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「解凍」新突破! 發現可望用於評估與治療漸凍症的微型核糖核酸

PanSci_96
・2019/06/17 ・1818字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 587 ・九年級
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  • 抵抗漸凍症50年的霍金於2018年病逝。圖/wikipedia

還記得 2014 年盛行的「水桶挑戰」嗎?這項主要是為美國肌萎縮性脊髓側索硬化症協會募款而發起的活動,引起不少人的對漸凍症(ALS)的注意。

中央研究院分子生物研究所陳俊安副研究員與研究團隊發現,一組微型核糖核酸(microRNA),稱之為 mir-17~921,在四肢運動神經元的表現量特別高,卻在漸凍症小鼠發病前顯著減少。

此為全球首次發現 mir-17~92具有作為預測漸凍症發病的生物標記,可改善漸凍症小鼠病徵,此實驗結果已申請專利,有助於未來以基因治療漸凍症標靶藥物的研發。研究成果已於108年5月30日刊登於國際期刊《細胞:幹細胞》(Cell:Stem Cell)。

漸凍症的症狀

罕見疾病「漸凍症」(學名為肌萎縮性脊髓側索硬化症)至今還有許多未解之謎,除了約一成病患為家族遺傳,有九成患者的致病原因仍然不明。

漸凍症是一種運動神經元退化導致的疾病,從控制四肢的運動神經元開始發病。患者初期因為感到手腳無力而就醫,但此時體內的運動神經元已開始出問題並迅速退化,短期內便無法行走或靈活使用雙手,最後只能漸漸躺臥在輪椅中,大多死於呼吸衰竭。

mir-17~92 和 PTEN2:影響運動神經元退化的關鍵

以漸凍症小鼠研究mir-17~92與漸凍症關係。圖/pixabay

本次發現的漸凍症致病機轉,奠基於陳俊安先前的基礎研究成果,他發現小鼠胚胎裡的 mir-17~92大量表現於中樞神經系統裡控制四肢肌肉的運動神經元。

由於 PTEN蛋白質累積在運動神經元細胞核,導致細胞退化死亡;mir-17~92可抑制PTEN蛋白質的表現量,阻擋蛋白質進入細胞核中,進而保護運動神經元存活,阻止控制四肢的運動神經細胞凋零。

陳俊安研究團隊透過實驗發現,當小鼠胚胎的運動神經元失去 mir-17~92時,因無法抑制 PTEN的表現量,導致 PTEN增高並進入細胞核裡,造成控制四肢肌肉的運動神經元死亡。

本篇研究為驗證 mir-17~92是否也在漸凍症的運動神經元退化上扮演關鍵角色,採用多種生物模式系統做病理驗證,包括小雞胚胎、 SOD1G93A 3漸凍症小鼠以及其幹細胞分化之運動神經元、漸凍症患者的誘導性多功能幹細胞所衍生之運動神經元(iPSC~MNs4)等,觀察 mir-17~92的作用與表現後,均得到一致的結果。

mir-17~92可望應用於「漸凍症」的預測與治療

漸凍症小鼠和漸凍症患者的運動神經元因PTEN蛋白累積而死亡,透過提高mir-17~92表現可以延長小鼠壽命。圖/中研院提供

陳俊安解釋,原本應該大量表現於四肢運動神經元的 mir-17~92,在漸凍症小鼠發病(四肢運動神經元死亡)前會顯著減少,導致PTEN逐漸累積在細胞核中,最後細胞退化死亡。

令人振奮的是,研究團隊將 SOD1G93A漸凍症小鼠體內的 mir-17~92表現量提高,發現可以延緩小鼠癱瘓的時間,顯著增進其運動能力,小鼠壽命也平均延長14%。

由於目前漸凍症患者發病後平均壽命僅二至五年,若將 mir-17~92的基因治療應用於人體上,可望為漸凍症治療帶來一道曙光。本研究發現 mir-17~92與漸凍症發病的關聯性,也為「解凍」漸凍症的致病機制往前推進了一步。

註解:

