[整合生物學] C. elegans: a transparent window on neurobiology 潘俊良教授 臺大醫學院分子醫學研究所

合影

演講者 潘俊良教授 臺大醫學院分子醫學研究所

主持人 張俊哲 教授 臺大昆蟲系

編輯 / 記錄: 林宥孜 


摘要 (Abstract)

講者首先介紹他的研究工具: 線蟲。線蟲身體透明,像個窗戶,不用切片染色,就可利用活體發出螢光,觀察其身體內部構造。另外,線蟲有遺傳優勢,研究線蟲的科學家建立了資料庫,免費公開,使研究透明化。因此,才將題目訂為C. elegans: A Transparent Window on Neurobiology

人工智能的出現讓大家開始思考,知性、智力等東西的基礎是甚麼。人腦、其他動物的神經系統及半導體界面有個共通性,就是非常依賴相連性,這種神經細胞連結的概念,稱為Connectome。早在一百多年前,科學家就利用染色來觀察、描述小鼠大腦的連結,許多細胞有獨特的連結方式,但當時只能記錄,無法得知這種連結是如何形成的,直到分子生物學出現,Sydney Brenner開始利用基因來思考神經如何連結及大腦如何形成,一開始,他希望利用電子顯微鏡來觀察線蟲神經系統,並重新建構神經系統的連結,但在1960年代,處理如此大量資料非常困難,直到二十年後,才建立了第一個線蟲的初步線路圖,希望能知道線蟲所有神經細胞的連結方式。他利用線蟲這種生物,開啟了神經科學研究的一扇大門。之後人們開始利用神經細胞的剔除或基因突變,來進行神經細胞的功能探索。

講者今天利用兩個例子來告訴大家,如何利用線蟲、傳統的分子生物學、細胞生物學方式來研究兩個神經細胞的連結。這兩個例子都與Actin有關。Actin在神經細胞形態上扮演了重要角色,是Dendritic spines 的重要構造,Actin會接受來自細胞外各式各樣的訊號並傳遞到細胞內。

第一個例子為Dendrite Axon黏著性的交互作用。線蟲的有個神經細胞稱為PVDPVD有許多分支,用以感受可能對線蟲造成傷害的訊息。PVD附近有其他細胞的AxonPVD靠在一起,最明顯的是ALA,將綠色螢光蛋白切成兩半,表現在不同細胞上,如果兩個細胞靠得夠近,綠色螢光蛋白可以重新接合,就會產生螢光,PVDALA間就有一段連續的綠色螢光。另外一個細胞CAN,也會與PVD靠近、產生螢光,但並不連續,因此,要用其他方法證明,是ALA而不是CAN會對PVD的功能造成影響。將ALA剔除後PVD的樹突就會到處亂長,證明ALA會引導PVD的生長,在sax-7突變株中,PVD會亂長,將SAX-7表現回ALA上,PVD又可以長回正確位置,若將SAX-7放到PVD上,PVD無法正常生長,因此可以知道SAX-7ALA傳遞給PVD的訊號,而不是一個Receptor,若將SAX-7表現到上皮細胞上,PVD則會被吸附兒貼著上皮生長,證明SAX-7會引導PVD生長。而PVD上也必須有個可以接收SAX-7訊號的Receptor,此ReceptorSAX-3。將sax-7及在PVD上的sax-3基因雙重突變後,即使表現SAX-7在上皮細胞,PVD也無法往上皮細胞生長,因為PVD上失去了SAX-3這個Receptor,證明了SAX-3PVD上負責接收SAX-7訊號的Receptor。為了進一步證明SAX-7SAX-3會結合,講者將細胞分成兩群,在其中一群上表現SAX-7及紅色螢光蛋白,另一群表現SAX-3及綠色螢光蛋白,將兩群細胞放在一起震盪,發現兩群細胞會聚在一起,證實SAX-7SAX-3會互相結合,並在藉由F-actin使PVD正常生長。在線蟲體內,若SAX-7SAX-3都有正常表現,PVD的樹突生長錐會呈現規律的動態變化。若其中一個基因產生突變,PVD樹突生長錐會異常增大而喪失動態變化,造成PVD無法正常生長。將ALA中的SAX-7剪除,會發現線蟲移動時的身體弧度,變得沒有規律,因此可以知道,PVD樹突的生長,對線蟲的運動功能有很重要的影響。

第二個例子為兩個Dendrite 互相排斥。同樣從PVD分支出來的三級結構,並不會碰在一起。不同神經細胞不會互相交叉稱為tiling,同一個神經細胞長出來的分叉不會互相重疊稱為self-avoidanceWntless可以幫助Wnt 從細胞中分泌出去,在線蟲裡叫做MIG-14。在MIG-14正常的線蟲中,PVD Dendrite分支出的三級結構間會有空隙,會產生self-avoidance。但在MIG-14突變的線蟲中,PVD三級構造常常會產生交疊的現象,而在果蠅中也有同樣現象。在正常的線蟲下,dendrite碰在一起產生self-avoidance的過程不到三分鐘,但在MIG-14突變的線蟲中,長達10分鐘的時間以上Dendrite都無法分開。將Wntless同時表現在ALMAVM這兩個緊密相連的細胞上,發現有很大的比例會使這兩個細胞緊密連結的部分分開,若只表現在其中一個細胞,則不會有分開的現象。所以Wntless除了有分泌Wnt 的功能外,也有使Dendrite互相分開的功能,而且同樣是透過F-actin來控制,在Dendrite 的尖端快碰觸在一起時,F-actin訊號會升高,產生回拉的動作,避免Dendrite尖端互相碰觸。

同樣是Actin卻有完全相反的功能,之後會繼續探索線蟲神經細胞的其他功能、雄性線蟲的神經連結及線蟲休眠時神經系統的變化,希望可以利用研究線蟲神經系統,更清楚的瞭解人類大腦如何產生智能、情緒,及更清楚知道人類大腦的工作模式。

心得 (Report)

    聽完講者的演講,瞭解到他們做實驗的嚴謹度、不放棄的實驗精神,以及c.elegans對於研究的貢獻。神經系統無法單一研究,而是要研究整個神經網絡才能得知其作用機制,非常複雜卻也相當有趣,因應近年來人工智慧發展迅速,以模式生物來探討神經功能的研究實在非常重要,希望有一天,能徹底解開人類大腦的秘密。

Q&A

Q : 如何針對ALA 表現SAX-7 ?

A : 利用特定細胞才會表現特定基因的特性,去刺激該特定基因的啟動子,造成基因表現。

Q : 科技應用於醫療可能性?

A : 目前一些機械手臂運用於手術,AI運用於基礎的病理判斷。

活動花絮

花絮

花絮

花絮