若問當今科學期刊中的龍頭老大是誰，一百個科學家之中有九十九個會說是《細胞》(Cell)、《自然》(Nature) 與《科學》(Science)。這三本期刊齊名，刊登的文章大多是創新重要的突破與發現。能在這幾本重量級的頂尖刊物上發表文章，可以說是從事研究的人的最佳肯定。我們實驗室的日籍博士後研究員望月一史（Kazufumi Mochizuki，我們都稱他為Kaz）最近就有一篇關於纖毛蟲大核基因體重組的文章，刊登在細胞上。
Kaz於2000年在日本拿到博士學位，研究海綿水螅與扁蟲等動物中生殖細胞系(germline)與體細胞系(soma)的分化。生殖細胞可以分裂增生，保持未來分化的能力；體細胞則會被賦予特定任務，變成構成生物體身上各式各樣不同的型態與功能的細胞。從果蠅的研究中發現有一個基因piwi突變時，就無法保有生殖細胞的特性。後續研究發現與piwi序列結構相似的基因廣布於各種生物中，從複雜的哺乳動物如人類與老鼠，一直到分類地位較原始的海綿與腔腸動物等都有。Kaz的博士論文工作之一，就是從演化發育(Evo-Devo)的觀點，比較與探討不同物種間piwi相關基因的功能。可是到底piwi這類基因是如何發揮作用，詳細的生理生化機制是什麼，則仍不清楚。Kaz說，為了詳細探究piwi的功能，他在決定繼續進行博士後研究時，就想挑一個已建立分子遺傳學研究工具的實驗體系。既然原始的多細胞生物已經有piwi相關基因，單細胞生物有沒有呢？正好，纖毛蟲有掌管生殖的小核與一般營養維生的大核，這種分工現象在概念上十分類似多細胞個體內生殖細胞系與體細胞系的分野。種種因素總合考量，利用四膜蟲(Tetrahymena thermophila)這種纖毛蟲似乎是唯一的理想決定。所以Kaz就寫了好幾封信給各地利用四膜蟲做實驗的科學家，表明自己的研究計劃與意願。不過，只有一位給了他正面的回應－－也就是我們老闆。因此他徵得在日本老闆的同意，我們寄了纖毛蟲的DNA給他，讓他開始選殖四膜蟲裡與piwi相對應的基因，然後在2001年的一月初，Kaz帶著他剛選殖到的纖毛蟲基因 tiwi 1 (TWI1)，飛度太平洋，來到這個北美大湖邊的小學校。
Kaz來到之後很快地就把四膜蟲身上TWI1基因剔除掉，發現TWI1基因的剔除對於纖毛蟲平時生長並無影響；但是如果進行接合生殖時缺少了這個基因，接合的過程無法順利完成，不能產生子代。生殖功能有異常，但是不會妨礙一般的生長營養─－這個結果我們並不感到意外，否則史上就不會有宦官亂政的禍源了。Kaz也觀察了TWI1基因表現的時機，發現這個基因只在接合生殖時才會活動，也符合事前的預料。至此一切都在料想中，唯一的插曲是在我們去開纖毛蟲分子生物學年會時，發現一個加拿大的研究團體從四膜蟲的EST計劃中也找到這個基因，也正打算著手研究。不過幾番斡旋，他們主動表示要放棄後續研究，願意分享他們當前已知的資訊，只求將來發表時能夠列名共同作者。老闆與Kaz同意了。
經過這樣競爭者棄權的插曲，Kaz開會回來後繼續原本的研究。他在Twi1製造出的蛋白質上加了一段小標記，可以利用特定的抗體染色並用螢光顯微鏡觀察Twi1蛋白質在細胞裡的分布，結果發現Twi1蛋白質首先出現在細胞質裡，接合生殖開始之後先跑到大核中。然後在接合後期受精完成、舊的大核被降解而新的大核發育時，Twi1蛋白就變成分布在新的大核裡。最後整個接合過程完成，Twi1蛋白分解消失。這個結果就很讓人困惑了－－原本Kaz預期TWI1基因的功能與生殖有關係，應該要在小核裡發揮功用才對，怎麼反而跑去大核不進小核呢？真正精采的故事就此慢慢開展。
疑惑在心，Kaz並未因此停了下來。他繼續仔細地去探討為什麼接合生殖在TWI1剔除之後會無法順利完成。纖毛蟲正常的接合生殖是要完成遺傳物質的交換，小核先行減數分裂產生單倍體小核，然後不同交配型接合時，小核互換融合完成受精變成新的雙倍體合子，再發育成新的大核與小核（註一）。在新的大核發育過程中基因體會重組，約有10-15%的DNA會被剪接分解，而TWI1剔除的纖毛蟲的接合正好就是中斷在大核基因體重組的時候。Kaz於是獨創了一個可以檢測單一個細胞基因體的方法，想看看是不是在缺乏TWI1基因的功能後，這些纖毛蟲就無法完成大核基因體的重組，才造成接合的失敗。結果正是如此。如此一來，他原先打算研究生殖細胞系，轉向涉足到體細胞系的發育去了。
