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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

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。

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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。

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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。

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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(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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從PD-L1到CD47:癌症免疫療法進入3.5代時代
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/25 ・4544字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文與 TRPMA 台灣研發型生技新藥發展協會合作,泛科學企劃執行

如果把癌細胞比喻成身體裡的頭號通緝犯,那誰來負責逮捕?

許多人第一時間想到的,可能是化療、放療這些外來的「賞金獵人」。但其實,我們體內早就駐紮著一支最強的警察部隊「免疫系統」。

既然「免疫系統」的警力這麼堅強,為什麼癌症還是屢屢得逞?關鍵就在於:癌細胞是偽裝高手。有的會偽造「良民證」,騙過免疫系統的菁英部隊;更厲害的,甚至能直接掛上「免查通行證」,讓負責巡邏的免疫細胞直接視而不見,大搖大擺地溜過。

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過去,免疫檢查點抑制劑的問世,為癌症治療帶來突破性的進展,成功撕下癌細胞的偽裝,也讓不少患者重燃希望。不過,目前在某些癌症中,反應率仍只有兩到三成,顯示這條路還有優化的空間。

今天,我們要來聊的,就是科學家如何另闢蹊徑,找出那些連「通緝令」都發不出去的癌細胞。這個全新的免疫策略,會是破解癌症偽裝的新關鍵嗎?

科學家如何另闢蹊徑,找出那些連「通緝令」都發不出去的癌細胞。這個全新的免疫策略,會是破解癌症偽裝的新關鍵嗎?/ 圖片來源:shutterstock

免疫療法登場:從殺敵一千到精準出擊

在回答問題之前,我們先從人類對抗癌症的「治療演變」說起。

最早的「傳統化療」,就像威力強大的「七傷拳」,殺傷力高,但不分敵我,往往是殺敵一千、自損八百,副作用極大。接著出現的「標靶藥物」,則像能精準出招的「一陽指」,能直接點中癌細胞的「穴位」,大幅減少對健康細胞的傷害,副作用也小多了。但麻煩的是,癌細胞很會突變,用藥一段時間就容易產生抗藥性,這套點穴功夫也就漸漸失靈。

直到這個世紀,人類才終於領悟到:最強的武功,是驅動體內的「原力」,也就是「重新喚醒免疫系統」來對付癌症。這場關鍵轉折,也開啟了「癌症免疫療法」的新時代。

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你可能不知道,就算在健康狀態下,平均每天還是會產生數千個癌細胞。而我們之所以安然無恙,全靠體內那套日夜巡邏的「免疫監測 (immunosurveillance)」機制,看到癌細胞就立刻清除。但,癌細胞之所以難纏,就在於它會發展出各種「免疫逃脫」策略。

免疫系統中,有一批受過嚴格訓練的菁英,叫做「T細胞」,他們是執行最終擊殺任務的霹靂小組。狡猾的癌細胞為了躲過追殺,會在自己身上掛出一張「偽良民證」,這個偽裝的學名,「程序性細胞死亡蛋白配體-1 (programmed death-ligand 1, PD-L1) 」,縮寫PD-L1。

當T細胞來盤查時,T細胞身上帶有一個具備煞車功能的「讀卡機」,叫做「程序性細胞死亡蛋白受體-1 (programmed cell death protein 1, PD-1) 」,簡稱 PD-1。當癌細胞的 PD-L1 跟 T細胞的 PD-1 對上時,就等於是在說:「嘿,自己人啦!別查我」,也就是腫瘤癌細胞會表現很多可抑制免疫 T 細胞活性的分子,這些分子能通過免疫 T 細胞的檢查哨,等於是通知免疫系統無需攻擊的訊號,因此 T 細胞就真的會被唬住,轉身離開且放棄攻擊。

這種免疫系統控制的樞紐機制就稱為「免疫檢查點 (immune checkpoints)」。而我們熟知的「免疫檢查點抑制劑」,作用就像是把那張「偽良民證」直接撕掉的藥物。良民證一失效,T細胞就能識破騙局、發現這是大壞蛋,重新發動攻擊!

