋白質,能改變C型肝炎病毒感染細胞內質網的構形並形成網狀膜(membranous web),而此網狀膜為病毒複製自身基因的位置;目前在病毒複製及細胞毒害方面,NS4B蛋白質的作用仍不清楚。先前本實驗室研究指出,當在癌化肝細胞Huh-7及腎細胞293表現NS4B蛋白質時,細胞中的Fas-activated serine/ threonine kinase (FASTK)的mRNA量有下降的趨勢。本實驗首先建立一穩定細胞株—HepG2-2-NS4B,此細胞株能經由doxycycline誘導表現NS4B蛋白質;藉由real time PCR觀察,此穩定細胞株經誘導表現NS4B蛋白質時,細胞中的FASTK的mRNA量相較於未誘導表現NS4B蛋白質之細胞減少五成。先前已知FASTK能調控細胞中Fas mRNA的選擇性剪接,使細胞轉譯出具相反生理意義之Fas isoforms,進而對於Fas活化產生不同程度之耐受度。因此在本實驗中,利用ELISA檢視細胞製造、分泌至細胞外之soluble Fas及細胞中所有Fas的量,結果發現誘導表現NS4B蛋白質的穩定細胞株和母細胞株相較時,NS4B穩定細胞株釋放至培養基的soluble Fas的量是母細胞株的2.5倍、而其釋放至培養基的soluble Fas佔所有Fas的比例則為母細胞株的1.4倍。當利用一能活化Fas 受器之anti-Fas抗體去誘導穩定細胞株進行細胞凋亡,再藉由trypan blue exclusion assay去監測細胞存活率則發現,穩定細胞株誘導表現NS4B蛋白質時,其細胞存活率為未受誘導之穩定細胞株的1.7倍;然而進一步檢視穩定細胞株受到anti-Fas抗體刺激後caspase 3活化狀況,發現接受anti-Fas抗體刺激後NS4B穩定細胞株之caspase 3活性降低到母細胞株的41%。推測soluble Fas量的上升及caspase 3活化程度的降低有直接關聯,而FASTK mRNA的下降也許參與其中;然而細胞存活率的上升可能是由於NS4B蛋白質藉由影響FASTK或其它細胞因子,進而調控細胞凋亡以外的訊息傳遞過程所造成,至於真正造成上述現象之機轉則待進一步實驗去釐清。

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尿嘧啶醣苷酶(Uracil DNA glycosylase,UDG)是在細胞中參與鹼基移除修復(Base excision repair)機制中的首要酵素。EB病毒溶裂期早期基因BKRF3的蛋白質產物為一尿嘧啶醣苷酶,在siRNA及尿嘧啶醣苷酶抑制物實驗中發現,BKRF3與宿主細胞尿嘧啶醣苷酶UNG2 (Uracil-N-Glycosylase 2) 對於EB病毒核酸複製效率是重要的。本研究希望進一步探討BKRF3功能,首先以大腸桿菌系統證明BKRF3與UNG2類似,具有G:U配對修復之能力。接著以BKRF3可提引細胞株,觀察BKRF3對細胞之影響。過度表現UNG2會引起DNA損傷訊息活化或減緩細胞生長速度,但BKRF3則無法明顯增加整體酵素活性而減緩細胞生長速度。為進一步了解BKRF3在病毒核酸複製所扮演的角色,觀察在溶裂期進行時UNG2及BKRF3表現量在EREV8細胞中變化,發現UNG2表現量在溶裂期晚期下降,此時而BKRF3表現量增加,因此可能具補足逐漸下降的UNG2功能,在溶裂期後期維持病毒DNA複製效率。以免疫螢光染色法及細胞質核分離萃取進一步發現當BKRF3單獨表現時,主要侷限於細胞質中,在溶裂期時,BKRF3聚集至細胞核的病毒核酸複製區。