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中研院細生所陳振輝研究員
〈發現「無合成分裂」的曲折旅程〉演講報導

Take Home Message

• 由於想繪製出再生藍圖的想法，陳振輝踏上以多顏色標誌技術解構再生過程細胞行為的研究旅程。
• 12 年間他面對各項挑戰，而實驗中一次意外的發現，竟在後來成為突破性的研究，發表在《自然》（Nature）期刊。
• 陳振輝分享自己一路上所領悟的研究精神，強調科學家不會失敗、有自己的觀點、專心做一件自己覺得好玩的事情，還要勇於妄想。

實驗室的顯微鏡底下，銳利的刀片輕劃過魚尾組織，精確地切除斑馬魚尾鰭固定的面積。但不過一陣子，許多細胞就會開始在傷口邊緣快速移動、增生、修復傷口，數天後完整再生全新的尾鰭組織。這是斑馬魚（Danio rerio）的再生實驗。為了找出與再生能力調控有關的基因，這隻斑馬魚身上有隨機誘發的突變基因，如果尾鰭的再生出現問題，就可以回頭尋找突變點發生的位置及它所影響的基因。然而，突變發生在相關基因的機率非常低，想找到「再生基因」得全憑運氣。12年前，在美國杜克大學（Duke University）生物學家波斯（Ken Poss）實驗室的陳振輝，每一天都重複這項實驗，有時候一天要切上1000 多條斑馬魚。

一條彩色斑馬魚的夢

因為需要長時間在顯微鏡下觀察再生的過程，陳振輝對於再生從無到有的發生過程感受極深，他覺得「再生」在細胞的層級中其實和蓋房子很像。「你覺得蓋房子最重要的是什麼？」他認為蓋房子最重要的，是一張詳細的設計藍圖。有了設計藍圖，才可以知道每一層樓需要多少建材，要從何處開始建蓋，水管和電路要如何設計安排；就如同再生過程中，各式各樣不同的細胞一定也依循著某種既定的藍圖在進行移動、增生，最後建構出型態、功能完整的複雜組織。如果可以即時、完整記錄所有參與此過程中個別細胞的動態行為，是不是可以畫出一張最詳細的再生藍圖？某天就可以在人類身上把這個叫做「再生的房子」蓋起來？

陳振輝當時有個簡單的想法：多顏色細胞標誌技術（Brainbow）〔註〕可以提供一個很特別的機會，即時解構每一顆細胞在再生過程中扮演的角色，釐清複雜組織如何完整恢復的過程及它的調控機制。只不過要將這個簡單的想法實現並不容易，小小尾鰭的再生其實有上萬個不同種類的細胞 （比如皮膚細胞、骨骼細胞、神經細胞） 參與在其中。面對許多技術層面上的挑戰，一晃眼就是五年。

註：利用隨機表現三個不同顏色的螢光蛋白（紅、藍、綠），當三種螢光蛋白表現不同的比例，可以產生更多額外的顏色來標誌不同細胞。在理想的實驗條件下，有機會產生上百種不同顏色來標誌有興趣的細胞種類。由於此技術第一次的應用對象是腦神經細胞，因此被命名為Brainbow（brain + rainbow）。

聚沙成塔 跨出積累五年的一步

「當你在一個研究題目或技術上專注了多年的時間，通常這個過程會反過來改變你這個人和你看問題的觀點。」在2016 年陳振輝結合三種實驗技術——多顏色細胞標誌技術、活體長時間追蹤、大尺度定量分析——首次達到在再生過程中即時、同時追蹤所有皮膚細胞的動態行為，並將此技術另名為「Skinbow」（圖一）。

以「Skinbow」技術標誌斑馬魚的皮膚表皮細胞，藉由個別的表皮細胞具有不同的顏色，可以長時間追蹤、觀察組織再生的過程。（陳振輝提供）

這項初步的研究成果帶給陳振輝一些啟發。第一，BrainboW 的應用門檻高，許多細節須注意；第二，要結合上述三種不同的實驗技術，只有斑馬魚這個模式生物最適合；第三，全世界或許只有長時間跟這些技術奮戰的自己最適合這個研究方向。不過在恍然大悟的陳振輝面前，還有許多現實層面的挑戰等待著他。

彩色斑馬魚的實驗若要繼續進行，需要大規模的飼養空間、專屬客製化的影像設備，以及能看到此一研究方向潛力而願意全力支持的學術機構。很幸運地，中央研究院細胞與個體生物學研究所的謝道時前所長提供他最適合的環境。當陳振輝以為所有研究工具都到位的情況下，卻又馬上遇到下一道挑戰。

無合成細胞分裂

在探索表皮幹細胞行為的過程中，陳振輝和博士班研究生陳潔盈意外發現到表皮已分化的上皮細胞竟然會持續分裂，而且這些分裂的細胞不會在過程中複製DNA。由於目前已知的有絲分裂和減數分裂過程中都包含複製DNA 的步驟，因此他們觀察到的細胞分裂過程並不屬於任何一種。「當下不會去思考這是不是第三種的細胞分裂方式。」陳振輝表示，看見與教科書完全不同的發現，就像是突然看到外星人在地球出現一樣讓人難以置信。

