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【探索生命講座】 胚胎發育之身體塑形

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台大科學教育發展中心 CASE 探索講座第十六期《命孕交響曲的四大樂章-發生、錯生、重生及再生》,於 10 月底舉行第三場「胚胎發育之身體塑形」,由中央研究院分子生物研究所特聘研究員孫以瀚教授主講。本次講座內容主要針對在胚胎從一個受精卵分裂成一團細胞、再發育成為一個複雜完整身體的過程中,細胞如何去知道哪裡該發展成什麼、身體的軸線方向、對稱或不對稱、器官大小與功能的配合等問題加以闡述。

「科幻電影的外星人都長這樣」孫教授說,一面展示出三張不同電影的外星人照片。「有沒有想過,這是因為電影製片沒有創意,還是身體型態他就會長成這個樣子呢?」巧妙的開場,開啟了接下來一連串關於胚胎在發育過程中,身體塑型調控方面的分享。

生物胚胎從一個受精卵開始,不斷地分裂,兩個、四個、八個,進而成為一團細胞,每種動物各有其專屬的形態,其中又有相當多類似的地方。例如高等動物常有些相同的特徵:分為身體軸線、左右對稱、身體分節以及附肢等等。

中央研究院分子生物研究所特聘研究員 孫以瀚 教授

中央研究院分子生物研究所特聘研究員 孫以瀚 教授

體軸發育

身體的軸線可分為頭-尾、背部-腹部、近端-遠端等類似於 x、y、z 的三條,分裂成一團細胞狀態的受精卵,因著運動方向的影響,建立了前後的方向;為了感知,感覺器官以及腦部也跟著長在前端;分化的結果,型態也造成差異。

問題就來了,細胞怎麼去決定他運動的方向?如何知道哪邊是頭?從節肢動物果蠅的發育成長過程中可以看到,未受精的卵子已經有了腹背之分,意即果蠅的身體軸線方向是由母親單方控制,再藉由基因產物在不同位置濃度梯度的差異,發展出了前、後,以及不同的身體結構;而從兩棲類動物的發育過程中,看到當精子進入卵子的瞬間,卵子外殼的移動、灰月區的產生、細胞團分裂、內凹的過程,漸漸產生出身體的軸線及各個胚層,意即兩棲類動物的身體軸線是由精子進入點所控制的。

而哺乳動物呢?由於哺乳動物的胚胎發育都在體內,較難以觀察。但我們可以從穿山甲的同卵四胞胎、人類最高記錄同卵五胞胎來推論,體軸的決定可能到八個細胞以上的時期才發生。

身體分節

果蠅的身體在體軸決定之後,藉由基因的調控,逐步分割成小單元—頭部、胸部、腹部。其中胸部的三節很特別,T1 僅長腿,T2 會另外長出翅膀,而 T3 也額外長出小平衡棒。而只要單一一個基因的改變,就能讓 T3 變 T2,長出翅膀來;此外,一個基因的改變,也能使觸角長成腿的模樣。

這些調控的機制,很重要的是 HOX 基因。神奇的是,人和老鼠身上也存在類似的基因,順序和果蠅類似,只是從一串變成了四串。從脊椎骨的頸椎、胸椎、腰椎和尾椎分析組成,也可以看到是由 HOX 基因的表現在調控每個階段的不同型態種類。一旦 HOX 基因出現問題,無論是果蠅、老鼠或人類的構造都會出狀況。

四肢的生長與再生

蠑螈四肢的再生,一直是科學家相當有興趣的題材。無論是切割在遠端的末梢、或近端的根部,甚至是切斷後倒插回體內,都能長出原本完好的樣貌,不會少長或多長。這是由於蠑螈具有座標性,能夠定位被切斷的位置,補足缺少的部份。而除了兩棲類,節肢動物也有這樣的特性,蟑螂的腳在切斷、重接或反接後,都會長出其中缺少的座標,並維持正確的方向性。

