0

4
1

文字

分享

0
4
1

想研究再生又沒有金剛狼,幸好我們還有斑馬魚!

科技大觀園_96
・2021/07/03 ・2779字 ・閱讀時間約 5 分鐘
手指斷了可以再生嗎?科學家正在從斑馬魚的再生能力尋找解答。圖/fatcat11 繪

我們該怎麼研究金鋼狼的再生能力?一般人的想法或許是:詳細解剖金鋼狼。不過更實際的策略其實是:養很多很多金鋼狼,看看誰的再生能力出現問題,再從他下手!

用斑馬魚研究再生

陳振輝的研究領域是「再生」,作為中央研究院細胞與個體生物學研究所(中研院細生所)的成員,其研究團隊目前有數個有趣的題目正在進行,其中「斑馬魚尾鰭的再生」率先問世。

陳振輝在博士後研究時,研發出標記與追蹤細胞的「Skinbow」技術,登上《Developmental Cell》期刊封面。圖/劉馨香攝

再生為什麼值得研究?和遺傳、發育、生理、免疫等領域相比,人們對再生的認識仍然不多,學術上有許多深入開拓的空間。另外再生研究也有具體的應用價值:人類壽命大幅增長後,癌症、心臟病、老化成為主要的健康問題,增廣再生的知識,有助於對抗老化、退化,增進生活品質。 做研究,材料很重要,這就是選擇斑馬魚的原因。

為了方便實驗進行,多數基礎研究都圍繞在幾種科學社群精心建立的「模式生物」(model organism)上,然而,常用的模式動物,如果蠅、線蟲、小鼠,卻不太有再生能力,不適合用於研究再生;相比之下,斑馬魚擁有十分全面的再生能力,不只鰭與皮肉能再生,甚至遭受脊椎、大腦受損的重傷害,一段時間以後照樣可以再生、恢復正常生活。

斑馬魚房的一角。自己的實驗動物自己養!中研院細生所提供充足的基礎設備支援。圖/劉馨香攝

陳振輝是勇於踏出舒適圈的探險家,他在博士後研究時才轉換跑道,投入美國杜克大學的 Ken Poss 門下,與尚在起步階段的斑馬魚再生領域一同成長。一番歷練以後,他帶著新研發的技術與創意回到台灣,開始大展身手,而尾鰭再生是他完成的第一項研究計畫。

再生是重要的問題,斑馬魚是好用的研究工具,但是尾鰭乍看不太起眼,為何探討尾鰭的再生呢?主因是觀察尾鰭再生的過程相對容易。尾鰭由皮膚、血管、神經等不同種細胞組成,構造夠複雜卻又不會太過複雜,切掉多少面積,再生長回來多少、多快,都可以精確地量化。選擇較為單純的身體外部器官來研究再生反應,有助於釐清調控再生過程的複雜機制。

用正向遺傳學,尋找失去正常再生能力的突變種

從突變的異常樣本著手,比較它和正常個體之間的不同,抓出關鍵的差異,這就是「養很多很多金鋼狼,看看誰的再生能力出現問題,再從他下手!」的道理,又稱作「正向遺傳學」(forward genetics)。

概念說來簡單,但是光是尋找在誘發突變後,表徵可以穩定遺傳的突變品系,就需要耗時兩到三年;順利找到後又要花費同樣久的時間,確定突變點發生的位置,努力加上運氣,一共經過五到六年,才有我們如今在論文中見到的成果。 

採取正向遺傳學的策略,篩選失去正常再生能力、且其表徵可以穩定遺傳的突變品系,最後進一步找到具體的基因。圖/沈佩泠繪,資料來源:寒波

動物身上每一個細胞的基因組都是一樣的,透過調控不同的基因表現,卻能產生各式變化。具備再生能力的動物,細胞中儲存了一套復活的遺傳「記憶」,如同電腦的重開機程式一般,有需求的時候就會啟動。尾鰭再生的過程中有許多基因牽涉其中,重要的基因倘若失去作用,尾鰭會喪失再生能力,了解哪些基因是「再生基因」?這些基因如何影響再生?是陳振輝實驗室努力的方向。 

經由這個研究方法,陳振輝與其研究團隊,發現有個基因 pola2 ,其表現活性竟然可以影響尾鰭再生後的形狀或大小!也就是說,指引尾鰭重建的「再生記憶」其實也可以改變。

超過五億年,指引再生的動物方程式

原本以為按部就班,一成不變的再生過程,人為介入後卻可以改變再生的結果。累積更多這方面的知識後,是不是有反過來應用的機會:讓原本不會再生的組織也能重新生長呢?比方說,手指被夾斷是常見的職業傷害,假如能讓斷掉的手指再生,將是多麼實際的用途! 

