研究方向

表皮運輸是動物調節體內水分離子恆定並得以生存重要的生理機制之一。所謂表皮運輸是指動物經由身體中運輸性上皮上的一群特化的離子細胞(ionocyte)，來進行身體內外離子及水分的吸收與排除。鰓是魚類主要的離子調節器官，其上分佈著不同類型的離子細胞；而在魚的胚胎及幼年時期魚鰓尚未形成之前，這些離子細胞則是分佈在小魚的表皮上(Figure 1)。

然而，對於魚類究竟如何分化出不同功能離子細胞，其背後隱藏的分子機制至今仍然所知有限。我的研究室主要是以斑馬魚(Zebrafish)作為模式動物，來研究離子細胞發育上的分子機制，目前實驗室已成功建立許多研究發育生物學上的重要技術，如顯微注射(Microinjection)，基因弱化(gene knockdown)，過量表達(gene overexpression)，熱誘導形式之基因表現系統(heat-shock inducible gene expression system)，突變種(genetic mutants)，螢光RNA原位雜合與蛋白質免疫染色(Fluorescent in situ hybridization and immunostaining)與雷射共軛影像擷取等技術(Figure 2)，巧妙的運用這些技術便可以正確推導出控制離子細胞發育的途徑。

由文獻得知BMP分子可驅動皮膚性外胚層(Epidermal ectoderm)分化成表皮幹細胞(Epidermal stem cell)並表現P63轉錄因子，利用RNA與蛋白質螢光顯色技術，我發現在胚胎發育tailbud時期，部分P63+的表皮幹細胞會開始表現屬於forkhead box家族的轉錄因子foxi3，繼續追蹤這些細胞會發現其最終的細胞命運為表皮離子細胞。而且表皮離子細胞與周圍的表皮幹細胞呈現一胡椒鹽式(salt and pepper)的分佈，也就是一個離子細胞周圍會間隔一些表皮細胞才會再出現另一個離子細胞，而非緊密地排列或是一群群細胞聚集在一起。我利用許多的突變種，基因弱化與過量表達來研究表皮離子細胞與表皮幹細胞之間的關係。結果顯示，Delta-Notch周邊抑制(lateral inhibition)是造成這個現象的主要原因。Delta和Notch兩者都細胞膜上的蛋白質，而所有的表皮幹細胞都會表現Notch分子。當其中的某些表皮幹細胞較早表現出較強的Delta信號，與周圍細胞的Notch結合並傳遞周邊抑制訊息，在強表現Delta信號的細胞中，Notch活性相對較低，於是可允許foxi3的表現，並驅使表皮幹細胞走向離子細胞的命運，反之，Notch活性相對較高的細胞則會走向表皮細胞的命運。另外在小鼠原腎管中，負責多型離子細胞的分化是受forkhead box家族的轉錄因子foxi1的調節，這個線索提示我們表現在斑馬魚表皮離子細胞上的foxi3轉錄因子，可能對表皮離子的分化扮演了重要的角色。當我們利用基因弱化(knockdown)的方法抑制胚胎細胞表達foxi3，會使得離子細胞的分化受到完全的阻斷；反之若將foxi3過量表達(overexpression)在所有胚胎細胞中，會發現原本應該是表皮細胞出現的地方出現了許多異位性(Ectopic)的離子細胞，並且可以提早離子細胞分化的起始時間。這些結果顯示，foxi3對於離子細胞的分化擔任了必須(necessary)且充分(sufficient)的角色(Figure 3)。這些研究成果對於魚類的離子細胞分化提供了一個嶄新的視野及全新的研究方向。