文章專區

Take Home Message
•陳振輝團隊發現，斑馬魚出生後14～42天會經歷全身肌肉細胞的完全替換，改變了過去對脊椎動物發育的理解。
•團隊成功追蹤斑馬魚所有肌肉細胞的變化。透過細胞標誌、切片技術等長期且全面觀察後，發現細胞群體行為動態調控的關鍵。
•此發現為肌肉疾病治療提供新思路，各年齡層可能需要不同治療策略；此外，陳振輝也提出「個體同一性」的哲學問題供讀者思考。

 
如果全身的細胞在成長過程中會漸漸消失並被新生細胞完整取代，你，還會是同一個你嗎？
 

肌肉細胞的消失

在中央研究院細胞與個體生物學研究所陳振輝實驗室的顯微鏡底下，一條經過全身肌肉染色的斑馬魚（Danio rerio）仔魚（larvae）靜靜地躺著。在觀察仔魚細胞時，學生（Uday Kumar）發現牠的肌肉組織偶爾出現異常孔洞，一小部分的肌肉細胞出現不正常的變形（deform）。在發現此現象後，他們開始設計實驗工具，同時觀察、追蹤仔魚身上所有的肌肉細胞，以完整捕捉細胞群體行為變化的動態過程。連續28天的實驗結束後，他們發現意外的結果――斑馬魚身上所有的肌肉細胞都被分解，伴隨新細胞從孔洞中誕生，最終所有仔魚的肌肉細胞都被替換成新細胞！
 
目前，在發育生物學中對脊椎動物肌肉組織發育與生長機制的理解有兩種，分別為增生（hyperplasia）和肥大（hypertrophy）。增生是指肌肉幹細胞分裂並產生新的肌肉細胞，讓肌肉纖維的數量增加；肥大則是指肌肉幹細胞和現有的肌肉細胞融合，使肌肉纖維的體積增加。
 
「但我們發現在斑馬魚的仔魚階段，原本的肌肉細胞還會被完整地替換掉，所有成魚的肌肉細胞都是重新生長的。」陳振輝說道。在斑馬魚出生後14～42天，可觀察到肌肉細胞的增生和肥大，但同時一小部分的肌肉細胞也發生凋亡並被新生的細胞替換。陳振輝形容，此過程並不顯而易見，就像在檯面下悄悄進行的持續交易，不易被察覺但時間軸拉長卻有很大的影響。
 
要完整觀察並證實這檯面下的交易並不容易，需要精密的實驗設計和長期的觀察。陳振輝與學生運用實驗室所研發的多顏色細胞標誌技術（Brainbow），將所有肌肉細胞分別染上多樣且穩定的顏色〔註〕，並長期追蹤同一個體，直到所有已被染色的肌肉細胞消失、被替換為新細胞。為了進一步驗證，他們又以切片實驗記錄肌肉纖維縱剖面的變化，探討肌肉細胞在身體不同區域被分解的過程。此外，他們也利用獨立的實驗方法檢驗斑馬魚全身的螢光蛋白含量，證實原本被標誌的肌肉細胞最終都在替換過程發生後被完整移除。
 

〔註〕Brainbow技術利用三種不同顏色螢光蛋白（紅、藍、綠）表現的比例差異，以產生上百種不同顏色用以標誌不同的細胞。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；延伸閱讀1）。

 
歷經前前後後六年的實驗與投稿過程，終於在今（2024）年陳振輝與學生共同發表研究成果在《歐洲分子生物學組織期刊》（The EMBO Journal）（延伸閱讀2）。這項研究不只提出解釋斑馬魚發育過程的全身肌肉替換機制，開拓發育生物學中尚未有人探索的領域，也為肌肉疾病治療提供新的探索方向。此外，還為何謂「自我」的本質帶來哲學問題上的思考。……【更多內容請閱讀科學月刊第656期】