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小小RNA立大功 – mir17~92 扮演維持運動神經元之存活關鍵

活躍星系核_96
・2015/06/03 ・2211字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 602 ・九年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

作者:董盈岑 陳俊安

前陣子火紅的冰桶挑戰募款活動,應該讓大家對於「漸凍人」(Amyotrophic lateral sclerosis, 肌萎縮性脊髓側索硬化症)並不陌生。這個好發於成年人的運動神經元退化疾病,病人體內特定的運動神經元會逐漸退化凋亡,特別是控制四肢活動的運動神經元會最先受損。

但是因為其制病機制仍然不明,目前除了支持性療法外,尚無有效的治癒或延緩方法。最近,由中研院分生所陳俊安老師的研究團隊發表的論文提出一群稱為mir17~92 的微型核糖核酸(microRNA,miRNA),在運動神經元發育與退化時扮演重要角色。這項研究成果登上 2015年5月26日「細胞報告」(Cell Reports)國際專業期刊,並榮登為當期封面 [1 ]。此項結果將來亦可進一步應用在解開「漸凍人」以及相關運動神經元退化疾病之未知機制。

celrep_11_8_3c陳俊安老師的研究團隊進一步解釋,近年來的研究顯示,miRNA在神經發育的過程中,會扮演微調修飾後基因轉錄的角色。miRNA是由21~23的核苷酸分子所組成的短片段RNA,屬於非編碼RNA(non-coding RNA,ncRNA)的一種。

人類完整轉錄體(transcriptome)裡至少含有超過一半以上的ncRNAs,他們不像大家熟知的信使RNA(mRNA)會被轉錄成有功能性的蛋白質,而是直接以RNA的形式去執行其任務。miRNA的作用機制,是藉由辨認與其序列相對應的標靶mRNA,並與之結合,進而抑制標靶mRNA轉錄成蛋白質。目前在人類已發現700 種以上的miRNA,而一種miRNA會有數十種以上的標靶mRNA,因此對基因調控的影響甚巨。然而 miRNA在胚胎神經系統發育的角色,仍處於混沌不明的狀況。

slider image_ES MN

在兩年前,陳俊安老師的研究就發現當小鼠失去產生miRNA酵素Dicer時,控制四肢的運動神經元在發育時期就會大量死亡。為了找出關鍵的miRNA,陳俊安老師與實驗室成員將發育中小鼠的運動神經元分離出來,以次世代RNA定序法與雜交染色法進行miRNA表現的分析,發現這群miRNA在控制四肢的運動神經元中表現量特別高;當他們進一步以遺傳學方法剔除小鼠的mir17~92現時,控制四肢的運動神經元便會大量死亡 [2 ]。也就是說mir17~92表現量的多寡,對於這群特定運動神經元的生存十分重要。但是為什麼mir17~92能特異性維持這些運動神經元的生存呢?

研究團隊進一步比較正常與失去mir17~92的小鼠運動神經元,發現mir17~92的標靶mRNA–PTEN可能會影響四肢運動神經元的生存。PTEN其實早已在癌症病理學中頗負盛名,因為它的存在可促進癌細胞的死亡; 而近年來的研究更發現,如果讓PTEN跑進癌細胞的細胞核中,則更加速癌細胞的凋亡。但是PTEN 對於神經細胞的影響,目前並不像癌細胞領域有清楚定論 [3 ]。

研究團隊利用幹細胞所衍生的運動神經元與動物實驗同步證實,在控制四肢的運動神經元中,高量的mir17~92會抑制PTEN蛋白質表現的數量,並同時影響其他酵素表現,而阻止PTEN進入細胞核中。如此PTEN不能啟動細胞凋零機制,這些神經細胞就可以快樂地活下去。此外,他們也用小鼠模式驗證,若在運動神經元失去mir17~92時,把PTEN降低回正常的的表現量,那些理應退化的運動神經元便可以活下來。這些證據更加支持mir17~92與PTEN 的調節作用,是影響四肢運動神經元生死存亡的關鍵。

這個複雜的調控機制,其實是神經在發育時為了建立適當網路聯繫所採取的策略。為了確保運動神經元產生之後,能夠正確延伸並聯結到遠端肌肉(特別是遙遠的四肢),過量的運動神經元會先被製造出來。而後這些運動神經細胞經由先天與後天篩選,讓本身具高mir17~92 表現量的運動神經元存活下來後,如此便可往標的肌肉延伸過去;讓最先靠近肌肉的運動神經元接收到肌肉所分泌的生長因子,進而建立強韌之連結。

