神經發育退化機制
＃首創「跳躍基因」技術尋找發育畸形基因
＃發現「平腦症」新基因
＃環境荷爾蒙受器研究緩解腦中風
神經發育研究
一、首創「跳躍基因」技術，找出兒童大腦發育疾病關鍵基因
本研究以小鼠為模式，蔡金吾老師研究團隊利用跳躍基因 (transposon) 隨機插入並 且破壞基因的特性，搭配電穿孔法與影像分析，觀察大腦皮層神經元的遷移，發展出一種新穎的篩選方式，成功地找到了 33 個會造成皮層發育畸形的相關基因;我們找到的這些基因，與臨床上造成人類的 局部性大腦皮層異常 (focal cortical dysplasia) 的基因有很高的重疊性，表示這個篩選方式能夠有效地找出造成大腦皮層發育畸形的基因，並且幫助我們了解大腦皮層發育畸形的分子機轉，未來我們也可以針對這些基因的特性，發展出因應的治療方法。
本研究發表於 Lu, IL., Chen, C., Tung, CY. et al. Identification of genes associated with cortical malformation using a transposon-mediated somatic mutagenesis screen in mice. Nat Commun 9, 2498 (2018). https://doi.org/10.1038/s41467-018-04880-8
二、小腦腫瘤的發病機制與可能的治療標的
在小腦發育期間，顆粒神經母細胞通過初級纖毛傳導Sonic Hedgehog（SHH）信號傳導而增殖。我們發現顆粒神經母細胞形成所需的轉錄因子Atoh1，會轉錄調節Cep131控制初級纖毛，維持顆粒神經母細胞對SHH的反應。顆粒神經母細胞異常增生所造成的神經管細胞瘤（Medulloblastoma）當中也會有同樣的分子機制，讓我們對顆粒神經母細胞發育機制與神經管細胞瘤的致病機轉都有更深入的了解。
本研究發表於 Chang CH, Zanini M, Shirvani H, Cheng JS, Yu H, Feng CH, Mercier AL, Hung SY, Forget A, Wang CH, Cigna SM, Lu IL, Chen WY, Leboucher S, Wang WJ, Ruat M, Spassky N, Tsai JW*, Ayrault O* (2019) Atoh1 controls primary cilia formation to allow for SHH-triggered granule neuron progenitors proliferation. Dev Cell, 48(2):184-199.e5.
三、調控大腦基底核紋狀體神經元分化與遷移、神經迴路建構的關鍵基因
本研究利用小鼠為模式，探討神經發育過程中，基底核紋狀體核區結構如何劃分成背側與腹側區域的細胞和分子機制。背側核區調控動作與認知，腹側核區參與獎賞和藥物成癮的神經迴路。儘管這些在神經學上的差異具有重要意義，但紋狀體核區如何建構並劃分其背側與腹側區域神經迴路的機制仍然未知。我們的研究團隊找到Nolz-1和Dlx1/2兩個關鍵基因，並且證明Nolz-1和Dlx1/2基因的交互作用，對於紋狀體核區建構並劃分背側與腹側區的發育過程至關重要。
本研究發表於 Chen S-Y, Lu K-M, Ko H-A, Huang T-H, Hao JH, Yan Y-T, Chang SL, Evans SM, Liu F-C (2020) Parcellation of the striatal complex into dorsal and ventral districts. Proc Natl Acad Sci USA. 2020 Mar 31;117(13):7418-7429. doi: 10.1073/pnas.1921007117.
四、跨國研究團隊合作發現「平腦症」新基因
本研究運用次世代基因體分析找到新的中心體基因CEP85L突變造成平腦症。並在小鼠模式確認CEP85L功能缺失會造成神經細胞遷移之缺陷，以及其在中心體中的相關功能。此研究由蔡金吾老師團隊與高雄長庚醫院、美國華盛頓大學、芝加哥大學、史丹佛大學、加拿大McGill大學、澳洲墨爾本大學、昆士蘭大學、比利時Université Libre de Bruxelles、馬來西亞University of Malaya等研究機構組成跨國團隊合作執行。
本研究發表於 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. Pathogenic Variants in CEP85L Cause Sporadic and Familial Posterior Predominant Lissencephaly. Neuron. 2020 Apr 22;106(2):237-245.e8. doi: 10.1016/j.neuron.2020.01.027.
五、Hippo-YAP 路徑在大腦皮層發育的重要功能
Hippo路徑是調控器官大小的重要訊號傳遞，其上游NF2缺失會造成神經纖維瘤症（Neurofibromatosis）。YAP是Hippo路徑重要下游輔助轉錄因子，本研究探討YAP在大腦皮層發育的角色。YAP缺失不會影響放射狀膠質神經幹細胞，中間型神經幹細胞的生成會減少，細胞週期減緩，進而造成大腦皮層表層的投射神經元減少。本研究凸顯YAP在大腦皮層發育的重要功能。
本研究發表於 Su YC, Hung TH, Wang TF, Lee YH, Wang TW, and Yu JY. YAP maintains the production of intermediate progenitor cells and upper-layer projection neurons in the mouse cerebral cortex. Dev Dyn. 2021 Dec 20. doi: 10.1002/dvdy.448.
