從水產學到生殖生物學的長濱嘉孝

從水產學到生殖生物學的人生路程－

長濱嘉孝教授的研究生涯

劉恩良、何源興

水產試驗所東部海洋生物研究中心

圖 日本國立基礎生物學研究所生殖生物學研究團隊 (長濱教授：前排中央；筆者：最後排右四)

前言

魚類的成熟與產卵，決定人工繁殖技術的成敗。過去30年間，發現魚類卵細胞成熟誘導激素。在試管中完成鰻魚精子生成、發現魚類第一個性別決定基因以及無脊椎動物海星的產卵激素等重大貢獻者，便是日本的長濱嘉孝教授。筆者徵得長濱教授的同意，將其精彩豐富的研究人生化作文字，以饗國內對水生生物生殖生理有興趣的讀者。

立志專研水產

長濱教授於1942年出生在以玻璃、葡萄酒、運河聞名的北海道小樽市。因祖父喜愛生物之故，庭園中遍植梅花、櫻花、杜鵑花，也飼養貓、犬、雞、金絲雀、烏龜等動物，庭園正中有一小池塘，每年秋天將池中的鯉魚、金魚移到家中飼養過冬，待春暖花開之時，再度移回池中，而每年六月鯉魚產卵之際，成為長濱教授幼年時期印象最深的場景，無形中也成為往後的研究主題。因為喜愛魚類，所以選擇進入北海道大學水產學部。當時 (60年代) 北海道北洋船隊利用5月黃金週時期出海，漁業盛極一時。然而漁業是一種生活嚴峻的產業，因此如何利用新興的養殖技術來穩定產量，成為長濱先生思索的問題。大學4年中，他積極走遍全日本，體驗養殖場實務工作，例如前往以培育金魚聞名的大和郡山市養魚場，從事日本對蝦養殖的四國屋島栽培魚業中心等，累積豐富的現場養殖經驗，也立下終生貢獻水產業的研究大志 (圖1)。

圖1  水族缸前等待金魚產卵的長濱先生(右)

恩師們

參加北大水生生物社團活動野外昆布調查活動中，先生一度考慮從事海藻學的研究。當時，社團顧問山本喜一郎  是北大理學部動物學科出身，在水產學部擔任淡水增殖學的講座教授，是最早採集到日本鰻魚卵並發表在〝Nature〞雜誌上的頭號人物。與山本教授相識之後，決定放棄植物研究的念頭，轉攻魚類的生殖研究。大學畢業論文題目為「金魚的周年產卵法」，由山本教授指導完成，並獲得最優論文的評價。進入研究所後，即以魚類產卵的機制為主題進行研究，在當時尚無各種分子生物學工具可供使用的年代，山本教授的電子顯微鏡是一項研究利器，然而連續四年顯微鏡的觀察，卻使得長濱先生對研究產生苦惱，因為他雖然發現金魚產卵前的腦下垂體含有許多儲存激素的顆粒細胞，但這些顆粒細胞會隨著水溫上升而消失，推測可能是激素釋出後，由血液運送到卵巢進而刺激產卵，然而激素無法經由電子顯微鏡中觀察，一直找不到方法突破，讓長濱先生甚感挫折。後來因為到名古屋參加電子顯微鏡新技術研習會，結識了東大海洋所金谷晴夫教授，金谷教授的研究主題為海星卵成熟誘導物質1-Methyladenine，他推薦長濱先生閱讀Claude Bernard所撰寫的「實驗醫學概論」(An Introduction to the Study of Experimental Medicine)，在多次向金谷教授請益後，也讓上述的苦惱迎刃而解，長濱教授描述這一年與金谷教授學習的過程有如武者修行一般嚴厲。之後，在海洋所又結識了常常到日本訪問的加州大學柏克萊校區大名鼎鼎的Howard Bern教授，於是在1972年1月，束裝前往Bern教授實驗室從事泌乳激素 (Prolactin) 生化學與生理學之研究，在世界級的教授門下接受內分泌的相關知識與技術訓練。3年後，轉進加拿大英屬哥倫比亞大學，從事鮭科魚類生殖腺細胞與激素調節作用的研究。6年的海外留學經歷，使長濱先生身懷頂尖激素研究技術，在金谷教授力邀之下，進入日本甫成立的國立基礎生物學研究所任職。

 

發現魚類卵細胞成熟誘導激素

金谷教授使用無脊椎動物海星來研究卵成熟的機制，長濱教授則是使用脊椎動物魚類；兩人分進合擊，期待對生物生殖現象有一完整全面的見解，可惜不久，尚在基生研所長任內的金谷教授，因胰臟癌過世，得年54。海星的研究工作遂由長濱教授團隊承接。相較哺乳類卵細胞直徑約100－200 µm，鮭科魚類的大小約3 mm，明顯有實驗上的便利性。長濱教授利用岐阜縣水產試驗場所飼養的櫻鱒進行研究，發現腦下垂體分泌的激素，並非直接作用在卵細胞本身，而是由卵細胞周邊的體細胞，分泌一種與人體黃體激素類似的類固醇17α, 20β-dihydroxy-4-pregnen-3-one (DHP) 所造成。在1985年發現卵細胞成熟誘導激素，為首度在魚類中發現此激素的存在，且其作用方式與其他脊椎動物均不相同。目前水產養殖業使用DHP催熟卵細胞的作用原理，便是來自長濱教授的重大發現 (圖2)。