  1. RNA 有兩種:一種是負責製造蛋白質的 mRNA(messenger RNA),另一種是ncRNA(non-coding RNA),不負責製造蛋白質。mir-17~92是一種小分子的 ncRNA,亦即 microRNA,幫忙「踩剎車」,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。本研究發現的mir-17~92,其一作用為抑制PTEN 蛋白質、與控制PTEN進核蛋白質的量。
  2. PTEN 是一個有生長抑制作用的抑癌基因,可促進癌細胞的死亡;本文則研究PTEN 對於神經細胞的影響。
  3. 此為SOD1基因缺陷漸凍鼠,已知有許多基因突變會造成漸凍症,SOD1是最早被發現,研究最為透徹的一員。
  4. 一般人的體細胞已定型,不像受精卵或胚胎幹細胞具有分化出各式細胞種類的能力。誘導性多功能幹細胞(iPSC),是利用導入特定轉錄因子,將體細胞轉變成類似胚胎幹細胞的多功能幹細胞。運用這個方法,可以直接將患者的血球細胞,變成iPSC,再分化成運動神經元(iPS~MN),讓科學家不需要侵入性地將患者神經元取出來做研究。
  • 本文改寫自中研院新聞稿,原標題為〈「解凍」新突破! 微型核糖核酸可評估「漸凍症」發病風險有潛力作為新治療藥物〉
  • 此研究由中研院、國衛院以及科技部支持。共同第一作者為本院分生所董盈岑博士和彭冠智;通訊作者為中研院分生所董盈岑博士和陳俊安副研究員。研究團隊成員包含:陳彥中醫師、張綿、顏雅萍博士和瑞典卡羅琳大學醫院的Sebastian Thams博士。
  • 論文:Tung, Y. T., Peng, K. C., Chen, Y. C., Yen, Y. P., Chang, M., Thams, S., & Chen, J. A. (2019). Mir-17∼ 92 Confers Motor Neuron Subtype Differential Resistance to ALS-Associated Degeneration. Cell stem cell.
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全球暖化,深海海水也會跟著酸化?
活躍星系核_96
・2018/01/13 ・1680字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 560 ・八年級
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  • 中山大學發表以日本海為核心的研究成果。圖/By Chris 73@Wiki

國立中山大學海洋科學系講座教授陳鎮東主導台日合作團隊,發表全球變遷研究「全球暖化將加快深海海水酸化」(Deep oceans may acidify faster than anticipated due to global warming ),登上國際頂尖期刊《自然氣候變遷》(Nature Climate Change)。

本研究以日本海為例,證明暖化可能會加快深海海水酸化。

燃燒化石燃料放出的二氧化碳(CO2,又稱人為CO2)不只是造成全球暖化的溫室氣體,CO2 同時也是種酸性氣體,越來越多 CO2 溶到海水裡,就會造成海水酸化,衝擊著海洋生態的永續發展。

日本海研究,揭發全球暖化造成深海海水酸化

研究團隊成員、國家實驗研究院台灣海洋科技研究中心助理研究員雷漢杰解釋,以往在大洋觀察到的現象是,表水酸得最快,酸化速度則隨深度增加而減少,在 1000 多米深以下的海水,就已看不出有明顯酸化;但是在日本海,卻有不一樣的情況。

研究團隊重建過去幾十年日本海的海水酸鹼值(pH值),發現日本海 2500 米深的海水,酸化速度竟比表水的快了將近三成,而造成日本海深水酸化的元兇,不是人為排放的 CO2,而是有機質分解釋放出的 CO2

暖化會造成表層海水密度下降而沉不下去更深的地方,海水的上下對流就因此變慢或停下來,但從表水掉到深海的有機質仍舊被微生物分解而放出 CO2,就像食物放久了會「臭酸」一樣,海水的滯留時間越長,就會累積越多的 CO2 而變得越酸。日本海就像是一個迷你型的海洋,因為體形小,所以對氣候改變的反應較大洋快。

「過去幾十年裡在日本海看到的變化,未來很有可能會發生在整個大洋裡。」

──陳鎮東教授提醒

本研究使用的日本海紀錄站位置。圖/Chen et al, 2017

海洋酸化將衝擊生態與漁業發展

從目前的研究結果可見,未來海水酸化將衝擊到海洋生態以及漁業發展。 根據最新研究發現,在比較酸的海水中成長的仔魚,有些魚種的聽力會出現相當程度的受損,難以聽到獵食者靠近的聲音,大大降低其生存機會。