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狡猾的癌細胞為了躲過追殺,會在自己身上掛出一張「偽良民證」,也就是「程序性細胞死亡蛋白配體-1 (programmed death-ligand 1, 縮寫PD-L1) 」/ 圖片來源:shutterstock

目前免疫療法已成為晚期癌症患者心目中最後一根救命稻草,理由是他們的體能可能無法負荷化療帶來的副作用;標靶藥物雖然有效,不過在用藥一段期間後,終究會出現抗藥性;而「免疫檢查點抑制劑」卻有機會讓癌症獲得長期的控制。

由於免疫檢查點抑制劑是借著免疫系統的刀來殺死腫瘤,所以有著毒性較低並且治療耐受性較佳的優勢。對免疫檢查點抑制劑有治療反應的患者,也能獲得比起化療更長的存活期,以及較好的生活品質。

不過,儘管免疫檢查點抑制劑改寫了治癌戰局,這些年下來,卻仍有些問題。

CD47來救?揭開癌細胞的「免死金牌」機制

「免疫檢查點抑制劑」雖然帶來治療突破,但還是有不少挑戰。

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首先,是藥費昂貴。 雖然在台灣,健保於 2019 年後已有條件給付,但對多數人仍是沉重負擔。 第二,也是最關鍵的,單獨使用時,它的治療反應率並不高。在許多情況下,大約只有 2成到3成的患者有效。

換句話說,仍有七到八成的患者可能看不到預期的效果,而且治療反應又比較慢,必須等 2 至 3 個月才能看出端倪。對患者來說,這種「沒把握、又得等」的療程,心理壓力自然不小。

為什麼會這樣?很簡單,因為這個方法的前提是,癌細胞得用「偽良民證」這一招才有效。但如果癌細胞根本不屑玩這一套呢?

想像一下,整套免疫系統抓壞人的流程,其實是這樣運作的:當癌細胞自然死亡,或被初步攻擊後,會留下些許「屍塊渣渣」——也就是抗原。這時,體內負責巡邏兼清理的「巨噬細胞」就會出動,把這些渣渣撿起來、分析特徵。比方說,它發現犯人都戴著一頂「大草帽」。

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接著,巨噬細胞會把這個特徵,發布成「通緝令」,交給其他免疫細胞,並進一步訓練剛剛提到的菁英霹靂小組─T細胞。T細胞學會辨認「大草帽」,就能出發去精準獵殺所有戴著草帽的癌細胞。

當癌細胞死亡後,會留下「抗原」。體內的「巨噬細胞」會採集並分析這些特徵,並發布「通緝令」給其它免疫細胞,T細胞一旦學會辨識特徵,就能精準出擊,獵殺所有癌細胞。/ 圖片來源:shutterstock

而PD-1/PD-L1 的偽裝術,是發生在最後一步:T 細胞正準備動手時,癌細胞突然高喊:「我是好人啊!」,來騙過 T 細胞。

但問題若出在第一步呢?如果第一關,巡邏的警察「巨噬細胞」就完全沒有察覺這些屍塊有問題,根本沒發通緝令呢?

這正是更高竿的癌細胞採用的策略:它們在細胞表面大量表現一種叫做「 CD47 」的蛋白質。這個 CD47 分子,就像一張寫著「自己人,別吃我!」的免死金牌,它會跟巨噬細胞上的接收器─訊號調節蛋白α (Signal regulatory protein α,SIRPα) 結合。當巨噬細胞一看到這訊號,大腦就會自動判斷:「喔,這是正常細胞,跳過。」

結果會怎樣?巨噬細胞從頭到尾毫無動作,癌細胞就大搖大擺地走過警察面前,連罪犯「戴草帽」的通緝令都沒被發布,T 細胞自然也就毫無頭緒要出動!

這就是為什麼只阻斷 PD-L1 的藥物反應率有限。因為在許多案例中,癌細胞連進到「被追殺」的階段都沒有!

為了解決這個問題,科學家把目標轉向了這面「免死金牌」,開始開發能阻斷 CD47 的生物藥。但開發 CD47 藥物的這條路,可說是一波三折。

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不只精準殺敵,更不能誤傷友軍

研發抗癌新藥,就像打造一把神兵利器,太強、太弱都不行!

