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藏在玉米田裡面的遺傳大秘密,為人類帶來什麼貢獻?

研之有物│中央研究院_96
・2019/02/27 ・3503字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 524 ・七年級

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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

  • 執行編輯|林婷嫻、美術編輯|張語辰

為什麼要研究植物「減數分裂」?

氣候變遷迫使農田休耕、作物歉收,人類需要體質更優良也更美味的作物。一直以來,科學家利用「遺傳育種」,從大自然的遺傳多樣性中,透過有性生殖篩選保留優良的基因組合。在中研院植物暨微生物研究所王中茹的實驗室裡,透過超高解析度顯微鏡觀察玉米染色體世界,正在破解同源染色體如何重組的謎團。其中,發現蛋白質 DSY2 是解開謎團的第一個線索。

「遺傳育種」運用的機制之一為:當生殖細胞進行減數分裂時,來自爸媽的同源染色體交換部份 DNA 片段、產生新的基因組合,像「天然洗牌」般完成基因重組。這看似簡單的育種過程,困難關鍵之一在於發生染色體重組的「位置」和「數目」有許多限制。

王中茹與研究團隊發現,當玉米的生殖母細胞進行減數分裂時,有一個關鍵蛋白質 DSY2 會影響 DNA 斷裂和互換。這基因重組的過程,是育種學家尋找更多有用的基因、產生更多遺傳組合,以培育更優良品種的基礎。

王中茹研究團隊鑽進顯微鏡的世界中,發現促成玉米基因「 天然洗牌」的關鍵蛋白質 DSY2 。
攝影│張語辰

探討基因如何透過「天然洗牌」重組的過程,也就是研究「減數分裂時的染色體互換」。雖然是國際趨勢,但在台灣很少人在作物上分析其中的分子機制。因為這類基礎研究不會有什麼立即性的大發現,需要愚公移山的時間與精力。王中茹與相當年輕的團隊,憑著渴望了解新事物的好奇,在這個領域中執著於尋找控制基因重組的關鍵,除了滿足對遺傳學的熱情,更希望可以縮短育種的時程,找到解決糧食危機的機會。

要迅速了解 DSY2 蛋白質的功能,就像要迅速破關瑪莉歐遊戲一樣困難,如果早已忘記國高中課本教的「減數分裂」、「染色體聯會」等內容,讀到這裡可能會怒關視窗。但別急,本文從王中茹的研究生涯專訪說起,像愛麗絲掉進兔子洞般,縮小自己進入顯微鏡的奇幻世界,發現以前課本不會教的染色體奧妙。

擁有人生中第一台顯微鏡,是什麼時候?

國小三年級時,我梭哈自己畢生存的壓歲錢,買了一台兩千多元的兒童型顯微鏡,看到細胞的瞬間我真心覺得『太~酷~了~!』

「水田裡、池塘裡、沙子裡任何東西,可以放在顯微鏡上的我全都拿來看。那時候不認識顯微鏡底下的微生物、草履蟲,也還沒有網路,我哥就拿他的國中課本讓我查,或一起去圖書館找資料,漸漸對顯微鏡中的世界感到神奇。我很喜歡用顯微鏡探索未知的事物,這種新鮮感促使我走上研究染色體和 DNA 這條路。」王中茹興奮地回憶。

超高解析度螢光顯微鏡中的世界不只美,更能發現人類肉眼看不到的細胞奧妙,圖中可以看見玉米染色體的「聯會複合體」結構。此照片獲得 2009 年 OLYMPUS BioScapes 比賽世界第二名。 
顯微鏡攝影│王中茹

第一次看到染色體,是什麼心情?

「第一次看到染色體是大學就讀台大植物系的時候,在遺傳學實驗中觀察洋蔥的根尖細胞。但印象最深刻的是,在研究所細胞遺傳學的實驗中,我們抽了自己的血、養了自己血裡的淋巴細胞,做了自己染色體的核型、排出每一條染色體、觀察染色體的數目和大小,這一切讓我興奮地不得了!」從王中茹的眼中,看見漫畫人物般熊熊燃燒著的火光。

爸爸媽媽在世上能找到彼此已經很不容易,當精子和卵子相遇,才形成「我」。在我的生殖細胞中,他們的染色體還要重新尋找彼此配對,才能傳到我的下一代,這不是很浪漫嗎?