BKRF3可與DNA合成酶BALF5及Rta共同免疫沉澱,BKRF3在溶裂期可能必須透過與病毒核酸複製區蛋白質交互作用,增加其入核效率。而以共同轉染方式發現單獨表現DNA合成酶BALF5及轉活化因子Rta無法增加BKRF3入核效率,可能需要其他病毒蛋白質形成完整之病毒核酸複製複合體才能有效率使BKRF3入核。另以GST pull-down法,觀察BKRF3與DNA合成酶BALF5及轉活化因子Rta產生交互作用區域,發現BKRF3利用其C端與DNA合成酶BALF5及轉活化因子Rta交互作用。經由上述實驗結果,推測BKRF3透過蛋白質之間交互作用,參與在病毒DNA複製過程中以增進DNA複製的效率及正確性。

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乾癬是一種慢性、非傳染性的皮膚病,主要特徵是角質細胞過度增生並且分化不完全,以及皮膚內有許多活化的免疫細胞堆積。乾癬人口在白種人中約佔2-3%,而在亞洲蒙古人種中約只佔0.3%。我們找到一個五代遺傳的乾癬家族並且著手研究,患者間的乾癬病灶輕重程度不同,但呈現典型自體顯性遺傳。為了找出此家族的乾癬易感致病基因位置,我們利用382個 microsatellite markers 進行全基因體掃描定位。第17號染色體q25區域有很顯著與乾癬連鎖的證據,最高的雙點LOD值是在D17S928標記處,LOD值是7.164。我們接著在附近另外挑選六個標記進一步做多點聯鎖分析,也證實了在D17S928處與乾癬有連鎖 (LOD值是4.58)。接著在17q25區域我們以202個SNP markers進一步定位分析,證實在兩處有很強的連鎖,分別在D17S784附近 (以高解析度雙點與多點分析分別LOD值為 4.45與 7.67) 以及 17號染色體末端附近。因此我們的研究將乾癬基因定位到一段新的染色體位置,約3.8 Mb長的區域,與之前報導17q25上可能的乾癬基因位置不同而比較偏17號染色體末端。 為了找出此乾癬家族的致病突變,我們在這個區域針對了78個基因進行定序分析,並且找到四個在家族中會與疾病一起傳遞的基因變異,分別是CD7中的p.Ala201Val、 ZNF750中的c.-625A>C、 C17orf56中的p.Asp189Asn 以及 AATK中的 p.Ala568Thr。後兩者基因變異在其他乾癬家族中並不會隨著疾病一起傳遞,並且在正常人對照組中也有出現,因此沒有繼續對此兩個基因繼續研究。對CD7功能進行研究的結果並不支持CD7就是致病基因。但相反的,ZNF750基因的c.-625A>C突變會造成promoter功能下降42%,EMSA實驗結果顯示突變C allele上有核蛋白結合。此c.-625A>C突變也在另一位偶發型 (sporadic) 乾癬患者身上找到,但188位正常對照組中卻沒有人帶有,此突變總共出現佔中國人種乾癬患者的1.7% (信賴區間為0.2-5.84%)。本研究推測ZNF750基因突變可能會造成乾癬誘發。

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時至今日,全球約有3.5億人口為B型肝炎病毒慢性感染,由於患者發生肝臟病變的機率較非帶原者高,因此慢性B型肝炎感染為重要之人類疾病。目前臨床之治療方式,包括干擾素alpha和類核苷酸類藥物,對於B型肝炎病毒治療效果有限,然而近年來許多臨床研究報告指出,長期的抑制效果對於預防慢性感染患者發生肝臟病變,有很大的幫助。所以發展更有效的新型的治療方法是這個領域非常重要的研究方向。