你今天「變身」了嗎? 斑馬魚利用全身肌肉替換機制轉大人
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某些昆蟲，例如甲蟲和蝴蝶，在發育過程會進行大規模的組織替換。這一現象被認為是昆蟲特有的發育機制。本院細生所陳振輝及其團隊開發多顏色活細胞標誌技術，探討斑馬魚肌肉細胞的集體行為。他們意外發現，斑馬魚在發育的特定階段會進行完整、全身性的肌肉分解和替換，首次提出脊椎動物的發育過程也會進行大規模的組織替換。此一研究成果於今(113) 年六月刊登於《歐洲分子生物學組織期刊》(EMBO J) 。
動物在發育過程中，因應不同的生理需求，在不同階段需要擁有不同功能的器官和組織。蝴蝶的全 變態過程是最經典的例子之一：在幼蟲時期，它們專注於生長，而在成蟲時期，則專注於繁殖。這兩個階段所需的器官和組織大不相同，因此在發育過程中會發生大規模的組織分解和替換。相較於昆蟲，脊椎動物在發育過程中外觀上的變化相對有限。但是在細胞的層級，是否也存在類似昆蟲發育過程般劇烈的變化，這是一個尚未被探究的研究課題。
陳振輝團隊以斑馬魚作為模式生物，利用多顏色活細胞標誌技術，達到在單一斑馬魚活體，同時追蹤約5000條肌肉纖維細胞的動態行為。實驗室的博士生烏庫馬意外發現，在仔魚發育到成魚的轉型階段，幾乎所有仔魚期使用的肌肉細胞都會被完整分解、替代，所有成魚的肌肉細胞都是重新生成。仔魚和成魚的肌肉細胞無論在型態、功能還是壽命上都有顯著的差異。個體的發育速度可以影響肌肉細胞的替換速度，生長越快，替換的速度也越快。烏庫馬進一步發現，仔魚肌肉細胞會經由特定的細胞凋亡機制進行分解，過度活化這種凋亡機制還可以促進新肌肉細胞的生長。因此，斑馬魚並非透過轉化已經存在的肌肉細胞，而是利用兩組肌肉細胞群的完整替換，以因應不同發育階段的生理需求。團隊提出並預測，此一全面性的細胞替換機制或許不只限於肌肉細胞或斑馬魚模式。
陳振輝表示，由於研究工具的限制，過去對脊椎動物肌肉細胞的研究主要集中在細胞培養模式或組織學的探討。這項研究是首次在個體和細胞兩個不同的層級，同時、長時間觀測個體所有的肌肉細胞。由於結論挑戰學界對脊椎動物發育的基本認知，論文審查過程一再收到兩極化的評論。從一開始投稿到最終接受，超過一年半的時間。「每次收到審稿者的匿名評論就像是在坐雲霄飛車」。這個研究成果的另一個面向是「讓人思考科學與哲學之間的距離」，因為肌肉細胞是脊椎動物身上最主要的組成單位，若在發育過程中，個體大部分的細胞都被完整替換，那麼替換前後的個體是否可以被認為是同一個個體? 如果是，沒有一個細胞是原來的，如果不是，那是什麼時候開始不是的呢?「有意思的是，「忒修斯之船」的類比竟可以幫助我們解釋脊椎動物的發育機制」。
*本論文第一作者為本院國際研究生學程的博士生烏庫馬，研究團隊包括方浚懿、阮筱彧、許紹君、王崇漢、陳振輝。研究經費由本院細生所、院內前瞻計畫、關鍵種子計畫及國科會支持。
圖 1. 多顏色標誌斑馬魚身上所有的肌肉細胞
圖 2. 斑馬魚活體軀幹肌肉細胞的近照
論文標題：Whole-body replacement of larval myofibers generates permanent adult myofibers in zebrafish
論文連結：https://www.embopress.org/doi/full/10.1038/s44318-024-00136-y