不用 DNA 複製也行?第 3 種細胞分裂模式「無合成分裂」登上《Nature》期刊

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長年以來,DNA 複製都被認為是體細胞增生過程中關鍵一環,然而中研院研究團隊卻意外在斑馬魚表皮細胞研究中發現一種非典型細胞分裂機制,能在不經過 DNA 複製過程下完成分裂。由於此項發現相當於打破過去近百年來對細胞分裂的認知,研究論文在近期登上《自然》(Nature)期刊後已並獲專文推廣。

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快速生長期的臨時方案:只增生不複製 DNA

這項突破性研究是中研院細胞與個體生物學研究所助研究員陳振輝團隊發表,研究團隊原本是希望透過斑馬魚表皮細胞探索生物再生過程的細胞和分子機制,但卻意外在過程中觀察到表皮細胞的大量分裂情況。由於這種全新的細胞分裂模式不須經過 DNA 複製,也因此被命名為「無合成分裂」(asynthetic fission)。

只是雖然看似方便,未經過複製 DNA 的過程仍可能為子細胞帶來許多問題,而團隊也確實在觀察過程中注意到一些特殊情況,像是細胞的 DNA 劃分不完全或甚至分裂失敗,這也讓研究人員更加好奇,無合成分裂究竟是為什麼出現?

陳振輝助研究員認為,無合成分裂可能是表皮細胞的一種臨時方案,目的只是因應快速生長期間迅速增長的表皮覆蓋需求,透過多色細胞標誌工具「Palmskin」追蹤,團隊也證實無合成分裂確實在幼魚發育的快速成長期達到最高峰;在這段期間,表層體細胞的單一母細胞在其生命週期內可以分裂 2 次,產生最多 4 個子細胞,儘管子細胞更小、更扁平也不具有完整 DNA,它們卻能提供更大的表皮覆蓋面積。隨著幾周過去成長趨漸穩定,這些未完整攜帶 DNA 的「臨時工」也逐漸被正常細胞所取代。

如何觸發?是否在其他生物身上出現?無合成分裂機制仍有待探索

研究團隊推測,無合成分裂或許主要仰賴生物成長時表皮張力的動態變化來控制。後續針對離子通道蛋白 Piezo1 的實驗顯示,刺激 Piezo1 後表皮細胞無合成分裂現象增強,反之抑制 Piezo1 基因表達後無合成分裂也隨之減弱,團隊還嘗試透過不同密度飼養來控制幼魚生長速度,同樣也發現表皮細胞的無合成分裂率出現變化。

值得一提的是,團隊還注意到 Piezo1 被抑制的幼魚仍展現出正常的身體生長速度,了解基底層的前驅細胞(progenitor cell)是否因補償機制增加分裂又或是其他適應性生長機制起作用,都將是未來有趣的研究方向。透過基因工程技術分析,或有助確定無合成分裂模式是否真正獨立於細胞週期調節和檢查點機制。

儘管還有許多問題留待解答,陳振輝助研究員認為,考量到斑馬魚屬於脊椎動物,同樣也是科學家經常用來研究人體疾病的模式生物,這種低成本、高靈活度的細胞分裂模式或許不只發生在斑馬魚表皮細胞上,只是目前對無合成分裂的了解仍相當有限,深入了解機制及將是未來的研究重點。

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參考資料:
1. https://www.nature.com/articles/d41586-022-00790-4%C2%A0

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