小小RNA立大功 – mir17~92 扮演維持運動神經元之存活關鍵

想像一下你跟爸媽坐在客廳沙發上，突然，一個閃電雷劈秒停電！這時候，你和你爸媽一定會有一樣的反應：整個人嚇傻在原地不動，然後才慢慢移動去找手電筒在哪裡。

當我們受到驚嚇的時候，為什麼會整個人暫時僵住、動彈不得？哥倫比亞大學祖克曼心智、腦與行為研究中心的理查·曼 (Richard Mann) 博士會說：「這可跟血清素脫離不了關係！(*´∀`)~♥」

設計突發的環境刺激：突然關燈、突然地震

一般來說，我們比較常聽到大腦中的血清素濃度跟「調節心情和認知功能」有關：大腦中的血清素濃度低，跟憂鬱情緒、記憶力衰退有所關聯。不過今天我們不是要討論「大腦」中的血清素濃度，過去研究就有指出，由「運動神經元」釋放的血清素會影響果蠅和脊椎動物的運動速度。

理查的研究團隊為了要更了解血清素如何影響動物的運動速度，做了一系列的實驗。研究團隊分別把果蠅分成兩組，分別是「關燈組」與「地震組」，讓果蠅經驗到「突然的黑暗」和「地震來了！」的環境刺激。

至於要怎麼製造「果蠅等級」的地震？理查團隊找來了同為哥倫比亞大學祖克曼研究中心的 Tanya Tabachnik 團隊設計、組裝客製化的儀器。他們創造一個非常微小、果蠅 size 的小空間，這個小空間下面裝著特製震動馬達。如此一來，就能夠調整馬達的力道來製造想要的地震規模。

接下來，研究團隊用 FlyWalker 這個由該團隊實驗室開發的 app 來追蹤果蠅的腳步，藉此監控果蠅的移動速度。於此同時，研究團隊也操縱果蠅在腹側神經索 (ventral nerve cord) 負責釋放血清素的神經元的活性。

果蠅的腹側神經索，可以類比到脊椎動物的脊髓。

因為血清素，嚇到就僵住

研究團隊發現，當果蠅經驗到意料之外的環境改變，神經系統會快速釋放血清素，讓身體暫時不動，來應對可能的威脅，並在上個月底發表在《當代生物學》(Current Biology) 期刊。這種「僵住」的行為在很多動物身上都可以看到：從果蠅，到魚，到人類都會。

研究團隊通訊作者理查·曼博士表示：「我們發現當果蠅遇到突發的環境改變而僵住的時候，血清素的功能就像緊急煞車一樣。這是因為血清素的釋放會導致動物兩腿關節變僵硬，進而使動物動彈不得。」

另外，研究團隊也發現，當研究人員激發會釋放血清素的神經元，會讓果蠅的移動速度慢下來；靜默相同的神經元會讓果蠅的移動速度變快。

在僵住之後？其實是為了下一步好好做準備

本文看到這裡，相信你會有跟我一樣的疑問，就是為什麼我們動物要有這樣的機制？嚇到會僵住有什麼好處嗎？

研究的第一作者克萊爾·霍華德說：「我們覺得這是很重要的，這可以讓果蠅蒐集更多跟環境改變有關的訊息，然後決定下一步該怎麼做。」

有趣的是，儘管「突然的黑暗」和「地震來了！」都會讓果蠅嚇到僵住，但在僵住之後的運動速度卻有顯著的差異。克萊爾補充說：「受到突然黑暗的驚嚇之後，果蠅的移動速度變慢且謹慎；不過地震會讓果蠅在僵住之後反而移動得更快！」

細細思考一下，果蠅有這樣的反應差異也算合理：坐在客廳沙發上你和爸媽，在秒停電的傻住之時，也會因為看不到身旁的環境而緩慢移動。

雖然說這項研究成果可能還不能延伸解釋到人類身上，但或許將來有一天，遇到地震的你，除了逃命跟發地震文之外，還可以想起這篇研究！ʕ•̀ω•́ʔ✧

參考資料

1. Howard, C. E., Chen, C. L., Tabachnik, T., Hormigo, R., Ramdya, P., & Mann, R. S. (2019). Serotonergic modulation of walking in Drosophila. Current Biology.
2. Jenkins, T. A., Nguyen, J. C., Polglaze, K. E., & Bertrand, P. P. (2016). Influence of tryptophan and serotonin on mood and cognition with a possible role of the gut-brain axis. Nutrients, 8(1), 56.
3. Why do we freeze when startled? New study in flies points to serotonin. ScienceDaily, 2019.11.27

