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Areas of Research Focus
   
 
   
   
Transmethylation Metabolism  
  Methyl Group Kinetics 轉甲基代謝流 


遺傳缺陷或維生素葉酸缺乏可能會造成單碳代謝的擾亂而促使疾病發生。人類亞甲基四氫葉酸還原.(MTHFR)基因之多型性存在普遍。在葉酸充分的狀態下,此.之遺傳變異型似乎可以緩解某些癌症的形成。但葉酸缺乏時,此變異型反而是某些癌症危險因子。目前機制尚不清楚。本計畫建立干擾亞甲基四氫葉酸還原.表現之系統,以探討葉酸酵素基因之變異對同半胱氨酸代謝及DNA甲基化反應之影響。接著將以獨特的方式追蹤單碳代謝路徑以闡明營養素與遺傳因子之間的交互作用。在93年的實驗結果中,我們發現當葉酸充足時,在人類淋巴母細胞模式中,亞甲基四氫葉酸還原.之TT型變異的嘌呤的新生成流向比 CC型高出許多,而當葉酸缺乏時,嘌呤的新生成流向在TT型變異及CC型則並無不同。我們認為葉酸充足時,TT型變異會使亞甲基四氫葉酸還原.活性降低,而造成較高的醛基四氫葉酸的供獲率。但當葉酸缺乏時,所有葉酸形式包括醛基四氫葉酸等均為不足,因此嘌呤的新生成不再有優勢。此結果證明此.之表現型和葉酸營養狀況密切相關。同時我們認為此種調控機制可能是亞甲基四氫葉酸還原.基因變異影響癌症發生過程的原因之ㄧ。本計畫之假說為: 葉酸充足時,若MTHFR受到抑制會導致亞甲基葉酸及醛基葉酸的增加。此種新的碳單位分配有助於嘌呤及嘧啶合成。充足的核酸供應對DNA 修復可能有所助益而保護細胞。但當葉酸供應不足時,若MTHFR受到抑制卻會造成甲基化路徑及核酸之合成路徑同時減低,此時DNA 前驅物合成之優勢不復存在,而且還可能因缺乏甲基型葉酸而導致細胞內甲基化反應失去平衡,而成為誘發癌症形成之風險因子。 本計畫將建立干擾亞甲基四氫葉酸還原.表現之系統,以研究亞甲基四氫葉酸還原.和環境因素間的交互作用。接著將做一系列研究,針對亞甲基四氫葉酸還原.缺乏及營養狀態之變化,逐一探討同半胱氨酸代謝、甲基族傳遞、甲硫氨酸合成、及DNA甲基化等反應路徑之影響。本計畫可提供遺傳、代謝、營養等多層面的重要資訊,對癌症的預防有很重要之參考價值。
   
  Methylation Profiling 甲基化剖繪 
目前對於營養素與基因體交互作用的了解尚無法完全解釋飲食成分中的各種營養訊號 (如代謝產物、胜肽、脂質) 如何透過高度協調作用全面性地影響不同各生化生理代謝途徑中數以千計之基因表現及功能。常見的表觀遺傳修飾包括甲基化、乙醯基化、磷酸化、微小RNA等,其不改變核苷酸序列而改變基因或蛋白質之表現及功能。我們推測飲食因子若改變單碳代謝循環中的甲基供需平衡或流量分配,可能進一步透過甲基化或其他表觀遺傳修飾來調節基因表現及功能,進一步影響人類長期健康。本計劃將建立平台及模式系統並以所建立的系統謹慎篩選出具表觀遺傳調節潛力的特定飲食因子、探討其在體內與體外如何改變甲基供應和甲基動力平衡、並探討這些因子如何透過表觀遺傳調節作用調節基因功能。
   
