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再生機制的研究：有可能像金鋼狼或沙威瑪一樣不斷「再生」嗎？

研之有物│中央研究院・2017/07/23 ・3798字・閱讀時間約 7 分鐘・SR值 522 ・七年級

為什麼研究「再生」

組織與器官如何啟動再生機制，至今人們仍然不了解。例如，當切斷蠑螈的手臂和手指，不同部位再生所費時間竟然相同，但為什麼？在中研院細胞與個體生物所，陳振輝團隊利用經由基因突變篩檢出來、失去再生能力的斑馬魚，來了解再生過程的分子機制，期待未來能幫助再生醫學的發展。

在古代，希臘神話中的怪物九頭蛇，危害沼澤附近的生物，當與海格力斯大戰時，九頭蛇被砍斷頭顱後還可以不斷再生。在現代，X 戰警電影中的金鋼狼，也具有驚人的再生能力，傷口可以在短短幾秒內恢復。從這兩個故事看來，人類從古至今對於再生能力是既感恐懼又羨慕。

再生並非只存在傳說中，自然界也有奇蹟存在。例如，蠑螈雖然是低等的脊椎動物，但可以從被截斷的手臂切面，長出神經、骨頭、血管與肌肉，再生出完好的手臂。而斑馬魚和渦蟲，也都具有很強的再生能力。

蠑螈需花費 30~60 天才能再生一隻完好的手，不像金鋼狼那麼誇張，可以瞬間再生，但若能了解哪些關鍵會觸發再生機制，也許有一天人類也可以再生。

「所有人都對再生有興趣，並不是科學界才對再生研究感興趣！」在陳振輝的實驗室，正透過科學化的方法，以斑馬魚為研究對象，探索傷口修復和複雜組織再生過程中，細胞們如何運作。

透過「斑馬魚」畫出「再生藍圖」

人類的肢幹受傷斷裂，傷口癒合後就形成斷肢，無法再生。但若是截斷斑馬魚尾鰭、用強光破壞視網膜、用細針攪爛一側的大腦，甚至剪斷脊椎這種極端方式，斑馬魚都可以完整再生這些複雜組織。

在脊椎再生的模式中，斑馬魚一開始會因缺乏神經連結而無法再游動，並躺在水缸底兩個禮拜，但待神經重新連結、表皮癒合後，斑馬魚又再次成為一尾活龍、游來游去。（註一）

陳振輝團隊試著想回答兩個問題：再生如何發生？再生機制為何會發生？

再生機制，涵蓋「表皮細胞、骨頭細胞、神經細胞、血管細胞」等運作，就像蓋一棟房子，需要不同材料、不同步驟進行。例如，殘肢上的細胞要移動、增生、分化產生新組織，同時也要跟舊組織溝通、整合，來讓新生的手臂具有正確的大小、形狀和功能。

陳振輝透過 Skinbow 這種多顏色細胞標誌技術，以不同顏色標記斑馬魚體內不同的細胞，觀察再生過程中細胞如何移動、如何分工合作，藉以建立一個三維空間裡，各式細胞如何互動、建構複雜組織的工程藍圖，並運用這個藍圖看看能否移轉到其他生物上實現，也蓋出名叫「再生」的房子。

經過 Skinbow 處理的斑馬魚鱗片，不同細胞被標記不同顏色，在顯微鏡下觀察如同冰淇淋甜筒上的七彩糖珠。圖／Chen et al., (2016). Multicolor cell barcoding technology for long-term surveillance of epithelial regeneration in zebrafish. Developmental Cell 36 (6), 668-680.

