心臟、尾鰭與脊椎,那些以斑馬魚進行的「再生」研究

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

  • 採訪編輯|王怡蓁、美術編輯|張語辰

渦蟲切不盡,春風吹又生

2016 年中研院的院區開放,陳振輝進行一場「如何跟金鋼狼一樣再生複雜組織?」科普演講,有個國小小朋友問:「渦蟲最多可以切成幾段?」當開始問這個問題,就離了解再生機制更近一步。而若能了解越多,就離增強人類組織與器官再生能力更近一步。

本文專訪中研院細胞與個體生物學研究所的陳振輝助研究員,了解為何及如何透過「斑馬魚」研究「再生」。
攝影│張語辰

擁有再生能力,也許能一圓人類的長生不老夢

長生不老的確是有可能的,像是渦蟲在實驗室生存條件充足的情況下,會將自己的身體拉成兩段,各自再生成完整的個體。這種可以極端再生的生物,存活的時間似乎沒有限制。

一百年前,美國諾貝爾獎科學家摩爾根( Thomas Hunt Morgan )曾經將渦蟲切成 279 塊,發現這 279 塊渦蟲仍然可以再生回來。但若以最小的單位,也就是「一顆細胞」能不能再生為「一隻渦蟲」呢?這個答案也是有機會。

若將渦蟲分解成單細胞(幹細胞),只憑這個幹細胞無法再生成一隻渦蟲。但若是將這個幹細胞移植到被放射線照過的渦蟲身上,原本被放射線照過的渦蟲會在兩週左右死亡,但植入幹細胞的渦蟲卻可以重新恢復再生能力,這好像是讓殭屍復活一樣!(Wagner et al., 2011)

再生的最小單位似乎可以說是幹細胞,但這是在有限制的條件下,且環境也相當重要。

為什麼會想研究「再生」?

十多年前當我在陽明大學生化所讀碩班時,研究的是中草藥抗氧化物的純化,當時對免疫學感興趣,在中研院擔任助理的階段、還有剛到美國時也待在免疫學研究的實驗室。在達特茅斯學院遺傳所讀博士班二年級時,才轉換到「生理時鐘」的研究。

當時以「麵包黴菌」來觀察光反應對生理時鐘的影響,黴菌為了適應光線會產生「胡蘿蔔素」,但產生到一定的量便會停止,從黴菌感受光的調控機制可以在分子層面上去解釋其它生物對光的適應性,這系列的實驗非常有意思。

黴菌跟老鼠與人類一樣擁有生理時鐘,也會受到光反應調控,然而,在老鼠與人類身上解釋光反應對生理時鐘的影響十分複雜,用黴菌來觀察較為容易。

在博士班畢業的前一年,大部分的博士生會轉換研究題目來增強自己的學術能力,那時我問自己:「什麼是我一輩子做了會覺得有趣的事?」

偶然看到幾篇有關「渦蟲再生」的研究論文,當時的我覺得這個主題很酷,於是申請了幾個研究再生機制的實驗室,後來在美國杜克大學醫學院的細胞生物學實驗室,與教授 Ken Poss 相談甚歡,因此加入了這個以斑馬魚研究再生的團隊。這個實驗室從我剛加入時大概有七、八個人,現在已經有二十人,顯示學界對於再生研究有濃厚興趣。

從斑馬魚可以得知哪些「再生」訊息?

在 Ken Poss 教授的實驗室中,目前三分之二的人都以斑馬魚研究「心臟再生」。根據衛福部的統計指出,台灣的第二大死因是心臟病,而美國則位居第一名,因此美國非常重視心臟的再生研究,也投入大量的資源支持。另外,用斑馬魚研究「脊椎再生」也是熱門的項目。

我自己是研究斑馬魚的「尾鰭再生」,也許有人會覺得尾鰭是魚類特有的器官,但尾鰭再生的研究,也許有機會應用於生物的斷肢再生。

紅線是斑馬魚尾鰭被截斷的部位,一般的斑馬魚會再生尾鰭(左圖),但基因突變的班馬魚會失去再生能力(右圖)。陳振輝團隊藉由誘發基因突變,找出是哪個基因出問題?也許就是觸發再生機制的關鍵。
圖片來源│Chen et al., (2015). Transient laminin beta 1a induction defines the wound epidermis during zebrafish fin regeneration. PLoS Genet 11 (8), e1005437.

