The Sky of Gene: 鳥羽之美：台灣版《羽的奇蹟》

　　雖然紐約的夜裡不容易看到星空，鍾正明院士的腦裡卻浮現出夜空中閃爍的星座，各種腦組織中表現的神經黏結分子在螢光顯微鏡底下，在雞脊髓旁的羽毛芽中也閃閃發亮。

　　卅幾年前，鍾院士忙碌地在紐約洛克菲勒大學的傑拉爾德•艾德曼（Gerald M. Edelman，1929 – 2014）主持的分子發育生物學實驗室裡進行博士研究，他在回家的路上，和掉在地上的鳥羽邂逅，靈光乍現地想到鳥類每逢春秋季都要換不同的羽毛，高調艷麗的春羽用來把妹，低調暗淡的秋羽保暖過冬，無論是高調還是低調的羽毛，都可以來自同一個毛囊，那究竟是哪些分子機制在調控呢？鳥羽形態夠複雜，不僅能夠產生多端的變化，也容易分析研究，於是他決定以羽毛為研究模式。

　　鍾院士於一九七八年畢業於台大醫學系，可是他卻未投身臨床醫學，反而著迷於生命科學的奧秘，故遠赴洛克斐勒大學攻讀基礎醫學，在諾貝爾生理學及醫學獎得主、發現免疫系統的蛋白分子之間如何連結的艾德曼博士指導下，致力研究細胞如何形成組織器官的「形態發生」，探討神經細胞之間如何連結。他一拿到病理學博士學位，就擔任該校分子生物系助理教授。一九八七年，轉於美國南加州大學醫學院病理系任教。

　　鍾院士成功找到了神經黏著分子（N－CAM），並研究了其在神經發育中的角色。儘管羽毛和神經組織乍看之下完全不同，可是在組織和器官發育時，其實仍是使用同一套「分子工具」，有異曲同工之妙。鍾院士用心獨闢蹊徑地鑽研鳥羽的「皮毛之道」，逐漸發光發熱，成為世界羽毛研究的先驅和權威。

　　鍾院士不僅在羽毛發育上有重大的成就，他還進一步研究了鳥喙的發育，發現了鴨喙和雞喙在分子生物層次上的不同，這些雞毛鴨喙的研究成果陸續刊登上了《科學》（Science）、《自然》（Nature）、《美國國家科學院院刊》（PNAS）和《細胞》（Cell）等國際頂尖期刊，其中也包括哺乳動物的毛髮生長的研究，讓鍾院士的皮毛之道在鳥獸之間暢通。

　　這本《羽的奇蹟》（Feathers: The Evolution of a Natural Miracle）非常生動地述說了許多關於羽毛的故事，讀起來趣味盎然。其實近年來羽毛研究在國際上發光發熱的重大突破，有不少都有台灣的科學家參與，這是值得台灣驕傲的領域。

　　《科學》去年底公布了二○一四年十大科學突破研究，其中一大突破是恐龍演化成鳥類的研究，鍾院士的研究居功厥偉，他的研究推演出羽毛的演化發育步驟，讓古生物學家能夠判斷恐龍身上的皮膚衍生物是否為完整的羽毛，或者是原始簡單的羽毛，為解開恐龍演化成鳥類之謎提供了重要的線索！

　　◎羽毛的演化發育生物學

　　時間倒帶回到廿幾年前，當中國遼寧的恐龍羽毛出土後，身為國際少數羽毛研究者，鍾院士對恐龍的羽毛也產生濃厚的興趣。當時有個懸而未決的問題，也就是《羽的奇蹟》裡提到的，羽毛究竟是怎麼演化來的？是先有絨羽狀的羽毛？還是先長出細長的羽軸然後再出現羽枝？還是鱗片直接裂成羽毛的形狀？

　　鍾院士當時發展出一個研究羽毛發育的方便方法。就是把成雞的羽毛拔下，毛囊內的幹細胞會重新生長出新的羽毛，如果在剛拔毛不久後就把一種帶有外來基因的反轉錄病毒注入毛囊，新長出的羽毛就會發展出該轉殖入的基因，藉此改變羽毛的發育。這個方法是其他組織器官難以做到的，加上羽毛形態複雜，可以產生的變化多樣，因此成了很優異的研究材料。