「科學家把蛤蜊養在不同酸度的海水裡,發現在越酸的海水裡,蛤蜊長得越小隻,貝殼構造也越不結實、健全。」陳鎮東講座教授進一步指出海水酸化對生物造成的嚴重影響,他表示,碳酸鈣是構成許多海洋生物殼體或骨骼的主要材質,例如珊瑚的骨格、貝類的殼等等;但碳酸鈣怕酸,海水一旦變酸,這些生物就會長得不好。

碳酸鈣是許多生物殼體或骨骼的主要材質,海水一旦變酸對他們的生長就會有不好的影響。圖/MrGajowy3@pixabay

雷漢杰強調,本研究歷時三年多,重建過去幾十年日本海不同深度海水的碳化學參數,實屬不易。過程中,陳鎮東講座教授更多次親赴日本相關單位,了解過去在日本海收集的數據的品保與品管(QA/QC)。陳鎮東教授過去發表關於日本海的論文,是重建過程的一大關鍵;而日本氣象廳近幾年分析的碳化學數據,以及陳鎮東教授與龔國慶教授 1992 年在日本海收集的數據,成為驗證重建結果好壞的重要指標。

本研究兩位作者,陳鎮東講座教授(左)與雷漢杰研究員(右)圖/國立中山大學提供。
  • 本研究論文的共同作者還包括陳鎮東講座教授的碩士畢業生謝佳翰、日本國際封閉式沿海環境管理中心(International Environmental Management of Enclosed Coastal Seas Center)的 Tetsuo Yanagi 教授、日本氣象廳氣象研究所的 Naohiro Kosugi 與 Masao Ishii 研究員,以及國立海洋大學的終身特聘教授龔國慶老師。
  • 本文編修自國立中山大學新聞稿「暖化加快深海酸化 中山大學跨國研究登頂尖期刊」

參考資料:

 

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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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福衛五號影像經溫度調控、回溯修正後,解析度已有大幅改善
PanSci_96
・2017/11/28 ・998字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 587 ・九年級
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  • 20170919 南投,圖/國研院提供。

福爾摩沙衛星五號於今年 8 月 25 日發射,台灣時間 9 月 8 日(美西時間 9 月 7 日)光學遙測酬載開始進行取像後,發現影像略有模糊及光斑現象產生,研判可能是遙測取像儀焦距偏移所造成。

國家實驗研究院旋即成立由 9 位專家學者組成的遙測取像專案小組,以確認焦距偏移原因並進一步提升影像品質。在專案小組多次工作會議的建議指導下,太空中心團隊運用取像儀的溫度調控機制及「回溯修正」(deconvolution)的失焦影像還原技術,大幅改善福衛五號影像品質,目前已可達黑白 3 米、彩色 5 米之解析度。國研院太空中心將在專案小組協助下,朝原訂目標黑白 2 米、彩色 4 米之解析度繼續努力。

美國加州修正前,圖/國研院提供。
美國加州修正後,圖/國研院提供。

所謂溫度調控是改變衛星內部溫度,以利用熱漲冷縮之原理改變遙測取像儀之焦距。經過反覆測試與分析,最後發現調整部分區域溫度,將固定主鏡的結構體升至 35℃,次鏡支撐環升至 30℃,可將光斑直徑縮小約 15%。而「回溯修正」則是以數值方法找出代表福衛五號影像光斑之點擴散函數(Point Spread Function, PSF),再對該影像進行回溯修正(deconvolution)運算,將失真的影像還原。

截至目前為止,福衛五號已成功取像累積超過 1000 組黑白/彩色影像,經過前述兩種方式處理過之影像,解析度可達黑白 3 米、彩色 5 米。目前相關調校工作仍持續進行中,專案小組也建議其他改善影像方式,期能再提升影像解析度。

20171001台北,圖/國研院提供。

此外,太空中心曾研議藉由改變衛星軌道高度以調整遙測取像儀焦距之方案,然而經由模擬結果,專案小組研判此方式對影像品質幫助不大,不建議太空中心執行。

在調校與改善衛星影像期間,國研院太空中心也已將福衛五號影像除光斑程序由初期的人工處理,改進為自動化處理,以加速影像處理速度,目前影像處理作業時間約會額外增加兩小時。待所有影像處理程序與方法確認後,太空中心將增加配置 GPU 電腦,預計未來將只需增加約一小時的處理時間,即可及時提供客戶影像產品及支援災害防救等任務。

至於遙測取像儀之所以產生焦距偏移現象,太空中心人員經由不同溫度的衛星影像分析研判,取像儀焦點向後偏移(即 CMOS 感測器位置較實際成像面近)約 1 毫米。至於發生此現象之可能原因,目前正進行實驗確認中。

