大腦發育與缺陷

陽明腦科學研究所蔡金吾教授與高雄長庚醫院腦功能暨癲癇科蔡孟翰主任、陽明生化所王琬菁副教授聯合多國研究團隊，成功運用次世代基因體分析，發現腦部發育疾病「平腦症」的新基因CEP85L。團隊在小鼠模式動物上，確認CEP85L功能缺失造成神經細胞遷移之缺陷，以及其在中心體中的相關功能，這也是第一個被發現與「平腦症」相關的中心體組成基因。這項重要研究結果，已於今年（2020）四月刊登於神經科學重量級期刊《神經元》（Neuron）。

「平腦症」是一種嚴重的腦部發育異常，患者常常合併嚴重的發展遲緩以及頑固型癲癇症。嚴重的病患常常沒有語言、吞嚥或是行走能力，因此對於生出這樣病患的家庭來說是很沉重的負擔。平腦症非常罕見，每一百萬位新生兒大約只有12個這樣的個案，預估台灣約有300個這樣的病人。

正常人的大腦表面會有許多皺褶，稱之為「腦迴」，和高階認知功能發展息息相關。動物界只有海豚的腦迴比人類多，也因此有人推測海豚可能跟人類智商一樣高。而平腦症的病人，大腦表面的這些腦迴沒有發育或是發育不良，因此呈現沒有皺褶、「平滑」的外觀，故稱之為「平腦症」。

本篇論文的主要通訊作者蔡金吾教授表示，「有一部分的平腦症病人，是因為基因突變所造成的。因大腦在發育時，神經細胞需要移動到大腦表面（皮質），而這個過程需要很多基因來調控，當這些基因出了問題，神經細胞無法移動到對的地方，就會引起大腦的皺褶無法正常發育，而產生平腦。」

這項研究，最早是由高雄長庚醫院神經醫學部腦功能暨癲癇科科主任蔡孟翰主任的研究團隊，與林口長庚醫院皮膚部鐘文宏主任合作，應用次世代定序技術，在一位本土的平腦症合併癲癇的病人身上，發現這個新的平腦致病基因「CEP85L」。由於CEP85L基因之前從未被發現和人類疾病相關，因此這項研究發現為世界首例。

其後，蔡孟翰醫師進一步與陽明腦科所蔡金吾教授的基礎研究團隊合作，由陽明團隊負責所有相關動物與細胞實驗，在動物及細胞模式上確認此基因在老鼠確實會影響大腦發育。由於此基因製造的蛋白質位於中心體上面，因此這也是第一個被發現和平腦症相關的中心體組成基因。其後更透過與澳洲、美國以及馬來西亞等團隊跨國合作，發現全世界其他12個同樣是CEP85L基因突變的病人，更確認中心體蛋白CEP85L在人類大腦發育疾病的重要角色。

甫獲得科技部「吳大猷先生紀念獎」的王琬菁副教授表示，「中心體是細胞一個重要的結構，主要是在細胞分裂時，負責將染色體分離成兩個細胞的重要結構，在胚胎神經細胞則和細胞移動有很重要的關係。中心體在細胞移動時類似前導車，拖著後面的細胞核往前移動，因此當中心體出問題，細胞就停留在原地不動。」這項研究在人體上證實了，中心體組成的基因和平腦症的產生有密不可分的關係。

這項研究主要由科技部「領袖學者助攻方案-沙克爾頓計畫」支持，在執行期間獲得了振奮人心的成果。此一重要基因研究的發現，有助於加速未來醫師在診斷這類大腦發育異常疾病的速度；並解答了為何沒有任何家族史，但小孩會得到這樣嚴重的疾病；甚至未來可提供作為產前篩檢的基因，減少這個疾病的發生機會。在科學方面，亦可提供科學家對於人類大腦發育機轉有更深入的了解，並擬定未來藥物或基因治療發展的方向。

