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中研院首揭細胞「無合成分裂」 獲《Nature》期刊專文推薦

2022/05/02 12:14

陳振輝團隊透過多顏色活細胞標誌,產生上百種不同顏色來標誌不同的表皮細胞,即時、高解析度追蹤斑馬魚體表所有皮膚細胞的動態行為。(中研院提供)

〔記者邱芷柔/台北報導〕細胞分裂的發生是所有生命的基礎,過去180年來大家只知道兩種細胞分裂方式「有絲分裂」及「減數分裂」,中央研究院細胞與個體生物學研究所助研究員陳振輝團隊,在研究斑馬魚發育時,意外發現另一種獨特的細胞分裂方式「無合成分裂」,今年4月登上知名國際期刊《自然(Nature)》並獲專文推薦。

中研院指出,德國植物學家馮莫爾 (Hugo von Mohl) 在1835年首次觀察到細胞分裂後,長久以來科學家認為細胞分裂方式的兩種,第一是體細胞進行「有絲分裂」,例如皮膚細胞、肌肉細胞、幹細胞等,1個母細胞分裂為2個具有相同染色體數量的子細胞,讓個體發育生長。第二是生殖細胞透過「減數分裂」,將母細胞分裂成2個具有一半染色體數量的子細胞,例如精子和卵子細胞,有性繁殖才有可能發生。

陳振輝研發多顏色活細胞標誌工具(Palmskin),用上百種不同顏色來標誌不同的表皮細胞,能即時、高解析度追蹤斑馬魚體表所有皮膚細胞的動態行為。團隊在研究斑馬魚發育時,意外發現斑馬魚最表層的皮膚細胞,原被認為是不會分裂增生的體細胞,卻由1增4,其單一母細胞竟然可以分裂2次,共產生4個子細胞,且這些子細胞皆不具有完整的母細胞遺傳物質(DNA)。

陳振輝說,這種細胞分裂過程不需要進行DNA複製,因此命名為「無合成分裂」,但為什麼斑馬魚的皮膚細胞需要這樣分裂?且分裂後的子細胞形狀變小、變扁,一開始他也百思不得其解,根據多年與斑馬魚為伍的經驗,他推測,可能與斑馬魚發育成長所遇到的特殊挑戰有關。

為了找到答案,研究團隊利用一個數學幾何模型作為基礎,跨領域與中研院化學研究所研究員許昭萍、顏清哲博士合作,進行細胞體積變化的定量分析,發現斑馬魚單一表皮細胞經過2次「無合成分裂」後,整體的表面積可增加6成。

「發育期的應急策略!」陳振輝進一步說明,斑馬魚幼魚在特定的發育階段長得很快,體表面積需要快速增加,為了維持一個穩定的皮膚雙層結構,下層的表皮幹細胞以正常的「有絲分裂」來增生,而上層已分化的表皮細胞只能進行「無合成分裂」來應急,因為這種分裂方式可讓表皮細胞在資源有限的情況下,有彈性的快速延展、有效率地增加體表局部面積,以維持表皮細胞穩定的覆蓋率。

面對長度僅約0.5公分的斑馬魚幼魚,為了反覆觀察其表皮細胞的分裂過程,研究人員必須每12小時麻醉幼魚一次,小心翼翼地置於高倍顯微鏡下拍照,並且確定它在鏡頭下的姿勢每次都相同,結束後還得把麻醉後的幼魚喚醒,以持續進行活體實驗,這樣的過程整整連續10天,重複循環多次。 (中研院提供)

該論文第一作者陳潔盈為中研院國際研究生學程的博士生,面對長度僅約0.5公分的斑馬魚幼魚,為了反覆觀察其表皮細胞的分裂過程,她必須每12小時麻醉幼魚一次,小心翼翼地置於高倍顯微鏡下拍照,並且確定它在鏡頭下的姿勢每次都相同,結束後還得把麻醉後的幼魚喚醒,以持續進行活體實驗,這樣的過程整整連續10天,重複循環多次。

中研院細生所所長李奇鴻表示,此研究顛覆過去百年來的細胞分裂發現,有助於後續對其他生物體進行深入探究,進一步了解其詳細的細胞生理調控機制。研究團隊也說,目前對「無合成分裂」的了解尚在初步階段,由於斑馬魚是脊椎動物,也是科學家研究個體發育、再生反應及人類疾病常用的模式生物,他們預測此一新型的細胞分裂方式,或許不只限於斑馬魚體表的表皮細胞,仍有待更多研究探索。

陳振輝提到,此篇論文其實早在2020年底就投稿,因為顛覆過去對於細胞分裂的認識,初期收到很多審查意見,「不只審稿人有意見,我們自己也想知道是否還有其它可能的解釋。」一開始團隊原本只想觀察表皮細胞如何移動或脫落,沒想到卻看到此獨特現象,還以為會不會是研究工具出了錯,「怎麼跟教科書教的完全不同!」因此重複做了多次對照實驗。

陳振輝笑說,即使投稿歷程艱辛,團隊成員們仍興致勃勃,畢竟不是常有這樣的機會可以跟大家分享,「嘿!我想告訴你還有另一種細胞分裂方式的可能。」原來在太陽底下真的能發現新鮮事!

該研究成果以「Skin cells undergo asynthetic fission to expand body surfaces in zebrafish」為題,登上國際期刊(論文連結:)並獲專文推薦,論文第一作者為陳潔盈,研究團隊包括顏清哲、阮筱彧、許紹君、曾子倫、蕭崇德、許昭萍、陳振輝。

中央研究院細胞與個體生物學研究所助研究員陳振輝團隊,在研究斑馬魚發育時,意外發現另一種獨特的細胞分裂方式「無合成分裂」,今年4月登上知名國際期刊《自然(Nature)》並獲專文推薦。 (記者邱芷柔翻攝)

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