要推翻過去多年來學界認定的現象，對科學研究者來說是充滿挑戰的。一方面若是能發現一個全新的生物現象，可以開創新的研究領域，是讓人興奮的一刻；但另一方面也有到頭來一場空的風險。在四年多的時間裡，研究團隊持續觀察與試驗，發現斑馬魚幼魚在特定的發育階段生長快速，表皮下層的表皮幹細胞以有絲分裂增生，但上層已分化的表皮細胞，不需要DNA 複製就可以直接分裂產生四個子細胞，是一個有效率延展體表面積的細胞機制。研究團隊將觀察到的現象定義為一種新的細胞分裂方式，終於，他們在2020 年12 月將成果投稿到《自然》（Nature）期刊。

但是此時嚴重特殊傳染性肺炎（COVID-19）疫情突然在英國升溫，使得研究團隊時隔兩個月才收到期刊的第一次審稿意見。好不容易收到的回覆，內容卻是四個審稿員多達60 幾道問題，需要一一詳細解釋。經過來來回回的審查、修改、補充數據之後，終於在今（2022）年5 月，第三種細胞分裂方式——無合成分裂（asynthetic fission），正式發表在《自然》期刊中，讓全世界見證這項挑戰學界對基礎生命現象了解的發現。

對於「發現的過程」，科學家怎麼想？

如果讀者從一篇新聞去看科學家光鮮亮麗的發表，其實很難看見研究團隊背後付出了多少血汗（有時還會加上淚）。陳振輝的斑馬魚細胞再生研究已經走了12 年，路途上充滿一次又一次的峰迴路轉。所以科學家都是怎麼想「發現的過程」呢？

‧ 研究的路上不會失敗
科學研究從來不是一條直線，從「觀察」到「發現」的過程總是曲折、充滿挑戰、沒有捷徑，而且無一例外，但是科學家不會擔心失敗。因為他們相信自己不會失敗——因為科學家不是剛剛克服完前一個挑戰，就是在往下一個挑戰前進的路上（圖二）。

圖二｜發現的必經過程。
陳振輝表示，科學研究從來都不是一條直線的道路，從觀察到發現的過程有90％的時間都在面對挑戰、解決問題。

‧ 要有自己的觀點
克服挑戰的過程要相信自己，但是也不可以盲目地前進，一定要有自己獨特的觀點。大部分領域裡的科學家都專注在觀察細胞的微構造，陳振輝因為一直很想繪製再生藍圖而有了不同的研究方向：在公分等級觀察細胞的集體行為。「珍奇異獸通常都躲在人煙稀少的地方！」也因為這個特別的觀點，陳振輝才有機會可以發現無合成分裂的生理意義。

‧ 專心地做一件好玩的事
陳振輝每個禮拜天都在實驗室餵魚，餵魚的時候都會回想到生命中一些特別的時刻，像是第一次拍到Skinbow 影像的當下。記得當時自己只有一個簡單的想法：「我想讓斑馬魚身上的每一個細胞都變成這樣！」因為科學家都在專心地做一件自己覺得好玩的事情，他們才能一直堅持下去。「因為發自內心覺得很好玩，所以才會想盡辦法，讓學生、助理、期刊編輯和審稿員都覺得好玩！」

‧勇敢去妄想

最後、也是最重要的一件事，要知道自己的妄想是什麼。「妄想」（delusion）和「夢想」（dream）不一樣，它可以支撐我們走過最痛苦、掙扎的時刻。他以各種人物作比喻：「就像《灌籃高手》（SLAMDUNK ／スラムダンク）裡面的赤木，即使再打下去腳會斷掉、再也不能走路，他還是要上場打球，只因他想『稱霸全國』；還有中研院的廖俊智院長，每一次演講都會提到要『阻止全球暖化』的決心；而我自己的妄想，就是繪製『最完整的再生藍圖』。有了妄想，才會不計代價且樂在其中。」「請問你的妄想是什麼呢？」陳振輝問道。

用「wow」的態度迎接挑戰

陳振輝鼓勵所有正在路途上努力的人，不論是實驗結果不如預期、難以解釋，或是論文被拒絕，又或是個人心情低迷、團隊士氣低落時，都可以用wow這個字來轉換看事情的角度。

無合成分裂的意外發現，只是研究工作長遠路途的一隅。背後的調控機制尚有待更多的研究，而這種分裂方式是否會發生在皮膚細胞之外的其他細胞、組織，甚至不同的物種上？讓人充滿想像。顛覆想像的意外發現，除了是再生機制裡一小塊缺失的拼圖，或許也會有機會影響其它領域，像是癌症 （不正常的細胞分裂） 或是傷口癒合 （加速的細胞分裂） 等研究。抱持樂觀、對意外發現充滿好奇與熱忱的態度，陳振輝將與研究團隊繼續向繪製「全彩再生藍圖」的道路上前進。

2022「中研講堂」宜蘭場

本文感謝陳振輝研究員協助校稿，提供圖片及精彩的演講內容。

延伸閱讀
1. Chen, C.H., et al. (2016). Multicolor cell barcoding technology for long-term surveillance of epithelial regeneration in zebrafish. Developmental Cell, 36,668–680.
2. Chan, K.Y., et al. (2022). Skin cells undergo asynthetic fission to expand body surfaces in zebrafish. Nature, 605, 119–125.