陳老師研究團隊進一步推測,既然mir17~92和PTEN對於控制四肢運動神經元的存活很重要,是否在漸凍人疾病中,控制四肢的運動神經元因為失去mir17~92的保護而開始退化 。因此他們將來的後續研究,便想進一步探討在「漸凍人」的模式老鼠發病前,運動神經元中的mir17~92是否減少,同時伴隨PTEN在細胞核內累積,造成這些運動神經元的死亡。由於最近有個已進入臨床第三階段試驗的新治療法,將修飾過的小RNA分子打入中樞神經系統中,來延緩另一個神經肌肉疾病–脊髓性肌肉萎縮症(SMA)的發病,頗具療效。未來或許也可將mir17~92的類似物,以同樣方式使其進入運動神經元中,提升其保護作用,延長運動神經元與漸凍人或脊髓性肌肉萎縮症病人的存活。

這些推論仍需許多實驗去透徹驗證,但這篇有趣的論文除了讓我們對神經發育機制有更進一步的了解,也提供了漸凍人制病機制另一層面的探討。這也顯示基礎研究的重要性,或許一開始只是對於生理現象的好奇,但其成果上的突破,亦能幫助臨床疾病應用的發展。

研究團隊成員包括兩位共同第一作者中研院分生所董盈岑博士與助理呂雅琳、學生彭冠智與顏雅萍、助理張綿以及交通大學洪瑞鴻助理教授。最後值得一提的是,陳俊安老師的母親- 蘇美玉女士,以其獨樹一幟的新嶺南派畫風描繪以小鼠為模式動物,研究運動神經元之發育與退化。陳老師母子聯手創作巧妙融合中華藝術之美于現代科學之中,讓這項研究榮登「細胞報告」(Cell Reports) 當期封面,成為杏壇佳話。

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參考文獻:

  1. Tung et al., Mir-1792 Governs Motor Neuron Subtype Survival by Mediating Nuclear PTEN, Cell Reports (2015)
  1. A. Chen, H. Wichterle, Apoptosis of limb innervating motor neurons and erosion of motor pool identity upon lineage specific dicer inactivation. Frontiers in neuroscience 6, 69 (2012)10.3389/fnins.2012.00069).
  2. S. Song, L. Salmena, P. P. Pandolfi, The functions and regulation of the PTEN tumour suppressor. Nature reviews. Molecular cell biology 13, 283-296 (2012); published online EpubMay (10.1038/nrm3330).

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活躍星系核_96
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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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為什麼被嚇到會整個僵住?果蠅研究發現是血清素幫了大忙
旻諭_96
・2020/01/11 ・1836字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 479 ・五年級

想像一下你跟爸媽坐在客廳沙發上,突然,一個閃電雷劈秒停電!這時候,你和你爸媽一定會有一樣的反應:整個人嚇傻在原地不動,然後才慢慢移動去找手電筒在哪裡。

當我們受到驚嚇的時候,為什麼會整個人暫時僵住、動彈不得?哥倫比亞大學祖克曼心智、腦與行為研究中心的理查·曼 (Richard Mann) 博士會說:「這可跟血清素脫離不了關係!(*´∀`)~♥」

血清素本人在此。圖/giphy

設計突發的環境刺激:突然關燈、突然地震

一般來說,我們比較常聽到大腦中的血清素濃度跟「調節心情和認知功能」有關:大腦中的血清素濃度低,跟憂鬱情緒、記憶力衰退有所關聯。不過今天我們不是要討論「大腦」中的血清素濃度,過去研究就有指出,由「運動神經元」釋放的血清素會影響果蠅和脊椎動物的運動速度。

理查的研究團隊為了要更了解血清素如何影響動物的運動速度,做了一系列的實驗。研究團隊分別把果蠅分成兩組,分別是「關燈組」與「地震組」,讓果蠅經驗到「突然的黑暗」和「地震來了!」的環境刺激。

