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榮譽及成果|中央研究院 細胞與個體生物學研究所

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顛覆過去發現!本所陳振輝助研究員團隊首揭細胞「無合成分裂」登上《Nature》期刊

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,過去180年來,大家只知道兩種細胞分裂方式──有絲分裂、減數分裂,透過製造新的細胞,讓生物體的發育、生長與繁殖成為可能。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,其分裂過程不需要進行遺傳物質(DNA)複製,因此命名為「無合成分裂」,於今(111) 年4月登上知名國際期刊《自然》(Nature),並獲專文推薦。

本院細生所李奇鴻所長表示,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。

細胞分裂的發生是所有生命的基礎,長久以來,科學家認為細胞分裂方式有兩種:第一,體細胞(如皮膚細胞、肌肉細胞、幹細胞等)要進行「有絲分裂」,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,生殖細胞則透過「減數分裂」,將母細胞分裂成4個具有一半染色體數量的子細胞(如精子和卵子細胞),有性繁殖才有可能發生。

首度發現體細胞進行「無合成分裂」:僅增生、無DNA複製 
陳振輝以斑馬魚為研究對象,長期深入探索生物再生過程的細胞和分子機制,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,並能即時、高解析度追蹤斑馬魚體表所有皮膚細胞的動態行為。團隊意外發現,當斑馬魚在個體發育的特定階段,最表層的皮膚細胞──原被認為是不會分裂增生的體細胞,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DNA。

然而,陳振輝一開始也百思不得其解,為什麼斑馬魚的皮膚細胞需要這樣分裂?而且分裂後的子細胞形狀變小也變扁?多年來與斑馬魚為伍的他,認為答案可能與個體發育成長所遇到的特殊挑戰有關。

細胞由1增4:有效增加斑馬魚體表覆蓋面積
研究團隊利用一個數學幾何模型作為基礎,與本院化學研究所研究員許昭萍、顏清哲博士跨領域合作,進行細胞體積變化的定量分析,他們發現斑馬魚單一表皮細胞經過兩次「無合成分裂」之後,整體的表面積可增加6成。

陳振輝表示,由於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,但是上層已分化的表皮細胞恐已失去此選項,轉而進行「無合成分裂」。這種分裂方式能讓表皮細胞在資源有限的情況下,能有彈性的快速延展,使生物個體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。此為斑馬魚幼魚在特定發育階段所利用的應急策略。

研究團隊表示,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。

投稿過程艱辛 屢屢重複多次實驗 
陳振輝回憶,此篇論文的投稿時間已經是前(109)年底的事,由於顛覆大家過去對於細胞分裂的認識,初期就收到很多審查意見,「但不只審稿人有意見,我們自己也想知道是否還有其它可能的解釋。」

一開始,陳振輝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!」重複做了多次對照實驗。

本論文第一作者陳潔盈,現為本院國際研究生學程的博士生,也在其中付出許多心力。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。像這樣的過程整整連續十天,重複循環多次。

即使投稿歷程艱辛,團隊成員們興致勃勃,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。」陳振輝笑說,原來在太陽底下真的能發現新鮮事! 

本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,經費由本院及科技部支持。

論文標題:Skin cells undergo asynthetic fission to expand body surfaces in zebrafish 
論文連結https://www.nature.com/articles/s41586-022-04641-0
期刊專文介紹https://www.nature.com/articles/d41586-022-00790-4 
影片介紹https://www.youtube.com/watch?v=fi3pGplAxy0
Nature Podcast介紹https://www.nature.com/articles/d41586-022-01197-x(約10:35開始)

 

Dr. Chen's research pic

▲透過多顏色活細胞標誌(Palmskin),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。



Dr. Chen's research pic

 

新聞連絡人:
陳振輝助研究員,中央研究院細胞與個體生物學研究所
(Tel) 02-2789-9537,chcchen@gate.sinica.edu.tw
郭姵君,中央研究院秘書處媒體小組
(Tel) 02-2789-8821,deartree@gate.sinica.edu.tw
陳昶宏,中央研究院秘書處媒體小組
(Tel)02-2789-8059,changhung@gate.sinica.edu.tw

 

本文章出處為【中央研究院】網站

原文網址: https://www.sinica.edu.tw/ch/news/7161