• 文/中研院新闻稿

德国植物学家冯莫尔 (Hugo von Mohl) 在 1835 年首次观察到细胞分裂後,过去 180 年来,大家只知道两种细胞分裂方式──有丝分裂、减数分裂。透过制造新的细胞,让生物体的发育、生长与繁殖成为可能。

中央研究院 细胞与个体生物学研究所助理研究员 陈振辉团队 在研究斑马鱼发育时,意外发现另一种独特的细胞分裂方式,其分裂过程不需要进行遗传物质(DNA)复制,因此命名为「无合成分裂」,於今(111) 年 4 月登上知名国际期刊《自然》(Nature),并获专文推荐。

中研院 细生所 李奇鸿所长 表示,此研究颠覆过去百年来的细胞分裂发现,有助於後续对其他生物体进行深入探究,进一步了解其详细的细胞生理调控机制。

「细胞分裂」是所有生命的基础,长久以来,科学家认为细胞分裂方式有两种:

第一,体细胞(如皮肤细胞、肌肉细胞、干细胞等)要进行「有丝分裂」,1 个母细胞分裂为 2 个具有相同染色体数量的子细胞,让个体发育生长。

第二,生殖细胞则透过「减数分裂」,将母细胞分裂成 4 个具有一半染色体数量的子细胞(如精子和卵子细胞),有性繁殖才有可能发生。

首度发现体细胞进行「无合成分裂」:仅增生、无 DNA 复制 

陈振辉以斑马鱼为研究对象,长期深入探索生物再生过程的细胞和分子机制,研发多颜色活细胞标志工具(Palmskin),用上百种不同颜色来标志不同的表皮细胞,并能即时、高解析度追踪斑马鱼体表所有皮肤细胞的动态行为。

团队意外发现,当斑马鱼在个体发育的特定阶段,最表层的皮肤细胞──原被认为是不会分裂增生的体细胞,其单一母细胞竟然可以分裂 2 次,共产生 4 个子细胞,且这些子细胞皆不具有完整的母细胞 DNA。

然而,陈振辉一开始也百思不得其解,为什麽斑马鱼的皮肤细胞需要这样分裂?而且分裂後的子细胞形状变小也变扁?多年来与斑马鱼为伍的他,认为答案可能与个体发育成长所遇到的特殊挑战有关。

细胞由 1 增 4:有效增加斑马鱼体表覆盖面积

研究团队利用一个数学几何模型作为基础,与中研院 化学研究所 研究员许昭萍、颜清哲博士 跨领域合作,进行细胞体积变化的定量分析,他们发现斑马鱼单一表皮细胞经过两次「无合成分裂」之後,整体的表面积可增加 6 成。

陈振辉表示,由於斑马鱼幼鱼在特定的发育阶段长得很快,体表面积需要快速增加。为了维持一个稳定的皮肤双层结构,下层的表皮干细胞以正常的「有丝分裂」来增生,但是上层已分化的表皮细胞,恐已失去此选项,转而进行「无合成分裂」。

这种分裂方式能让表皮细胞在资源有限的情况下,有弹性的快速延展,使生物个体有效率地增加体表局部面积,以维持表皮细胞稳定的覆盖率。此为斑马鱼幼鱼在特定发育阶段所利用的应急策略。

研究团队表示,目前对「无合成分裂」的了解尚在初步阶段。由於斑马鱼是脊椎动物,也是科学家研究个体发育、再生反应及人类疾病常用的模式生物,他们预测此一新型的细胞分裂方式,或许不只限於斑马鱼体表的表皮细胞,仍有待更多研究探索。

投稿过程艰辛 屡屡重复多次实验 

陈振辉回忆,此篇论文的投稿时间已经是前(109)年底的事,由於颠覆大家过去对於细胞分裂的认识,初期就收到很多审查意见,「但不只审稿人有意见,我们自己也想知道是否还有其它可能的解释。」

一开始,陈振辉团队原本只想观察表皮细胞如何移动或脱落,没想到却看到此独特现象,还以为会不会是研究工具出了错,「怎麽跟教科书教的完全不同!」重复做了多次对照实验。

本论文第一作者 陈洁盈,现为 中研院国际研究生学程 的 博士生,也在其中付出许多心力。面对长度仅约 0.5 公分的斑马鱼幼鱼,为了反覆观察其表皮细胞的分裂过程,她必须每 12 小时麻醉幼鱼一次,小心翼翼地置於高倍显微镜下拍照,并且确定它在镜头下的姿势每次都相同,结束後还得把麻醉後的幼鱼唤醒,以持续进行活体实验。像这样的过程整整连续十天,重复循环多次。

即使投稿历程艰辛,团队成员们兴致勃勃,毕竟不是常有这样的机会可以跟大家分享,「嘿,我想告诉你还有另一种细胞分裂方式的可能。」陈振辉笑说,原来在太阳底下真的能发现新鲜事! 

  • 本论文第一作者为陈洁盈,研究团队包括颜清哲、阮筱彧、许绍君、曾子伦、萧崇德、许昭萍、陈振辉,经费由中研院及科技部支持。

延伸阅读

  • 论文:Skin cells undergo asynthetic fission to expand body surfaces in zebrafish 
  • 期刊专文介绍:https://www.nature.com/articles/d41586-022-00790-4 
  • 影片介绍:https://www.youtube.com/watch?v=fi3pGplAxy0
  • Nature Podcast 介绍:https://www.nature.com/articles/d41586-022-01197-x(约 10:35 开始)

新闻连络人:
陈振辉助研究员,中央研究院细胞与个体生物学研究所
(Tel) 02-2789-9537,chcchen@gate.sinica.edu.tw
郭姵君,中央研究院秘书处媒体小组
(Tel) 02-2789-8821,deartree@gate.sinica.edu.tw
陈昶宏,中央研究院秘书处媒体小组
(Tel)02-2789-8059,changhung@gate.sinica.edu.tw


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