「地震組」與「關燈組」,讓果蠅經驗到「地震來了!」和「突然的黑暗」的環境刺激。圖/參考資料 1

至於要怎麼製造「果蠅等級」的地震?理查團隊找來了同為哥倫比亞大學祖克曼研究中心的 Tanya Tabachnik 團隊設計、組裝客製化的儀器。他們創造一個非常微小、果蠅 size 的小空間,這個小空間下面裝著特製震動馬達。如此一來,就能夠調整馬達的力道來製造想要的地震規模。

接下來,研究團隊用 FlyWalker 這個由該團隊實驗室開發的 app 來追蹤果蠅的腳步,藉此監控果蠅的移動速度。於此同時,研究團隊也操縱果蠅在腹側神經索 (ventral nerve cord) 負責釋放血清素的神經元的活性。

果蠅的腹側神經索,可以類比到脊椎動物的脊髓。

因為血清素,嚇到就僵住

研究團隊發現,當果蠅經驗到意料之外的環境改變,神經系統會快速釋放血清素,讓身體暫時不動,來應對可能的威脅,並在上個月底發表在《當代生物學》(Current Biology) 期刊。這種「僵住」的行為在很多動物身上都可以看到:從果蠅,到魚,到人類都會。

研究團隊通訊作者理查·曼博士表示:「我們發現當果蠅遇到突發的環境改變而僵住的時候,血清素的功能就像緊急煞車一樣。這是因為血清素的釋放會導致動物兩腿關節變僵硬,進而使動物動彈不得。」

另外,研究團隊也發現,當研究人員激發會釋放血清素的神經元,會讓果蠅的移動速度慢下來;靜默相同的神經元會讓果蠅的移動速度變快。

當會釋放血清素的神經元被激發,血清素濃度升高,會讓果蠅的移動速度慢下來;反之則果蠅移動速度變快。圖/參考資料 1

在僵住之後?其實是為了下一步好好做準備

本文看到這裡,相信你會有跟我一樣的疑問,就是為什麼我們動物要有這樣的機制?嚇到會僵住有什麼好處嗎?

研究的第一作者克萊爾·霍華德說:「我們覺得這是很重要的,這可以讓果蠅蒐集更多跟環境改變有關的訊息,然後決定下一步該怎麼做。」

有趣的是,儘管「突然的黑暗」和「地震來了!」都會讓果蠅嚇到僵住,但在僵住之後的運動速度卻有顯著的差異。克萊爾補充說:「受到突然黑暗的驚嚇之後,果蠅的移動速度變慢且謹慎;不過地震會讓果蠅在僵住之後反而移動得更快!」

細細思考一下,果蠅有這樣的反應差異也算合理:坐在客廳沙發上你和爸媽,在秒停電的傻住之時,也會因為看不到身旁的環境而緩慢移動。

雖然說這項研究成果可能還不能延伸解釋到人類身上,但或許將來有一天,遇到地震的你,除了逃命跟發地震文之外,還可以想起這篇研究!ʕ•̀ω•́ʔ✧

「僵住」的這段時間可以蒐集更多跟環境改變有關的訊息,然後決定下一步該怎麼做!圖/Gellinger @pixabay

參考資料

  1. Howard, C. E., Chen, C. L., Tabachnik, T., Hormigo, R., Ramdya, P., & Mann, R. S. (2019). Serotonergic modulation of walking in Drosophila. Current Biology.
  2. Jenkins, T. A., Nguyen, J. C., Polglaze, K. E., & Bertrand, P. P. (2016). Influence of tryptophan and serotonin on mood and cognition with a possible role of the gut-brain axis. Nutrients8(1), 56.
  3. Why do we freeze when startled? New study in flies points to serotonin. ScienceDaily, 2019.11.27
旻諭_96
14 篇文章 ・ 1 位粉絲
大學主修生科,研所跳槽科學教育,目前正努力想要聰明又科學的活著。

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會如何向小朋友介紹你的研究?運動神經元研究職人陳俊安專訪
研之有物│中央研究院_96
・2017/09/29 ・3495字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 470 ・五年級

科學家如何孕育實驗靈感?不只限於實驗室,也能是馬拉松賽場,甚至是和小朋友的交流中!中研院分子生物所的陳俊安團隊,從發育生物學的角度出發,研究運動神經元發育和退化的過程,期望能協助發展漸凍症的精準醫療。