圖2 長濱教授所發現的脊椎動物與無脊椎動物之卵細胞成熟機制

在試管內形成鰻魚精子

這項研究緣起於長濱教授與鰻魚養殖戶的談話。已經有好幾代從事鰻魚養殖的業者，告訴長濱教授家中飼養的鰻魚全數是雌鰻，教授認為事實可能並非如此。業者於是誇下豪語，若教授有意從事鰻魚雄性化研究，他願意無償提供實驗所需鰻魚，於是長濱教授向業者要了30尾〝雌鰻〞，但解剖之後卻證實全數是雄鰻。長濱教授與高徒三浦博士遂開始進行人工形成鰻魚精子的實驗。相較於其他魚類，鰻魚精巢發育特別慢，1年齡雄鰻的精巢尚未達到成熟。因此，他們利用人類絨毛膜促性腺激素 (HCG) 施打1個月後，促使雄鰻產生精子，並且發現刺激後的精巢體細胞，會分泌新的激素11-ketotestosterone (11-KT)，因而建立鰻魚精巢無血清的器官培養系統。將絲狀的精巢導入試管後，加入激素而形成精子，這是世界首度在試管中形成精子的重大成就 (圖3)，從該 (1992) 年之後，脊椎動物精子形成機制即陸續被究明。促生殖腺激素造成萊氏細胞釋出11-KT，此一激素促成賽托利細胞actin B的生成，於是影響精原細胞的增殖，並朝向減數分裂前進。

圖3  無血清器官培養系統中鰻魚精子形成過程的電子顯微鏡影像。精原細胞 (左端) 經過11-KT處理3週後形成精子 (右端)

發現日本稻田魚 (Oryzias latipes)性別決定基因DMY

1990年英國研究團隊發現哺乳類第一個性別決定基因SRY (sex-determining region Y) 以來，科學家超過10年以上的時間，無法從非哺乳類動物中，找到所謂的性別決定基因，長濱教授發現新潟大學博士班甫畢業的松田君的論文已經將日本稻田魚性染色體的基因連鎖圖繪製完成，所以力邀他前來基生研繼續向尋找性別決定基因的目標前進。他們採用positional cloning的方法，將Y染色體中與性別有關的特定區域作全面性的定序，發現此區域共有27個基因，而其中3個表現在稻田魚的性別分化過程。三者之一具有果蠅 Doublesex與線蟲Mab3兩基因的同源區域，同時發現稻田魚在此基因若發生序列改變，會導致雄魚性轉變成雌魚，所以證明了稻田魚的性別決定基因，又命名DMY (doublesex and mab3 on the Y chromosome)，同時發表在〝Nature〞2002年雜誌上。這是哺乳類性別決定基因以外，截至目前為止，被發現的第二個脊椎動物性別決定基因。DMY與SRY是不同類型的基因，其他魚類也尚未發現，所以性別決定的現象，對物種而言在演化上具有相當差異性。

Y染色體

海星產卵相關激素研究

金谷教授在世時，已經確立1-Methyladenine為誘導海星卵成熟之激素。然而，無脊椎動物不像脊椎動物有腦下垂體構造，可以分泌激素刺激生殖腺。海星體內與腦下垂體功能相當的組織，是體內的放射神經，激素便是聚集在放射神經裡。為了純化激素，長濱教授的兩位高徒三田先生與吉國先生，每年從日本各地收集1萬隻海星，解剖其中的5千隻，取下其放射神經混合、研磨、純化並測定不同純化部分所得的物質活性，30年來，共計使用30萬隻海星。終於發現一個類似脊椎動物relaxin的胜肽激素，將此激素注射入含有未成熟卵的海星卵巢中，結果顯示，20分鐘後即可排卵並且受精，同時亦有促進精巢產精的效果 (圖6)。脊椎動物腦下垂體所分泌的黃體激素 (LH) 與無脊椎動物海星神經所分泌的類似relaxin的胜肽激素，作用在卵細胞周圍的體細胞上，在魚類產生DHP，而在海星則產生1-Methyladenine。這些物質從濾泡細胞釋出後，即與卵細胞表面的受器 (receptors) 作用，接著cdc2 kinase與cyclin結合為成熟促

進因子 (MPF) 的複合體，導致卵細胞成熟。這種作用方式幾乎全部生物皆相同。長濱教授團隊曾將百合花花粉母細胞的萃取物植入魚卵中，也產生誘導卵成熟的結果。

科學探索之心孜孜不息

長濱教授的學術成就已經獲得諸多學術團體的肯定；舉其犖犖大端者如：井上學術賞、日本動物學會賞、國際比較內分泌聯盟Grace E. Pickford Medal獎、美國統合與比較生物學會Howard Bern講座 。2011年受邀到愛媛大學擔任南予水產研究中心講座，目前研究主題為性別可塑性。同時擔任日本每年超過一萬人參加的中高等學校科展評審委員會主席，學術傳承的熱情與使命感溢於言表。筆者有幸於2002－2007年間，在日本國立基礎生物學研究所長濱教授的生殖生物學實驗室，從事博士後研究工作，親自體會到大師宏觀、進取、認真的典範。從長濱教授過去所培育的日本籍與外國籍研究人員的質與量 ，過去30年間魚類生殖生

物學領域，長濱教授的成就與影響，毋庸置疑絕對是世界第一。

註：

1.      本文參考JT生命誌ジヤーナル, 2012, 73号, Scientist Library Special ver.

2.      長濱嘉孝教授提供文獻與照片。