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【探索生命講座】燒綠「命孕交響曲 mp3」的生殖細胞

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由國立臺灣大學科學教育發展中心 CASE 所舉辦的探索講座第十六期《命孕交響曲的四大樂章—發生、錯生、重生及再生》的第五講〈燒綠「命孕交響曲.mp3」的生殖細胞〉,由臺灣大學昆蟲系教授兼系主任,也是本次探索系列講座的顧問之一,更是「命孕交響曲」這個主題的命名者—張俊哲教授主講。由發育生物學的角度出發,介紹生殖細胞在命定的過程,藉由一個一個 story,與觀眾們分享許多的 discovery。

臺灣大學昆蟲系教授兼系主任 張俊哲教授

臺灣大學昆蟲系教授兼系主任 張俊哲教授

比減數分裂更前面的事—初始生殖細胞的命定與特化

稍微接觸過一點生物學的話都會知道,動物的精子與卵子,都是由生殖細胞經過減數分裂分化而來的。但是有沒有想過,這些生殖細胞是怎麼來的?在眾多的胚胎細胞中,哪些細胞被「命定」將來發育成為「生殖細胞」? 生殖細胞的形成,可分為兩種特化模式—「生殖漿驅動模式」及「訊息誘導模式」,藉由這兩種不同模式,命定了某部分的胚胎細胞成為「初始生殖細胞(primordial germ cell,PGC)」,再發育成為生殖細胞。

生殖漿驅動模式

一群未特化的細胞核,移動到某個富含「生殖細胞決定因子的細胞質—生殖漿」的位置(經常在蛋腔的後方),經過細胞化(細胞膜形成、包覆)的過程,這些細胞因為富含生殖細胞決定因子,這些因子的訊息傳給細胞核,就發展成日後的生殖細胞。這個倚賴生殖漿裡面的生殖細胞決定因子的命定過程,就稱為「生殖漿驅動模式」。

訊息誘導模式

人類的生殖細胞特化過程與小鼠的相似,是藉由 Bmp4 因子去刺激內臟內胚層前面的上胚層細胞,誘導產生出初始生殖細胞,而不是藉由細胞化的過程、細胞膜去包覆生殖細胞決定因子而產生。

生殖漿驅動與訊息誘導模式的差異

生殖漿驅動模式可以說是命孕交響曲的第一樂章,在這樣的模式中,生殖細胞是最早形成與特化的細胞,在發育的一開始,就與體細胞做出區隔。在這個模式下的生殖細胞決定因子,由母親製造與供給,生殖細胞在胚胎發育早期就開始形成。而訊息誘導模式,包含了人類、小鼠與大部分的昆蟲,生殖細胞決定因子是由胚胎自己製造與供給的,並且生殖細胞形成在胚胎發育中晚期才發生,就不是第一樂章了。

vasa 蛋白的遷移

張教授在劍橋大學攻讀博士班時的研究,是選殖一個生殖基因 Vasa,利用對 vasa 蛋白專一的抗體去觀察生殖細胞的形成。在非洲沙漠飛蝗身上看到,這些細胞原來是分布在胚胎的邊緣,這樣的發現他們一度懷疑是抗體專一性不夠造成的誤差。後來這些細胞漸漸地移動到腹部周圍,再向中間集中,最後只專一表現在性腺位置內。這也解開了由 1930 年代開始的懸案,當時兩位研究者,Nelsen 以早期的胚胎指出生殖細胞在胚胎周圍,Roonwal 則以晚期的胚胎指出生殖細胞在腹腔中間的位置,並認為 Nelsen 的研究室錯誤的。張教授的研究結果則發現,兩位研究者的結果都是正確的,因為胚胎細胞的確早期是在胚胎周圍,而在發育中後期則移動到生殖腺的位置。

蝗蟲、蚜蟲與果蠅

令人意外的是,在蝗蟲身上表現專一性不夠的蝗蟲 vasa 抗體,在蚜蟲身上卻有非常完美的表現,張教授笑說「這實在太好染太漂亮,不做蚜蟲對不起自己也對不起抗體!」,於是就開始了蚜蟲的研究。蝗蟲、蚜蟲和果蠅的生殖細胞命定模式不同—蝗蟲是訊息誘導模式,而果蠅和蚜蟲是生殖漿驅動模式,但他們的生殖細胞內都有表現 vasa 蛋白,於是張教授就有了一個調皮策略,Aphid in Drosophila(AID)計畫,把蚜蟲的 vasa 基因選殖出來,在果蠅身上表現,發現蚜蟲的 vasa 無法在果蠅的生殖漿位置表現,但親緣關係更遠的蝗蟲 vasa 蛋白卻可以!經過研究發現,是因為雖然生殖細胞決定模式不同,但蝗蟲和果蠅有一段相同的基因序列,可以被一個叫做 Osk 的蛋白辨認,這個 Osk 是作用在生殖漿的組裝,蝗蟲本身雖不會產生 Osk 蛋白,卻有能辨認 Osk 蛋白的序列,使 vasa 集中在生殖漿的位置。

