有臺灣「粒線體之父」稱譽的馬偕醫學院創校校長、現任彰化基督教醫院特聘研究員、兼任粒線體醫學暨自由基研究院院長魏耀揮，畢生的研究學思歷程，堪稱是臺灣粒線體醫學的歷史，他創立了「亞洲粒線體醫學暨研究學會 (Asian Society for Mitochondrial Research and Medicine)」以及「臺灣粒線體醫學暨研究學會」，不僅帶動亞洲粒線體醫學的發展，更奠定臺灣成為粒線體研究的領導地位。

2021年12月，他接受「臺灣粒線體醫學暨研究學會」邀請，先是完成一篇介紹粒線體醫學早期發展的歷程。經過他進一步的資料補充後，特別分享本刊讀者，一起回顧臺灣粒線體研究35年來創下的許多歷史……。

撰文/魏耀揮(彰化基督教醫院特聘研究員 兼任 粒線體醫學暨自由基研究院 院長)    責任編輯/王柏豪

在1980年以前，有許多與神經系統功能異常和骨骼肌肉病變相關的人類疾病，不但缺乏有效的治療，甚至無法確切診斷。在世界神經醫學會議上，經常可見到神經內科、病理科、小兒科和醫學遺傳等專業領域的醫師和學者，為了將這些疑難雜症正確歸類或確診而爭論不休。

我在1987年應邀參加在美國弗羅里達邁阿密舉行的Miami Bio/Technology Winter Symposium，第一次聽到當時已在美國喬治亞州艾默利大學 (Emory University) 從事粒線體疾病研究多年的道格拉斯．華萊士(Professor Douglas C. Wallace)演講。

(編按：今年75歲的道格拉斯．華萊士是美國國家科學院院士，著名的遺傳學和演化生物學家，最早將粒線體DNA作為疾病分子標記，開創了人類粒線體遺傳學領域。)

他首度公開報告與粒線體疾病——雷伯氏視神經萎縮症(Leber's Hereditary Optic Neuropathy, LHON)有密切關係的第一個粒線體DNA (Mitochondrial DNA, mtDNA) G11778A突變。

帶有G11778A突變的患者大多在青春期就會發病，並在1~2週內即雙目失明，他並介紹多個芬蘭的LHON家族，都帶有這個母系遺傳的mtDNA突變。

魏耀揮開啟臺灣粒線體醫學研究。(圖/魏耀揮提供)

開啟臺灣粒線體疾病分子診斷

我聽了道格拉斯．華萊士的演講後對於mtDNA突變很感興趣，回到臺灣就立刻在陽明大學Wei Lab著手發展粒線體疾病的分子診斷系統，當時實驗室有施廣達、謝榮鴻、高淑慧、侯征宏和閻紫宸等幾位博士班學生，加上實驗室的助理馮清榮、李建富和大學部專題生李新城和蔡慧如，研究人力很充足。

我以研究計畫經費購買一部珀金埃爾默公司 (Perkin-Elmer)所生產的第一代聚合酶鏈鎖反應 (Polymerase Chain Reaction, PCR)儀器，自1989年開始，在陽明大學生化暨分子生物研究所建立分析各種與粒線體疾病相關的mtDNA突變的PCR檢測技術。

有醫技檢驗專業訓練的高淑慧、馮清榮和李新城非常積極地投入工作，設計檢測各種常見mtDNA突變用的引子 (Primers)，並找出適合的PCR反應條件和分析各種mtDNA點突變用的限制酶 (Restriction Enzyme)。

博士生施廣達自己製作DNA Sequencing Gel，於1990年初為當時擔任林口長庚紀念醫院神經內科主任的黃錦章醫師主治之臺灣第一個「肌抽躍癲癇合併紅色襤褸肌纖維症 (Myoclonic Epilepsy With Ragged-Red Fibers Syndrome，簡稱MERRF症候群)」家族，首度檢出母系遺傳的致病mtDNA A8344G 點突變。