Skinbow：研究再生的繽紛驚喜

環顧陳振輝實驗室中色彩繽紛的照片，彷彿藝廊展覽。照片中所採用的 Skinbow 多顏色細胞標誌技術，點子來自於陳振輝在美國杜克大學醫學院的細胞生物學實驗室中，看到同事 Vikas Gupta 成功運用 Brainbow 多顏色細胞標誌技術，觀察斑馬魚心臟的發育與再生過程。（註二）

Brainbow 由 Joan Livet 於 2007 年時建立，當初是為了觀察老鼠的大腦神經（註三），其基本原理是利用基因重組的方式，隨機將紅綠藍三原色的螢光蛋白在個別細胞表現不同的數量，如此一來便能產生上百種顏色，標誌每一顆細胞，並且觀察每顆細胞的運作狀態。

結合「大腦」的實驗及「彩虹」般的色彩表現，這個以多種顏色標誌細胞的技術便稱為 Brainbow。

而陳振輝團隊轉化此技術，運用於觀察斑馬魚的「表皮細胞」於再生時的運作情況，並另名為 Skinbow ，經過多次嘗試，Skinbow 可用來標誌斑馬魚成魚的尾鰭、鱗片、眼球、甚至整隻仔魚的表皮細胞。

Skinbow：將紅、綠、藍（光的三原色）螢光蛋白標誌疊合之後，可以產生上百種不同顏色來標誌不同的表皮細胞，讓同個細胞在組織再生的過程中，能被長時間追蹤觀察。圖／張語辰

在 Skinbow 多顏色細胞標誌下，可以觀察斑馬魚的表皮細胞，在面對不同的傷害情況下，如何集體反應、合作、再生，以恢復原來的組織構造。

例如，若想了解截斷斑馬魚的尾鰭後，細胞的移動方式是「沿著截斷面長出新細胞」，或是「舊組織的細胞會往截斷面移動」？透過 Skinbow 可以清楚看見，舊組織的表皮細胞會先移動到截斷面要增生的部份，然後才在原本的舊組織長出新的表皮細胞。

透過 Skinbow 看到斑馬魚被截斷的尾鰭上，「舊」組織的表皮細胞（以綠點為例），會往截斷處移動、修補，而非立即從截斷處長出「新」細胞。資料來源透過 Skinbow 看到斑馬魚被截斷的尾鰭上，「舊」組織的表皮細胞（以綠點為例），會往截斷處移動、修補，而非立即從截斷處長出「新」細胞。資料來源／陳振輝提供；圖／王怡蓁、張語辰

為何是斑馬魚？蠑螈不行嗎？

陳振輝表示，斑馬魚作為模式生物已經有二十多年的歷史，科學家主要利用魚胚胎來研究脊椎動物的發育過程，累積了足夠的遺傳學基礎和研究方法。

另一個主要的原因是斑馬魚在高倍顯微鏡下較易觀察，光是在顯微鏡下觀察尾鰭再生的過程就要持續二十天，但蠑螈太大隻非常不容易辦到，因此容易麻醉方便長時間觀察也是考量因素之一。而生長週期也是關鍵，蠑螈的成長過程需要數年，斑馬魚只要三個月。

在中研院細胞與個體生物學研究所地下室一樓，有著一間斑馬魚養殖場，一箱箱疊在一起的斑馬魚水族箱，不斷冒著泡泡，水族箱上頭仔細貼著說明標籤。

陳振輝指著尾鰭明顯少掉四分之一（黃圈處）的斑馬魚說：「這隻是尾鰭截斷之後，無法再生的魚。」圖／張語辰

我們將斑馬魚泡在誘發基因突變的藥水中，觀察哪隻斑馬魚在截斷尾鰭後變得「不會再生」，去找出是哪個基因出問題，這可能就是觸發再生的關鍵。

「目前實驗室已經在突變魚身上找到一些基因對於再生是重要的，而這樣尋找的過程平均要花上一年半到兩年的時間。」陳振輝說，充滿著耐心。

如何將斑馬魚的再生，應用到人類身上？

陳振輝認為，再生機制的研究要植基於這些「很會再生」的「模式生物」，如果沒有利用這些生物，將很難建立複雜組織再生的模型。

而基礎研究所得到的結果，可以進一步在老鼠模式上面驗證，例如利用斑馬魚的再生機制去調控實驗老鼠的再生能力。（註四）

為什麼人類具有跟斑馬魚一樣的再生基因，卻無法再生？這關乎基因調控的狀況。

再生機制牽涉到兩個層面，第一是人類缺乏斑馬魚具有的特定再生基因；第二，則是基因調控的狀況。

例如，斑馬魚的基因 A 在受傷後會被活化，但人的基因 A 卻不會被活化，因此人類無法再生，這可能牽涉到基因的上游 DNA 序列的調控，而這會影響負責再生的基因表現。

