實驗室巡禮

螢光魚的「做者」─蔡懷楨教授

林秀玉　羅時成

螢光魚是科技與藝術結合的精品，除了觀賞，亦可作為生物及醫學研究的新材料，特別在呈現胚胎發育的動態過程上。能直接接觸基因轉殖的物種，使人們更容易了解並探討生物科技的奧祕。

2003年9月，Discovery頻道和動物星球（Animal Planet）工作小組專程從英國來，拍攝他的螢光魚實驗；2003年11月15日，南非電視台請他上現場call in節目；2004年1月14日，法國第三電視台派一組人員來拍攝「螢光魚專輯」。在此之前，《亞洲週刊》、《遠東經濟評論》（Far Eastern Economic Review）、《華爾街日報》（The Wall Street Journal）等平面媒體也先後訪問過他，因而引起世界著名的《科學》（Science）記者訪問，並報導在2003年5月30日的刊物上。2003年11月24日，螢光魚獲《時代》（Time）選為2003年各行各業中40個最酷的發明（Coolest Inventions）之一（圖一）。

「他」是誰？他就是享譽國際的螢光魚「做者」，目前擔任台灣大學分子及細胞生物研究所所長的蔡懷楨教授（圖二）。

從不等到考試才念書

蔡老師在苗栗縣後龍鎮出生，高中就讀師大附中第151班，大學沒有繼承父親行醫的衣缽，轉而進入輔大生物系就讀，在扈伯爾主任紮實的課業規劃、充足的儀器設備和嚴格的學業要求下，培養了蔡老師在生物科學領域的良好基礎。

大學三年級時，由於課程分科較細、較專業，蔡老師念得很有興趣，上課第一天就興高采烈的開起夜車，每天都把上課的內容和相關的資料整理好，並儘量完成課前預習和課後複習。蔡老師第一次真正進到實驗室做實驗，是在升大四的暑假，到范秉真教授位於榮總柯柏館的實驗室，進行血絲蟲的研究。

由於熱愛海洋生物和潛水，蔡老師大學畢業後即考取台灣大學海洋研究所的海洋生物及魚類組，選擇利用生化分析血清蛋白的多型性（polymorphism）從事對近海魚類的族群遺傳研究。碩士畢業後，蔡老師繼續留在指導教授的實驗室作研究助理，除了繼續探討碩士論文可發展的內容，也同時參與墾丁南灣核三廠及東沙群島海洋生物相的調查，幾年之後，再到國防醫學院擔任助教。在這6年期間，蔡老師結婚、生子，並於1982年與妻子一同前往美國奧瑞岡州立大學微生物研究所攻讀博士，學習遺傳工程，研究乳酸菌抗菌素蛋白（特別是對抗肉毒桿菌和大腸桿菌）的基因及其傳遞。在一面做實驗、一面照顧孩子的情況下，蔡老師以驚人的毅力，在三年半內拿到了博士學位。

1986年回到台灣後，蔡老師先在美國泛球研究所（PanLabs Research Institute）的台灣實驗室擔任研究員。當時台灣大學漁業科學研究所剛成立不久，郭欽明所長想網羅融合魚類與分子生物技術背景的蔡老師加入，蔡老師為了能在魚類分子生物的研究領域更精進，於是離開服務一年半、薪水頗豐的泛球，再度赴美，於約翰霍普金斯大學生物系系主任Powers教授及陳鐵雄教授的實驗室作博士後研究，以魚的生長激素基因（growth hormone gene）進行魚類分子生物研究。1988年年底回國時，蔡老師便受聘台灣大學漁業科學研究所；2004年2月，轉入台大新成立的生命科學院分子及細胞生物研究所任教至今。

還有多少時間可以用？

蔡老師求學時期有幾則有趣的小軼事。在攻讀碩士期間，蔡老師常常需要到屏東的東港登捕魚船、採集海洋回游性魚類的新鮮血液。這可完全是「靠天做實驗」，實驗當天凌晨3點即要在碼頭預備，等待船長判別天候，好天氣才可以「獲准」出海，也才有可能得到新鮮的魚類血液；若是天候不好，就得打道回府，等待隔天再試。