染色體為什麼要在細胞中重新尋找彼此配對?這是生物有性繁殖中最重要的「減數分裂」過程,有減數分裂才能確保爸媽、小孩、孫兒輩都是 23 對染色體,不會生出染色體以倍數成長的子孫。

而在減數分裂過程中,同源染色體會互換一部分 DNA 片段,配對互換的過程可確保正確地將一套染色體傳到細胞中,同時讓爸爸和媽媽給的基因在「我」的生殖細胞透過「天然洗牌」重組,增加更多的遺傳變異性。

這種奧妙的遺傳現象,發生在每一次的減數分裂中,在生物學上極為重要。透過顯微鏡觀察玉米減數分裂如何發生,了解這必要的細胞分裂機制,若能掌握發生的關鍵,就有機會透過控制染色體互換與基因重組,加速育種效率,培育出玉米界的馮迪索抵抗致命氣候,不只強壯也很美味。

爸爸和媽媽的染色體,在細胞中要尋找彼此、配對互換 DNA,才有機會生出更好的下一代。
圖說設計│林婷嫻、張語辰

基因會「天然洗牌」的生物那麼多,為什麼特別研究玉米?

王中茹崇拜地指著 Barbara McClintock 的照片說:「我在大三時對於一直死背教科書中已知的知識感到枯燥、迷惘,那時看了《玉米田裡的先知》這本書,受到 Barbara McClintock 啟發。

王中茹的辦公桌後方貼著偶像 Barbara McClintock 的照片,她終身致力於玉米細胞遺傳學研究,因為發現跳躍基因,被認為是「玉米田裡的先知」。
攝影│張語辰

她是細胞遺傳學家,當時的研究技術還沒有現在這麼先進,她透過長期觀察顯微鏡、做遺傳實驗,在 1940 – 1950 年代就發現基因會從染色體的原本位置跳躍到另一處。但當時的科學家無法想像、也無法理解這麼先驅的發現,加上 Barbara McClintock 是女性不受重視,實驗室就被迫搬到整棟樓最陰暗的角落,就算到處演講也沒有人在乎。她仍然堅持自己的研究幾十年,直到 1983 年才正式得到諾貝爾獎的肯定。

「這個故事雖然辛酸苦情,卻喚醒我小時候透過顯微鏡,看到微小新世界的那股興奮,因為受到 Barbara McClintock 這位細胞遺傳學家的影響,後來我讀台大植物系碩士班時就找了細胞遺傳學的陳其昌老師,從研究菸草的核型開始,博士班時轉為研究螢光定位標記玉米 DNA 的方法和遺傳圖譜。」

玉米是國際間重要的糧食作物,產量和價格都持續攀升。
資料提供│王中茹

「想提高玉米的體質和產量,要從玉米基因組解序下手,了解哪些基因代表玉米的哪些特性。但當年解序時, DNA 片片斷斷位於染色體各處,拼組起來很困難,科學家需要一種方法來分類、指引哪一段 DNA 位於哪一條染色體上,讓研究更好運作。因此我讀博士班時投入大量時間研究『螢光原位雜交 (簡稱 FISH )』技術如何應用在玉米上,建立染色體圖譜,既可增加了解玉米染色體的組成,也有助克服解序時拼組片段遇到的困難。」王中茹搭配當年的研究照片說明。

A圖:壓扁處理的玉米染色體。C圖:維持 3D 球狀的玉米染色體。將選擇好的 DNA 用會發光的染料標記,發螢光的 DNA 會到染色體上尋找和自己互補的 DNA,這種「螢光原位雜交 (FISH)」技術有助科學家了解染色體。
資料提供│王中茹

另外一個讓王中茹堅持研究玉米的原因是,玉米的花粉母細胞比阿拉伯芥、酵母菌的大很多,透過超高解析度顯微鏡可以很清楚地看到細胞減數分裂的過程、染色體如何配對互換 DNA 。而玉米雄花穗有上千個花藥,其中的減數分裂細胞在花穗上依序進入減數分裂,這個特性讓我們容易取得大量同步和相鄰階段的細胞,阿拉伯芥、水稻、哺乳類等其他模式物種都沒有這種研究上的便利。