  • 本篇修改自國研院新聞稿。
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奈米「小眼睛」看得更清楚,輕薄如紙的「超穎透鏡」超微光學元件新契機
PanSci_96
・2017/08/26 ・1386字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 581 ・九年級
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  • 圖為基於集成共振單元之消色差超穎透鏡,由於色散已被完整消除,因此焦距不會隨著入射光波長的變化而改變。圖片來源:中研院

智慧型手機、眼鏡、顯微鏡必備的透鏡,受限於材料的折射率無法做到極微小的尺寸。而超穎介面(Metasurfaces)的光學設計結構雖然可以做到極小,過去一直面臨會由於色散產生色差等問題,未來的奈米光學要如何做到更小、更精準的光學元件呢?

中央研究院應用科學中心主任蔡定平特聘研究員,與臺灣大學電機系管傑雄教授及南京大學等研究團隊共同合作,利用自創的革命性新觀念—「集成共振單元」,研發出寬頻消色差的「超穎透鏡」(Achromatic Meta-lens),成為國際上奈米光學領域近期最重要的發展之一,對未來研發輕、薄、微小、精、準的平面型光學元件有極大的幫助。本論文已於 8 月 4 日發表於《自然通訊》(Nature Communications)。 超穎透鏡的發明也已獲得美國與臺灣專利。

一般透鏡有色散的性質,焦距會隨著入射光波長的改變而變化,且整體尺寸略顯厚重。圖片來源:中研院

透鏡在日常生活中是一種被廣泛應用的光學元件,例如智慧型手機、眼鏡、顯微鏡等,但受限於自然界中光學材料的折射率,使得光學裝置的體積普遍都相當大。超穎介面(Metasurfaces)是一種通過於次波長尺度下操控電磁波特性如相位、振幅與偏振等的光學設計結構,因此對於光電元件微型化的發展有著極大的助益。目前研究學者已成功利用超穎介面展示了平面超穎透鏡(Flat meta-lens),並證明超穎透鏡的成像能力更優於目前市場上廣泛使用之物鏡。然而,這些設計方法對於實際應用層面仍面臨了幾個重要的問題,色散所產生的色差便是其中之一。

如何在寬頻帶內消除色差是一項極大的挑戰,對於連續波段消色差的結果,日前最好的研究成果僅有 140nm(近紅外波段,相較於中心波長約 9.2% 頻寬,Optica 4, 625-632, 2017)以及 60nm(可見光波段,相較於中心波長約11%頻寬,Nano Letters 17, 1819, 2017)。如何擁有一個完整的物理設計原理以達到極寬頻且消色差之超穎透鏡,對所有需要使用精準平面超微型光學元件的裝置來說便是十分重要的關鍵基石。

本次橫跨中研院、臺灣大學與南京大學的合作研究團隊,使用自創之革命性新觀念:「集成共振單位」,並結合幾何相位(Geometric phase)的概念,透過電腦精算設計出超穎表面結構,製作出寬頻、消色差的超穎透鏡。值得一提的是,此超穎透鏡的消色差行為在近紅外波段達到了 480 nm 的頻寬,相較於中心波長約 33.3% 頻寬,是目前為止最廣的工作頻寬。

平面超微型寬頻消色差超穎透鏡之光學照片和電子顯微鏡照片。圖片來源:中研院

蔡定平主任表示,「過去透鏡需要運用像是透鏡曲度等方式來控制光,往往需要將二至四個透鏡相疊後才能達到理想的效果,而超穎透鏡即是運用奈米科技就能精準的控制光,讓透鏡能變成非常小的平面,應用上可望讓透鏡如紙片一樣薄,也能有效解決一般透鏡出現色差的問題!」。

寬頻消色差的超穎透鏡的製程與半導體元件之製程相同,未來可望能大量低成本地生產出既小又平的各種超穎透鏡。

「這項新突破可為光學鏡頭帶來革命性發展,未來預計能夠在手機鏡頭、一般監視器鏡頭、或行車記錄器上,只要一片微小的超穎透鏡即可達成任務,會比目前的鏡頭更小更便宜、畫質更清楚,運用的範圍也更廣泛!」蔡主任表示。

本研究由科技部學術攻頂計畫支持。

 參考文獻

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