跟小漁船在近海捕魚，通常是黎明上工、當晚回航，十分辛苦且危險。船隻很小只能容下兩人作業，通訊及救生設備都不足，能一路走來靠的全是對研究的滿腔熱忱。

蔡老師曾到過東沙群島研究當地的海洋生物相，因為研究船（九連號）不能直接靠岸，必須用船外機接駁。有一次蔡老師和地質組的研究生帶儀器先鋒上岸後，因為海浪過大，東沙島船隻無法做第二次接駁，也無法與外海的研究船通訊，使得研究船上的教授們誤認他們兩個已經在海上失蹤，急電台大校方。蔡老師說：「回想當時，除了想把實驗做好，什麼都沒想到。」

在美國攻讀博士期間，除了周末晚上，其他時間都得和妻子輪流照顧孩子，有時候輪到蔡老師看小孩，妻子做完實驗回家已經很晚了，但他仍得再赴實驗室把當天未完成的實驗做完。蔡老師說：「做實驗，不是看現在是什麼時間，而是看還有多少時間可以用。」

實驗室主要研究內容

如今，蔡老師已是享譽國際的水產生物學者，曾兩度榮獲國科會傑出研究獎，也多次受邀演講，更榮登美國世界名人錄。蔡老師的專長在水產分子生物、海洋生物技術、基因轉殖等，主要研究內容是以遺傳工程及基因轉殖技術，進行以下的研究：（一）分析肌肉調節蛋白（Myf-5）、肌肉結構蛋白（troponin）、心臟肌結構蛋白（cardiac myosin light chain）及視網膜受光蛋白（rhodopsin）的分子結構、基因調控、轉錄表現及其功能。（二）利用基因轉殖魚為模式，研究人類心臟及眼睛的疾病（與台大醫學院合作）。（三）研發水產養殖生物如魚、蝦、貝、餌料之基因轉殖系統及新品系。（四）開發各類觀賞魚種多樣化的體色。

這些研究主題中，有基礎的學術研究，也有應用的技術研究，以及生物醫學材料的研發，都在國際知名的學術期刊（如PNAS, Development Dynamics, FEBS Letter, Development Biology, Gene, BBA等）發表，其中最引人注目、也使人最感有趣的，就是透過基因轉殖技術，使魚身表現多樣化體色的「螢光魚」。

基因轉殖與技術

稻田魚（medaka, Oryzias latipes）和斑馬魚（zebra fish, Danio rerio）是作為基因轉殖（transgenic）的兩種模式魚種，牠們有卵徑大且透明、可用光控制排卵、每天都可排卵、轉殖操作簡單、2-3個月就可發育成熟、基因組核總數只有哺乳類的20％等多項優點。製作基因轉殖魚的方法，是將具有特定功能的外來基因，導入欲轉殖魚的卵內。

將外來基因導入卵的方法，有添加氯化鈣或聚乙二醇（polyethylene glycol）以誘導融合，或以微脂粒（liposome）、病毒感染、胚胎幹細胞（embryonic-derived stem cells）、顯微注射（microinjection）、電破（electroporation）、粒子槍（particle bombardment）及精子載體（sperm-mediated gene transfer）等方法，其中以顯微注射及電破法最為普遍。

利用這些方法迫使一段外來的基因或核酸片段進入卵、胚胎或體細胞的細胞核或細胞質內，讓外來基因能在其中繼續複製，進而在個體上表現出該基因的性狀，成為基因轉殖生物。蔡老師研發螢光魚時，基因轉殖所應用的方法以顯微注射法為主。

螢光蛋白基因

進入台大後，蔡老師繼續進行在約翰霍普金斯大學生長激素基因的研究，並因為研發利用精子當載體攜帶生長蛋白激素等基因改良水產生物，成功研發出魚、蝦、貝類等生長速度較快的轉殖品系。

由於基因轉殖生物需經長期食品安全的測試，且食用魚採開放性養殖，若不控制脫逃，會有破壞生態的疑慮，蔡老師從而著重對視覺和肌肉的基礎研究，並利用小型模式魚種（如斑馬魚和稻田魚）的胚胎來做實驗。

受限於當時偵測系統技術的程度，許多轉殖生物的實驗結果會發出假的訊息（false-positive）而造成誤判，因此蔡老師特別用來自水母（Aequorea victoria）的綠色螢光蛋白（green fluorescent protein, GFP）基因作為基因轉殖魚的報導基因（reporter gene）。當GFP基因被轉殖進入物種以後，因為其表現容易追蹤，不但可以準確的觀察，也不必犧牲生物個體，使我們可以在胚胎發育的過程中進行非侵入性（non-invasive）的直接觀察。