   
Abnormal Metabolism in Human Diseases  
   
   High Sugar & Diabetes 糖代謝異常

目前已有超過百分之四的世界人口罹患糖尿病。糖尿病常伴隨高血糖、 高血脂、高血壓、肥胖及高血同半胱氨酸等現象,因此糖尿病患具有較高的心血 管疾病發生率及致死率。高血同半胱氨酸為一心血管疾病之獨立危險因子,罹患 心血管疾病之糖尿病患若同時有同半胱氨酸異常現象可能促使其心血管疾病惡 化。糖尿病中同半胱氨酸代謝異常由來已久,然而其中機制未明。臨床上腎病變 之糖尿病患有高血同半胱氨酸,而部份無腎病變之糖尿病患其同半胱氨酸卻偏 低,因此臨床上糖尿病狀態中的胰島素及血糖之失衡現象與同半胱氨酸代謝路徑 之間的交互影響仍未有定論。過去研究發現多種同半胱氨酸代謝的關鍵酶在糖尿 病狀態中表現異常,但其中多項機制亦尚未闡明。有別於他人過去之研究,本計 畫將以獨特創新的系統,對糖尿病過程當中同半胱氨酸代謝異常現象做一全面性 地探討。我們提出假說認為糖尿病狀態中之胰島素及血糖異常透過抑制同半胱氨 酸轉硫基反應促進其再甲基化並增進腺甘甲硫氨酸合成而直接影響甲基傳遞,進 而改變體內甲基平衡進而影響甲基化甚而進一步造成體內特定基因表觀遺傳上 之變化。另一方面近期研究中我們發現苷胺酸氮甲基轉移酶基因剔除鼠有低血糖 以及異常肝醣沉積,顯示體內甲基族失衡現象亦可能會同時回過來影響體內糖代 謝,因此兩者間可能有交互作用。本計畫包含了一系列完整的研究,首先將建立 細胞模型,接著以飲食誘發、藥物誘發及遺傳動物模式發展活體內追蹤系統,以 穩定同位素及氣相質譜儀之獨特技術,針對糖尿病狀態中之因胰島素分泌缺陷而 產生之高血糖、或胰島素抗性之高血糖等異常病理狀態對同半胱氨酸代謝中轉硫 基反應、甲基族傳遞及DNA甲基化等反應路徑之影響,以及各路徑之間的動態 平衡做全面性之探討。本研究期能透過獨特技術及創新系統解開許多糖尿病狀態 中同半胱氨酸代謝異常未知的之機制,透徹了解糖尿病狀態中的胰島素及血糖之 失衡現象與同半胱氨酸代謝及其間之交互作用對而對此領域有所貢獻。未來希望 透過深入了解其中機制進而能對同半胱氨酸代謝異常有較好的控制及改善,減少 糖尿病中與同半胱氨酸代謝異常相關之併發症。此項研究成果對於臨床上糖尿病 所引起之同半胱氨酸代謝異常之機制及其間交互作用有重要啟示,對糖尿病患心 血管疾病疾病的控制預防有重要參考價值,研究成果將同時提供生化營養代謝學 術上及臨床實用上多層面資訊。
 
   
   Cancer & Therapy 癌症/藥物代謝異常
 

葉酸酵素基因之遺傳變異性與營養狀態及癌症藥物之相關研究 遺傳缺陷或維生素葉酸缺乏可能會造成單碳代謝的擾亂而促使疾病發生。人類亞甲基四氫葉酸還原. (MTHFR) 之基因多型性存在普遍。在葉酸充分的狀態下,此.之遺傳變異型似乎可以緩解某些癌症的形成。但葉酸缺乏時,此變異型反而是某些癌症危險因子。目前機制尚不清楚。 本計畫以獨特的方式追蹤單碳代謝路徑以闡明營養素、藥物與遺傳因子之間的交互作用。計畫之假說為: 葉酸充足時,較弱的MTHFR會導致新的碳單位分配。其中甲基葉酸的減少會使甲硫氨酸合成降低;同時由於亞甲基葉酸及醛基葉酸的增加而有助於嘌呤及嘧啶合成。充足的核酸供應對DNA修復有所助益,因而保護細胞。但當葉酸供應不足時,甲基化路徑及核酸之合成路徑均會減低,此時DNA前驅物合成之優勢不復存在,且可能發生甲基化失去平衡的情形形成癌症危險因子。 最近有研究顯示,癌症藥物甲氨蝶呤在MTHFR變異型的癌症病人產生較嚴重之副作用。因此本計畫亦將探討MTHFR的變異性如何影響抗葉酸或抗核酸藥物對嘌呤合成及胸腺嘧啶合成的作用。 未來臨床上進行化療前,可以透過基因型鑑定幫助不同遺傳特性的病人選擇合適療程,並經由改善營養狀態減輕副作用。
   
