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中研院發現脊椎動物「變身」機制 打破對發育認知

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中央社 記者吳欣紜台北19日電

許多昆蟲在發育過程會進行大規模的組織替換,中研院透過斑馬魚研究發現肌肉細胞有完全分解替換機制,打破學界對脊椎動物發育的基本認知,研究成果登上國際期刊。

蝴蝶和甲蟲在發育過程會發生大規模的組織替換,比如「全變態」和「半變態」,過往學界認為這是昆蟲特有的發育機制;相較於昆蟲,脊椎動物在發育過程中外觀上的變化雖有限,但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,是一個未被探究的研究課題。

中研院細胞與個體生物學研究所副研究員陳振輝研究團隊近日發現,脊椎動物也有全身肌肉細胞分解、替換機制,研究論文6月登上國際期刊「歐洲分子生物學組織期刊」(EMBO J) 。

陳振輝接受中央社記者訪問時指出,過往學界對於脊椎動物發育的認知,是認為肌肉的生長是由肌肉幹細胞不斷分裂、增生形成更多肌肉細胞,或是經由肌肉幹細胞跟已存在的肌肉細胞融合,增加個別肌肉細胞的體積,來促成整體肌肉組織的生長及個體發育。

然而,這次研究團隊利用多顏色活細胞標誌技術來研究斑馬魚,卻發現斑馬魚仔魚的肌肉細胞在發育過程中會被完全分解、替代,所有成魚的肌肉細胞都是重新生成。

陳振輝表示,過去學界理論認為肌肉是經由已存在的肌肉細胞因為分裂變多、或是因為融合變大來讓小魚長成大魚,但這次研究發現,除了這兩個機制,其實仔魚已存在的肌肉細胞還會被分解、替換,就像小孩換牙一樣,仔魚肌肉會逐漸更新,最終完全轉換成大小、型態、功能完全不同的成魚肌肉。

由於研究結論挑戰學界對脊椎動物發育的基本認知,陳振輝說,審查過程中收到很多質疑,包含「替換範圍真的是全身肌肉嗎」、「研究工具是否有瑕疵」、「為什麼替換需要發生」、「成魚肌肉也會替換嗎」等,因此團隊也用其他方式來驗證自身研究成果,從一開始投稿到最終被接受耗費超過一年半,若加上4年半的研究時間,總計是橫跨6年的工作。

陳振輝也提到,這樣的研究成果其實不僅止於發現脊椎動物的肌肉分解替換機制,也讓人意外思考到哲學上的問題。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體,「2000年前普魯塔克提出的『忒修斯之船悖論』竟可以用來類比脊椎動物的發育過程」。

此外,這樣的肌肉分解替換機制或許能激發思考再生醫學的研究方向。陳振輝舉例,有些年長的人會有肌少症,若想解決肌少症,到底應是要朝促進肌肉幹細胞活性的方向思考,還是專注發展策略以維持既有的肌肉細胞,這是值得進一步探討的。

此研究論文第一作者為中研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。研究經費由中研院細生所、院內前瞻計畫、關鍵種子計畫及國科會支持。

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