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研究發現生物電訊號改變導致蝌蚪在背部、尾部長眼睛

這是科學家首度改變細胞之間的自然生物電通訊(bioelectrical communication),直接指定(specify)在一脊椎動物體內的某一特定位置上被創造出來的新器官類型。利用爪蟾屬(Xenopus,一種蛙類)胚胎膜電壓(membrane voltage)的遺傳操縱,Tufts 大學科學與藝術學院的生物學家能使蝌蚪在頭部區域以外的地方長出眼睛。

當研究者操縱蝌蚪背部與尾部細胞 — 在眼部能正常形成以外的地方 — 的膜電壓時,他們獲致最令人驚訝的結果。"假說是,體內的每一種構造都有某種特定的膜電壓範圍,那驅使器官形成(organogenesis)," Pai 表示。"那些區域的細胞從來沒人想過能形成眼睛。這指出,來自體內任何一處的細胞都能受到驅使而形成眼睛。"

為了辦到這件事,他們改變蝌蚪背部與尾部細胞的電壓梯度,使其與正常的眼部細胞相符。這種眼部特定的梯度驅使著背部與尾部的細胞 — 那在正常情況下會形成其他器官 — 發展成眼睛。

根據 Michael Levin, Ph.D.(生物學教授、Tufts 大學科學與藝術學院再生與發展生物學中心主任)表示,這些發現於生醫領域中開闢了新的天地,因為他們確認一種全新的控制機制,能提供資源以促使複雜器官的形成,用於移植或再生醫學應用。Levin 是一篇論文的資深及通訊作者,該論文發表在 2011/12/7 的 Development 期刊線上版。

“這些結果揭露一種在生長期間的新眼部形成調控者,並指出用以偵測與修補影響視覺系統之誕生缺陷的新應用," 他表示。"這種新技術除了是眼部的再生醫學應用之外,同時也是破解生物電密碼的第一步。"

Tufts 博士後研究者 Vaibhav P. Pai Ph.D. 是一篇名為「Transmembrane Voltage Potential Controls Embryonic Eye Patterning in Xenopus laevis」的論文的第一作者。

訊號開啟眼部基因

他們的研究開始時,Tufts 的生物學家想要了解細胞在其創造與取代身體器官的任務中,如何使用自然的電氣訊號來溝通。在最近的研究中,Tufts 生物學家 Dany S. Adams 證明,生物電訊號對於爪蟾屬胚胎之正常臉部形成來說是必要的。在當前的實驗設置中,Levin 實驗室確認並標記位於蛙類胚胎頭部區域內的超極化(hyperpolarized,更多負電荷)細胞簇。

他們發現這些細胞所表現的基因,那涉及眼部的建構,稱為眼區轉錄因子(Eye Field Transcription Factors,EFTFs)。切割胚胎已形成的眼睛並以螢光顯微術分析眼部區域證實,超極化細胞促成水晶體與視網膜的形成。研究者提出假說表示:這些細胞開啟了建立眼睛所需要的基因。

改變訊號導致缺陷

接下來,研究能證明,改變生物電密碼,或將這些細胞去極化( depolarizing)會影響正常眼睛的形成。他們將含有離子通道(那是一種閘門蛋白質,內嵌在細胞膜中)編碼的 mRNA 注入細胞中。如同閘門,每種離子通道蛋白選擇性地讓帶電粒子進出細胞。

利用個別的離子通道,那允許研究者改變這些細胞的膜電位(membrane potential)。這影響了 EFTF 基因的表現,導致畸形(abnormalities)發生:來自這些實驗的蝌蚪看起來都正常,不過,牠們的眼睛全都殘缺。

此外,Tufts 生物學家也證明,藉由操控胚胎內部的電壓梯度,他們能控制畸形眼睛的發生率。"畸形乃是破壞性去極化擴展的比率," Pai 說。"我們開發技術用來提昇或降低電壓以控制基因表現。"

細胞的電性可受操縱以產生特定器官

當研究者在蝌蚪的背部與尾部 — 就在眼部能正常形成以外的地方 — 操縱細胞的膜電壓時,他們達成最令人驚訝的結果。

“假說是,體內每一種構造都有某種特定的膜電壓範圍,那驅使器官形成," Pai 表示。"藉由特定膜電壓的使用,我們可以在沒人想過能形成眼睛的區域產生正常的眼睛。這指出來自體內任何一處的細胞都能受到驅使而形成眼睛。"

Levin 及其同僚正繼續更進一步的研究,外加以腦、脊椎與肢體為目標。這些發現,他表示,"一般來說,將使我們對於組織與器官樣式形成( pattern formation)有更好的控制。我們正在肢體再生、腦部修補與合成生物學中開發新的分子生物電(molecular bioelectricity)應用。" 其他作者包括博士後研究員 Sherry Aw,Tufts 博士後研究者 Tal Shomrat 以及研究助理 Joan M. Lemire。研究資金來自 NIH。

資料來源:PHYSORG:Researchers discover that changes in bioelectric signals cause tadpoles to grow eyes in back, tail[December 8, 2011]

轉載自only-perception

 

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