除了有丝分裂、减数分裂外的第三种细胞分裂模式？中研院团队发现斑马鱼表皮细胞的「无合成分裂」

颠覆过往百年来的细胞分裂研究新发现！中央研究院细胞与个体生物学研究所（以下简称中研院细生所）助研究员陈振辉团队，发现斑马鱼（Danio rerio）发育时的一种独特细胞分裂方式，在分裂过程不需要复制遗传物质（DNA），命名为「无合成分裂」（asynthetic fission）。该篇研究於今（2022）年4月发表於《自然》（Nature）期刊。
细胞分裂是现生所有生物体生长的基础，透过制造出新的细胞，生物便能执行发育、生长、繁殖等行为。自1853年德国植物学家冯莫尔（Hugo von Mohl）首次观察到细胞分裂以来，过去180年大家只知道二种细胞分裂方式，分别是「有丝分裂」与「减数分裂」。其中有丝分裂是指体细胞（如皮肤、肌肉细胞）由一个母细胞，分裂为二个具有相同染色体数量的子细胞，藉由有丝分裂，生物个体得以发育、成长；而减数分裂则由生殖细胞的母细胞，分裂为四个染色体数量仅有母细胞一半的子细胞（如精细胞、卵细胞），有助於个体的有性生殖。
研究团队以斑马鱼作为研究对象，长期深入探索生物再生过程中的细胞与分子机制。而为了能即时并以高解析度追踪斑马鱼体表每一个皮肤细胞的动态活动，他们更研发出多颜色活细胞标志工具「Palmskin」，以上百种不同的颜色标示出不同表皮细胞。在研究过程中，团队意外发现斑马鱼在个体发育的一个特定阶段中，原先被认为不会分裂增生的最表层体细胞（即表皮细胞）的单一母细胞居然能分裂二次，最终产生四个子细胞，且这些子细胞都不具有完整的母细胞DNA。此外，研究团队更发现分裂後的表皮子细胞形状变小、变扁，为什麽斑马鱼的表皮细胞需要采用这种分裂方式？这与个体发育成长过程遇到的挑战有关吗？
为了解答斑马鱼表皮细胞分裂之谜，团队以数学几何模型为基础，与中研院化学研究所研究员许昭萍、颜清哲一同合作，定量分析斑马鱼的表皮细胞的体积变化，发现斑马鱼的单一表皮细胞在经过二次「无合成分裂」後，整体表面积将增加六成。表皮细胞的表面积增加，对於斑马鱼的生长、发育有哪些好处？陈振辉表示，由於斑马鱼幼鱼在特定发育阶段的生长速度极快，为了维持生物体稳定的皮肤双层结构，下层的表皮干细胞会以「有丝分裂」增生，但上层已分化完成的表皮细胞已丧失此能力，因此才会转向「无合成分裂」的模式，以求快速增加幼鱼的体表面积。
藉由这种无合成分裂，能让斑马鱼的表皮细胞在资源有限的情况下，得以快速且有弹性的延展开来，有效率地增加牠的体表局部面积，并维持斑马鱼表皮细胞的稳定覆盖率，可说是一种斑马鱼幼鱼在特定发育阶段采用的应急策略。尽管目前研究团队对於「无合成分裂」的了解尚处於初步阶段，但斑马鱼已是常见於研究个体发育、再生反应、人类疾病时的重要模式生物。或许此种新型态的细胞分裂方式，不只存在於斑马鱼体表的表皮细胞，团队未来也期望能针对斑马鱼的其他器官组织进行更多研究与探索。
由於这项研究颠覆了大家过往对细胞分裂的认知，在投稿初期就收到许多审查意见。陈振辉回忆起投稿过程的艰辛，说道「不只审稿人有意见，我们自己也想知道是否还有其它可能的解释。」甚至在最开始观察到斑马鱼表皮的这种特殊细胞分裂模式时，他还认为会不会是研究工具出了差错，否则怎麽会跟教科书教的完全不同！
即使文章投稿过程历经许多艰难，团队成员仍对研究抱持着满满的兴致，期望能向大家分享「另一种细胞分裂方式的可能」，让更多人知道这项新鲜事。

（123RF）

新闻来源
中央研究院新闻稿，〈颠覆过去发现！中研院团队首揭细胞「无合成分裂」登上《Nature》期刊〉，2022年5月2日。