台團隊發現全新細胞分裂模式 顛覆近 200 年基本細胞生理機制

最新刊於《自然》的台灣研究指,發現了一種無需複制 DNA 即可發生的新細胞分裂形式,並將之稱為「無合成分裂 (asynthetic fission) 」,顛覆近 200 年來已知基本細胞生理機制。

團隊以多顏色活細胞標誌工具追蹤年幼斑馬魚的皮膚細胞變化。
圖:台灣中央研究院

德國植物學家 Hugo von Mohl 在 1835 年首次觀察到細胞分裂後,過去 180 年來,大家只知道生物只有兩種細胞分裂方式──有絲分裂 (mitosis) 、減數分裂 (meiosis) ,透過製造新的細胞,讓生物體的發育、生長與繁殖成為可能。前者是如皮膚細胞、肌肉細胞、幹細胞等體細胞內進行,由一個母細胞分裂為2個具有相同染色體數量的子細胞,讓個體發育生長。減數分裂則是一種特殊細胞分裂方式,會使新細胞當中染色體的數目減半,製造出單倍體細胞,而每條染色體源自於其親代細胞,過程會發生在所有以有性生殖進行繁殖的單細胞或多細胞真核生物體內。

領導是次研究的台灣中央研究院細胞與個體生物學研究所助研究員陳振輝,多年來都以斑馬魚研究生物再生過程的細胞和分子機制,其團隊早已研發出多顏色活細胞標誌工具 (Palmskin) ,用過百種不同顏色來標誌不同表皮細胞,並能即時、高解析度追蹤斑馬魚表面所有皮膚細胞的動態行為。

在是次研究中,團隊以該具對年幼斑馬魚發育過程中的個別皮膚細胞進行追踪,他們需要每 12 小時就捕獲並麻醉這些只有 0.5 厘米長的魚,然後在高倍顯微鏡下了解當中的細胞變化。

團隊發現,在魚類生長的特定階段,一些皮膚細胞的最外層通過不是複制 DNA 的分裂方式進行細胞分裂。經歷了多達兩輪的細胞分,即一個母細胞竟可變成 4 個子細胞。不過,這些子細胞皆不具有完整的母細胞 DNA ,且形狀比母細胞小和扁。

一開始,團隊原本只以為是研究工具出錯,陳更質疑結果「為何跟教科書教的完全不同?」,更重複做了多次對照實驗,出現同樣結果。

然而,數周後發育好的斑馬魚已擺脫了這些不尋常的細胞,取而代之的是製造出含有正常 DNA 量的常規細胞。

團隊認為,這種被稱為「無合成分裂」的現象是種臨時措施,用於在快速生長期間擴大上皮細胞或外層皮膚細胞的覆蓋範圍。團隊利用數學幾何模型分析這發育階段的斑馬魚細胞體積變化定量,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。

陳振輝解釋,這種分裂方式能讓表皮細胞在資源有限情況下,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。

中研院細胞與個體生物學研究所所長李奇鴻表示,此研究顛覆過去近 200 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。由於斑馬魚是有脊椎動物,也是學界研究發育、再生反應及人類疾病常用的生物,他們預測新發現的細胞分裂方式,或許不只限於斑馬魚體表的表皮細胞,將會進行更多研究探索。

來源:

CNA, Taiwan scientists discover new form of cell division

台灣中央研究院 – 顛覆過去發現!中研院團隊首揭細胞「無合成分裂」登上《Nature》期刊

報告:

Chan, K.Y., Yan, CC.S., Roan, HY. & et al. (2022). Skin cells undergo asynthetic fission to expand body surfaces in zebrafish. Nature. doi: 10.1038/s41586-022-04641-0

文/AC、審/WL

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