Science:失去的眼睛竟然還能重新長出來!

如果在淡水中生活的小型真渦蟲地中海圓頭渦蟲(Schmidtea mediterranea)的眼睛有發生什麼意外,它們可以在幾天內讓眼睛長回來!但是它們是如何做到的呢?美國Whitehead研究所的Peter Reddien實驗室多年來持續在研究它們的機制。

 

路標細胞帶領軸突將神經元連接大腦

近期在《Science 》雜誌上發表的一篇論文,Reddien實驗室的研究人員發現了一種新型細胞,在這種真渦蟲完成它神經迴路的重建時,該種新型細胞很可能可以作為一種“路標(guidepost)”,幫助它們將軸突從眼睛傳遞到大腦。

地中海圓頭渦蟲的眼睛由捕捉光線的感光神經元組成,這些神經元透過的長而刺狀的突起(稱為軸突)連接到大腦。它們利用眼睛對光線的反應來幫助他們在環境中導航。

真渦蟲是研究再生的常用模型,它們可以在身體的幾乎任何部位再生。眼睛是一個有趣的研究部位,因為再生視覺系統需要真渦蟲重新連接它們的神經元以將它們連接到大腦。

 

一般路標細胞只在發育中作用,成年後就失去功能

當神經系統在胚胎中發育時,第一條神經纖維(稱為先鋒軸突)蜿蜒穿過組織,形成感知和解釋外部刺激所需的神經迴路。軸突在稱為「路標細胞(guidepost cell)」的特殊細胞的幫助下得以發展。這些特殊的細胞被安置在選擇點(軸突的路徑可能會在不同的方向發生分叉)的位置。

在許多生物中,一旦完成發育,這些路標細胞就不再重要,且通常成年後也不再更新。這就是為什麼當人類遭受大腦或神經損傷時,傷害通常是永久性的原因之一。

論文作者、同時也是麻省理工學院生物學教授、Howard Hughes研究所的研究人員Reddien說:「這是我們從未思考過的再生之謎。當神經系統的原始發育通常涉及許多被認為是短暫的提示時,成年動物要如何才能再生功能性的神經系統?」

 

真渦蟲身上的神秘細胞具有肌肉組織中才有的標記

在2018年,Reddien實驗室的科學家Lucila Scimone在成年的真渦蟲身上發現了一群令人驚訝的神秘細胞:它們看起來像是在引導生長中的軸突發揮作用。她之所以注意到這組細胞,是因為它們共同表現了兩個不經常同時見到的基因,其中一些明顯靠近眼睛。

Lucila Scimone說:「我被這些細胞吸引住了。」在她檢查過的每隻渦蟲中,有觀察到這些神秘細胞的數量很少(普通的真渦蟲可能約有5個;較大的真渦蟲可能多達10個)。它們被分為兩個不同的組:一些在扁蟲的眼睛周圍,另一些沿著通往大腦中心的路徑隔開。當她追踪從渦蟲眼到大腦的現有軸突的路徑時,它們毫無例外地與這些細胞的位置重合。

當研究人員對細胞進行表徵時,他們發現它們並沒有表現任何作為感光神經元標誌的基因。相反地,它們具有經常在肌肉組織中發現的標記。Scimone說:「這非常令人驚訝,因為這不是肌肉細胞在大多數動物中的作用。」

似路標的肌肉細胞(紅色) 與真渦蟲視覺系統內的軸突(黃色) 的連接。

 

肌肉細胞充當路標,可能嗎?

在其他生物中,路標細胞通常是神經元或神經膠質細胞。肌肉細胞充當路標的作用是不尋常的。但是Reddien實驗室過去的研究已發現,真渦蟲肌細胞還扮演著其他特殊角色,例如分泌細胞外基質。現在,研究人員想知道他們是否可以將路標的作用添加到真渦蟲肌細胞的一長串功能中。

為了檢驗他們的假設,研究人員設計了一系列實驗。Reddien實驗室的博士後研究員Kutay Deniz Atabay說:「我們開發了一種眼睛移植方法,你可以將一隻動物身上取下的眼睛移植到另一隻動物中。如果你移植的位置合適的話,那隻眼睛的軸突投影,基本上可以正確地將自己連接到大腦中,進而轉變為有功能狀態。」

 

圖片來源:Science, 2020, doi:10.1126/science.aba3203。

 

肌肉細胞獨立於視覺

研究人員還透過基因工程改造,創建了具有肌肉細胞但沒有眼睛的渦蟲,然後將眼睛移植到他們的沒有眼睛的頭上。果然,神經元正常生長,向肌肉細胞彎曲,然後在遇到肌肉細胞後再調整它們的軌跡。

如果沒有這些肌肉細胞,情況就不同了。當研究人員將眼睛移植到沒有這些肌肉細胞的真渦蟲其他較遠的部位時,感光神經元就不會連接到大腦中樞。同樣地,當他們將眼睛移植到經過修飾而沒有這些肌肉細胞的渦蟲中時,它們的感光神經元仍在生長,但它們無法正確佈線以到達大腦。

這些發現綜合起來顯示,這些肌肉細胞完全獨立於視覺系統-它們並不是因爲眼睛或感光神經元而形成的,而是可能在這些神經元生長之前就已經建立了-這為它們具有路標作用提供了更多證據。

 

細胞與軸突之間的信號交流目前尚不清楚

然後,這些細胞的類似路標的活動引出了一個問題:細胞本身如何知道應該在哪裡?Reddien說:「我們發現肌肉中存在一種信號分子的模式,會決定這些細胞的位置。如果我們干擾系統的全局位置信息,這些細胞將可能被放置在錯誤的位置,然後軸突將也會被延伸在錯誤的位置,因此我們認為有一個位置信息框架可以在再生過程中放置這些細胞,進而使它們能夠在正確的位置上發會路標的作用。」

目前研究人員還不完全知道這些細胞是如何與不斷增長的軸突進行交流,以充當路標的作用。它們可能正透過釋放某種吸引軸突的信號分子,或者可能通過使用跨膜蛋白進行交流。

 

未來可基於這項研究的基因列表,更深入研究再生醫學領域

Reddien說:「這將是未來的一個令人興奮的研究方向。我們現在已經鑑定出了細胞的轉錄組,這意味著我們知道了這些細胞表現的所有基因。這提供我們一個有趣的基因列表來進行功能探測,以利我們查看哪些基因在介導這些細胞的功能。」

這項研究的結果讓擴大再生醫學領域又往前邁了一步。研究作者之一Atabay說:「想像一下有人遭受脊髓損傷、眼部損傷或中風導致神經迴路喪失的情況。我們至今無法完全治愈這些病例的原因是,我們缺乏有關這些系統如何再生的基本信息。研究具有再生能力的生物提供了很多見解。就這項研究而言,我們觀察到光了解再生丟失的系統可能還遠遠不夠,還需要正確地對該系統進行模式化的再生系統。」

 

 

參考資料:
1. M. Lucila Scimone et al. Muscle and neuronal guidepost-like cells facilitate planarian visual system regeneration. Science, 2020, doi:10.1126/science.aba3203.
2. Rachel Roberts-Galbraith. Guide cells help navigate axon regeneration. Science, 2020, doi:10.1126/science.abc8066.
3. These muscle cells are guideposts to help regenerative flatworms grow back their eyes

 

 

Ying Chang

作者

Ying Chang

曾在醫療相關領域工作三年,包含醫療耗材、檢測服務、扶持計畫等。希望能將更多生醫知識和即時消息分享給關注健康醫療的你們!

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