MERRF症候群是一種罕見的粒線體遺傳疾病，患病機率約是10萬人中有1.5人，根據粒線體中的mtDNA突變比例 (Mutant mtDNA Proportion)或異質性程度(Heteroplasmy Level)不同，病情的嚴重程度也會有所不同，病人之主要臨床徵狀為肌肉震顫、衰弱、癲癇和腦神經病變等。

我們接著為當時臺北榮總眼神經科主任顏美媛醫師主治的LHON病人，找到母系遺傳的G11778A點突變；也為現任高雄長庚腦中風中心主任劉嘉為醫師的MELAS症候群病人找到A3243G點突變。

MELAS是因為粒線體功能異常而引發之肌肉病變、腦病變、乳酸中毒、類似中風等症候群 (Mitochondrial Encephalopathy, Lactic Acidosis, And Stroke-Like Episodes)，大多數病人在2~10歲之間的兒童期就會發病。

接著我們也為時任臺中榮總小兒科主任、現任童綜合醫院副院長遲景上醫師和麥淑珍醫師主治的萊氏症候群 (Leigh Syndrome)病人找到T8993C點突變。

萊氏症候群又稱亞急性壞死性腦脊髓病 (Subacute Necrotizing Encephalopathy)，患者十分少見，發生率約為1/77,000，似萊氏症的發生率則約為1/40,000；萊氏症候群是一種早期發病漸進式神經性退化的遺傳疾病，通常出現在嬰兒期或幼兒期，但也可能出現在兒童後期，甚至成年期。

以上這些粒線體疾病絕大多數是從母系遺傳的粒線體基因缺陷導致，患者通常在多個器官和組織發生功能缺陷及表現病徵，有一些臨床症狀 (如：乳酸中毒)會出現在不同的粒線體疾病患者，而且罹患相同的粒線體疾病的人卻有相當不同的臨床症狀，造成鑑別診斷極大的挑戰與困難。

1989~1996年期間，在臨床醫師們的積極診斷和病人配合採檢下，實驗室同仁們展現高度的企圖心，為臺灣許多的粒線體疾病患者和家屬陸續找到致病的突變基因。

看著病人和家族得到確診和適當的治療或控制病情，也讓我們頗有成就感，那一段日以繼夜地與國外研究團隊競爭的日子裡，我們為臺灣粒線體醫學的發展寫下早期的歷史。

帶動臺灣粒線體醫學  永續經營發展

我的第一位陽明大學臨床醫學研究所學生閻紫宸醫師，在1988~1991年跟我做博士論文實驗期間，經常用碎冰帶著從臺北榮總一般外科收集來的檢體，送到實驗室來分離粒線體，使用我們剛購買的Gilson 5/6 Oxygraph系統偵測儀分析粒線體代謝功能，並以酚-氯仿有機溶劑萃取純化法萃取組織細胞DNA，再用PCR分析慢性進行性外眼肌麻痺(Chronic Progressive External Ophthalmoplegia, CPEO)症候群患者病變組織最常見的mtDNA 4,977 bp缺失突變 (4,977 bp deletion)。

1989年，我們首度在《生物化學與生物物理研究通訊 (Biochem. Biophys. Res. Commun.)》國際期刊發表人體肝臟粒線體功能隨年齡增長而衰退的論文，隔年，我們率先發現老人的肝臟組織有4,977 bp mtDNA deletion的累積。

當時，優秀又勤奮的博士生李新城和高淑慧把自行開發的引子位移 (Primer-Shift) PCR技術應用於檢測與人體老化及男性不孕症相關的常見大規模粒線體基因缺失 (Large-Scale mtDNA deletions)，發表了好幾篇被高度引用的論文。