　　鍾院士二○○二年在《自然》發表的論文，首先演示了這個系統的優勢，他們利用反轉錄病毒轉殖基因的方法，調控了幾種發育關鍵分子的濃度，發現幾種訊號蛋白質決定了羽毛的成長情形，造就巨形羽軸、多根羽軸和羽枝增生的羽毛。同時也發現羽毛發育的步驟是先形成羽枝、再長出羽軸，所以合理推論羽毛在演化的過程中，應該是先出現羽軸不完整的絨羽，然後才是羽軸完整的正羽。

　　因為鍾院士在羽毛發育的分子機制上的先驅研究，科學家得以瞭解到一根羽毛在發育時需要的分子機制。各種訊號分子的濃度調控了羽軸、羽枝、小羽枝的數量和粗細，像是WNT3A的濃度梯度決定了羽毛會長成絨毛或正羽。由於鳥類不同身體部位的分子調控的差異，鳥類能夠在身上不同處長出形態各異的羽毛、例如絨羽、覆羽、飛羽、尾羽等等。

　　也因為羽毛發育的調控可能產生的組合頗多，造就了鳥類多彩多姿的羽毛。古生物學家在恐龍化石上也找到了形態各異的羽毛，也是很合理的。

　　◎台灣的羽毛研究

　　「鍾正明院士的工作你聽過嗎？」中央研究院生物多樣性中心主任李文雄院士如此問道。

　　當時是二○○九年的九月，我剛從加州大學戴維斯分校拿到遺傳學博士，回台灣中研院李院士實驗擔任博士後研究員。

　　剛聽到我有些吃驚，因為我曉得鍾院士的工作，記得二○○二年他在《自然》的那篇經典論文刊出時，當時清大生科系碩士班指導教授，當過國立自然科學博物館及現任《科學人》（Scientific American）雜誌總編輯李家維老師就很興奮地來找我們，說《自然》有一篇有關羽毛演化研究的重大突變，是一位在加南大任教的台灣人完成的，要我們趕快下載印給他看。李家維老師對恐龍羽毛非常感興趣，常常把長羽毛恐龍的新發現掛在嘴邊。

　　我當時說知道，李院士就說那很好，因為他希望我跟鍾院士合作。李文雄院士在分子演化的領域無人不知、無人不曉，他在十幾年前撰寫的《分子演化》（Molecular Evolution）教科書，迄今仍是研習分子演化必讀的經典，沒想到他對羽毛的演化發育生物學也非常感興趣。我要到中研院工作前，寫了份研究計畫書，提出用酵母菌研究蛋白質的分子演化。雖然我博士班是用果蠅進行遺傳研究，可是單細胞的酵母菌理論上更好上手。所以我聽說要改用禽類做研究材料時，感到非常驚訝。

　　我從小也對羽毛著迷，覺得羽毛是最漂亮的生物構造。公鳥簡直就是生物界中最高明的藝術家，而母鳥的羽毛雖然一般上沒那麼亮麗，可是卻是品味不凡的鑑賞者。千里馬常有，而伯樂不常有。儘管公鳥的羽毛能夠因為遺傳變異而變幻萬千，但決定誰能留下後代子孫傳承新意的，還是母鳥啊。我博士班雖然是以果蠅為研究材料，但是卻也是研究雄果蠅性徵的性擇，這道理是相通的。

　　要研究羽毛，先要有鳥禽當材料。還好我得到了中興大學動物科學系陳志峰老師的大力協助，他在興大接手管理李淵百教授土雞研究團隊留下來的珍貴家雞資源。另外還有唐品崎老師和興大生科系鄭旭辰老師的協助。李家維老師在鍾院士的感招下，也加入了家雞種源保育的工作，在屏東高樹的辜嚴倬雲植物保種中心保育珍貴的家雞品系，最有名的是「宮廷雞」，傳說是清朝慈禧太后愛吃的一道菜，宮廷雞雞冠鮮紅、通體潔白、頭頂鳳毛、腳生羽翼、頜下有鬍鬚、全身絲羽纖細如兔毫，十幾年前雞種在大陸滅絕，卻因緣際會在台灣的保種中心復育。