2000年，蔡教授及研究生王子銘發表了眼睛帶有綠色螢光的轉殖魚種，這是轉殖一段由視網膜受光蛋白啟動子（rhodopsin promoter）接合了GFP基因的DNA組合，使轉殖魚在眼睛有專一性表現的研究（圖三）；但是，如果啟動子逐漸被切短之後，基因表現的位置就不再僅限於眼睛，而會在全身其他組織非專一性地表現。

外來基因能成功嵌入染色體並能表現出來的機率很低，在構築了不少基因片段的組合之後，以及研究生周記源及洪龍賢的相繼努力下，終於成功的孵育出全身發散綠色螢光的轉殖魚，蔡老師說：「當時大家在螢光顯微鏡鏡頭下看到這些螢光魚時，內心的感動真是難以形容！」

給小魚著上螢光

當繼續研究基因的表現機制時，研究團隊發現雖然外來基因是嵌入到染色體的單一位置，但外來基因會在魚體內自我接合（self-ligation），形成多分子形狀再嵌入到染色體內，使每條魚所擁有的外來基因套數（copies）不同，造成轉譯出的螢光蛋白含量不一，所以每一轉殖品系的螢光深淺也各異；易言之，有些螢光魚的螢光只要裸視就可以察覺，有些則需要在螢光顯微鏡的鏡頭底下才能分辨。而今，當我們白天在水族箱內看到自在遨遊的螢光魚顯出淡淡的綠色或紅色，若在黑暗中以藍黑燈光照亮，所看見的則是有些為眼睛帶有螢光、有些為肌肉纖維帶有螢光，更有些是全身都帶著螢光。

一般而言，海水魚的色彩要比淡水魚亮麗，但在水族缸飼養海水魚並不方便，因此蔡老師想，是否可以改變淡水魚的體色，使其變得多彩多姿？最後蔡老師選擇了青魚（即稻田魚）為實驗材料，因為青魚是淡水魚，色澤貧乏、沒有明顯的紋路、身體透明，若帶有螢光，效果一定比其他魚種更好；除此之外，青魚不是食用魚，不必考慮基因轉殖後的食用安全問題。青魚在台灣其實已瀕臨絕跡，卻因為外型不引人注目，而幾乎沒有人察覺到。

運用基因工程及轉殖技術，可以像施魔法般的讓青魚烏鴉變鳳凰，如同使用彩筆將魚的眼睛、肌肉或心臟等部位繪上螢光。將不同顏色的螢光基因殖入魚的染色體內，使得一條魚身上同時擁有許多色彩，如海水魚般鮮豔漂亮。

螢光魚的育種與選殖

青魚野生種的體色是灰暗的，轉殖後的則整條通體螢綠，非常漂亮，連體內器官、產下的卵、孵出的小魚也都會全身呈現綠光（圖四），每個人都能在螢光顯微鏡或裸視下，輕易的區分兩者，篩選品系非常方便。

為了使一般民眾不需仰賴貴重儀器就能看出轉殖魚的螢光體色，蔡老師的研究團隊主要篩選出裸視就可見螢光的轉殖魚苗來培育；但是，製造螢光基因魚在技術上最難的部分，是如何使螢光基因嵌入生殖細胞中、穩定地傳給子代，並可以強烈地表現出來？但為了生態保育及生物多樣性的考量，基因轉殖生物又不要對環境造成影響，要如何才能使轉殖魚不孕？

蔡老師以顯微注射方式將GFP基因植入青魚的卵或胚胎內，經過嚴謹的育種和篩選後，取得帶有綠色螢光的轉殖魚。帶有GFP基因的所有轉殖魚親代並不是每隻都能穩定地將轉殖基因傳給子代，因為僅有嵌入生殖細胞核內染色體內的外來基因，才會在個體內保留下來並遺傳給其子代；若是體細胞有轉殖基因，就只能在該個體的體細胞衍生的器官或組織中表現，形成「鑲嵌體」（mosaicism）現象，這樣的螢光現象並不會傳遞給子代，同時也可能因為注射外來基因的時機不同，造成不同基因轉殖魚產生螢光的部位也不相同。

