香港中文大学(中大)生命科学学院副教授关健明教授领导的研究团队最近发现一种崭新的神经干细胞调控机制,为神经系统的发育及再生修复研究提供新方向,更有助发展相关疾病的治疗方案,包括自闭症谱系障碍及遗传性小脑萎缩症。研究结果最近在国际著名学术期刊《细胞报导》(Cell Reports)上发表。

部分神经系统疾病与神经元数量有关

脑部是动物的指挥中心,由数以百亿计、不同类型的神经元组成。人类的脑部便有着数百种不同的神经元,各有专门的用途,但它们都是透过位于脑部特定区域的一小撮神经干细胞分化形成。

神经干细胞在不同的发育阶段,会按照预设的时间顺序,表达特定的转录因子基因,分化成不同种类的神经元。神经元数量的失调会损害神经网络的运作,导致中枢神经系统病变。很多常见的神经系统疾病,如自闭症谱系障碍及遗传性小脑萎缩症等,其病理机制都与神经元数目的缺失有密切关系。因此,研究调控神经干细胞分化的机制是治疗各类脑部发育缺陷、神经退化疾病,甚至修复脑部创伤的重要关键。然而,如何控制神经干细胞分化的时间表从而诱导特定神经元的生成,一直是科学界重大的谜团。

以小脑的发育为例,早期阶段的干细胞会分化成蒲金氏细胞 (Purkinje cells)。但随着时间推移,干细胞逐渐失去这种分化潜力并转而生成中间神经元(interneurons)。研究团队发现,神经干细胞的分化潜力会随着BMP信号强度下降而消失。

研究团队透过小鼠活体实验,发现当缺少了两种BMP信息传导蛋白 — Smad1和Smad5,神经干细胞分化成蒲金氏细胞的能力会不寻常地加速消失,最终导致小脑内蒲金氏细胞数量显著减少,中间神经元的数量大幅上升。研究团队并确定Smad1和Smad5能够直接抑制下游基因Gsx1,而Gsx1的表达则会使神经干细胞丧失分化潜力。因此,研究人员尝试透过注射BMP信息因子到小鼠胚胎的脑脊液,发现成功延缓干细胞潜能下降的速度,继而调整特定不同神经元数量的比例。

图中显示BMP信号强度对神经干细胞分化的影响。

关教授解释:「科学界此前一直未能掌握避免神经干细胞分化潜力下降的机制。我们的研究首次发现在哺乳类动物的脑部中,细胞外信息因子的强度对于神经干细胞分化成不同种类神经元的潜力有关键作用。单单透过改变信息因子的数量,已可以调节神经干细胞分化的时间表,这对研发干细胞治疗的方案别具意义。下一步我们将朝此方向探讨应用至临床再生医学的可行性。」

此项目获得研究资助局的卓越学科领域计划和优配研究金资助,亦是中大农业生物技术国家重点实验室和细胞及发育生物学研究中心的研究项目。

关健明教授简历

关健明教授现为中大理学院副院长(教育)、自然科学课程主任及生命科学学院副教授。关教授于香港大学取得学士及博士学位,并于美国德州大学安德森癌症中心担任博士后研究员。自2006年开始,关教授便致力研究小脑神经细胞发展的基因调控,及其与小脑萎缩症的关系。关教授于2006年加入中大,2008年获中大青年学者研究成就奖,并分别于2009及2013年获得中大理学院杰出教学奖。