在陳俊安的實驗室網站引述著 Roger Penrose 這段話,與外太空相比,人類的大腦更加精巧複雜,激發陳俊安渴望了解人體本身的發育生理機制。 圖說設計/林婷嫻、張語辰

生出健康的小孩理所當然?那一定是沒有讀過發育生物學

每一位讀了發育生物學的人,都會覺得要生出一個健康的小孩有多困難。

要發育一個胚胎,每個成長環節都要被精確地調控,自然界演化出一套模式克服外在的干擾,讓胚胎維持在穩定的狀態,才得以發育成功。發育生物學(Developmental biology)就是在了解基因如何調控細胞生長、分化、產生形態,進而使生物體形成組織和器官。

顯微鏡下的小鼠胚胎,發著綠光的線條是中樞神經系統神經元的軸突。 圖片來源/陳俊安提供

為什麼想研究「運動神經元」?

之前在英國劍橋大學讀發育生物學博士時,運用「非洲爪蟾」這種模式動物來尋找胚胎裡有什麼重要的基因會影響胚胎發育,例如胚胎的「中胚層」會分化成肌肉和心臟。

在博士班的第一年,我篩選了兩千多個和中胚層有關的基因,一個一個觀察各個基因在胚胎裡的表現。常常一個人作微注射到三更半夜,因為爪蟾胚胎在第一次分裂後注射基因去大量表現,要等六到八小時才會開始發育中胚層。

有時為了能回家跟太太共進晚餐,又不想耽誤實驗的進度,冬天的時候會把胚胎帶回家放在室外,半夜一兩點起來再將胚胎做甲醛固定。因為冬天天氣較冷,室外溫度跟冰箱一樣,可以直接放室外整夜。

我最後選擇一個還沒有被報導過的基因深入研究其功能,這個基因只會在「運動神經元」表現出來,查了很多文獻後發現沒有人研究過這個基因。我覺得很有趣,就一頭栽下去研究運動神經元、直到現在。

新穎基因在非洲爪饞的胚胎上表現像一個笑臉(左),後續會控制運動神經元的發育(右)。 資料來源:Identification of novel genes affecting mesoderm formation and morphogenesis through an enhanced large scale functional screen in Xenopus。圖說重製:林婷嫻、張語辰

我們每天站立的姿勢、行走運動,都是由「運動神經元」調控。藉由了解運動神經元發育的過程,希望了解一些運動神經元疾病發生的原因。我們實驗室比較專注在受精卵發育成胚胎的過程,例如胚胎裡的運動神經元是怎麼建立,但現在有一半人力進入研究運動神經元退化的疾病。

越了解運動神經元如何發育,就越能知道它如何退化。

陳俊安團隊從小鼠胚胎幹細胞(ES cell)培養的運動神經細胞。在培養皿中沒有肌肉可抓,運動神經元的軸突四處延伸。 圖片來源/陳俊安提供

五年前我從美國回台灣時,因緣際會認識高雄醫學大學副校長──鍾育志醫師(現為交大生科院院長),他也是台灣脊髓肌肉萎縮症(Spinal Muscular Atrophy, 簡稱 SMA )病友協會的理事長。另外,我們現在的實驗室位置,是接續中研院分生李鴻老師的實驗室空間,全世界第一隻脊髓肌肉萎縮症(SMA)模式小鼠,就是在這裡建立。

李鴻老師過世後,台灣這部分的研究就消失了。彷彿冥冥中有一種機緣,讓我來到中研院分生所這裡,正好我也是研究運動神經元,就和鍾醫師討論如何延續這方面的研究,開始了合作模式。像是建立台灣第一個人類的脊髓肌肉萎縮症(SMA)的 iPSC(誘導性多功能幹細胞),並將它們分化成各式不同的運動神經元亞型(subtype),並研究 SMA 為何只有運動神經元會退化,再尋求看看可能有什麼治療的方式。

今年鍾醫師邀請我參加脊髓肌肉萎縮症病友大會,看到這麼多小朋友因為運動神經元的問題,終生得坐輪椅,覺得很震撼,回來就覺得要更努力找到造成運動神經元疾病的原因。很多研究都是在之後會發現……很多東西一開始都沒想到!這是基礎科學研究有趣的地方,跟轉譯醫學之間沒有衝突,不管從哪邊開始,最後都是相通的。

如何找到實驗靈感?