「當玉米的花藥生長到 1 公厘時,1 個花藥中的 600 個細胞會同時進行減數分裂,並且開始 複製、 DNA 打斷、配對、重組、同源染色體分離……等步驟,我們透過流式細胞儀,將上萬個同時進行減數分裂的細胞一顆顆分離出來,以大數據的角度運用蛋白質體學 (Proteomics)、基因組學 (Genomics) 分析,就能從玉米身上發現別的物種無法提供的資訊,例如哪一段區域的 DNA 和別的區域很不一樣,進而找到影響 DNA 打斷的關聯。」像是發現寶藏般驚喜,王中茹強調研究玉米的優勢。

玉米的花粉母細胞不但很大,同時進行減數分裂的細胞更高達上萬個,這是玉米給我們得天獨厚的大數據資料,能發現什麼就靠我們把握。

在本文中透過王中茹的研究生涯 Q & A,一步步認識染色體、DNA、減數分裂與研究玉米的重要性,而王中茹研究團隊發現什麼關鍵,不但增進科學家了解植物的減數分裂,更可能有助解決糧食危機?將於下篇〈破解!玉米沒告訴你的「基因洗牌」關鍵〉揭曉。

延伸閱讀

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為玉米染色體有什麼好看?專訪細胞遺傳學家王中茹,泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物│中央研究院_96
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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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原來這裡也有數學?病毒的形狀、DNA 的結構都與數學有關!——《生物世界的數學遊戲》
天下文化_96
・2022/10/25 ・2015字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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二十面體與小兒麻痺病毒

菸草嵌紋病毒是螺旋柱狀體,還有一種常見的病毒形狀則是二十面體。有些科學家稱二十面體為「自然界偏好的形狀」,因為這種形狀在病毒上很是普遍,譬如天花病毒、小兒麻痺病毒、疱疹病毒,以及蕪菁黃嵌紋病毒(turnip yellow mosaic virus)。

一九八六年,荷格爾、周瑪麗及菲爾曼三人發現了小兒麻痺病毒的結構。這種病毒是由四種蛋白質單元(每一單元有六十個複本)所組成,排列出來的形狀帶有二十面體所具有的對稱性。要描述小兒麻痺病毒的結構,最簡單的方法是由一個十二面體和一個二十面體的合併來開始討論。組合成的立體看起來像一個每面都有微凹的五面體的十二面體(圖三二)。湯普生若知道這種結構,一定會很喜歡:這比放射蟲的主觀想像繪製圖還要使人信服。

足球的外型為截角二十面體。圖/維基百科

另外,這種結構是基於某種原因、某種病毒結晶學原理而存在的:正如晶格是由大量原子所形成的最小能量結構,近似球形的多面體則是由少量的相同單元所形成的最小能量結構。在規則的正立體當中,二十面體與球最為近似,但是你仍然可以利用五邊多面體和六邊多面體的混合體,來更逼近一個球。現在使用的足球就是一個例子:足球的外形基本上是二十面體,不過卻是截去了每一個角的二十面體。

在這樣一個多面體中,一定有剛好十二個面是五邊形;六邊形的面的數目,則取決於一系列特殊的代數形式,也就是所謂的「幻數」(magic number);大部分的數字都不是幻數。小於三百的幻數為 12、32、42、72、92、122、132、162 、192、212、252 及 272。這些數字在病毒的結構中扮演了特殊角色,正如費布納西數在植物結構中扮演的特殊角色。

(圖三二)小兒麻痺病毒的結構示意圖:把十二個五角錐(b 圖折疊後就是五角錐)黏在一個十二面體(a 圖是把十二個面攤開),做成一個三維的模型(如 c 圖)圖/
《生物世界的數學遊戲》。

事實上,能夠以大致規則的方式幾乎併成球面的同一蛋白質單元的數目,就是幻數。

下面這些證據,顯示病毒知道這種限制。蕪菁黃嵌紋病毒有三十二個單元,而人類多瘤性病毒、BK 病毒及兔子乳頭瘤病毒有七十二個單元。(人類多瘤性病毒與兔子乳頭瘤病毒幾乎相同,只不過互為鏡像。)

