膠原蛋白，青春永駐

去氧核糖核酸(Deoxyribonucleic acid, DNA)是一種神奇的長鏈聚合分子，他儲存所有遺傳訊息的藍圖，這些訊息將引導生物生長、發育與器官功能，並被轉錄為RNA，藉此合成蛋白質。當個體死亡後，這個運作機制也將逐漸停止，儘管可以趁生物體還新鮮的時候採集到足夠的遺傳訊息，但對於那些已經死亡數萬、甚至數百萬年的生物體來說，在化石生成的過程裡，那些DNA會逐漸被周圍的礦物所取代。所以在傳統上古生物學經常專注在探討骨骼型態，而幾乎從未由生物遺傳的角度接入，畢竟你幾乎不可能期待從無機的岩石中找到這些生物性的遺傳因子。

不過這樣的觀點現在看來已經是過去式了！雖然我們仍尚未確定到底要讓古生物的軟組織保存下來需要哪些具體的條件，但隨著越來越多的發現，當代恐龍的研究已經進入了分子生物學領域。

肯氏短冠龍的股骨─MOR 2598。其中散落的棕色粉末為含鐵礦物。Credit: Mary Schweitzer.

2007年，標本號MOR 2598的恐龍股骨出土於蒙大拿東部的裘德河組(Judith River Formation)。經過鑑定，這跟股骨的主人是一隻肯氏短冠龍(Brachylophosaurus canadensis)，一種生存於距今約8000萬年前晚白堊紀坎帕階(Campanian)鴨嘴龍類。古生物學家瑪麗史懷哲(Mary Schweitzer)與她所帶領的研究團隊在顯微鏡下觀察到MOR 2598中含有一些白色纖維狀物質，這個物質的構成十分獨特，看起來不像是細菌或其他微生物分泌的生物薄膜，細胞間具有不少分支並彼此連接。根據研究團隊後續的分析，顯示這些纖維狀物質與細胞能與膠原蛋白抗體產生反應，證實了這其實是保存於骨骼內的骨細胞與膠原蛋白，並從中取得了兩段的肽。

膠原蛋白是脊椎動物含量最豐富的蛋白質之一，主要存在於結締組織，是細胞外基質主要構成的成分。這種蛋白質的構成相當獨特且規律，由短鍊的肽所組成，換而言之，膠原蛋白其實是一連串的胺基酸鍊。在不同的物種間，肽的組成在型態上會有所差異，透過質譜分析化石中找到的恐龍蛋白序列，不僅有助於了解這些動物在演化上的位置，還能提供更多平常在牙齒與骨骼上觀察不到的訊息，此外或許還能解答這些恐龍蛋白是如何在化石中保存數百萬年之久。

短冠龍的復原圖。Credit: Houston Museum of Natural Science.

有趣的是，2015年的研究中在MOR 2598中還找到了蘊含在其中的血管構造與血管壁上的肌球蛋白。在上述兩項研究的質譜分析中都顯示了，恐龍在演化上的位置確實介於鳥類和鱷魚這兩種現存的主龍類之間！

有鑑於近年來質譜分析技術上的進展與蛋白結構數據庫的建構，在上個月施羅特(Elena Schroeter)與史懷哲的研究團隊再次用同樣的方式再度研究了MOR 2598，並取得了六段全新序列的肽。在親緣分析上，根據新取得的六段肽序列分析顯示肯氏短冠龍在演化的位置上較接近美洲短吻鱷與揚子江鱷；但是如果把全部八段的肽序列拿來分析，肯氏短冠龍則更接近雞和鵪鶉，而較遠離爬蟲類。

肯氏短冠龍根據2016年由第一型膠原蛋白所取得的六段肽序列的分析結果。顯示他們在演化上的位置較接近短吻鱷。Credit: Elena R. Schroeter. et al. 2017.

肯氏短冠龍所有已知八段第一型膠原蛋白肽序列的分析結果。顯示他們較為接近鳥類。Credit: Elena R. Schroeter. et al. 2017.

有關陳年恐龍膠原蛋白的驚奇還沒結束。在一月結束前的最後一天，台灣國家同步輻射研究中心的李耀昌博士等人又投下了一顆震撼彈！不同於史懷哲的研究團隊，李耀昌博士與台灣國家同步輻射研究中心使用非破壞性的檢測技術從祿豐龍(Lufengosaurus)的肋骨中也找到了膠原蛋白。比起8000萬年前的短冠龍，祿豐龍生存於1億9500萬年前的早侏儸紀，這顯示這些恐龍蛋白在骨骼中保存的年限顯然比想像中的多很多！

位於香港科學館的祿豐龍骨架。Credit: Giloun.

但是到底是什麼原因使得這些恐龍蛋白能保存將近1.95億年之久？李耀昌在研究中指出包覆在膠原蛋白外部的赤鐵礦微粒聚晶很可能是其中的關鍵，當骨骼中的含鐵蛋白降解後，其釋出的鐵離子減緩了氧化作用，並使得膠原蛋白得以被保留下來。

雖然這些使用分子生物學方法的研究在目前仍相當具有爭議性，但隨著越來越多軟組織的發現與檢測技術的進步，這些前瞻性研究的累積或許能為恐龍與古生物學研究領域打開一條新的康莊大道。


References:

Schweitzer M. H. et al. 2009. Biomolecular characterization and protein sequences of the Campanian hadrosaur B. canadensis. Science. 2009 May 1;324(5927):626-31. doi: 10.1126/science.1165069.

Timothy P. Cleland. et al. 2015. Mass Spectrometry and Antibody-Based Characterization of Blood Vessels from Brachylophosaurus canadensis. J. Proteome Res., 14 (12), pp 5252–5262. DOI: 10.1021/acs.jproteome.5b00675

Elena R. Schroeter. et al. 2017. Expansion for the Brachylophosaurus canadensis Collagen I Sequence and Additional Evidence of the Preservation of Cretaceous Protein. J. Proteome Res., 16 (2), pp 920–932. DOI: 10.1021/acs.jproteome.6b00873

Yao-Chang Lee, Cheng-Cheng Chiang, Pei-Yu Huang, Chao-Yu Chung, Timothy D. Huang, Chun-Chieh Wang, Ching-Iue Chen, Rong-Seng Chang, Cheng-Hao Liao & Robert R. Reisz. 2017. Evidence of preserved collagen in an Early Jurassic sauropodomorph dinosaur revealed by synchrotron FTIR microspectroscopy. Nature Communications 8, Article number: 14220. doi:10.1038/ncomms14220