　　中興大學更在陳志峰老師和鍾正明院士的領導下，成立鳥禽類演化與基因體研究中心，英文縮寫就叫作「iEGG」。這是陳老師和鍾院士一次聚會時，鍾院士提議不如也趕個流行，加個「i」來孵顆稱作「iEGG」的蛋，英文全名是「Integrative and Evolutionary Galliformes Genomics」，整合各種資源和領域，用以研究孔雀和鴛鴦春秋羽變換的分子和細胞機制等等。

　　我和鍾院士等人的合作，最初是以捲毛雞為材料。我們發現捲毛雞其主控基因是一種角質蛋白質的變異。該蛋白質在保守區域缺失了廿三個胺基酸，我們把基因釣出來後，在拔毛後的毛囊內利用反轉錄病毒把該突變基因表現在幹細胞內，讓重長的羽毛表現該突變基因，結果就確實讓羽毛給弄彎了。

　　非常有趣的是，我們發現的基因KRT75，和人類的鬚部假性毛囊炎有關。該遺傳病讓修剃鬍鬚後，重長的毛的尖端穿透入囊壁內或卷曲于皮內，引起鬍鬚部異物發炎反應。這個和人類相關遺傳疾病的有趣關連，是我們當時始料未及的，也是基礎研究深具的潛力！我們接著在人類的角質蛋白疾病中找了幾個有待驗證的突變，發現這些突變都能造成各種羽毛生長變異，顯示羽毛或許能夠用來研究人類疾病的分子和細胞機制。

　　二○一一年底我到南加大訪問，結識了對我工作幫助很大的吳平博士，我們後來共同發表了幾篇論文，他給了我非常大的幫助。還有見到當時快結束兩年訪問的林頌然博士，他是台大皮膚科醫師也是醫學工程所副教授，他在鍾院士實驗室研究羽毛的黑色素幹細胞。

　　林醫師好奇多彩多姿的羽毛顏色，是怎樣演化而來的？雖然知道羽毛中有黑色素幹細胞來調控羽毛的顏色，但由於黑色素幹細胞還沒有色素，無法清楚分辨。他成功找到了一種分子標記，可以清楚分辨出黑色素幹細胞。過去科學家只知黑色素幹細胞是影響鳥類羽毛繽紛多樣的原因，但其位置蹤跡不明，導致無法深入探索。

　　和興大的陳志峰老師及鄭旭辰老師合作下，他們也探討了家雞形形色色的羽毛顏色形態的分子細胞機制。羽毛的黑色素幹細胞藏在羽毛底部形成一個環狀像甜甜圈的結構，在空間上變得有很多調控的自由度，讓羽毛顏色可以兩邊不一樣或者是前後正反不一樣，可以有橫紋、多層蕾絲、遠端白點等多種排列方式。他們還發現，有些鳥類的橫紋羽，毛囊內部的纖維細胞會節奏性地定時分泌名為Agouti的蛋白質來抑制黑色素的合成，進而造成白色橫紋。這些發現發表在二○一三年的《科學》。

　　雖然是在羽毛上的基礎研究，但是人類和鳥類都有黑色素幹細胞，只是人的黑色素幹細胞會因老化等原因消失，鳥類則不會全部消失，這項研究或許有助於未來進一步研究人類白髮的成因。

　　鍾院士等人在羽毛的研究過程中，發現了幹細胞的許多秘訣，讓他們往再生醫學的方向發展，這或許是當初選擇羽毛這個冷門的題材當研究題材時始料未及的吧？生命科學的基礎研究最有趣之處莫過於此，許多單純因為好奇心而探討的事物，後來發現原來能夠有非凡的應用價值。所以，不見得要先功利，才能有利可圖啊！

　　《羽的奇蹟》雖然沒有觸及台灣研究者的研究貢獻，但是本不可多得的優異科普作品，作者索爾．漢森非常風趣地述說他和羽毛的各種邂逅經驗，有時涉及科學內部的知識轉折，有時拓展到人類應用羽毛的面向，多處令人不禁莞薾，他風塵僕僕地四處奔走，帶我們探訪尋覓羽毛的各種有趣面向，讓我們見識羽毛無窮的魅力。他的文筆實在太活潑生動了，每讀一章就像看了一部國家地理頻道的影片，可愛的小鳥和拉斯維加斯舞者的身影彷彿能在紙上再現。吳建龍先生的譯文也很流暢逗趣，這會是所有愛鳥人仕無不希望能人手一本的好書！我也希望藉由本文讓更多人知道台灣學者在羽毛領域的發現。