REO 病毒有九十二個單元,單純疱疹(由於第一型的感染部位大多為口腔周圍,所以也稱為口唇疱疹)病毒有一百六十二個單元,雞腺病毒有兩百五十二個單元,犬類傳染性肝炎病毒則有三百六十二(這也是幻數)個單元。

還是要靠數學

要證明數學模式對於形成地球生命(我們知道的唯一一種生命)的重要性,再沒有比 DNA 更令人信服的證據。DNA 之所以扮演這種角色,是因為本身的簡單幾何模式——雙螺旋。就某種意義而言,由於關鍵特徵不在螺旋,而是互補的鹼基配對,因此這不只是一種「合乎邏輯」的模式。

DNA 的關鍵特徵是互補的鹼基配對。圖/維基百科

演化在創造地球上的生命時所用的基礎,正是這個並存於觀念與物理定律中的模式,在這層基礎之上,其他的模式也建造了起來,特別是遺傳密碼——這種「準數學」之謎。為什麼是這種特殊的密碼? 基本上,任何密碼都可以,但捷足者先登,哪一種先被建造了,就有可能壓倒群雄,因為生命可以生生不息地繁衍。或許克里克是對的,遺傳密碼是一種「凍結的偶發事件」;或許何諾斯夫婦是對的,遺傳密碼亦來自深藏於物理定律中的深奧模式。

DNA 對於更廣義的生命(不再是這裡所談的生命)所扮演的角色有多重要?假定還有很多其他種類的分子可以複製,也可以把大量資訊編成密碼,那為什麼我們得到的是 DNA,而不是其他分子?

也許 DNA 是在宇宙各處都可運作的唯一一種,也許 DNA 是唯一能夠輕易從原始地球化學混合物質中演化出來的東西,也許 DNA 本身就是一次凍結的偶發事件——第一種脫穎而出的「可複製與編碼」的分子系統,開始時由於還沒有多少競爭,而使自己趁機占據地球,接下來又因為自己已經占據要津,使其他競爭者更加沒機會進行競爭,因而成為主宰者。

我不清楚。但我知道,如果沒有數學,我們就永遠無法探知。

——本文摘自《生物世界的數學遊戲》,2022 年 9 月,天下文化,未經同意請勿轉載。

天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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一切都為了快快長大!斑馬魚的「無合成分裂」,「表面」到你難以察覺
研之有物│中央研究院_96
・2022/10/08 ・5419字 ・閱讀時間約 11 分鐘

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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。

  • 採訪撰文/寒波
  • 責任編輯/簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

不用合成新 DNA 的細胞分裂——無合成分裂

細胞分裂,想來是再簡單不過的事情:一顆細胞先將遺傳物質複製為兩份,再一分為二,分配給兩顆細胞。然而,由中央研究院細胞與個體生物學研究所的陳振輝助研究員領軍,2022 年 4 月發表在《自然》(Nature)的論文,卻報告了過往未知的一種分裂方式:斑馬魚的皮膚細胞,可以直接一變二,再二變四,過程中不用合成新的 DNA!這項未來將改寫教科書的新知識,當初是如何發現、驗證,未來又有什麼衍生方向呢?中研院「研之有物」專訪陳振輝助研究員,請他和我們仔細分享斑馬魚的「表面功夫」。

陳振輝研究團隊發現斑馬魚表皮細胞有「無合成分裂」現象,研究成果於 2022 年 4 月發表在國際頂級期刊《自然》。圖為陳振輝(右)與第一作者陳潔盈(左)合影。圖/研之有物

將顏色植入斑馬魚的每一個細胞

陳振輝實驗室的研究大多著重於「再生生物學」,新研究算是「發育生物學」的領域。不過了解背後細胞行為調控的機制就會知道,這兩個領域其實是共通的。

陳振輝以斑馬魚作為實驗材料,基因改造後讓不同細胞被標記上不同顏色,使得不同細胞的動態行為,能夠被清晰地分辨和追蹤。這個研究方法可以用來探究逆境下複雜組織的再生,也能用來研究正常狀況下動物的發育進程,因為這些過程都涉及大量細胞的動態調控。