本論文主要研究目的,在於發展以基因治療之方式表現RNA干擾 (RNA interference) 機制,作為慢性B型肝炎新型的治療方法。 RNA干擾作用,是由一段小片段的雙股RNA,透過專一性辨識動物或植物細胞中具完全互補序列的mRNA,而達到分解mRNA的效果。RNA干擾作用除了在體外的組織培養細胞中被廣泛證明能夠抑制基因表現之外,在不同動物模式中,RNA干擾作用也可以有效的降低標的基因的表現。RNA干擾所達到的抑制效果具有高專一性,且對於細胞毒性很低,所以許多研究藉由RNA干擾來作為基因相關疾病以及病原菌感染的新型治療方式。 為測試RNA干擾對於B型肝炎病毒慢性感染的治療效果,本論文中使用B型肝炎病毒基因轉殖小鼠作為評估治療的模型。所使用之基因轉殖小鼠為ICR種系,其帶有長度為原長之1.3倍的B型肝炎病毒基因。小鼠之肝臟中持續表達高量的B型肝炎病毒RNA及DNA,超過90 % 的肝臟細胞中可偵測到B型肝炎病毒核蛋白 (HBcAg) 表現。血清中帶有大量具感染力之B型肝炎病毒顆粒,以及B型肝炎病毒之表面抗原 (HBsAg) 與e抗原 (HBeAg)。血清中偵測到的B型肝炎病毒力價,以及肝臟中病毒複製程度,與臨床慢性感染之患者一致。 如何有效的將RNA干擾作用送入小鼠肝臟細胞中,並且達到長期表現的效果,為一重要課題。本論文中利用雙股腺相關病毒載體 (double-stranded adeno-associated virus vector,dsAAV vector)。相較於傳統之單股腺相關病毒載體 (single-stranded adeno-associated virus vector,ssAAV vector),注射雙股AAV載體可以達到較高的感染效率,以及更強的基因表現。最初的實驗中使用的腺相關病毒為血清型第八型 (dsAAV8),在所有已知的AAV當中,AAV8對於肝臟的感染力最強。將shRNA之表現組放置於病毒基因體中,利用脾臟內注射之方式將1012 vg的病毒顆粒注射至B型肝炎病毒基因轉殖小鼠,兩週之後,帶有B型肝炎病毒特異性之shRNA的dsAAV8可以降低血清中B型肝炎病毒力價達1,000-10,000倍。分析小鼠肝臟,發現RNA干擾機制對於B型肝炎病毒DNA以及RNA皆有很強的抑制,且大部分肝臟細胞中的B型肝炎病毒核蛋白表現都已偵測不到。相對的,注射帶有非B型肝炎病毒特異性之shRNA的控制組腺相關病毒則對B型肝炎病毒表現無明顯影響。為了排除可能的免疫反應,利用定量PCR偵測發炎反應分子,發現所有注射腺相關病毒之小鼠肝臟中,皆未偵測到干擾素 (interferon,IFN) 與腫瘤壞死因子的表現 (tumor necrosis factor-α,TNF-α)。持續觀察RNA干擾之治療效果,發現最強的抑制效果出現在腺相關病毒注射後2-3週,隨後B型肝炎病毒表現逐漸回升,在注射之後四個月,抑制效果約為10倍左右。 接下來的實驗中,分析不同注射方式,對於腺相關病毒載體所表現之RNA干擾的影響。結果發現,相對於脾臟注射的方式,經由尾靜脈注射腺相關病毒載體,RNA干擾的強度可以持續較久的時間。分析小鼠血清中生化指數發現,經由脾臟注射腺相關病毒載體2-3週後,ALT有短暫上升的現象。此外,肝臟中腺相關病毒載體基因體DNA數量降低速度較快,故RNA干擾的效果亦較快回升。可能原因是大量腺相關病毒載體注射至脾臟後,與抗原呈現細胞接觸,引起毒殺T細胞免疫反應,進而清除被腺相關病毒感染的肝臟細胞。利用尾靜脈注射腺相關病毒載體則可避免此現象。具抑制效果的腺相關病毒載體注射後,可以持續抑制血清中HBV的力價達超過100倍達5個月,然而抑制效果仍會隨著時間慢慢減弱,血清中B型肝炎病毒力價回升至10倍以內的時間,約為注射之後9-10個月。 