為什麼運動神經元會退化？又為何是從四肢開始？

2017/09/28 |

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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？

兩種小鼠胚胎的運動神經元比較（中間長長、尾端伸出許多樹突的那一條）。圖片來源／Crucial Cluster: MicroRNAs Keep Motor Neurons Alive

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。

運動神經元疾病（motorneuron diseases）俗稱「漸凍症」，其特性與症狀發展。資料來源／中華民國運動神經元疾病病友協會（漸凍人協會）。圖說重製／林婷嫻、張語辰

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。

《愛的萬物論》電影中，主角霍金博士從四肢運動神經開始退化，初期無法控制手部肌肉寫字。source：IMDb

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。

小鼠胚胎幹細胞（ES cell）在培養皿中，會根據外在訊號的濃度高低、生長因子的引導，演繹出不同的運動神經元前驅細胞，並進一步分化成不同的亞型（subtype）。資料來源／陳俊安提供。圖說重製／林婷嫻、張語辰

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。

細胞內 DNA、RNA、蛋白質的機制。圖說設計／林婷嫻、張語辰

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。

mRNA 產生太多或太少蛋白質都不好，但又不能把產生的開關關掉。microRNA 就像煞車，讓 mRNA 適時停下來，是自然界找到的調控方式。圖說設計／林婷嫻、張語辰

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。

野生型小鼠（左）由於有 mir-17~92 抑制 PTEN 蛋白質，維持運動神經細胞正常運作。但剔除 mir-17~92 的小鼠，PTEN 蛋白質變多，甚至進入運動神經細胞裡、造成細胞凋零。資料來源／Mir-17~92 Governs Motor Neuron Subtype Survival by Mediating Nuclear PTEN.。圖說重製／林婷嫻、張語辰

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。

正常小鼠、ALS（漸凍症之一種）模式小鼠、提高體內 mir-17~92 表現量的 ALS 模式小鼠，透過 X 光看見四肢正常/萎縮/復原的情況。資料來源／陳俊安提供。圖說重製／林婷嫻、張語辰

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。

將人體比喻為台灣地圖，到達不同目的地的「運動神經」樹突長度相差很多， mir-17~92 在各種運動神經元內的表現量也不同。資料來源：陳俊安提供圖說重製／林婷嫻、張語辰

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。

在理性的生物學討論中，陳俊安流露著對漸凍症的關懷。攝影／張語辰

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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

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研之有物，取諧音自「言之有物」，出處為《周易·家人》：「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活，成為串聯您與中研院的橋梁，通往博大精深的知識世界。網頁：研之有物臉書：研之有物@Facebook

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