當然,離那一天仍然遙遠,不過這類想像卻不是癡人說夢。陳振輝的研究工具不侷限於斑馬魚,為求了解找到的機制是否只是斑馬魚的特例,他與細生所的同事游智凱與蘇怡璇合作,發現另外兩種具有再生能力的動物:文昌魚和水蚯蚓,在「再生記憶」的調控上也具備類似的機制。

人類、斑馬魚、文昌魚、水蚯蚓的親戚關係。這些動物在五億年前有共同祖先。圖/沈佩泠繪,資料來源:寒波

文昌魚、水蚯蚓和斑馬魚,如今是差異很大的動物,演化上的共同祖先能追溯到超過五億年前;然而,它們依舊保有類似的機制維持再生記憶,表示這是一套非常遠古的調控之道。而人類也身為可再生動物的後裔,儘管早已喪失大部分的再生能力,或許仍存在一絲潛力,只待我們找到激活的辦法。

跨領域合作,挑戰再生經典難題

上述研究聽起來很有趣嗎?其實這只是陳振輝實驗室許多研究主題之一,再生研究的領域還有許多基礎問題等待回答。

應用「Skinbow」技術所產生的斑馬魚。利用此技術,準確掌握細胞行蹤,有機會繪製完整的「再生藍圖」。圖/陳振輝提供

陳振輝利用博士後研究時研發的「Skinbow」技術,精確標記細胞,追蹤再生時詳細的變化過程,是進一步探討不同題材的基礎。此外,中研院也有多元的人才庫,有需求時能發出穿雲箭,尋訪其他領域的專家合作。 

例如再生過程中有一個普遍的現象:「受傷愈重,再生愈快」。像是蠑螈有再生能力,切掉一隻手或一支手指都會再生,可是失去兩者後傷勢不同,長回來的時間卻是一樣。此一至今仍然無解的有趣現象,在陳振輝與中研院物理所、化學所的同儕一同努力之下,似乎已經見到曙光,而且真相令人非常驚喜。至於詳情如何,目前先賣關子,還請各位讀者耐心等待。 

成為世界上第一個知道這件事的人,這就是做研究最大的樂趣啊!

參考資料

  1. Chen, C. H., Puliafito, A., Cox, B. D., Primo, L., Fang, Y., Di Talia, S., & Poss, K. D. (2016). Multicolor cell barcoding technology for long-term surveillance of epithelial regeneration in zebrafish. Developmental cell, 36(6), 668-680.
  2. Wang, Y. T., Tseng, T. L., Kuo, Y. C., Yu, J. K., Su, Y. H., Poss, K. D., & Chen, C. H. (2019). Genetic Reprogramming of Positional Memory in a Regenerating Appendage. Current Biology, 29(24), 4193-4207.e4. 

數感宇宙探索課程,現正募資中!

文章難易度
科技大觀園_96
82 篇文章 ・ 1089 位粉絲
為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。


2

4
1

文字

分享

2
4
1

我們的失眠和喜鵲的失眠有什麼地方不一樣?

胡中行_96
・2022/05/12 ・2031字 ・閱讀時間約 4 分鐘

輾轉反側,徹夜難眠的時候,您幾點起床?就算醒了,工作效率是否異常低落?
在此,請您非但別只想到自己,還要拿出一點同理心:因為被剝奪睡眠的澳洲喜鵲,也深受困擾。

徹夜難眠很可能會影響工作效率。圖/Pixabay

捉野生喜鵲來做失眠相關的實驗

2022 年 4 月的《科學報告》期刊,有一篇標題冗長的論文,叫做〈失眠削弱澳洲喜鵲的認知表現並改變其歌曲產出〉[1]。其第一作者澳洲 La Trobe 大學博士候選人 Robin Johnsson,認為歌唱的時辰與類型,對於喜鵲的社交生活相當重要,並以此做為研究主題[2]。且不論在 COVID-19 疫情之前,有些人就已經沒什麼社交生活,更不要談呼朋引伴一起歡唱 KTV,人家喜鵲可是隨時都過得多采多姿。