中研院分子生物所經常邀請國際學者來演講,演講完也會和學生、研究員交流。正好有一次一位國際學者和我們實驗室學生聊天,發現學生們除了研究之外,生活有點無聊,只有看電影、看書、看小說。後來我們就利用實驗室群體的壓力(笑),一起挑戰 21 公里半程馬拉松。

2016 年陳俊安團隊參加半程馬拉松,開跑前充滿能量。 圖片來源/陳俊安實驗室

實驗室很多人都沒有跑過馬拉松,成績是一回事,但每個人都跑完了。我們做研究最辛苦的永遠是「最後一哩路」,如果沒有堅持走完,就前功盡棄。藉由這個馬拉松,大家一起堅持、完成的感覺蠻好的。

做實驗時,是什麼感覺?

我以前在中正大學念的是化學系,雖然學習到很多化學知識,但直到在台大生物化學所讀碩士班時,才開始真正在顯微鏡下看到各種化學分子對於生命發育過程的調控,我永遠無法忘記第一次在顯微鏡下看到老鼠精子活動時的震撼。

我熱愛做實驗的過程,這包含所有的實驗,不僅只是實驗室裡的研究。我大女兒出生時,看到那小小的嬰兒,真的很感動。在她出生第一個月,我會透過各種「實驗」來理解她,像是調控吃東西的時間,或是以十二小時為單位開燈關燈、讓房間內白天黑夜的時間變化固定,看看哪種情況下她的表現會最快樂。

我上班開車時也會走不同的路徑,會特別計時比較哪一條路徑最順暢,同一路徑都會走許多次,統計平均值後再尋求最佳途徑。我深信唯有透過科學實驗的精神,才能找出解決問題的最好方式。我喜歡嘗試各種實驗、也不害怕失敗,希望能藉此找到最有趣的研究課題。

會如何向小朋友介紹你的研究?

2016 年中研院舉辦院區開放活動時,我們實驗室第一次嘗試帶著小朋友參觀,當時設計了三個實驗。

第一個是讓小朋友在顯微鏡下觀察自己的頭髮,因為顯微鏡下看到的、和肉眼看到的很不一樣。第二個是將乾冰放在水裡冒泡,並加入會隨著不同酸鹼值變色的化學成分,當乾冰的二氧化碳釋出,水裡的酸鹼值會跟著改變,就會看到乾冰溶液從紅色、變成粉紅色、再變成黃色,如果再加入漂白水就會再變成紫色。

小朋友擠在一起看乾冰釋放二氧化碳,溶液隨著酸鹼值改變而有顏色變化。 圖片來源/陳俊安實驗室

第三個跟我們研究比較相關,是讓小朋友觀察「雞胚」。一般我們吃的是沒有受精的雞蛋,我們跟家禽中心買受精後變成胚胎的蛋,小心把蛋殼剪開可以看到小雞的胚胎,包含心臟的跳動。小朋友可以看到不同期間的胚胎,發育三天、五天、十天,從一開始胚胎很小要用顯微鏡才能看得到,長大到肉眼也看得到。

那時有一個小朋友問說什麼是「受精」,我們就要想一個小朋友會懂的方式來解釋:「就像每個小朋友都是爸爸媽媽受精之後才會有你們,小雞也是一樣,小雞的媽媽要先遇到小雞的爸爸……」。

小朋友們瞪大眼睛,好奇地看著陳俊安實驗室成員手中的小雞胚胎。 圖片來源/陳俊安實驗室

在我們唸書的年代,大部分都在準備考試,沒有很多機會操作實驗。科學相關的課本只是強背,但透過實驗、眼睛親自看到,記都不用記,那個印象就會烙印在心底。當小朋友看過小雞胚胎,將來讀到生物體的發育時,就會有粗淺的印象。讓小朋友在很早的時間點接觸、產生興趣,未來就有機會投入相關領域。

台灣的小朋友大多比較安靜,就看著你弄、發出驚嘆,對實驗室裡很多東西都很有興趣。除了小朋友,爸媽好像也玩得蠻開心(笑)。

希望有更多機會讓小朋友操作實驗,因為在顯微鏡之下,看見就是相信。

延伸閱讀

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

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為什麼運動神經元會退化?又為何是從四肢開始?
研之有物│中央研究院_96
・2017/09/28 ・4053字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 552 ・八年級

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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