李新城並應用多種分析mtDNA突變的方法率先在口腔癌、肝癌、乳癌及胃癌組織檢出多種mtDNA突變，並探討其在致癌過程中含量的變化及臨床相關性。林振嵩醫師接著使用這些技術探討肺癌、頭頸癌及大腸直腸癌等癌症患者腫瘤組織及細胞株的mtDNA突變和拷貝數，及粒線體基因表現與癌細胞轉移和惡性程度及病人預後的關係。

剛進入陽明大學臨床醫學研究所博士班就讀的臺北榮總胸腔外科范徽智醫師，運用上述這些PCR技術分析他施行手術所採集的病人肺臟組織，發現抽菸增加肺組織mtDNA deletions的累積量，並與抽菸時間及抽菸量成正相關；這些發現證實抽菸與肺臟疾病有密切的關係。

當時在中國醫藥大學附設醫院擔任皮膚科主任、後來擔任中山醫學大學醫學系主任和醫學院院長的楊仁宏醫師，在馮清榮的協助下，首度發現曝曬陽光的皮膚組織較不暴露的皮膚有較多種突變和較高量的4,977 bp deleted mtDNA累積，首度證實長期的陽光曝曬會造成皮膚組織細胞氧化損傷和mtDNA突變。

在臺中光田醫院神經內科任職的劉青山醫師和高淑慧一起發展使用毛囊細胞 (Hair Follicles)檢測與老化及神經退化性疾病相關的mtDNA突變和mtDNA減量 (mtDNA depletion)，劉青山醫師後來轉到彰化基督教醫院神經內科服務，他擔任彰基副院長的十餘年期間將Wei Lab這些PCR技術推廣應用到許多退化性疾病及代謝疾病的研究。

在1990年初，馮清榮和李新城建立的mtDNA突變分析方法提供粒線體疾病的快速診斷，我們在科技部持續補助充裕的經費及國衛院10餘年醫藥衛生整合型計畫的支持下，免費提供全臺灣各大醫院的醫師 (包括朱廼欣、黃錦章、陳柔賢、陳瓊美、朱俊哲、劉嘉為、林祖功、陳順勝、鐘育志、林秀娟、高克培、顏美媛、李介元、王本榮、邱浩彰、連立明、楊千立、楊志超、牛道明、李宜中及遲景上等醫師)送來疑似粒線體疾病患者檢體的分子診斷服務。

我特別要感謝閻紫宸醫師、趙湘台醫師、劉青山醫師、徐慧興醫師、楊仁宏醫師、范徽智醫師、林進清醫師、林柏松醫師、盧星華醫師、陳修聖醫師、唐德成醫師、蔡傑智醫師、高惠娟醫師、劉伶瑛醫師、林振嵩醫師、林威宇醫師、李惠婷醫師、張佩珍醫師、游偉光醫師及張清貿醫師等臨床博士班學生先後加入Wei Lab。

他們提出各種臨床研究的題目，也協助我們收集了相當多粒線體疾病及退化性疾病患者的檢體和臨床資料，讓我們及早建立帶有各類mtDNA突變的皮膚纖維母細胞或細胞株，作為Wei Lab永續經營的生醫研究材料。

魏耀揮桃李滿天下。師生家人於魏耀揮60歲生日在馬偕醫學院歡聚。(圖/魏耀揮提供)

魏耀揮於陽明大學生化暨分子生物研究所Wei Lab與研究生討論。(圖/魏耀揮提供)

開創性粒線體疾病研究

值得一提的是，馮清榮於1992~1994年期間為粒線體疾病研究進行了開創性的工作，他首先建立了細胞質融合 (Cytoplasmic Fusion)技術，將一位MELAS症候群患者的皮膚纖維母細胞與去除mtDNA的人類骨癌細胞株 (Osteosarcoma Cell Line, Rho-Zero)的細胞進行細胞質融合。

他耐心地篩選了一系列含有不同比例mtDNA突變的細胞質雜種 (Cytoplasmic Hybrids，簡稱Cybrids)，並探討mtDNA突變量對粒線體呼吸功能的影響，奠定了兩者之間的因果關係。