第一代 CD47 藥物,就是威力太強的例子。第一代藥物是強效的「單株抗體」,你可以想像是超強力膠帶,直接把癌細胞表面的「免死金牌」CD47 封死。同時,這個膠帶尾端還有一段蛋白質IgG-Fc,這段蛋白質可以和免疫細胞上的Fc受體結合。就像插上一面「快來吃我」的小旗子,吸引巨噬細胞前來吞噬。

問題來了!CD47 不只存在於癌細胞,全身上下的正常細胞,尤其是紅血球,也有 CD47 作為自我保護的訊號。結果,第一代藥物這種「見 CD47 就封」的策略,完全不分敵我,導致巨噬細胞連紅血球也一起攻擊,造成嚴重的貧血問題。

這問題影響可不小,導致一些備受矚目的藥物,例如美國製藥公司吉立亞醫藥(Gilead)的明星藥物 magrolimab,在2024年2月宣布停止開發。它原本是預期用來治療急性骨髓性白血病(AML)的單株抗體藥物。

太猛不行,那第二代藥物就改弱一點。科學家不再用強效抗體,而是改用「融合蛋白」,也就是巨噬細胞身上接收器 SIRPα 的一部分。它一樣會去佔住 CD47 的位置,但結合力比較弱,特別是跟紅血球的 CD47 結合力,只有 1% 左右,安全性明顯提升。

像是輝瑞在 2021 年就砸下 22.6 億美元,收購生技公司 Trillium Therapeutics 來開發這類藥物。Trillium 使用的是名為 TTI-621 和 TTI-622 的兩種融合蛋白,可以阻斷 CD47 的反應位置。但在輝瑞2025年4月29號公布最新的研發進度報告上,TTI-621 已經悄悄消失。已經進到二期研究的TTI-622,則是在6月29號,研究狀態被改為「已終止」。原因是「無法招募到計畫數量的受試者」。

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但第二代也有個弱點:為了安全,它對癌細胞 CD47 的結合力,也跟著變弱了,導致藥效不如預期。

於是,第三代藥物的目標誕生了:能不能打造一個只對癌細胞有超強結合力,但對紅血球幾乎沒反應的「完美武器」?

為了找出這種神兵利器,科學家們搬出了超炫的篩選工具:噬菌體(Phage),一種專門感染細菌的病毒。別緊張,不是要把病毒打進體內!而是把它當成一個龐大的「鑰匙資料庫」。

科學家可以透過基因改造,再加上AI的協助,就可以快速製造出數億、數十億種表面蛋白質結構都略有不同的噬菌體模型。然後,就開始配對流程:

  1. 先把這些長像各異的「鑰匙」全部拿去試開「紅血球」這把鎖,能打開的通通淘汰!
  2. 剩下的再去試開「癌細胞」的鎖,從中挑出結合最強、最精準的那一把「神鑰」!

接著,就是把這把「神鑰」的結構複製下來,大量生產。可能會從噬菌體上切下來,或是定序入選噬菌體的基因,找出最佳序列。再將這段序列,放入其他表達載體中,例如細菌或是哺乳動物細胞中來生產蛋白質。最後再接上一段能號召免疫系統來攻擊的「標籤蛋白 IgG-Fc」,就大功告成了!

目前這領域的領頭羊之一,是美國的 ALX Oncology,他們的產品 Evorpacept 已完成二期臨床試驗。但他們的標籤蛋白使用的是 IgG1,對巨噬細胞的吸引力較弱,需要搭配其他藥物聯合使用。

而另一個值得關注的,是總部在台北的漢康生技。他們利用噬菌體平台,從上億個可能性中,篩選出了理想的融合蛋白 HCB101。同時,他們選擇的標籤蛋白 IgG4,是巨噬細胞比較「感興趣」的類型,理論上能更有效地觸發吞噬作用。在臨床一期試驗中,就展現了單獨用藥也能讓腫瘤顯著縮小的效果以及高劑量對腫瘤產生腫瘤顯著部分縮小效果。因為它結合了前幾代藥物的優點,有人稱之為「第 3.5 代」藥物。

除此之外,還有漢康生技的FBDB平台技術,這項技術可以將多個融合蛋白「串」在一起。例如,把能攻擊 CD47、PD-L1、甚至能調整腫瘤微環境、活化巨噬細胞與T細胞的融合蛋白接在一起。讓這些武器達成 1+1+1 遠大於 3 的超倍攻擊效果,多管齊下攻擊腫瘤細胞。