六、建立阿茲海默症之人類誘導型多能幹細胞，為病理機制研究及藥物開發平台
阿茲海默症（AD）是最常見的失智症類型，也是全球主要死亡原因之一。目前，造成AD的機制還不清楚，也沒有有效的預防或治療藥物。過去十年，全球有許多藥物研發和治療策略試圖阻止或減緩AD病患的神經元細胞死亡和認知缺陷；然而AD治療藥物的臨床試驗往往失敗，部分歸因於使用非人類模式動物研究。因此我們利用人類誘導型多能幹細胞（hiPSC）衍生神經元篩選AD治療藥物。我們建立不同家族性和散發性AD患者的iPSC，並發展高效率方法將hiPSC分化為神經元，此平台可望發展成為AD病理機制研究及藥物開發的有用策略。
本研究發表於 Wu PC, Fann MJ, Tran T, Chen SC, Devina T, Cheng IH, Lien CC, Kao LS, Wang SJ, Fuh JL, Tzeng TT, Huang CY, Shiao YJ* and Wong YH* (2019) Assessing the therapeutic potential of Graptopetalum paraguayense on Alzheimer’s disease using patient iPSC-derived neurons. Sci Rep. 9, 19301; doi:10.1038/s41598-019-55614-9.
七、建立產生人類微膠細胞的新方法
微膠細胞是中樞神經系統的免疫細胞，在腦內的生理與病理皆扮演重要功能。我們建立將人類誘導型多功能幹細胞（hiPSC）分化為微膠細胞（iMG）的新方法，藉由在hiPSC內表達SPI1和CEBPA，十天內能將hiPSC分化為iMG。我們用多種方法證實iMG相似於人類微膠細胞，這些iMG表現正常生理功能，包含發炎反應，ADP/ATP誘發的遷移和吞噬能力。本研究有助於人類微膠細胞在不同疾病模型的功能性研究，並有藥物開發的應用潛力。
本研究發表於 Chen SW, Hung YS, Fuh JL, Chen NJ, Chu YS, Chen SC, Fann MJ and Wong YH*. Efficient conversion of human induced pluripotent stem cells into microglia by defined transcription factors. (2021) Stem Cell Reports 16(5): 1363-1380; doi: 10.1016/j.stemcr.2021.03.010.
神經退化研究
一、本中心在神經退化性疾病基礎和臨床研究上有長期密切的合作關係
本中心在神經退化性疾病基礎和臨床研究上有長期密切的合作關係，擁有國內最大的 AD，SCA，ALS 病人長期追蹤資料庫 (Chou et al. 2016; Huang et al. 2017; Tsai et al. 2017; Wang et al. 2011)，致力於瞭解國人患病的基因與病程間的關聯。基礎研究方面，更有小鼠模型支持，多年來皆有穩定論文發表。
二、Spt4 為治療腦退化性疾病的標靶分子
多種遺傳性腦神經退化性疾病已知是由染色體上某一特定基因之核苷酸重複序列異常擴增所造成，如亨氏舞蹈症、小腦萎縮症、家族性的漸凍人症等。這些致病基因所產生的 RNA 或是蛋白質對於腦神經細胞具有傷害性，進而造成疾病病徵的產生;但是這些病徵及病理現象可以藉由降低致病基因的表達來減緩甚至停滯疾病的惡化。在我們先前的研究中發現，轉錄延伸因子 SUPT4H (酵母菌Spt4的同源基因) 對於這些帶有高度核苷酸重複序列的基因表達扮演重要的調控角色。當我們將細胞中或是小鼠的 SUPT4H 以基因剃除或是 siRNA 基因調降時，致病基因表達隨之降低，同時致病基因所產生的病理現象及疾病病徵都能顯著地改善，顯示 SUPT4H 具有成為核苷酸擴增疾病之藥物開發標的的潛力。
本研究發表於 CR Liu, CR Chang, Y Chern, TH Wang, WC Hsieh, WC Shen, CY Chang, IC Chu, N Deng, SN Cohen*, and TH Cheng*. (2012) Spt4 is Selectively Required for Transcription of Extended Trinucleotide Repeats. Cell 148, 690-701.
三、芳香烴受體為免疫反應的環境感測器在缺血性腦中風的角色
在環境荷爾蒙受器 Aryl hydrocarbon receptor (AhR) 於腦中風的研究中，本團隊建立了 nestin-Cre/Ahr 條件剔除小鼠腦中 AhR，發現可緩解急性中風期的腦梗塞和膠細胞活化，更發現有促進神經前趨 細胞的新生，及運動功能的復原，且 AhR 抑制劑亦有此效果。
本研究發表於 Chen WC, Chang LH, Huang SS, Huang YJ, Chih CL, Kuo HC, Lee YH and Lee IH. Aryl hydrocarbon receptor modulates stroke-induced astrogliosis and neurogenesis in the adult mouse brain. J Neuroinflammation. 2019 Oct 12;16(1):187. doi: 10.1186/s12974-019-1572-7.
未來展望
台灣少子化現象難以在短期內逆轉，超高齡社會已悄然到來。本中心「神經發育與退化」組，以人類神經發育與退化相關疾病為導向，結合基礎研究與臨床醫療，利用不同生物模式，進行致病機轉研究，持續發展新的生物標記，融合多種模式生物標記的預測模式型，積極推動疾病的轉譯醫學研究，期能從學界深入扎實的基礎研究、創新技術的發展和業界的轉化，到搭配完整的醫療體系和累積的大數據資料，建立神經發育與退化疾病的精準與智慧醫療產業鏈，以受惠台灣及全球的患者。
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