科學家如何孕育實驗靈感？不只限於實驗室，也能是馬拉松賽場，甚至是和小朋友的交流中！中研院分子生物所的陳俊安團隊，從發育生物學的角度出發，研究運動神經元發育和退化的過程，期望能協助發展漸凍症的精準醫療。

生出健康的小孩理所當然？那一定是沒有讀過發育生物學

每一位讀了發育生物學的人，都會覺得要生出一個健康的小孩有多困難。

要發育一個胚胎，每個成長環節都要被精確地調控，自然界演化出一套模式克服外在的干擾，讓胚胎維持在穩定的狀態，才得以發育成功。發育生物學（Developmental biology）就是在了解基因如何調控細胞生長、分化、產生形態，進而使生物體形成組織和器官。

為什麼想研究「運動神經元」？

之前在英國劍橋大學讀發育生物學博士時，運用「非洲爪蟾」這種模式動物來尋找胚胎裡有什麼重要的基因會影響胚胎發育，例如胚胎的「中胚層」會分化成肌肉和心臟。

在博士班的第一年，我篩選了兩千多個和中胚層有關的基因，一個一個觀察各個基因在胚胎裡的表現。常常一個人作微注射到三更半夜，因為爪蟾胚胎在第一次分裂後注射基因去大量表現，要等六到八小時才會開始發育中胚層。

有時為了能回家跟太太共進晚餐，又不想耽誤實驗的進度，冬天的時候會把胚胎帶回家放在室外，半夜一兩點起來再將胚胎做甲醛固定。因為冬天天氣較冷，室外溫度跟冰箱一樣，可以直接放室外整夜。

我最後選擇一個還沒有被報導過的基因深入研究其功能，這個基因只會在「運動神經元」表現出來，查了很多文獻後發現沒有人研究過這個基因。我覺得很有趣，就一頭栽下去研究運動神經元、直到現在。

我們每天站立的姿勢、行走運動，都是由「運動神經元」調控。藉由了解運動神經元發育的過程，希望了解一些運動神經元疾病發生的原因。我們實驗室比較專注在受精卵發育成胚胎的過程，例如胚胎裡的運動神經元是怎麼建立，但現在有一半人力進入研究運動神經元退化的疾病。

越了解運動神經元如何發育，就越能知道它如何退化。

五年前我從美國回台灣時，因緣際會認識高雄醫學大學副校長──鍾育志醫師（現為交大生科院院長），他也是台灣脊髓肌肉萎縮症（Spinal Muscular Atrophy, 簡稱 SMA ）病友協會的理事長。另外，我們現在的實驗室位置，是接續中研院分生李鴻老師的實驗室空間，全世界第一隻脊髓肌肉萎縮症（SMA）模式小鼠，就是在這裡建立。

李鴻老師過世後，台灣這部分的研究就消失了。彷彿冥冥中有一種機緣，讓我來到中研院分生所這裡，正好我也是研究運動神經元，就和鍾醫師討論如何延續這方面的研究，開始了合作模式。像是建立台灣第一個人類的脊髓肌肉萎縮症（SMA）的 iPSC（誘導性多功能幹細胞），並將它們分化成各式不同的運動神經元亞型（subtype），並研究 SMA 為何只有運動神經元會退化，再尋求看看可能有什麼治療的方式。

今年鍾醫師邀請我參加脊髓肌肉萎縮症病友大會，看到這麼多小朋友因為運動神經元的問題，終生得坐輪椅，覺得很震撼，回來就覺得要更努力找到造成運動神經元疾病的原因。很多研究都是在之後會發現……很多東西一開始都沒想到！這是基礎科學研究有趣的地方，跟轉譯醫學之間沒有衝突，不管從哪邊開始，最後都是相通的。

如何找到實驗靈感？

中研院分子生物所經常邀請國際學者來演講，演講完也會和學生、研究員交流。正好有一次一位國際學者和我們實驗室學生聊天，發現學生們除了研究之外，生活有點無聊，只有看電影、看書、看小說。後來我們就利用實驗室群體的壓力（笑），一起挑戰 21 公里半程馬拉松。