「平腦症 (lissencephaly) 基因 LIS1 在胚胎神經發育之多重功能」

當今瞭解神經細胞如何生成及神經幹細胞 (neural stem cell) 如何再生仍是一項挑戰，目前已知整個過程必須經由極為複雜的途徑。在人類以及其他的哺乳類動物中，大腦的神經細胞主要是經由位於腦部深層，排列於腦室 (ventricle) 四周的神經幹細胞所產生。在複製的過程中，這些神經幹細胞的細胞核會在此區域（稱為腦室區; ventricular zone）經歷一段獨特卻神秘的遷移過程（下圖a），所產生的神經原細胞 (neural precursor cell) 接著經歷一連串型態的改變（下圖b），然後遷移到大腦表面形成腦皮質板 (cortical plate; 下圖c)，神經原細胞便在此處停駐，並發展成為井然有序的大腦皮質（cortex; 下圖d）。在不同的階段中，這些細胞型態及運動能力的複雜變化，牽涉到至少數百個基因，以及細胞結構上戲劇性的改變。然而，目前只有少數幾個基因被發現，可以控制並調節這段複雜的過程。至於為何需要經過這些複雜的變化，以及這些變化如何被基因給調控，則尚在研究階段。

我的研究主要從對「平腦症 (lissencephaly)」的致病基因 LIS1 的興趣所衍生，發育中胎兒的 LIS1 基因若產生突變，即會引發這種相對常見的新生兒遺傳疾病（約佔新生兒總數的十萬分之一），新生兒會有癲癇 (epilepsy)、低肌肉張力 (hypotonia) 、發展遲緩與智能不足的症狀。腦部發育的特徵為大腦表面平滑，無腦迴 (gyrus) 形成；即使形成，腦迴亦寬而腦溝淺；此外新皮質（neocortex）肥厚，只分四層（相對於正常大腦之六層）。我們試圖希望找到 LIS1 在大腦發育以及平腦症中所扮演之角色，目前我們已找到令人興奮的具體成果。我們利用分子生物學干擾此基因之功能，並以顯微技術觀察神經幹細胞在活體大腦內的反應。我們發現神經幹細胞的遷移及分裂嚴重遲緩（上圖a'），使神經細胞數目減少；所生成的神經原細胞大多無法通過型態改變的過程，進入遷移模式（上圖b'）；少數進入遷移模式的細胞，亦無法正常移動（上圖c'）；此外，神經的生成及連結也受到影響（上圖b'、c'）。這些證據顯示，在細胞層次上的缺陷將直接影響大腦的正常發育（上圖d'），使腦部變小，腦迴數目減少；並因細胞無法正常遷移，造成皮層肥厚；神經連結的缺陷也是造成癲癇及智能不足等神經症狀的主因。

目前，我們正在進一步積極的探討 LIS1 基因在分子階層上如何造成這些細胞缺陷。早期的研究發現 LIS1 與動力蛋白 dynein 有直接的作用，可能會調節動力蛋白在細胞內作用力的產生，這樣的發現正好符合我們在神經幹細胞上的觀察。就如同我們身體四肢的運動一樣，細胞的遷移、分裂及型態變化都牽涉到「力」的產生，我們身體有各種肌肉來產生力氣，細胞也具有不同的「機動蛋白 (motor protein)」來產生作用力（事實上，肌肉也是由許多在肌肉細胞內的一種機動蛋白所組成）。LIS1 極可能就在調節動力蛋白 dynein 產生作用力，參與神經細胞生成的複雜變化，目前已有初步的證據支持這樣的論點。我們正在積極探討 LIS1 及動力蛋白 dynein 在這個過程中所扮演的角色，期望有一天能夠找出此作用的分子機制，並希望能夠進一步找到此疾病的治療方法。

總而言之，對神經幹細胞的研究，不僅讓我們對神經系統生成及發育有進一步的瞭解，同時，對許多發育疾病、老化甚至腫瘤的治療上均具有許多重要的影響，我們期望，未來在此領域的發展，能對現代醫學作出更進一步的貢獻。

