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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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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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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
旻諭_96
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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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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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  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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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。

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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

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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。

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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。

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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。

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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……」。

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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。

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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