發布時間: 2024-07-18
自19世紀以來,科學家們發現在生命發育的過程中,細胞會迅速增生並分化出多細胞生物體上的各種組織與器官,但增生的同時為什麼會伴隨大規模的細胞死亡?這是一道百年未解之謎。本院分子生物研究所陳昇宏助研究員的研究團隊,首度發現「活性氧化物」1所造成的鐵死亡觸發波(ferroptosis trigger wave),是造成大規模細胞死亡之因,為胚胎發育提供了一種新的解釋。此研究成果於本(2024)年7月登上國際頂尖期刊《自然》(Nature)。
在今(18)日成果發表會,本院唐堂副院長表示,研究團隊結合了生物及數理的專長,研究的關鍵突破在於以創新系統生物學方法,結合數學建模,驗證鐵死亡觸發波的細胞訊號傳導迴路,為器官生成過程提出重要研究解釋。
運用化學與基因調控模擬 讓百萬細胞死亡的神祕藏鏡人現蹤
有別於一般的細胞凋亡和壞死,細胞的鐵死亡為近年科學界所發現的另一種細胞死亡方式,但科學家對其還認識不多。本研究運用化學與基因的量化調控發現,活性氧化物的「訊息回饋迴路」2,是鐵死亡觸發波發生與傳播的主要機制。陳昇宏指出,不同於單次造成兩、三個細胞死亡的擴散作用,由活性氧化物引起的鐵死亡觸發波一次可使動輒數百萬個細胞死亡。
巧奪天工的生命雕刻師:鐵死亡觸發波
鐵死亡觸發波的機制,是透過化學訊號將細胞的開關打開,當細胞接收到訊息後,再傳給下一個細胞,類似骨牌效應的概念。研究團隊使用24小時不間斷的細胞縮時動態攝影,結合大數據影像分析,發現鐵死亡觸發波可藉由化學訊號的連續觸發,進行長距離、無邊際的等速傳播。陳昇宏提到,「就像在雕刻一件藝術品一樣,鐵死亡觸發波引起的大規模細胞死亡,可以清除大面積的臨時組織。」
這篇論文的第一作者為本院國際研究生分子與細胞學程許碧領(Hannah Katrina C. Co)博士生以及吳嘉洲博士後研究學者。許碧領解釋,鐵死亡觸發波的化學訊號可以透過自我再生的方式,在細胞間進行傳遞。吳嘉洲說明,建立鐵死亡觸發波的數學模型就像堆疊積木,仔細挑選並組合適當的方程式,一步步打造能夠反映生命動態的邏輯結構。研究團隊補充,活性氧化物由體內生成,研究觀察到鐵死亡觸發波在生命發育中,展現出一套獨特的細胞演化記憶。至於這種機制在哪些特定的發育階段尤其重要?研究團隊表示這是下一階段的研究重點。
持續探討生命演化的死亡記憶 生物醫學、癌症治療研究方面現新猷
在生命發育過程中,細胞的增生和死亡均在器官生成的過程扮演不同作用,在演化的長河裡,大規模細胞死亡的發生與調控仍是個未解之謎。這項開創性的研究不僅是對細胞大規模死亡的學術探討,亦提出「鐵死亡觸發波」擔任雕琢生命之手的角色,有助於為生物醫學裡的癌症治療提供新的解方。
1 活性氧化物(Reactive Oxygen Species, ROS)是生物體內進行有氧代謝時產生的,包括:過氧化物和含氧自由基等。過多的活性氧化物會對細胞和基因結構造成損壞。
2 訊息回饋迴路(Feedback Loops)包括:鐵介導的Fenton反應、NADP氧化酶信號傳導和谷胱甘肽合成途徑。
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陳昇宏助研究員,中央研究院分子生物研究所
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張大鏞,中央研究院秘書處媒體公共事務小組
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