馮清榮這一項細胞質融合技術由後來的研究生徐愛欣和馬逸興等應用在產製一系列帶有4,977 bp deletion、A8344G或G11778A點突變的Cybrids，成為Wei Lab許多後來研究生進行論文實驗的研究材料，我要特別感謝他的重要貢獻。

馬逸興使用此一技術平台，產製了帶有A8344G點突變的20多株Cybrids，也在當時一位很優秀的博士生盧青佑的協助下，利用Microarray及Proteomics技術證實A8344G突變確實造成粒線體內的蛋白質合成功能異常，尤其是細胞色素C氧化酶 (Cytochrome C Oxidase)的第二次單位(Subunit 2 ) (COX II)幾乎不表現，他使用活性染色法證實，培養於玻片上的突變細胞不具細胞色素C氧化酶的活性，也進一步確認這些Cybrids適合作為研究MERRF症候群的細胞模式。

這些帶著不同mtDNA突變的皮膚纖維母細胞和Cybrid細胞，後來成為李新城和李政峰探討低度氧化壓力(100-250 μm)對細胞粒線體生成 (Mitochondrial Biogenesis)的調控機制，這兩位有創意的博士生首度闡明了粒線體疾病患者骨骼肌組織常出現粒線體異常增生的糙紅肌纖維 (Ragged-Red Fibers)和mtDNA拷貝數(Copy Number)增加的分子機制。

盧青佑於1993~2001年期間，以CPEO病人的皮膚纖維母細胞率先證實氧化壓力在粒線體疾病的致病機制扮演重要的角色，她首度證明錳超氧化物歧化酶 (Mn-Superoxide Dismutase, MnSOD)、過氧化氫酶 (Catalase, CAT)及麩胱甘肽過氧化酶 (Glutathione Peroxidase, GPX)等抗氧化酵素的基因表現不平衡，MnSOD的mRNA和蛋白質表現量及酵素活性在CPEO病人的皮膚纖維母細胞較正常人的細胞高得多，因而導致過氧化氫(H2O2)的累積，進而造成氫氧自由基(HO．)的增加，當細胞內這些活性氧分子過多時便會破壞核酸、蛋白質和脂質，致使粒線體疾病患者的病變組織累積更多氧化損傷而使疾病惡化。

接著，博士生劉君儀和碩士生洪瓊慧使用含有不同比例的A8344G 點突變或4,977 bp deletion之mtDNA的Cybrid細胞，證實有粒線體功能缺陷的細胞在低劑量UV光照或過氧化氫處理下較容易進行凋亡，而在繼代培養的過程中逐漸被移除；這些結果顯示，細胞透過清除帶有mtDNA突變的細胞而達到管控粒線體品質的目的。

魏耀揮在彰化基督教醫院介紹粒線體疾病研究。(圖/魏耀揮提供) 

粒線體與老化、代謝機制研究

2005~2013年期間，馬逸興、吳旭倍和吳雨亭三位博士生則分別利用帶有致病mtDNA突變的Cybrids及皮膚纖維母細胞，進行氧化壓力下的細胞應激反應(Oxidative Stress Response)及代謝再編程 (Metabolic Reprogramming)的研究。

吳旭倍主要探討細胞因應粒線體功能異常誘發氧化壓力的分子機制 (Coping Mechanism)，他發現帶有mtDNA A8344G點突變的細胞透過腺核苷單磷酸活化蛋白質激酶 (AMP Activated Protein Kinase, AMPK)磷酸化及活化下游的磷酸果糖激酶2 (Phosphofructokinase-2, PFK2)及糖解代謝與戊糖代謝途徑，活化了葡萄糖– 6 –磷酸鹽脫氫酶 (Glucose-6-Phosphate Dehydrogenase, G6PD)以產生充裕的還原態輔酶NADPH，據以清除細胞內過多的ROS。

(編按：AMPK是細胞中調控能量平衡的關鍵酵素；PFK2則是一種生物細胞內雙重功能酶，在肌肉細胞和肝細胞中扮演調節糖解代謝活性及維持血糖恆定的角色。)