為延長RNA干擾抑制病毒的效果,本論文中採用重複注射腺相關病毒載體之方式,以期將治療效果加以延長。除了血清型第八型之外,第七型和第九型腺相關病毒對於肝臟細胞也具有很強的感染能力,因此我們將帶有shRNA的三種不同血清型腺相關病毒載體,經由尾靜脈注射到B型肝炎病毒基因轉殖小鼠體內。結果發現注射這三種血清型腺相關病毒載體皆可引起明顯的抑制效果,其中以第八型載體抑制效果最強,第七型及第九型略低,而兩者之間則無明顯差異。利用體內交叉注射實驗,證明表現RNA干擾之第七型及第九型載體,在注射過第八型載體之小鼠體內達到的抑制病毒效果,完全沒有受到影響。這些結果顯示了利用這三種不同血清型載體,在小鼠體內進行重複注射的可行性。最後,帶有B型肝炎病毒特異性shRNA之第八型載體治療過之基因轉殖小鼠,在其B型肝炎病毒力價已回復至未治療前的程度之時間點 (注射後60-62週),再次注射同樣B型肝炎病毒特性特異性shRNA的第九型載體,結果顯示血清中B型肝炎病毒力價會再度受到抑制。 另一部份,本論文中所使用的B型肝炎病毒基因轉殖小鼠的肝臟中,可以發現hyperplasia以及pre-neoplastic現象,組織切片抗體染色發現PCNA陽性之細胞核數目增加,顯示肝臟細胞增生的現象。分析小鼠血清中肝功能指數檢驗發現ALT以及ALP明顯上升。這些小鼠於其年齡十八個月大時,出現肉眼可見之肝臟腫瘤的機率超過80 %,更重要的是,肝臟腫瘤的發生機率與小鼠體內HBV力價有關。接受過腺相關病毒載體之RNA干擾基因治療,並長期維持血清中HBV力價低於107 copy / ml的基因轉殖小鼠,產生肝臟腫瘤機率則降低至25 %,若有出現腫瘤則直徑較小。已有越來越多臨床研究顯示發生肝硬化或是肝細胞癌的發生機率,可能與B型肝炎病毒e抗原有關,並與血清中B型肝炎病毒力價成正比。根據這些結果可知,本論文中所使用之B型肝炎病毒基因轉殖小鼠,可能有助於瞭解病毒對肝臟細胞的影響,並導致腫瘤發生的原因,藉由長期抑制B型肝炎病毒則可以達到防止肝臟病變發生的機率。

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EB病毒(Epstein-Barr virus, EBV)的潛伏膜蛋白1(latent membrane protein 1, LMP1)被視為是致癌蛋白,因其可模擬持續活化的腫瘤壞死因子受體(tumor necrosis factor receptor)且觸發包括phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K)/Akt在內的數條訊號傳遞路徑。此外LMP1亦可致使數種細胞株轉形並且對EBV所造成之B細胞轉形為必需。細胞轉形與基因體不穩定有高度關聯性,其中細胞之DNA修復系統對於基因體之穩定性扮演重要的角色。在過去之研究中,我們已經發現到LMP1可透過其CTAR1區域抑制表皮細胞之DNA修復。在本篇研究中,我們進一步證明LMP1透過CTAR1區域觸發PI3K/Akt這條訊號傳遞路徑,進而造成細胞DNA修復之抑制。此外,藉由此路徑之活化,過去曾被證明可促進細胞DNA修復之FOXO3a轉錄因子,亦會受到磷酸化之影響而改變其在細胞內之位置。而另一參與核苷酸切除修復(nucleotide excision repair)且受到FOXO3a轉錄因子所調控之DDB1蛋白,也會因此降低表現量。反之,當回補FOXO3a或DDB1時, 此LMP1抑制DNA修復之現象可獲緩解。這些結果顯示,LMP1乃透過其CTAR1區域觸發PI3K/Akt訊號傳遞路徑,進而使FOXO3a轉錄因子不活化,接著使DNA修復蛋白質DDB1之表現降低,最終致使細胞DNA修復能力之抑制。而此現象有可能會造成基因體之不穩定,進而引導細胞走向癌化。