  Inflammation CVD & Therapy 發炎/藥物代謝異常
 
第二環氧酶抑制劑 (Cyclooxygenase II inhibitor, Cox-II inhibitor) 屬於非類固醇類抗發炎藥物的一種,其主要是抑制調控發炎作用和造成疼痛的前列腺素之合成。目前在台灣臨床上使用Cox-II 抑制劑止痛藥之最大族群之一是慢性關節炎病患,主要用於緩解發炎與疼痛。然而在2004年美國一項為期三年的的隨機對照臨床研究中卻發現服用 rofecoxib的患者其產生心血管不良反應的危險性明顯高於對照組,因而造成此藥全球性下市。至於另一被普遍使用之 Cox-II 抑制劑止痛藥 Celecoxib是否確實會直接增加心血管副作用的危險性仍未有定論。國內外多項研究顯示Cox-II 抑制劑對不同心血管副作用的相關危險因子所產生之影響有顯著不同。 由於心血管疾病常見終點事件的發生多為長期累積多元危險因子而成的歷程,針對心血管疾病和 Cox-II 抑制劑止痛藥之使用來評估藥物使用之安全性,進行長期且大規模的流行病學世代追蹤研究是必要的。臺灣之全民健保資料庫包含多年間全民心血管疾病其終點事件例如心肌梗塞、腦血管事件等醫師診斷,及心血管疾病患者與非患者其用藥細節與醫師處方等,提供了獨特而寶貴資訊。唯全民健保資料庫中尚無相關生化指標相關資訊; 此外長期之追蹤性研究需耗費相當的人力物力,往往在短期內尚無定論。若追蹤時間過短,可能會因為某些終點事件尚未出現而無法反映真實的結果,然若研究期程太長,又無法儘快排除國人在Cox-II 抑制劑止痛藥 Celecoxib使用安全上的疑慮,解決此問題可說是刻不容緩,值得各方專家投入研究。 
   
   B6 metabolism 維生素B6代謝

在人體中維生素B6 至關重要, 參與超過一百種生化反應。長期缺乏維生素 B6 是人類心血管疾病之獨立危險因子。過去研究發現老年人低血維生素 B6 現象與糖化血紅素及β 細胞功能指標密切相關, 顯示此現象與血糖失控 有關。臨床糖尿病患常伴隨血中維生素B6 異常然而糖尿病患維生素B6 代 謝異常機制尚未闡明, 臨床上對缺乏B6 之糖尿病患處置也無共識。我們針 對此問題做了系列預實驗, 最近從細胞及遺傳小鼠模式身上找出可能導致 此現象之關鍵機轉,提出假說認為糖尿病病理狀態中特定因子會抑制維生 素B6 磷酸激酶的表現使體內無法有效活化維生素B6 而形成功能性缺乏, 且糖尿病病理狀態中特定因子可能促進維生素B6 降解而加速流失。對上 述假說我們將針對目標蛋白建立細胞株,並以遺傳缺失小鼠,藥物或飲食誘 發分別建立高糖暴露、胰島素功能喪失、胰島素抗性或其他疾病惡化因子 之體內模式, 逐一探討機制。此外基於多年累積經驗,本研究提出新的想法, 將嘗試結合同位素體內體外標定技術串聯不同的質譜儀平台, 建立一獨特 系統定量並追蹤維生素B6 激活/去磷酸化轉換、運輸、降解、排除等路徑, 探 討體內不同維生素B6 儲槽間的動態平衡。若成功則未來更能以此系統進 一步研究人類疾病如何干擾體維生素 B6 代謝及需求, 以及補充維生素B6 對體內關鍵反應的變化。
   
   Clinical Study 臨床慢性發炎反應對腺苷甲硫胺酸生合成路徑調控
 
發炎作用對於單碳傳遞系統中之特定酵素的調控機制尚未被詳細闡明。過去研究 已知自體免疫病患DNA 整體甲基化有異常現象,但疾病發炎作用對於體內甲基 供應、消耗、平衡及其中詳細調控機制尚未被詳細研究。在本領域申請人至今已 累積多篇臨床轉譯或基礎研究論文並有相關專利申請中。本計畫結合醫學中心優 質的臨床經驗及龐大病患群與多年來基礎與臨床研究成果,運用即將建立的細胞 模式與追蹤系統全面性探討風濕性或退化性關節疾病發炎過程當中特定發炎媒 介分子對體內腺苷甲硫胺酸合成及平衡之調控。我們將逐一探討臨床慢性發炎反 應對腺苷甲硫胺酸生合成路徑的作用及其中調控機制,希望能由此闡明發炎過程 如何影響腺苷甲硫胺酸依賴隻甲基轉移代謝路徑、相關基因表現剖繪、並探討甲 基傳遞與甲基化,並將基礎研究成果與臨床發現相互印證。計畫所提出的內容基 於多項前驅研究數據,有充分證據顯示確實可行。除豐富經驗外,對於預計可能 遭遇之困難及解決途徑亦設想周全,已有相當完整準備。本計畫結合臨床與基礎 學者共同投入此項研究,期能將臨床上的發現與活體模式及細胞層級相互印證, 經由追蹤代謝路徑深入研究體內系統全面性發炎反應或特定發炎媒介分子對於 腺苷甲硫胺酸代謝與甲基轉移失衡之影響。臨床上的發現將以特定動物模式深入 探討,同時也將基礎研究延伸至臨床病患,例如探究抗發炎免疫調節藥物的使用 對於硫腺苷甲硫胺酸恆定之影響及臨床上如何改善腺苷甲硫胺酸平衡等。研究後 期會進行整合,有效串聯不同層面實驗結果,相信會在學術及臨床應用上都會有 相當好的貢獻。
   