結語

從撕掉「偽良民證」的 PD-L1 抑制劑,到破解「免死金牌」的 CD47 藥物,再到利用 AI 和噬菌體平台,設計出越來越精準的千里追魂香。 

對我們來說,最棒的好消息,莫過於這些免疫療法,從沒有停下改進的腳步。科學家們正一步步克服反應率不足、副作用等等的缺點。這些努力,都為癌症的「長期控制」甚至「治癒」,帶來了更多的希望。

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諾貝爾得獎「助攻王」 :秀麗隱桿線蟲
顯微觀點_96
・2025/02/25 ・2852字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文轉載自顯微觀點

圖/顯微觀點

科學界的重大盛事-諾貝爾獎,已在 10 月揭曉。今(2024)年生醫獎頒發給維克托.安布羅斯(Victor Ambros)和加里.魯夫昆(Gary Ruvkun),他們以「發現 microRNA 及其在轉錄後基因調控中的作用」獲肯定得到桂冠。而這項重大發現的背後,一種叫做「秀麗隱桿線蟲」(C. elegans)的小蟲子居功厥偉。

生醫獎背後大功臣

安布羅斯和魯夫昆對於基因如何受到調控,如何因活化時間不同而確保各類型細胞在正確時間點發育的問題很感興趣。因此他們研究因基因活化出現問題的兩種線蟲突變株:lin-4 和 lin-14,以瞭解當中的機制。

一開始,安布羅斯先發現 lin-4 基因似乎是 lin-14 基因的負調節因子,但 lin-14 的活性是怎麼被阻斷的,仍然是個謎。因此他系統性地找尋 lin-4 在基因體中的位置與基因序列,也因此意外發現 lin-4 基因只會產生一種異常短、不足以合成蛋白質的核醣核酸分子。

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同一時間,魯夫昆在麻州總醫院和哈佛醫學院新成立的實驗室研究 lin-14 基因的調控。魯夫昆發現 lin-4 抑制的並不是 lin-14 的產生,而是抑制 lin-14 基因產生蛋白質,且發生在基因表現過程的後期。實驗也顯示要抑制 lin-4,必須要有 lin-14 訊息核醣核酸(mRNA)中的一個片段。

安布羅斯和魯夫昆比較了各自的實驗成果,找到突破性的發現:lin-4 部分序列與 lin-14 訊息核醣核酸的關鍵片段中的序列互補。他們進一步實驗,顯示 lin-4 微型核醣核酸(microRNA)透過與 lin-14 訊息核醣核酸中的互補序列結合,來抑制 lin-14 轉譯,進而阻斷 lin-14 蛋白質的產生,也因此揭開 microRNA 介導的基因調控新原理。

這項結果被發表在 1993 年的《細胞》期刊的兩篇文章上。但一開始這樣的基因調控機制被認為是秀麗隱桿線蟲所特有,而不受重視。直到 2000 年,魯夫昆的研究團隊發現了另一種由 let-7基因編碼的 microRNA,科學界的態度才發生變化;因為 let-7 基因高度保存在整個動物界中。

接下來的幾年裡,數百種不同的 microRNA 被鑑定出來,微型核醣核酸的基因調控在多細胞生物中普遍存在;而基因調控若失常,則可能導致糖尿病、癌症或自體免疫疾病。

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這不是秀麗隱桿線蟲第一次「助攻得獎」。

(A) 秀麗隱桿線蟲是了解不同細胞類型如何發育的有用模型生物。 (B) 安布羅斯和魯夫昆研究了 lin-4 和 lin-14 突變體。  安布羅斯已證明 lin-4 似乎是 lin-14 的負調節因子。
(A) 秀麗隱桿線蟲是了解不同細胞類型如何發育的有用模型生物。 (B) 安布羅斯和魯夫昆研究了 lin-4 和 lin-14 突變體。 安布羅斯已證明 lin-4 似乎是 lin-14 的負調節因子。圖/諾貝爾生醫獎新聞稿

成為助攻王的關鍵

2002 年西德尼.布瑞納(Sydney Brenner)、約翰.蘇爾斯頓(John Sulston)和羅伯特.霍維茨(Robert Horvitz)便是從秀麗隱桿線蟲的研究「發現器官發育和計畫性細胞死亡的遺傳調控機理」,進而獲得該年諾貝爾生醫獎。值得一提的是,今年的兩位得主都曾是霍維茨實驗室的博士後研究員。