陳振輝以斑馬魚作為實驗材料,基因改造後讓不同細胞被標記上不同顏色,使得不同細胞的動態行為,能夠被清晰地分辨和追蹤。圖片這隻為斑馬魚的仔魚,年齡為受精之後第 8 天。(另開圖片可放大檢視)圖/陳潔盈、陳振輝

發育生物學是生物學研究的熱門領域,投入者眾,大部分的研究者都針對部分細胞或特定基因作探討,陳振輝團隊的技術讓他們能同時追蹤單一活體動物整個組織裡所有的細胞。這項技術除了用在皮膚組織(方法名為「palmskin」),陳振輝也用類似的方法探索肌肉、肝臟等各式器官的發育、再生過程。

創造色彩繽紛的細胞,原理其實很簡單,就是利用紅色、藍色、綠色的三原色不同比例的組合。具體作法是透過基因改造,將能製造紅、藍、綠色螢光蛋白質的基因組,植入斑馬魚的細胞,利用遺傳學的工具,讓表皮、肌肉、肝臟等目標組織的每一顆細胞,隨機表現出不同的顏色組合。

舉例來說,其中一個細胞可以表現「3 個紅色螢光蛋白 + 5 個藍色螢光蛋白 + 4 個綠色螢光蛋白」,隔壁細胞可能是「1 紅 + 2 藍 + 6 綠」,鄰近細胞間便能呈現不同顏色,讓長期追蹤所有不同細胞成為可能。

將能夠製造紅、藍、綠色螢光蛋白質的基因組,植入斑馬魚的細胞,利用遺傳學技術,讓表皮、肌肉、肝臟等目標組織的每一顆細胞,隨機表現出不同的顏色組合。圖/研之有物(資料來源/陳振輝

將調色盤植入細胞的原理看似簡單,做起來卻要耗費不少功夫,尋找適合的基因轉殖魚需要半年到一年的時間。陳振輝解釋用斑馬魚當實驗材料的優點:它們容易繁殖,生長的週期不用等太久,體積小,容易操作;更重要的是魚體扁平,容易拍攝大面積、高解析度的細胞影像,進行系統性的量化分析。搭配讓每一顆細胞,從誕生到凋逝都無所遁形的全面「監控」影像平台,才有機會觀察到前人視而不見的細胞分裂方式。

圖片為斑馬魚的仔魚(上圖)和成魚(下圖)的透視圖,仔魚年齡為受精之後第 3~21 天。斑馬魚當實驗材料的優點是:容易繁殖,生長週期不長,體積小,容易操作;更重要的是魚體扁平,容易拍攝大面積、高解析度的細胞影像。圖/研之有物(資料來源/J Clin Invest.

隱藏在「表面之中」的無合成分裂

斑馬魚的皮膚和人類的皮膚基本構造類似。唯一不同是人類的皮膚有角質層覆蓋,斑馬魚皮膚的外層是沒有角質化的活細胞,適合拍照觀察。斑馬魚的另一優點是在顯微鏡下活體觀察時不會傷害到魚體,麻醉後可以直接拍照,再放回水中喚醒;如此才能追蹤同一條魚從出生到長大,身上所有皮膚細胞的動態行為。

研究斑馬魚的學者很多,皮膚發育這回事可謂天天在人們的眼前發生,可是其它人為什麼都視而不見,沒有注意到陳振輝團隊發現的無合成分裂呢?事情其實沒有說起來那麼簡單。

斑馬魚皮膚剖面示意圖,從顯微鏡看到的斑馬魚細胞是最上層的表皮細胞。圖/研之有物(資料來源/陳振輝)

斑馬魚的皮膚分為上中下三層,下層的幹細胞,會分裂產生新的細胞,送到上層成為覆蓋身體最外側的皮膚細胞。其它研究人員如果見到表皮細胞的數目變多,直觀的想法會是下層的幹細胞又送上新的細胞,不會想到是上層既有已分化的細胞可以直接進行分裂。

陳振輝表示,一開始見到表皮細胞的數量增加時,直覺也認為是下層幹細胞產生的新細胞,可是連續追蹤後卻發現不是這麼回事。由於他的技術可以對斑馬魚身上 2,000 到 3,000 顆皮膚細胞進行同時監測,才意外察覺到上層已分化的細胞竟然會不用複製遺傳物質,就直接分裂成兩顆,甚至是四顆細胞!