外來的螢光基因是否有真正嵌入生殖細胞核內的染色體，並且穩定地傳給子代，必須透過配對、篩選來確認每一代魚種所具有的基因組成。

首先以零代轉殖魚（F0）與原生種魚交配，得到F1子代的螢光表現率可能低於50％，但篩選裸視可見的F1螢光魚，一定是異型合子（heterozygote; +/G）的轉殖魚。為了確認F1螢光魚能穩定地將轉殖基因遺傳給子代，以及其基因型是異型合子，將F1螢光魚再與原生種魚交配，得到F2螢光魚和非螢光魚的比例為1：1，螢光表現率約達50％。再將F2螢光魚進行自交，得到F3螢光魚和非螢光魚的比例為3：1，螢光表現率75％；F3螢光魚中，異型合子和同型合子（homozygotes; G/G）轉殖魚的比例是2：1。再篩選F3中同型合子的螢光魚與原生種魚交配，則F3的魚群中全部都是異型合子的螢光魚，螢光表現率100％。（圖五）

為基因轉殖生物

「結紮」

為使螢光魚均百分之百不孕、不對生態環境造成破壞，如何幫螢光魚進行類似結紮的絕育技術？對此，蔡老師運用染色體工程技術產生多套染色體的胚胎，方法之一就是以溫度控制繁殖魚卵的孵育，使其在第二極體（second polar body）不被排出的情況下與精子結合，成為多倍體受精卵，再發育成熟，染色體套數不正常的基因轉殖魚就無法生育下一代了。目前基因轉殖的螢光魚都是經過嚴格篩選，均已能達到百分之百無法生育，不會把轉殖基因藉由任何方法傳遞給其他個體或種類。

轉殖螢光魚的壽命約2-3年，其帶有的轉殖GFP或RFP（red fluorescent protein, 紅色螢光蛋白）基因分別是從水母或珊瑚取得的，因此轉譯出的蛋白質就和水母或珊瑚所產生的蛋白質一樣，是海洋生態系食物鏈中的自然產物，即使基因轉殖魚死亡、被釋放到自然環境中，也不會造成污染。

蔡老師與邰港科技公司進行建教合作，在研究生林正勇及李秉璋的努力下，共同推展螢光魚的研發，陸續完成全身發綠色螢光（圖六）、肌肉呈紅色螢光（圖七），以及雙基因兼具紅、綠兩色的螢光魚（圖八）。能在一條魚上的不同部位同時呈現紅、綠兩種螢光的色彩，是空前的成功，也是世界唯一的。這個新品系魚種的育成技術比單基因螢光魚困難數倍。

不只發出螢光

螢光魚是科技與藝術結合的精品。2003年6月在巴黎召開的斑馬魚遺傳與發育國際研討會的宣傳單，就是由蔡老師的研究生蕭崇德利用螢光魚排列成艾菲爾鐵塔圖樣而獲選。

螢光魚也可讓人由欣賞散發美麗的綠色或紅色螢光魚，舒緩緊張的情緒和壓力。邰港科技公司已在五股成立「基因魚種源庫」，螢光魚的研究除了觀賞魚新品系的開發，亦可作為生物及醫學研究的新材料，特別在染色體、細胞、組織、胚胎等相關研究，例如「活體追蹤」綠色細胞在斑馬魚和稻田魚等模式魚種中，某胚胎發育過程的動態表現，以及探索特殊細胞群分化發育成為某一組織或器官，如眼睛、心臟及肌肉等的路徑，甚至分析特定基因群如何表現或抑制某種性狀的細節、找尋心臟疾病和組織的再生等。

螢光魚的學術研究成果不僅對國民外交貢獻良多，也影響國內的科學教育。國科會91年度科教活動接洽者陳淑美小姐與蔡老師的共同感覺：「過去的科學教育多使用圖片，沒有什麼臨場感，也與現實生活脫節；如今有實體的螢光魚，現場感和親和感都強烈多了！」活動進行當時，蔡老師雖然不在國內，但仍交代研究團隊盡力提供人力和物力支援，能讓小學生們在這次活動中開心的親近可愛的基因科技產物，定能引發孩子們對生物科技的概念和興趣。

螢光魚是活生生、可親近、易獲得的基因轉殖物種，與野生魚種相比，外顯的螢光特徵十分搶眼，與其他基因轉殖動物其轉殖個體與正常個體在外表不易區分的相比，螢光魚的展示比較容易讓學生一看就明白。藉著直接接觸轉殖科技研發成功的物種，學生們比較容易了解高科技的基因轉殖技術，進一步探討生物科技的奧祕。

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