實驗室很多人都沒有跑過馬拉松，成績是一回事，但每個人都跑完了。我們做研究最辛苦的永遠是「最後一哩路」，如果沒有堅持走完，就前功盡棄。藉由這個馬拉松，大家一起堅持、完成的感覺蠻好的。

做實驗時，是什麼感覺？

我以前在中正大學念的是化學系，雖然學習到很多化學知識，但直到在台大生物化學所讀碩士班時，才開始真正在顯微鏡下看到各種化學分子對於生命發育過程的調控，我永遠無法忘記第一次在顯微鏡下看到老鼠精子活動時的震撼。

我熱愛做實驗的過程，這包含所有的實驗，不僅只是實驗室裡的研究。我大女兒出生時，看到那小小的嬰兒，真的很感動。在她出生第一個月，我會透過各種「實驗」來理解她，像是調控吃東西的時間，或是以十二小時為單位開燈關燈、讓房間內白天黑夜的時間變化固定，看看哪種情況下她的表現會最快樂。

我上班開車時也會走不同的路徑，會特別計時比較哪一條路徑最順暢，同一路徑都會走許多次，統計平均值後再尋求最佳途徑。我深信唯有透過科學實驗的精神，才能找出解決問題的最好方式。我喜歡嘗試各種實驗、也不害怕失敗，希望能藉此找到最有趣的研究課題。

會如何向小朋友介紹你的研究？

2016 年中研院舉辦院區開放活動時，我們實驗室第一次嘗試帶著小朋友參觀，當時設計了三個實驗。

第一個是讓小朋友在顯微鏡下觀察自己的頭髮，因為顯微鏡下看到的、和肉眼看到的很不一樣。第二個是將乾冰放在水裡冒泡，並加入會隨著不同酸鹼值變色的化學成分，當乾冰的二氧化碳釋出，水裡的酸鹼值會跟著改變，就會看到乾冰溶液從紅色、變成粉紅色、再變成黃色，如果再加入漂白水就會再變成紫色。

第三個跟我們研究比較相關，是讓小朋友觀察「雞胚」。一般我們吃的是沒有受精的雞蛋，我們跟家禽中心買受精後變成胚胎的蛋，小心把蛋殼剪開可以看到小雞的胚胎，包含心臟的跳動。小朋友可以看到不同期間的胚胎，發育三天、五天、十天，從一開始胚胎很小要用顯微鏡才能看得到，長大到肉眼也看得到。

那時有一個小朋友問說什麼是「受精」，我們就要想一個小朋友會懂的方式來解釋：「就像每個小朋友都是爸爸媽媽受精之後才會有你們，小雞也是一樣，小雞的媽媽要先遇到小雞的爸爸……」。

在我們唸書的年代，大部分都在準備考試，沒有很多機會操作實驗。科學相關的課本只是強背，但透過實驗、眼睛親自看到，記都不用記，那個印象就會烙印在心底。當小朋友看過小雞胚胎，將來讀到生物體的發育時，就會有粗淺的印象。讓小朋友在很早的時間點接觸、產生興趣，未來就有機會投入相關領域。

台灣的小朋友大多比較安靜，就看著你弄、發出驚嘆，對實驗室裡很多東西都很有興趣。除了小朋友，爸媽好像也玩得蠻開心（笑）。

希望有更多機會讓小朋友操作實驗，因為在顯微鏡之下，看見就是相信。

延伸閱讀

運動神經元研究

還記得「漸凍人冰桶考驗」嗎？金城武淋下冰水的瀟灑令人難以忘懷，但本文想將你的注意力轉移到漸凍症本身。中研院分子生物研究所的陳俊安助研究員，與團隊從發育生物學的角度，尋找「會退化」和「不會退化」的運動神經元在基因表現上哪裡不同，希望未來有助於漸凍症的精準醫療。

先來進行眼力考驗，下圖野生型小鼠胚胎、 類 ALS （漸凍症）模式小鼠胚胎，看得出「運動神經元」哪裡不同嗎？

左圖的野生型小鼠，運動神經元軸突健康粗壯，可以牢牢抓住肌肉細胞，並控制四肢作出大腦命令的、或反射性的動作。但右圖的類 ALS 模式小鼠，運動神經下端的樹突變少了，無法牢牢抓住肌肉細胞，四肢也跟著萎縮、不聽使喚。