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吞噬作用是當感染原進入宿主體內時,最先引起的先天性免疫反應,而嗜中性球及巨噬細胞則扮演了主要吞噬感染原的角色。之前許多研究指出,細菌發酵產物具有免疫調節功能,且在服用乳酸菌的發酵產物後,受測者周邊血液中單核球的吞噬能力,有明顯上升的現象。在本研究中,我們建立體外的免疫細胞吞噬作用模式,測試豆類細菌發酵產物是否具有直接增強細胞吞噬能力。先以4%無菌硫乙醇酸鹽由腹腔注射老鼠,隔天分離出腹水細胞,包括嗜中性球及巨噬細胞,以細菌發酵產物刺激不同時間點後,加入帶有綠色螢光蛋白的大腸桿菌,利用流式細胞儀分析腹水細胞的吞噬能力,並利用H DCFA檢測細胞內活性氧的產生量。結果顯示細菌發酵產物分子量大於50 kDa的部分,具有促進腹水吞噬細胞及人類單核球細胞株THP-1吞噬作用的效果,此外,分子量小於50 kDa的細菌發酵產物抑制脂多醣體或大腸桿菌所引起小鼠腹水吞噬細胞及人類單核球細胞株的活性氧化物產生。本實驗結果顯示,細菌發酵產物具多重活性,除了可促進吞噬細胞的功能外,也可調節氧化壓力的過度產生。

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新穎分子BCAS2已被發現在乳癌細胞株MCF7及MDA-MB-231,以及一些乳癌患者之臨床組織切片中,發現有基因放大或過度表現的的現象,並可能與乳癌細胞的侵襲性和遠端轉移有關。在本實驗室的研究中,發現默化BCAS2會導致MCF7細胞發生細胞凋亡,且細胞聚落形成能力降低。並發現BCAS2可以和抑癌蛋白p53結合,阻礙p53對下游目標基因如p21的轉錄活化,因此是一個p53的負向調控分子。 p53為細胞中最重要的抑癌分子之一,約有百分之五十以上的癌症被發現含有突變的p53,其餘大多數亦與p53的調控或訊息傳導途徑相關。p53由其轉錄調控因子的功能,辨認特定的DNA序列並與之結合,並影響目標基因的轉錄活化或抑制;或是藉由其下游基因間接調控其他基因。p53下游的基因在細胞週期、細胞凋亡、老化等細胞重要反應上,都扮演相當重要的角色。 在本研究中,我們發現BCAS2可受到p53的轉錄壓抑作用。在胚胎腎細胞株293T、乳癌細胞株MCF7及肺癌細胞株H1299中皆可觀察到p53的活化或大量表現,將導致BCAS2蛋白質表現量降低的現象。後續實驗則發現p53可壓抑BCAS2基因啟動子的活性,以及其mRNA的表現。染色質免疫沉澱分析的結果則說明p53可結合至BCAS2啟動子上。然而對於p53乃辨認BCAS2啟動子中哪一段序列做為結合位,目前仍尚未釐清。 本研究證明BCAS2是抑癌蛋白p53下游進行轉錄抑制的目標基因之一,然而先前研究中BCAS2亦為p53的負向調控因子,因此在BCAS2與p53之間存在著相互抑制的互動關係。在細胞處於正常環境下,BCAS2可以抑制p53的活性,使細胞得以正常地生長分裂;BCAS2的過量表現甚至可能是癌細胞中,p53無法正常作用的原因之一。然而一旦p53受到活化,則可以抑制BCAS2的表現,且此壓抑作用可使p53活性更加增強,形成正回饋的效果。未來可以此機制,作為癌症治療的目標之一;且BCAS2與p53之間的互動,也可以成為未來研究p53與負向調控因子之間的模式之一。