陳振輝團隊觀察到斑馬魚表皮上層已分化的細胞可以不用複製遺傳物質,直接分裂成兩顆,甚至是四顆細胞。影/陳振輝

顛覆認知:不用合成 DNA 的細胞分裂

外行人聽起來好像沒什麼,上述發現其實開拓了細胞分裂研究的新領域。精子和卵子這類生殖細胞(germline cell),在複製遺傳物質以後會經過 2 次分裂,形成 4 顆細胞,也就是減數分裂(meiosis)。構成身體的體細胞(somatic cell)則會先複製內部的遺傳物質,再分裂 1 次成兩顆細胞,稱為有絲分裂(mitosis)。

還有較少見的狀況,如 DNA 複製後細胞不分裂,變成多套遺傳物質的 1 顆細胞(endoreplication);或是多個細胞融合在一起,成為 1 顆多核細胞(cell-cell fusion,例如骨骼肌細胞)。

然而不管怎麼分裂,過去研究沒有發現不用複製 DNA 就能分裂的細胞!正常細胞分裂的過程有許多監控機制,如果細胞的遺傳物質沒有完整複製,一般情況細胞應該會啟動相關的監控機制,阻止分裂過程的進行。癌症細胞不受控制的分裂,就是相關機制沒有正常運作。

斑馬魚表皮細胞竟然能在沒有複製遺傳物質的情況下,避免細胞凋亡的命運,持續分裂,是一個很特別的例外。

斑馬魚從仔魚到成魚的發育過程中,表皮細胞可以在沒有複製遺傳物質的情況下持續分裂。圖/研之有物

論文投稿到《自然》期刊後,四位同儕審查者一致給予正面評價,但是顛覆認知的新發現仍受到不少質疑,需要陳振輝團隊進行許多額外的實驗來回答。

有沒有觀察失誤的可能?

陳振輝團隊同時標記下層、上層的細胞,證實進行分裂的細胞確實位於上層。為了證明遺傳物質沒有複製,他們進一步測量細胞內 DNA 的量,包覆 DNA 的組蛋白(histone)的量,以及施加阻止 DNA 複製的藥劑。

結果顯示分裂後的細胞,遺傳物質的含量確實有等比下降,分裂過程不受阻止 DNA 複製藥劑的影響。顯然細胞沒有合成新的 DNA 就直接分開,陳振輝稱之為「無合成分裂」(asynthetic fission)。

所以,究竟是怎麼分裂的?

顯微鏡下看來似乎沒有一定的章法,有些表皮細胞會分裂 2 次成 4 顆細胞,有些分裂 1 次成 2 顆細胞,還有些不會分裂,維持 1 顆細胞;也發現有少數細胞可以逆轉分裂過程,形成雙核細胞。

陳振輝團隊現有的研究技術,尚無法辨明胞器的分配,以及每一條染色體的分配模式;團隊預計使用單細胞定序(single cell DNA sequencing),在無合成分裂後,分別定序每一顆細胞分配到的染色體組成,以釐清細胞的遺傳物質是否有特定的拆分方式。

斑馬魚表皮上的無合成分裂(影片箭頭處),還有很多細節尚待研究。陳振輝團隊預計要釐清在無合成分裂之後,細胞的遺傳物質是否有特定的拆分方式。影/陳振輝

一切都是為了節省資源!努力長大的表皮細胞

無合成分裂對斑馬魚有什麼意義呢?斑馬魚由受精卵孵化後,仔魚在前 8 天不用吃東西,成長速度緩慢;第 8 天起開始進食,體型也像吹氣球般迅速膨脹,第 14 天時成長速度達到最快。觀察發現從第 8 天 到 21 天,皮膚細胞會發生無合成分裂,團隊推測此一分裂現象與身體表面積的快速延展息息相關。

斑馬魚的仔魚從受精卵孵化之後的第 8 天到第 21 天,表皮細胞會發生無合成分裂,陳振輝團隊推測此一分裂現象與身體表面積的快速延展息息相關。
圖/研之有物(資料來源/Nature