在低度氧化壓力下，人類細胞同時透過轉錄活化機制提高許多抗氧化酵素如過氧化氫酶和穀胱甘肽還原酶 (Glutathione Reductase, GR)以及抗氧化蛋白如硫氧還蛋白 (Thioredoxin)、過氧化物還蛋白 (Peroxiredoxin)及穀氧還蛋白 (Glutaredoxin)等小分子抗氧化蛋白的基因表現，而得以讓粒線體有缺陷的細胞適應高活性氧分子的環境而存活下來。

吳雨亭和潘啟維則運用帶有4,977 bp deleted mtDNA的CPEO病人細胞及MERRF病人細胞，證實在氧化壓力下，細胞粒線體電子傳遞鏈多個膜蛋白質的乙醯化修飾有異常現象，因為具去乙醯化活性 (Deacetylase Activity)的脫乙醯酶sirtuin 3之基因表現受到粒線體功能缺陷誘發之氧化壓力的負調節。

我最後的一位碩博士生王志豪也曾使用粒線體功能異常的細胞進行氧化壓力與胰島素阻抗(Insulin Resistance)的研究，他和吳雨亭分別證實粒線體功能缺陷會降低人類間質幹細胞進行脂肪細胞分化的能力，並影響分化後脂肪細胞的代謝和調節血糖的功能，進而誘發胰島素阻抗的異常現象。

王志豪後來利用陽明大學生科系蔡亭芬教授建立的Cisd2基因剔除小鼠，證實粒線體型態異常及呼吸功能缺陷為導致該小鼠提早衰老、多重代謝失調和壽命減短的原因，這也佐證了粒線體功能衰退與哺乳動物老化有密切的關係。

我們也曾使用這些有粒線體功能缺陷的Cybrids與高雄長庚紀念醫院神經內科主任劉嘉為醫師、林祖功醫師及新陳代謝科主任王佩文醫師合作，探討mtDNA突變及mtDNA核苷酸多型性與較容易發生糖尿病及神經退化性疾病的關係。

另外，我們以帶有A8344G突變的MERRF病人之皮膚纖維母細胞與成大醫學院謝達斌教授及吳尚容教授探討粒線體核醣體微結構異常，期能解析mtDNA之A8344G點突變造成粒線體內蛋白質生合成缺陷的分子機制。

近幾年來，我們和中國清華大學–北京大學生命科學聯合中心的俞立教授(Dr. Li Yu)合作，使用帶有20%及80% 4,977 bp deleted mtDNA的Cybrids，首度觀察到帶有呼吸功能缺陷的粒線體在運動蛋白 (Motor Proteins)攜帶下，透過一種新發現的Migrasome-Mediated Process (Mitocytosis)被有效地清除，這個受氧化壓力誘發的機制在細胞管控粒線體品質扮演一相當重要的角色。

魏耀揮受邀於彰化基督教醫院建立粒線體醫學暨自由基研究院。(圖/魏耀揮提供) 

粒線體與幹細胞、iPSCs

大約16年前我從國科會生物處任職期滿歸建陽明大學，開啟幹細胞研究，在陳建村的開創與奠基及許舒涵、吳雨亭、紀昆廷、藍月妏、詹睿耆和王志豪等多位碩士生和博士生的陸續參與之下，我們建立了穩定的成骨細胞和脂肪細胞分化平台，有系統地研究幹細胞分化過程中粒線體和抗氧化酵素扮演的角色。

2006年，陳建村率先發現粒線體生成與功能的增強及抗氧化酵素系統的活化，是幹細胞成功分化及熟成為終端細胞的必要條件，這個結合生物能量代謝與幹細胞生物學的研究，也引導我們迅速利用先前培養的病人皮膚纖維母細胞產製誘導性多能幹細胞 (Induced Pluripotent Stem Cells, iPSCs)，建立了幾種常見粒線體疾病的細胞模式。