在原本毫不相關的另一方面，從兩三年前開始，研究RNA與基因表現的人捲起一股熱潮，急於探究一個謎般的新領域－－RNA干擾作用 (RNA interference，註二）。在線蟲、果蠅與植物擬南芥(Arabidopsis)的研究中，人們發現雙股的RNA可以抑制相對應的基因的表現，而且這個過程中23-26 nt的小片段RNA是個十分重要的中間媒介物。2001年春天時紐約長島冷泉港研究中心的研究員G. Hannon應邀來生化與生物物理系演講，他提到生化分析引發RNAi 的酵素系統的新發現，其中有一個成員稱為Argonaute2。Argonaute2的詳細生理作用機轉仍不清楚，但是跟Argonaute2序列結構相類似的蛋白質卻廣泛存在各種生物之中，而且同一種生物裡還有不只一個這類蛋白，構成了一個蛋白質家族(family)。猜猜看，這個蛋白家族的成員有誰呢？piwi 正是其中的一員，與TWI1的序列特徵也完全相符！記得聽完Hannon的演講時，我問Kaz對於他那TWI1的表親參與了RNA干擾作用，他有什麼看法，是不是TWI1也有什麼類似的作用嗎？Kaz說他很好奇，也一直在想這個問題，但是到底是怎麼一回事，他用一貫的靦腆笑容說，"umm... I don't know...."。沒多久，Hannon的成果發表在《科學》上，而又過了幾個月，一連有好幾篇報告發現類似小片段RNA廣泛存在各種生物中，除了抑制基因表現、調節發育過程之外，還可以抵禦RNA病毒的感染，更有人開始探討是不是可應用作為治療AIDS的新途徑。一時之間，這些去探討小片段RNA到底還能幹什麼的研究，變成當紅炸子雞。
雖然一時還搞不清楚到底兩者有何相關，不過既然線索指出TWI1這類基因參與了小片段RNA相關的作用，Kaz就積極地探討是否纖毛蟲也利用小片段RNA來完成某些特定任務。他從纖毛蟲接合生殖過程中不同階段的細胞中分離RNA，利用電泳解析分子量的大小，結果發現纖毛蟲果然也有小片段的RNA，而且小片段RNA產生的時序、TWI1基因表現的時序、以及大核基因體重組的時機，三者正好相互吻合。更要緊的是如果把TWI1基因剔除之後，這些缺乏TWI1的功能細胞就不會形成了小片段RNA了，證明TWI1基因對於纖毛蟲的小片段RNA的形成擔任不可或缺的角色。Kaz還對這些小片段RNA進行定性分析，結果顯示與其他生物的小片段RNA有相似的性質，暗示可能是經由類似的生化反應機構產生的。至此，故事的輪廓已經大致完成，失落的一角也填上了。綜合他自己的發現與研究，加上參考前人的文獻與報告，Kaz大膽地提出一個模型，認為TWI1在纖毛蟲中參與小片段RNA的形成，而這些小片段RNA則進一步促成了大核基因體的重組，為小片段RNA的生理功能再度拓展了新疆界。
接下來就是寫成論文投稿審查增補實驗與解釋答辯.... 經過幾個月的繁瑣聯繫溝通，Kaz的文章終於在八月初被《細胞》接受了，在前幾天提前刊登上線（註三）。身為同一實驗室的同仁，我們都興奮不已，與有榮焉。手巧心細有條理，而且隨時注意最近其他領域的研究進展，Kaz的研究雖然不是朝著自己原先料想的方向走，不過卻百轉千折另闖出一片新天地。對於他大膽提出的模型，Kaz坦白地說雖然現有的證據與線索支持，其實他也不知道到底纖毛蟲實際上是不是真的利用這樣的方式來進行基因體的重組。科學可以提供的是合乎現行知識系統與邏輯的解釋，但是不表示就一定是真理。不過，即使是錯誤的也無妨，因為有了模型在手，就有預測的依據，就可以設計實驗來驗證，看看能否成立。所以馬不停蹄，看著Kaz又在實驗室忙進忙出，繼續往前走。
這就是一篇《細胞》文章背後的故事。
註一：請參閱「Conjugation(或說四膜蟲的性行為)」一文。
註二：請參閱「RNAi」一文。
註三：原始論文請參見 Mochizuki, K., Fine, N.A., Fujisawa, T., and Gorovsky, M.A. (2002). Analysis of a piwi-related gene implicates small RNAs in genome rearrangement in Tetrahymena. Cell. Published online August 14, 2002. DOI: 10.1016/S0092867402009091。印行版預定九月中旬出刊。網路版pdf檔案可在
http://images.cellpress.com/images/Cell/110/6/MochizukiIEP.pdf下載。