僅管省略掉複製遺傳物質的階段,細胞進行無合成分裂所花費的時間,卻比一般細胞分裂稍慢,所以其優點並非單純的縮短時間,應該是節省資源。斑馬魚仔魚身體的表面積在特定時間迅速增加,體表需要皮膚細胞的完整覆蓋,團隊發現細胞進行 1 次無合成分裂,表面積能增加 26%,兩次能達到 59%,這些細胞能在斑馬魚體表存活 2 到 3 週的時間。

陳振輝團隊發現,斑馬魚表皮細胞進行 1 次無合成分裂,表面積能增加 26%,兩次則能增加到 59%,這些細胞能在斑馬魚體表存活 2 到 3 週的時間。
圖/研之有物(資料來源/陳振輝)

斑馬魚如何啟動無合成分裂呢?目前仍不太清楚,團隊發現其過程受到表面張力變化的影響。皮膚細胞有感應張力變化的特定離子通道,利用藥物影響這些離子通道的活性,無合成分裂也會受到影響,詳細作用機制仍有待更多的研究。

生活數量的密度也會影響斑馬魚長大

另一項十分有趣的發現是,無合成分裂和仔魚生活的密度有關。斑馬魚從仔魚長到成體,最終的體型都差不多,但是生長過程則有很大的差異,個體成長速度有快有慢。假如將許多仔魚養在一起,處於高密度的生活環境,個別仔魚的生長速度會較慢。

奇妙的是,一旦換到低密度的環境,仔魚的成長速度會瞬間暴增,體表面積快速增加又要維持皮膚細胞的完整覆蓋,會導致更多的無合成分裂。斑馬魚如何感知、在生理上反應周遭環境鄰居密度的變化,是另一個有趣的研究方向。

斑馬魚若處於高密度的生活環境,仔魚的生長速度會較慢。奇妙的是,一旦換到低密度的環境,仔魚的成長速度會瞬間暴增,體表面積快速增加,導致更多的無合成分裂。圖/研之有物(資料來源/陳振輝)

進行無合成分裂的細胞缺乏完整的遺傳物質,還能算是有生命的活細胞嗎?陳振輝提醒我們,多細胞生物的生理機能由各式各樣的細胞一起維持,某些特化的細胞還沒有細胞核。例如紅血球的成熟會經過脫核的過程,完全沒有細胞核的紅血球有重要的生理功能也可以存活超過 100 天。在斑馬魚體表進行無合成分裂的皮膚細胞,或許也有它們短暫卻不可或缺的使命。

有可能其它生物的細胞也會無合成分裂嗎?

無合成分裂目前只在斑馬魚表皮的發育過程中觀察到,其它細胞、其它生物、其它情境下是否也存在呢?事實上陳振輝自己也很好奇。

以人體來舉例,體表的皮膚,口腔內膜、消化道組織,時時刻刻都需要大量的表皮細胞覆蓋,而且耗損甚鉅,有不斷補充的需求。這些必須持續維持完整覆蓋表面的情境,或許無合成分裂也參與在其中。

然而,無合成分裂不容易在活體動物直接觀察。例如小鼠的模式,就算能引進三原色調色盤的細胞標誌技術,也不像斑馬魚仔魚那般透明容易拍照。話說回來,知道某個現象有可能發生,就是發現的第一步。假如其它細胞或是生物也存在無合成分裂,在陳振輝團隊邁出第一步以後,未來一定有人能克服相關的技術門檻來進行研究。

發現斑馬魚表皮細胞的無合成分裂,像是開啟一扇新的大門,可以通往過去想像不到的研究方向。會有醫學應用的可能嗎?像癌症是細胞的不正常分裂,任何細胞分裂機制的基礎研究,應該有機會對癌症的治療有所啟發。陳振輝同意這是潛在的研究方向之一,但是他也強調從基礎研究到醫學應用,是很漫長的一段路,科學家能做的就是一步一步踏實前進。

對沒預期的發現保持警覺,在探索過程中充分滿足自己的好奇心,將支持陳振輝持續前進,挑戰下一個研究課題。

對沒預期的發現保持警覺,在探索過程中充分滿足自己的好奇心,將支持陳振輝持續前進,挑戰下一個研究課題。圖/研之有物
研之有物│中央研究院_96
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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