最近8年來，我們適時透過中央研究院生物醫學科學研究所謝清河特聘研究員主持之「人類疾病誘導性多潛能幹細胞服務聯盟 (Taiwan iPSC Consortium)」的協助，將幾位罹患MERRF或罹患MELAS症候群的病人皮膚纖維母細胞製成一系列帶有不同比例mtDNA突變的iPSC Clones，在吳雨亭的持續努力下，已經成功分化為Neuron Stem Cells及Cortical Neurons。

吳雨亭以神經元的形態和標記蛋白表現完成分化細胞的鑑定，目前正在進行這些細胞的神經生理功能分析，期待能進一步解析mtDNA突變導致神經功能異常的分子機制，並使用分化的神經元篩選治療粒線體疾病的新穎藥物。

從以上敘述的Wei Lab師生們從事粒線體疾病的研究歷程，可以看出我們在過去35年來能有一些創新的研發成果，乃得利於年輕學生們懷抱研究熱情參與及許多臨床醫師的長期支持與合作。

我要特別感謝1988-1999年期間進入Wei Lab的研究生和助理們，為實驗室打下良好的粒線體醫學研究基礎，也謝謝2000年後來陸續加入Wei Lab的研究生們及擔任研究助理10餘年的助理陳艾佳小姐，在我借調至國科會服務4年期間及受邀創立馬偕醫學院的8年多的日子裡讓Wei Lab的研究得以持續，並與時俱進，讓我從學校退休後還能受邀到彰化基督教醫院服務，繼續從事我喜愛的粒線體生物醫學研究。

魏耀揮赴西安出席2017年 亞洲粒線體醫學暨研究學會理事會議。(圖/魏耀揮提供)

魏耀揮與研究生聚會。(圖/魏耀揮提供) 

魏耀揮和馬偕醫學院教職員與第一屆學生。(圖/魏耀揮提供) 

老化、疾病都要了解它
高齡社會、精準醫療迎來「粒線體醫學」新浪潮！

隨著高齡社會來臨，被稱為「細胞能量工廠」的粒線體之生物醫學研究，包括粒線體疾病診斷、粒線體如何參與代謝再編程化、粒線體如何與細胞核溝通，以及粒線體如何調控人體間質幹細胞 (Mesenchymal Stem Cells)和誘導多能性幹細胞 (iPSC)分化等研究，現在成了科學界的新顯學。

研究粒線體長達35年的馬偕醫學院創校校長魏耀揮表示，「粒線體等於是人體細胞的發電機！」粒線體就像細胞的能量工廠，但在進行氧化磷酸化的過程中也會製造活性氧分子(Reactive Oxygen Species, ROS)等對細胞有害的副產物。過去30年來，他在研究老化和老年退化性疾病的過程中發現粒線體扮演很重要的角色。

粒線體就像「生物時鐘」，轉得太快，會造成細胞氧化損傷、組織器官功能失常，會加速老化及一些退化性疾病的到來。「細胞代謝途徑都有它一定的邏輯與細膩的調控，如代謝得太快就好像車子開太快，經常加到最高速限，車子很快就會報銷。」他形容。

粒線體不只合成腺核苷三磷酸 (Adenosine Triphosphate, ATP)，也是細胞製造活性氧分子的主要場所。

ATP有如「能量貨幣」，是體內細胞最豐富的能量載體分子，為細胞執行各種生理活動提供燃料；但活性氧分子卻會攻擊粒線體DNA、脂質及蛋白質，比較生物學研究也發現，細胞粒線體產生過氧化氫的速率與動物壽命的長短呈負相關。

近年來的老化醫學研究也發現，老化組織細胞中的部份粒線體有mtDNA突變及代謝功能缺陷，這種粒線體不但ATP合成的效率低落，也製造過多的氧自由基，會造成組織細胞氧化損傷、機能衰退，人體因此逐漸「老化」。