為何蠑螈能斷肢再生,人類斷手斷腳卻長不回來?專家告訴你「再生基因」的秘密

2019-09-05 17:02

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蠑螈即使斷肢也能再生,是人類夢寐以求的機能。圖片非當事蠑螈。(圖/取自photo-ac)

蠑螈即使斷肢也能再生,是人類夢寐以求的機能。圖片非當事蠑螈。(圖/取自photo-ac)

組織與器官如何啟動再生機制,至今人們仍然不了解。例如,當切斷蠑螈的手臂和手指,不同部位再生所費時間竟然相同,但為什麼?在中研院細胞與個體生物所,陳振輝團隊利用經由基因突變篩檢出來、失去再生能力的斑馬魚,來了解再生過程的分子機制,期待未來能幫助再生醫學的發展。

希臘神話九頭蛇的再生能力:砍了一個我,還有千千萬萬個我。(圖/取自iStock)
希臘神話九頭蛇的再生能力:砍了一個我,還有千千萬萬個我。(圖/取自iStock)

 

在古代,希臘神話中的怪物九頭蛇,危害沼澤附近的生物,當與海格力斯大戰時,九頭蛇被砍斷頭顱後還可以不斷再生。在現代,X 戰警電影中的金鋼狼,也具有驚人的再生能力,傷口可以在短短幾秒內恢復。從這兩個故事看來,人類從古至今對於再生能力是既感恐懼又羨慕。

再生並非只存在傳說中,自然界也有奇蹟存在。例如,蠑螈雖然是低等的脊椎動物,但可以從被截斷的手臂切面,長出神經、骨頭、血管與肌肉,再生出完好的手臂。而斑馬魚和渦蟲,也都具有很強的再生能力。

蠑螈需花費 30~60 天才能再生一隻完好的手,不像金鋼狼那麼誇張,可以瞬間再生,但若能了解哪些關鍵會觸發再生機制,也許有一天人類也可以再生。

「所有人都對再生有興趣,並不是科學界才對再生研究感興趣!」在陳振輝的實驗室,正透過科學化的方法,以斑馬魚為研究對象,探索傷口修復和複雜組織再生過程中,細胞們如何運作。

找找看,能發現失去再生能力的基因突變斑馬魚嗎?小提示:注意尾鰭。(圖/張語辰攝)
找找看,能發現失去再生能力的基因突變斑馬魚嗎?小提示:注意尾鰭。(圖/張語辰攝)

透過「斑馬魚」畫出「再生藍圖」

人類的肢幹受傷斷裂,傷口癒合後就形成斷肢,無法再生。但若是截斷斑馬魚尾鰭、用強光破壞視網膜、用細針攪爛一側的大腦,甚至剪斷脊椎這種極端方式,斑馬魚都可以完整再生這些複雜組織。

在脊椎再生的模式中,斑馬魚一開始會因缺乏神經連結而無法再游動,並躺在水缸底兩個禮拜,但待神經重新連結、表皮癒合後,斑馬魚又再次成為一尾活龍、游來游去。(註一)

陳振輝團隊試著想回答兩個問題:再生如何發生?再生機制為何會發生?

再生機制,涵蓋「表皮細胞、骨頭細胞、神經細胞、血管細胞」等運作,就像蓋一棟房子,需要不同材料、不同步驟進行。例如,殘肢上的細胞要移動、增生、分化產生新組織,同時也要跟舊組織溝通、整合,來讓新生的手臂具有正確的大小、形狀和功能。

陳振輝透過 Skinbow 這種多顏色細胞標誌技術,以不同顏色標記斑馬魚體內不同的細胞,觀察再生過程中細胞如何移動、如何分工合作,藉以建立一個三維空間裡,各式細胞如何互動、建構複雜組織的工程藍圖,並運用這個藍圖看看能否移轉到其他生物上實現,也蓋出名叫「再生」的房子。

經過 Skinbow 處理的斑馬魚鱗片,不同細胞被標記不同顏色,在顯微鏡下觀察如同冰淇淋甜筒上的七彩糖珠。(圖/Chen et al., (2016))
經過 Skinbow 處理的斑馬魚鱗片,不同細胞被標記不同顏色,在顯微鏡下觀察如同冰淇淋甜筒上的七彩糖珠。(圖/Chen et al., (2016))

Skinbow:研究再生的繽紛驚喜

環顧陳振輝實驗室中色彩繽紛的照片,彷彿藝廊展覽。照片中所採用的 Skinbow 多顏色細胞標誌技術,點子來自於陳振輝在美國杜克大學醫學院的細胞生物學實驗室中,看到同事 Vikas Gupta 成功運用 Brainbow 多顏色細胞標誌技術,觀察斑馬魚心臟的發育與再生過程。(註二)

Brainbow 由 Joan Livet 於 2007 年時建立,當初是為了觀察老鼠的大腦神經(註三),其基本原理是利用基因重組的方式,隨機將紅綠藍三原色的螢光蛋白在個別細胞表現不同的數量,如此一來便能產生上百種顏色,標誌每一顆細胞,並且觀察每顆細胞的運作狀態。

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