除此之外,2006 年諾貝爾生理醫學獎也頒給研究線蟲的美國科學家安德魯.法厄(Andrew Zachary Fire)和 克雷格.梅洛(Craig Cameron Mello),以表彰他們「發現 RNA 干擾—雙鏈 RNA 引發的沉默現象」。甚至馬丁.查菲(Martin Chalfie)也利用秀麗隱桿線蟲的觸感接受器神經元「發現並改造綠色螢光蛋白(GFP)」獲得 2008 年諾貝爾化學獎。

秀麗隱桿線蟲為何能成為諾貝爾的「助攻王」呢?布瑞納曾在他的論文中提到:「線蟲適合做基因研究,並且其神經系統可以被精準確定。」他在 1963 年提出以秀麗隱桿線蟲作為模式生物,並於 1974 年發表其在發育生物學和神經科學的成果。

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秀麗隱桿線蟲是第一種完成全基因組定序的多細胞生物。加上體積小、成蟲約長1公釐,以及透明且易於獲取的遺傳物質,使其成為絕佳的模式生物。

其在室溫下大約三天可以從卵生長為可受精的成蟲,在實驗室中以大腸桿菌為食,易於大量培養。並且解凍之後仍能存活,因此適合長時間儲存。加上每隻成蟲可產生約 300 隻後代,適合作遺傳學研究。

易於觀察也是秀麗隱桿線蟲作為絕佳模式生物的關鍵因素。由於細胞譜系固定,研究人員可以使用微分干涉顯微鏡(DIC)觀察每一個細胞的發展,甚至在在螢光蛋白出現之前,就有從受精卵到成體完整細胞譜系的描述。

在線蟲研究的多個工作步驟中,立體、複式或共軛焦顯微鏡都是常見的工具,以符合不同實驗要求。且隨著顯微技術的發展,秀麗隱桿線蟲在發育生物學中的應用和研究也更加多元。

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隨技術發展 研究面向更多元

在挑選合適的線蟲並準備進行遺傳或生化分析的「採蟲」階段,通常會使用末端黏有睫毛的木棍,在立體顯微鏡下關、挑選。然後使用倒立顯微鏡以顯微注射對線蟲性腺進行基因改造。

螢光蛋白(FP)是在線蟲中進行分子和細胞行為研究的核心工具,螢光顯微技術廣泛用於線蟲研究,例如 GFP 及其改進版本(如mScarlet和mCherry)常用於標記和追蹤蛋白質的動態過程。

螢光蛋白也可使用於研究線蟲的染色體外陣列表現或穩定整合到基因組中。現在則有許多研究者使用 CRISPR(基因編輯)技術,將螢光標記穩定地整合到基因組中,這樣可以精確追蹤特定蛋白在細胞內的表現位置和強度。

層光顯微術(Lightsheet microscopy)則可以在不壓縮樣本的情況下,提供更高的空間和時間解析度,特別適合長期追踪線蟲胚胎發育過程。

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除此之外,因為秀麗隱桿線蟲是截至 2019 年唯一一個完成連接體(connectome,神經元連接)測定的生物體,因此一直以來也常被作為神經科學研究的模式生物。

研究者可利用螢光蛋白(如 GCaMP)來追蹤鈣離子濃度的變化,當鈣離子濃度上升時會發出更強的螢光,再透過螢光強度來分析神經系統在睡眠、運動等各種行為時的活動模式。或是進一步利用轉盤式共軛焦顯微鏡、雙光子顯微鏡,抑或結合更強大的影像分析工具,對神經元活動成像並藉此解讀不同行為背後的神經迴路機制

作為模式生物,秀麗隱桿線蟲因為基因組簡單、細胞譜系固定且神經結構已知,為揭示基因調控、細胞發育、神經行為等生物學問題提供了清晰的研究途徑,在生物學研究中佔有重要地位。

儘管已是諾貝爾獎「助攻王」,相信隨著顯微和基因編輯技術的快速發展,秀麗隱桿線蟲仍能在探索人類疾病模型、藥物篩選及再生醫學等應用領域,引領研究新方向。

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另感謝台灣科技媒體中心(SMC)舉辦諾貝爾獎解析記者會

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顯微觀點_96
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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。

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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。

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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。

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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?

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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

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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
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