四肢的發育,是由近端到遠端的方向逐步生長。而指節的前後座標性,則由特定基因產物的濃度梯度決定。當這些物質濃度受到影響、改變,就會產生多指症的現象。不僅從遠古人類就有多指的記載,多指更是烏骨雞的重要特徵之一。

器官的獨立與協調

人類嬰兒和成人的比例相當不同,這是由於身體各部位分別的發育速度差異所導致。許多動物都會有某個部位或器官特別快速地生長,例如昆蟲的觸角、蝙蝠的指節及沙皮狗的皮。

除了各自獨立的發展速度,也有許多相互配合的例子。例如果蠅的翅膀分成兩邊,在一般的狀況下兩邊的生長速度會一致。當人為調控去讓其中一邊生長比較緩慢或加速時,其相對應的細胞就會增大或減小,使得兩邊最終呈現的狀態仍然一致,以維持功能的正常運作。

不對稱

許多動物都有左右不對稱的狀態。人體的器官就是相當明顯的左右不對稱。各種不同的突變,可能使得人體器官整個左右相反、或僅有橫隔膜以上或以下左右翻轉,或是長成對稱的兩邊。其實胚胎發育的不對稱相當早期就出現了。纖毛同方向的運動,使某些物質聚集在同一邊,因而產生了不對稱的結果。因此當纖毛不會運動時,就可能發生左右對稱的突變狀況。

器官的數目與位置

小鼠的前肢和雞的翅膀,骨頭構造相當類似,而前肢與後肢的位置,也由 HOX 基因所調控。同樣也能藉著控制基因在不同部位的表現量,而讓身體長出多的前肢或後肢—所以一隻雞有很多隻雞腿是可行的。eyeless 基因決定了複眼的發育狀況。突變時整個眼睛都不見;人為使它在身體其他位置表現,那些地方就會長出複眼。它是一個複眼發育的開關基因,有了他的表現才能引發一連串的發育。但 eyeless 不只是在複眼的位置有表現,自然狀態下,並不是所有有表現的位置都會長出複眼,還需要其他物質的同時配合才能完整發育。人類的身體構造、胚胎發育,是我們最有興趣的主題,但人類不能輕易拿來做研究,因此許多研究利用果蠅、老鼠等比較簡單的生物,去找出調控的基因及機制,後來也發現跟人類的構造、生命和疾病相當地相關。這些從簡單的生物上得到的知識,對於人類的了解、醫學的發展等都有很重要的影響。

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延伸閱讀:【探索生命講座】 命孕交響曲精彩系列開講 給每個熱愛生命的你我

當日參與人士有國中生物老師、許多高中生、大學碩士學生以及工程師、會計師等。提出的問題五花八門,最有興趣的是那些人為生長出的複眼或四肢,能否擁有正常的功能,「想幹嘛就幹嘛」。孫教授指出,骨骼的成果我們可以很容易地觀察到,但肌肉和神經的分佈與生長就不是那麼明確。然而從一些間接的實驗仍然可以發現,這些多長出來的器官因沒有與大腦良好的連接,無論是感覺或動作都無法順利執行,以功能來說是無法比擬正常生長的器官。

現場提出的許許多多問題,也讓主任與孫教授再三感慨,生物是一門很深的學問,當你了解到某個程度,就會發現更多的疑惑,問題是永遠問不完的;許多生物類的問題由於可能影響的層面過多,也無法由單一個案去做判讀、下定論。

除此之外,本次講座中提及的多項研究都是相當多年前的成果,當時的分生技術尚沒有今日如此純熟,因此許多細微的機制與分析還沒有那麼清楚,若是以現在的技術重新執行類似的實驗,可能可以得到更為精確的結果。當然也有可能,推翻過去的結論。這也是生命科學有趣的地方。

第五期的探索講座將於 11/12 (星期六)登場,探討「我為何而生?」這個問題的主角 ─ 生殖細胞,由臺大昆蟲系教授兼系主任的張俊哲老師主講,報名網址:http://goo.gl/9NTEzf

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圖片來源:由 CASE 講座提供。

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