喜鵲齊聲合唱。影/Youtube

於是,牠們就被科學家抓去做實驗了。

首先,研究團隊架設陷阱,用起士誘捕野生喜鵲。為牠們戴上標有序號的腳環之後,再關進裝有監視器的房間裡。接著,為了測量腦電波圖(electroencephalogram, EEG)與肌肉電位圖(electromyogram, EMG),科學家把無辜的喜鵲抓來開刀。於其腦部表面和頸部肌肉,植入電極貼片(electrodes),方便之後記錄睡眠狀態[1]

然後,喜鵲們就去接受特訓。

反覆訓練後篩選符合資格的喜鵲來做失眠實驗

研究團隊準備了一種木製食器,左右各挖一個淺槽。其中一個槽裡,盛裝少量起士和麵包蟲。第一次食物直接攤在眼前,不加以掩飾;第二次猶抱琵琶半遮面;第三次開始蓋子完全擋住凹槽,令喜鵲啥也看不見。在訓練的初期,全部的食器都採用灰色蓋子。直到最後的「聯想學習」(associative learning),蓋子被換成黑色或白色。喜鵲掀開特定顏色的蓋子,發現下面藏有食物。這樣重複 15 次,讓牠們不把「食」、「色」的關係兜在一起也難[1]

認知測試的教具,澳洲喜鵲執行聯想或逆向學習任務。圖/參考資料 1

結訓後,研究團隊把食器裡的獎勵換成「不會動的麵包蟲冷盤」(chilled, unmoving mealworms),為喜鵲舉辦驗收成果的模擬考。除了執行「聯想學習」的覓食活動,科學家也期望牠們展現「反轉學習」(reversal learning)的能力。將蓋子的顏色調換,要喜鵲嘗試選出有食物的凹槽。這個階段有一些評分要點[1],例如:

  1. 喜鵲做出第一次選擇時,是否有延遲的行為。緩慢的反應,代表注意力不集中,或動機下降。
  2. 喜鵲得經過幾回,才能達到連續 12 次嘗試中,有 10 次正確的及格分數。
  3. 喜鵲選擇正確瓶蓋的比率。

凡是順利通過模擬考的喜鵲們,便能晉升至下一關。

在實驗的主要階段,喜鵲們被劃為三組,分別體驗下列三種睡眠模式之一:無干擾睡眠、6 小時睡眠剝奪,以及 12 小時睡眠剝奪。研究人員防止喜鵲睡著的花招,包括:迫近或拍打鳥舍、發出噪音,或是輕撫充滿睡意的喜鵲[1]。如同可憐的臺灣中學生,明明前晚都沒睡飽,隔天還得參加考試。研究人員存心要看失眠的喜鵲,怎麼失常。

人類跟喜鵲一樣會被睡眠影響行為

正式測驗的結果不出所料,沒睡飽的喜鵲容易犯錯,而且要花較長的時間,才能選出正確答案。有些喜鵲甚至失去參與測驗的動機,傾向找機會補眠。其實以前的研究便顯示,失眠也會降低人類的認知表現。諸如參與動機、清醒程度(alertness)、注意力、警戒等級(vigilance)等,都會受到負面影響[1]

除了喜鵲考試的成績,科學家也記錄了牠們社交行為的變化。失眠的喜鵲寧可睡覺,也不要唱歌。最後就算唱了,單曲的長度卻意外地延展。原本的晨曲改在中午演出,頻寬變得狹窄,內容相較貧乏,顫音也明顯減少。這與人類的口語溝通,大同小異。當一個人睡眠不足,說話的速度會緩慢下來,咬字不如平常清晰,語句重覆的機率提高,甚至可能妨礙聽眾理解講者所要傳達的訊息[1]

澳洲喜鵲有複雜的家族。牠們用歌聲來劃定疆域,分辨敵友,並建立「鳥」際關係。失眠不僅會害喜鵲把歌唱得七零八落,也會進一步危及其社交生活。既然以往的人類睡眠實驗結果,與喜鵲有那麼多的相似處,下次在抱怨疫情害自己沒朋友之前,我們是不是應該先睡飽,再來思考怎麼社交呢?

睡飽再來社交比較不會被睏意影響思考。圖/Pexels

備註:此實驗結束後,參與受試的澳洲喜鵲,均在 2019 年 7 月被野放。

參考資料:

  1. Sleep loss impairs cognitive performance and alters song output in Australian magpies (Scientific Reports, 2022)
  2. Researchers find what magpies lose from hitting snooze (Brisbane Times, 2022)


數感宇宙探索課程,現正募資中!

所有討論 2
胡中行_96
9 篇文章 ・ 7 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。臉書:荒誕遊牧。