現在在我們的實驗室,主要探索斑馬魚「表皮細胞」如何分工合作進行再生,下一步也想觀察斑馬魚尾鰭中其它細胞的運作,比如說若把尾鰭的「神經細胞」截斷,再生將無法進行。因此,了解各種細胞在再生過程中扮演的角色,是了解再生反應重要的方向。

從像斑馬魚這種「模式動物」去提出問題,需植基於許多理論基礎,要建立模型以及問對問題,這個過程的確很難。

當時我們實驗室的老闆 Ken 是建立斑馬魚心臟再生模型的初始者,還記得 Ken 說過 一開始要說服大家,斑馬魚可以用來做心臟再生的研究,大家都很難理解。(Poss et al, 2002) 現在我覺得很幸運的是,可以站在這些巨人的肩膀上進行研究。

研究「再生」的過程,遇到哪些困難?

研究斑馬魚如何及為何再生的過程中,建立「研究工具」最花時間。

研究老鼠與果蠅的科學家非常多,因此可以共享某些研究工具,例如要是老鼠的指節可以再生,利用老鼠的指節做為再生研究,科學家就可以運用前人建立好的研究工具來問問題。然而,在斑馬魚的成魚研究上,大部分的研究工具就需要自己建立,例如斑馬魚表皮細胞的研究工具 Skinbow 多顏色標誌技術,因此實驗時間就會拉得很長。

斑馬魚的生長週期是三個月,但建立新的基因轉殖魚作為研究工具的時間,一般就要花上六個月到九個月。

看起來很像印象派的筆觸?其實是陳振輝團隊研發的 Skinbow 多顏色標誌工具,用來研究斑馬魚修復傷口和再生複雜組織過程中,表皮細胞如何運作。
圖片來源│陳振輝實驗室網站

研究過程,會有想放棄的時候嗎?

在我讀書的年代,生命科學是明日產業,生命科學系是非常熱門的明星科系,但現在大環境的就業情況並不樂觀,學生也紛紛退卻。我的想法是,要預測明日產業是困難的,你只能問你自己興趣在哪裡,如果是真的有興趣,就會有理由和動力堅持下去。

無論是我以前博士班做的黴菌生理時鐘研究,或現在進行的斑馬魚再生研究,都是從黴菌和斑馬魚這種模式生物上來回答問題。利用各種模式生物的強項,問適合的問題就可以找到答案。

再生能力這領域還很新,就像一座待探索的西部大荒野,還有好多問題可以問。

這些發現除了以研究論文呈現,也希望能與小朋友們分享,小朋友非常有創造力,也許能問出我們想不到的問題。如果學校有興趣,我們實驗室可以提供斑馬魚與如何觀察尾鰭再生的方法,讓小朋友一起動手體驗再生的科學奧妙。

現在每天一早都很期待到實驗室,看看研究有什麼進展,想知道自己設計的實驗會有什麼成果,很像「我都在做我喜歡做的事,還剛好有人給我薪水」。

工作並非一帆風順,實驗的結果不如預期其實是常態,每天都有不同的挑戰要克服。但若是能重新選擇,我還是會走上學術研究這條路。

看起來彷彿藝廊的網站,每一張照片,都訴說著對再生研究的好奇與發現。
圖片來源│陳振輝實驗室網站

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本文轉載自中央研究院研之有物,原文標題為:「從動物身上問對問題,就可以找到答案!」陳振輝談斑馬魚的超強再生力,泛科學為宣傳推廣執行單位


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關於作者

研之有物│中央研究院

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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