至於其他魚類是否也具有再生能力？陳振輝表示許多硬骨魚類都具有。生物的再生能力，對繁衍沒有直接影響，像人類無法進行斷肢再生，卻不影響其繁殖與其在地球的地位，因此再生能力在演化的過程可能會獲得或失去。像是並非所有渦蟲及蠑螈都會再生，部分譜系的渦蟲及蠑螈在演化過程中，也失去了再生能力。

人類敬畏又渴望再生的能力，但在演化過程中，大自然選擇性地讓部分物種保留再生的特權。陳振輝播放著已看過無數次的蠑螈再生斷肢的影片，驚嘆地說：「再看幾次還是會覺得這些動物怎麼這麼神奇，讓人不斷地想了解為什麼牠們可以這樣呢？」

揭開人體的基因密碼！——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮・2021/11/16 ・1998字・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖，有些人沒抽菸卻得肺癌，有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢？這一切都跟我們的基因有關！無論是想探究生命的起源、物種間的差異，乃至於罹患疾病、用藥的風險，都必須從了解基因密碼著手，而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上，DNA 解碼從 1953 年的華生（James Watson）與克里克（Francis Crick）兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構，闡述 DNA 是以 4 個鹼基（A、T、C、G）的配對方式來傳遞遺傳訊息，並逐步發展出許多新的研究工具；1990 年，美國政府推動人類基因體計畫，接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入，到了 2003 年，人體基因體密碼全數解碼完成，不僅是人類探索生命的重大里程碑，也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成，卻因為基因定序技術的突飛猛進，使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展，早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位，但無法排序；直到 1977 年，科學家桑格（Frederick Sanger）發明了第一代的基因定序技術，以生物化學的方式，讓 DNA 形成不同長度的片段，以判讀測量物的基因序列，成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求，出現了次世代定序技術（NGS），將 DNA 打成碎片，並擴增碎片到可偵測的濃度，再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速，且成本更低，讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對，解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤，也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面，儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因，但對於改善個體健康仍有積極的意義，例如：若透過基因檢測，得知將來罹患糖尿病機率比別人高，就可以透過健康諮詢，改變飲食習慣、生活型態等，降低發病機率。又如癌症基因檢測，可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測：前者可偵測是否有單一基因的變異，導致罹癌風險增加；後者則針對是否有藥物易感性的基因變異，做為臨床用藥的參考，也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者，基因檢測後續的生物資訊分析，包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等，對臨床醫療工作都有極大的助益。

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同，而不同族群之間更存在著基因差異，使得歐美國家基因庫的資料，幾乎不能直接應用於亞洲人身上，這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」（Taiwan biobank），希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起，中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」（TPMI），希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫，促進臺灣民眾常見疾病的研究，並開發專屬華人的基因型鑑定晶片，促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人，這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者，超過 99％是來自中國不同省分的漢族移民人口，其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫，其中，漢族的全部遺傳變異中，有 21.2％的人攜帶遺傳疾病的隱性基因；3.1％的人有癌症易感基因，比一般人罹癌風險更高；87.3％的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性，例如：若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型，醫生在開藥時就能使用替代藥物，避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰：個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門，但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上，存在著道德倫理的考量，例如：研究用途的資料是否能放在病歷中？個人資料是否受到法規保護？而且技術上各醫院之間的資料如何串流？這些都需要資通訊科技（ICT）產業的協助，而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言，建議患者做基因檢測是因為出現症狀，希望找到原因，但是如何解釋以及病歷上如何註解，則是另一項重要議題。

從人性觀點來看，在技術更迭演進的同時，對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生？回到了解病因的初衷，在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時，家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等，都是值得深思的議題，也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好，因此，基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統，以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡，將是下一個基因時代的挑戰。