這個「運動神經元退化」的情況會發生在小鼠身上，也會發生在人類身上。「漸凍症」就是運動神經元退化導致的疾病，會從四肢開始無力，漸漸演進至全身肌肉萎縮、呼吸衰竭。

在運動神經元疾病的分類中，脊髓性肌肉萎縮症（SMA） 是遺傳性疾病，好發於嬰孩時期，致病機轉是因為爸爸媽媽同時帶了一套有缺陷的 SMN1 基因。當 SMN1 基因有缺陷時會讓運動神經元死亡，通常小朋友六個月大應該可以坐起來，但有些嬰兒的父母卻發現小寶貝沒辦法坐起時，檢查後才知道原來是脊髓性肌肉萎縮症（SMA）。

而其他的運動神經元疾病，包含肌萎縮性脊髓側索硬化症（ALS） 等，雖然也是由於運動神經元退化死亡，但尚有九成病人發病的原因是不清楚的。

為什麼運動神經元會退化？為何從四肢開始？為何有些肌肉不受影響？科學家尚在理解中。

什麼使運動神經元退化？

在《愛的萬物論》電影中，主角霍金博士從四肢開始退化，初期是手部肌肉拿不穩茶杯，漸漸雙腿肌肉無力、跌倒。但泌尿生殖系統較不受影響，生下了可愛的孩子們，他對朋友笑說是「另一個全自動的系統」。直到最後，霍金博士控制眼球的肌肉仍能正常運作，讓他可以用眼球操控鍵盤說話、書寫。

中研院分子生物所的陳俊安團隊專精於發育生物學，閱讀運動神經元疾病的文獻、和醫生討論，發現脊髓運動神經元在發育時都是從同樣的前驅細胞分化而來，但「四肢」的運動神經元會先發病，而控制眼球和泌尿生殖系統的運動神經元仍能正常運作。

「是否不同的運動神經元亞型（subtype） ，會有不同基因表現的差異，導致這種發病程度的不等？」陳俊安團隊從這裡開始思考，並將小鼠胚胎幹細胞（ES cell）分化成各式的運動神經元亞型，再將各種亞型進行次世代定序，檢查基因表現哪裡不同。

若以前讀的生物課已忘得差不多，沒關係，本文從你我體內的 DNA、RNA 、蛋白質追本溯源，其中藏著可能影響運動神經元退化的開關：mir-17~92 和 PTEN 。

mir-17~92：阻止控制四肢的運動神經細胞凋零

生物體內的細胞核中，DNA 就像影印機中的正本，會複印出帶有相同基因訊息的 RNA 。 RNA 有兩種: 一種是負責製造蛋白質的 mRNA（messenger RNA），就像要把基因訊息傳給蛋白質的傳訊官；另一種是 ncRNA（non-coding RNA），不負責製造蛋白質，而是直接以 RNA 的身分來執行任務。

有一些 ncRNA 會待在細胞核裡，像是後勤單位補給前線作戰資源。另外有一些 ncRNA 像是 microRNA 會直接出核，就像親身到前線出任務的軍官。

直接到前線出任務的 ncRNA 要做些什麼？ 可忙著呢！其中一種是幫忙「踩剎車」，控制 mRNA 製造蛋白質的速度和數量。負責這個任務的是一種小分子的 ncRNA，亦即 microRNA ，會藉由辨認基因序列相對應的標靶 mRNA ，並與之結合，進而抑制標靶 mRNA 製造蛋白質。

在各種運動神經元亞型中，陳俊安團隊透過次世代定序和生化分析，發現「四肢運動神經元」中，有一群叫做 mir-17~92 的 microRNA 表現量特別高 ，且會抑制一種叫做 PTEN 的蛋白質、影響調控其進入細胞核的相關酵素表現，阻止 PTEN 進入運動神經元的細胞核中、造成運動神經元的細胞凋零。