   
Energy Consumption & Expenditure
能量攝取消耗 
 
  HF EX CR 高脂/運動/卡路里限制調節細胞內代謝流調節表觀遺傳
 
研究背景 單碳代謝為生物體內甲基的代謝過程,包含了葉酸循環、同半胱氨酸轉硫及轉甲基反應、甲硫胺酸及腺苷甲硫胺酸生合成、核苷酸合成等重要代謝路徑。 不同的研究暗示能量平衡可能與單碳代謝關係密切:先前研究發現肥胖者其血中甘胺酸的濃度較低。此外運動則會降低正常馬模型的血中甘胺酸和絲氨酸的濃度。有研究顯示限制卡路里在果蠅模型中會增加二磷酸腺苷和單磷酸腺苷的合成。在酵母菌模型中則會維持三磷酸腺苷的濃度。這些變化可能會造成體內單碳代謝的改變。本研究的目的在於探討長期餵食高脂飲食、長期有氧運動、長期阻力運動以及和長期限制卡路里對於體內單碳代謝之影響。 
   
   Fatty Acid/Cholesterol Metabolism 膽固醇代謝
 
脂肪酸的組成在生物體細胞膜結構以及能量代謝與儲存中扮演重要角色。魚油補充在人類跟小鼠中可以透過降低血漿中三酸甘油脂進而減少心血管疾病的風險。同半胱氨酸則是獨立的心血管疾病的危險因子。先前文獻中關於魚油對同半胱氨酸含量的影響並無一致結論。研究還顯示在高糖高氧化壓力下補充魚油會降低小鼠肝臟中硫腺苷基甲硫氨酸,但在正常情況下卻會造成甲硫氨酸腺苷基轉移酶活性上升。本研究探討不同脂肪酸以及膳食中的魚油補充對硫腺苷基甲硫氨酸代謝的影響,並希望對之前的不一致的文獻結果做進一步探討其可能原因。  
   
  Transgenerational Impact from Nutrition 飲食跨代影響
   
許多疾病可能造成體內單碳代謝失衡。肥胖是21世紀一個重要的全球衛生問題,近年來世界各地兒童肥胖盛行率有顯著增加。過去研究顯示孕婦肥胖或在懷孕和哺乳期間攝取高脂肪的飲食會增加子代肥胖及相關代謝疾病的風險。本研究探討母鼠懷孕和哺乳期間的營養狀況及產後的飲食對於其子代體內單碳代謝之影響。
   
   
Bioactive Components
植化因子保健素材調節代謝 
 
  Transgenerational Impact from Nutrition 飲食跨代影響
 
目前對於營養素與基因體交互作用的了解尚無法完全解釋飲食成分中的各種營養訊號 (如代謝產物、胜肽、脂質) 如何透過高度協調作用全面性地影響不同各生化生理代謝途徑中數以千計之基因表現及功能。常見的表觀遺傳修飾包括甲基化、乙醯基化、磷酸化、微小RNA等,其不改變核苷酸序列而改變基因或蛋白質之表現及功能。我們推測飲食因子若改變單碳代謝循環中的甲基供需平衡或流量分配,可能進一步透過甲基化或其他表觀遺傳修飾來調節基因表現及功能,進一步影響人類長期健康。本計劃將建立平台及模式系統並以所建立的系統謹慎篩選出具表觀遺傳調節潛力的特定飲食因子、探討其在體內與體外如何改變甲基供應和甲基動力平衡、並探討這些因子如何透過表觀遺傳調節作用調節基因功能。 
   
   
Metabolic Flows in Microbes
微生物代謝流 
 
   
  To be continue ...
   
   
   
   
   
   
   

Facility

National Chung Hsing University
Food Science and Biotechnology

All Right Revered. Last Update March 2015