發表論文及相關文獻：

Tsai MH, Muir AM, Wang WJ, Kang YN, Yang KC, Chao NH, Wu MF, Chang YC, Porter BE, Jansen LA, Sebire G, Deconinck N, Fan WL, Su SC, Chung WH, Almanza Fuerte EP, Mehaffey MG, University of Washington Center for Mendelian Genomics, Ng CC, Chan CK, Lim KS, Leventer RJ, Lockhart PJ, Riney K, Damiano JA, Hildebrand MS, Mirzaa GM, Dobyns WB, Berkovic SF, Scheffer IE, Tsai JW*, Mefford HC* (2020) Pathogenic variants in CEP85L cause sporadic and familial posterior predominant lissencephaly. Neuron, 106(2):237-245.
Jin-Wu Tsai, Yu Chen, Arnold R. Kriegstein, and Richard B. Vallee. LIS1 RNAi Blocks Neural Stem Cell Division, Morphogenesis, and Motility at Multiple Stages. The Journal of Cell Biology. 2005 Sep 12; 170(6), 935-945. <英>
Richard B. Vallee and Jin-Wu Tsai. The Cellular Roles of the Lissencephaly Gene LIS1, and What They Tell Us About Brain Development. Genes & Development 20, 1384-1393 (2006).<英>

Mary E. Hatten. LIS-less neurons don't even make it to the starting gate. The Journal of Cell Biology. 2005 Sep 12;170(6), 867-871. <英>

Pierre Gressens. Pathogenesis of migration disorders. Current Opinion in Neurology 2006 Apr;19(2), 135-40. <英>

Tsai MH, Cheng HY, Nian FS, Liu C, Chao NH, Chiang KL, Chen SF, Tsai JW* (2020) Impairment in Dynein-Mediated Nuclear Translocation by BICD2 C-terminal Truncation Leads to Neuronal Migration Defect and Human Brain Malformation. Acta Neuropathol Commun, 8(1):106.
Tsai MH, Kuo PW, Myers CT, Li SW, Lin WJ, Fu TY, Chang HY, Mefford HC, Chang YC*, Tsai JW* (2016). A novel DCX missense mutation in a family with X-linked lissencephaly and subcortical band heterotopia syndrome inherited from a low-level somatic mosaic mother: Genetic and functional studies. Eur J Paediatr Neurol, 20, 788-94.

相關網站：

哥倫比亞大學新聞...>> <英>

紐約科學研究院 (New York Academy of Sciences) 之電子簡報...>> <英>

加入 Richard B. Vallee 教授實驗室的行列...>> <英>

學者評論：

"The manuscript by Tsai et al. is a tour de force analysis of a controversial issue in developmental neurobiology... the authors use a variety of elegant approaches... to demonstrate that LIS1 and dynactin act as regulators of dynein during cortical histogenesis." -Prof. Mary E. Hatten, 美國洛克斐勒大學 (Rockefeller Univ.)

"This remarkable original paper combines multiple approaches to demonstrate that Lis1 not only controls neuronal motility but also neuronal precursor cell cycle in the cortical germinative zone, potentially linking cell division with cell migration." -Dr. Pierre Gressens, Inserm; 法國巴黎大學 (Paris 7 University); Robert Debre Hospital

"Recommended...with unusually high enthusiasm." -Don W. Cleveland 教授, 美國加州大學聖地牙哥分校 (UCSD); 細胞生物學期刊主編

"A beautiful paper." -Li-Hui Tsai 教授, 美國哈佛大學 (Harvard Univ.)

"Well done." -M. Elizabeth Ross 教授, 美國康乃爾大學 (Cornell Univ.)

"Very interesting work." -Orly Reiner 教授, 以色列魏茲曼科學研究院 (Weizmann Institute of Science)

"Terrific!" -John D. Koester 教授, 美國哥倫比亞大學 (Columbia Univ.)

"Wonderful works!" -林奇宏教授, 國立陽明大學

"Very nice!" -Kevin T. Vaughan 副教授, 美國聖母院大學 (Univ. of Notre Dame)

"Fantastic--the work is so well done and thought of." -Manjari Mazumdar 博士, 美國國家衛生研究院 (National Institute of Health)