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一解成體神經幹細胞的胚胎來源和發育分化之謎

摘要圖片,胚胎與成體神經幹細胞分化上有其相似之處,且在胚胎時期就已經決定在出生後神經幹細胞分化的方向。CELL, Accepted manuscript. doi:10.1016/j.cell.2015.05.041

由 Alvarez-Buylla 領軍的團隊利用反轉錄病毒基因標記庫的分析技術,成功建立胚胎發育時神經幹細胞特化的時間軸。在胚胎發育早期,這些神經幹細胞早早就決定好將來的命運,並在特定的區域待命,直到出生後才重新上工。

阿茲海默症、帕金森氏症等神經退化疾病長久以來都找不到適合的治癒的方法。根據流行病學研究的預測指出,在 2040 年後,神經退化性疾病將取代癌症成為北美地區第二大死因。神經幹細胞研究一直以來都是神經退化疾病治療的希望明燈,各個研究團隊都對神經幹細胞投入大量研究,以期待能了解神經幹細胞分化為各種神經細胞的機制。未來希望能將夠將神經幹細胞分化成各種神經細胞替代受損神經元,或藉了解神經幹細胞來源和發育過程來找到延緩神經退化的重要因子。[2,3]

然而在如火如荼的研究之時,胚胎幹細胞的使用也帶來人類未曾預見的道德爭議。人類胚胎幹細胞研究須先破壞人類胚胎,從囊胚中取出內部細胞以製造胚胎幹細胞。人類胚胎的使用引起了胚胎是否為生命等相關的倫理問題。在 2002 年時,大部份國家完全禁止人類胚胎幹細胞的使用,而德國和美國只允許以已有的細胞株進行研究。日本等國和台灣允許使用人工流產或人工生殖遺下的多餘胚胎來製造新細胞株進行研究。[2,3,4]

在倫理問題的巨山之前,山不轉人轉,京都大學山中伸彌教授(Shinya Yamanaka)使用四個轉錄因子(SOX2,OCT4,KLF4 和 c-Myc),將成體老鼠的皮膚纖維母細胞(fibroblast)誘導形成誘導性多潛能幹細胞(induced pluripotent stem cell,iPSC),同胚胎幹細胞,誘導性多潛能幹細胞可分化生成所有種類的細胞,化解了破壞胚胎的倫理問題,為幹細胞研究開創新局,此重大突破也獲得了 2012 年諾貝爾生理醫學。誘導性多潛能幹細胞的出現,將幹細胞治療更推向臨床一步,但其安全性和是否有癌化風險仍在評估之中。

不同於使用誘導性多潛能幹細胞分化成目標體細胞,UCSF 的團隊踏上另一條路:藉由了解成體神經幹細胞(Somatic stem cells)如何從胚胎發育而來,和釐清其與胚胎幹細胞的關聯性,以了解成體幹細胞如何維持或獲得再生潛能,未來有機會進一步嘗試誘導其成為不同種類的神經細胞來治療神經退化疾病。[1,5]

舊金山的研究者們解答爭議已久的成體神經幹細胞胚胎來源和發育分化的問題;首先是驗證了 Postnatal neural stem cells(Postnatal NSC,B1 cells)的胚胎來源,並解答了 B1 cells 和胚胎神經幹細胞的是否擁有相同的先驅(Progenitors);另外他們進一步探討 Postnatal neural stem cells 如何形成不同種類嗅球神經(olfactory bulb neurons)。[5]

該團隊分為兩個角度切入神經幹細胞的胚胎來源:

第一,整合過去對神經幹細胞的胚胎來源的認識,並以實驗驗證 Neuroepithelial-Radial glia cells( RGs )與 Adult NSCs 的線性關聯和前後次序。他們在實驗中清楚解釋了 postnatal adult NSCs 的前驅細胞(pre-B1 cells)由胚胎細胞中 RGs 分裂而來,並提出是在小鼠胎兒發育中期(13.5-15.5 天間)生成,並直到小鼠出生後,才開始生成不同種類的神經細胞。此實驗解答了pre-B1 cells是否由胚胎細胞發育而來,並提出清楚的發育時期,本文也驗證了 pre-B1 cells 會持續保持不活化,直到要繼續分化成神經細胞。[1]

第二,他們也驗證了胚胎發育時,生成嗅球聯絡神經元之 pre-B1 cells 的根源細胞與生成位於端腦(telencephalon)其它部位神經元 NSCs 的先驅細胞(Progenitor cells)相同,並觀察到在胚胎發育 11.5-15.5 天之間兩者共同的根源細胞會快速下降,顯示在15.5天之後兩者開始分化為不同細胞。第二部份結果與第一部份結果相呼應,pre-B1 cells 在胚胎發育後 13.5-15.5 天之間可能是由根源細胞的 Radial glia cells分裂形成,完整解釋了成體細胞幹細胞的胚胎來源。[1]

研究團隊進一步解答了另一個神經細胞發育問題:postnatal adult NSCs 如何生成不同種類的神經細胞,實驗發現了嗅球神經細胞的種類和擁有同先驅細胞發育形成的前腦細胞種類有關聯性,推測兩者因為共同保留了先驅細胞在胚胎的位置資訊而因此依位置特異性,分別形成特定的嗅球神經和前腦細胞。[1]

於是,這項成果解答了成體神經幹細胞的胚胎來源,和其如何發育成不同種類神經細胞的長久爭議。不但將神經細胞再生的可能性往前推進一大步,也可能提供神經幹細胞分化成各種神經細胞的新路徑,應用於治療神經退化疾病。[1]

胚胎神經幹細胞不同的區域決定了成體神經幹細胞的分化方向。CELL, Accepted manuscript. doi:10.1016/j.cell.2015.05.041

撰稿 | 郭曉臻

修訂 | 林偉強

參考資料:

  1. Fuentealba, L. C., Rompani, S. B., Parraguez, J. I., Obernier, K., Romero, R., Cepko, C. L., & Alvarez-Buylla, A. (2015). Embryonic origin of postnatal neural stem cells. Cell161(7), 1644–1655. http://doi.org/10.1016/j.cell.2015.05.041
  2. Kornblum, H. I. (2007). Introduction to neural stem cells. Stroke, 38(2 Suppl), 810-816. doi:10.1161/01.STR.0000255757.12198.0f
  3. Ma, D. K., Bonaguidi, M. A., Ming, G., & Song, H. (2009). Adult neural stem cells in the mammalian central nervous system. Cell Research19(6), 672–682. http://doi.org/10.1038/cr.2009.56
  4. Breunig, J. J., Haydar, T. F., & Rakic, P. (2011). Neural stem cells: historical perspective and future prospects. Neuron, 70(4), 614-625. doi:10.1016/j.neuron.2011.05.005
  5. Gage, F. H., & Temple, S. (2013). Neural stem cells: generating and regenerating the brain. Neuron, 80(3), 588-601. doi:10.1016/j.neuron.2013.10.037

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