陳俊安團隊透過基因剃除小鼠進一步了解，發現若運動神經元中 mir-17~92 被剃除，這隻小鼠會變得很小隻、四肢萎縮不太能動，切片檢查看到控制手和腳的運動神經元幾乎都死掉，但控制肋骨、頭部、臉部的運動神經元都沒問題。仔細一看，這隻 mir-17~92 基因剃除小鼠四肢無法活動的狀況，和漸凍人有點類似——漸凍人也是四肢協調發生問題。

我們發現被剃除 mir-17~92 的小鼠和漸凍人相似，因此推論 mir-17~92 對於控制四肢運動神經元可能很重要，並思考其作為治療漸凍症的契機。

為了驗證推論，陳俊安團隊另外將 SOD1 基因缺陷漸凍鼠（漸凍症之一種模式小鼠）體內的 mir-17~92 表現量提高、做為治療的方式，發現其原本無力的四肢恢復得較為正常，且小鼠壽命也延長了 20 多天 。「 20 多天的壽命對 ALS 模式小鼠而言可能不算太長，大約是 1/6 ，但對漸凍人而言，延長 1/6 的壽命就是多了 將近 10 年」陳俊安說明。

mir-17~92：四肢運動神經的「電池」

陳俊安將人體比喻為台灣地圖，運動神經元像是從台北（脊髓中樞）出發、貫穿台灣（人體）的高速公路，各部位肌肉是各種運動神經元的終點站。臉部和舌頭比較近，像是台北到桃園的距離；腿部肌肉最遠，像是台北到墾丁的距離。

一開始從脊髓出發，各種運動神經元所帶的能量都相同，就像每台車都加了容量相同的油箱，到了終點站肌肉會釋放另一種蛋白質給運動神經元，補充神經元的能量讓神經元不會力竭而亡。但運動神經元軸突在前往肌肉的途中就是靠這桶油，若到不了肌肉終點站，運動神經元就會死掉。

以這桶油量從台北跑到台中沒問題，但跑到墾丁太過勉強，可行的方式是換成「油電混合車」。而 mir-17~92 就像四肢運動神經元的「電池」，幫助抑制 PTEN 蛋白質的表現量，阻止 PTEN 讓運動神經元凋零，幫助四肢運動神經元順利延伸到遠遠的手臂和腿部，控制四肢肌肉正常運作。

油電混合車很經濟實惠，但最怕「電池」壞掉！漸凍症發生的機制，可能是 mir-17~92這群四肢運動神經元的「電池」不夠力，最終導致無法順利控制四肢肌肉。

運動神經元疾病（漸凍症）的致病原因，至今仍然不明朗，也缺乏治療藥物。陳俊安團隊將繼續透過漸凍症病人的 iPSC（誘導性多功能幹細胞）培養運動神經元，驗證目前的推論是否可行，並深入了解運動神經元發育與退化的分子機制。

若要使 mir-17~92 的類似物進入運動神經元，提升其保護作用，已知的瓶頸是 microRNA 並非可以服用的小分子，需要從中樞神經系統進行基因治療。另外，現階段雖能透過漸凍症病人的 iPSC （誘導性多功能幹細胞）培養運動神經元，但陳俊安團隊仍在尋找該用什麼樣的機制來模擬漸凍症的發病過程，再看看用什麼方式減緩運動神經細胞退化。

為了持續前進下一步，陳俊安團隊期待能和台灣的醫院合作，以及借力基礎化學、生物化學、生物醫學等領域的專業團隊，一起討論努力的方向。

希望未來能為精準醫療提供更好的依據，了解不同運動神經元的亞型哪裡出了問題，並特別調整該運動神經元的基因表現。

延伸閱讀

• 從實驗室到馬拉松賽場：運動神經元研究職人──陳俊安
• 陳俊安的實驗室網頁
• 小小RNA立大功 – Mir17~92 扮演維持運動神經元之存活關鍵，作者：董盈岑、陳俊安
• Tung Y-T, Lu Y-L, Peng K-C, Yen Y-P, Chang M, Li J, Jung HK, Thamas S, Huang Y-P, Hung J-J, Chen J-A* (2015) Mir-17~92 Governs Motor Neuron Subtype Survival by Mediating Nuclear PTEN. Cell Reports (Cover featured article).
• 漸凍人特性分析 – 漸凍人協會
• 轉錄（遺傳學），作者：陳偉民、葉名倉
• 執行編輯｜林婷嫻
• 美術編輯｜張語辰

本著作由研之有物製作，以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位