左為蝗蟲,右為果蠅。

左為蝗蟲,右為果蠅。

延伸閱讀:【探索生命講座】魔獸崛起:吸血鬼的誕生

三代同堂的蚜蟲

蚜蟲在大多數的時候,是以孤雌胎生的方式在繁衍後代。一條微卵管同時進行了卵發育和胚胎發育,當蚜蟲母體產下小蚜蟲時,這些小蚜蟲肚子裡已經有了更小的蚜蟲,一個俄羅斯娃娃的概念,形成了蚜蟲的三代同堂。

環境決定型態—蚜蟲的形態多型性

蚜蟲對於環境的刺激是相當敏感的,當把小母蚜蟲在小試管裡塞滿,十分鐘後放出來,這些小母蚜蟲產下的後代,有相當高比例都是有翅膀的—環境太擠而傳遞了擁擠訊息(crowding signals),就長出了能飛離擁擠環境的翅膀。

三代同堂的蚜蟲,來源:維基百科。

三代同堂的蚜蟲,來源:維基百科。

而在生殖方面,大部分的時候蚜蟲都是行孤雌胎生、無性生殖,但是當光週期改變,秋冬之際,會改行有性生殖。但在四季如春的台灣,無論實驗室怎麼控制光照、溫度,都無法誘使蚜蟲改行有性生殖,學者懷疑,這些蚜蟲轉變成有性生殖的基因已經被抑制或消失了。如果能把這些無法誘導成有性生殖的蚜蟲,與日本能成功誘導的蚜蟲基因分別解開,加以比對之後也許能發現讓蚜蟲改行有性生殖的關鍵。

由於蚜蟲的有性生殖相較於無性生殖所產下的後代數量差異相當龐大,如果能掌握這樣的關鍵,在蚜蟲的防治和控制上面也許就能做到不傷害環境,單一針對蚜蟲的方式。

DNA 指紋辨識

張教授在 DNA 指紋辨識發明者 Alec Jeffreys 爵士的實驗室待了一年,一邊試圖使用發育生物學的方式,找出人類基因多型性的關鍵,一邊學得了 DNA 指紋辨識的原理。這樣的過程讓他發現,生殖細胞在命「孕」交響曲中,負責特化、承受、受孕、孕育下一代,而在命「運」交響曲中,則成載著每個人不同的專屬密碼。這樣的運不是虛無飄渺的,而是每個人獨一無二的。

做這些研究有什麼用

很多人會問,做這些果蠅、蝗蟲、蚜蟲的生殖研究有什麼用? 在客觀面來說,藉由這些昆蟲生殖細胞特化分子機制的解開,能去進一步探索其他物種在生殖方面的奧祕。除此之外,了解蚜蟲的生殖細胞是如何決定的,就能如上述所說的,找到單一針對蚜蟲、控制蚜蟲族群數量的方式,而不會造成環境的傷害。而主觀面則是在了解生殖細胞的特化 specification 和命定 determination 的過程中,發現生物學不再是死背強記,而能用講道理的方式來了解生命現象,讓張教授覺得自己非常的有存在價值,難以被取代。而看著這些生殖細胞的發生,看見生命的一開始就是如此的轟轟烈烈,也認為之後的一生也都該活的有意義。

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命名的幽默

在演講中,張教授提起幾個有趣的命名。例如前面提到的 Osk 蛋白,全名為 Oskar,是歐洲古王朝的名字,相傳這個王朝的結束是因為近親通婚導致沒有後代;生殖細胞在移動時所需的蛋白則命名叫哥倫布,當這個基因突變的時候,生殖細胞就無法順利的找到生殖腺新大陸;在移動過程中則需要豬八戒悟能 Wunen 基因的與大家相處不來的排斥性,形成一條途徑,當悟能突變,能與大家好好相處的時候,就無法順利抵達了。

人生必須不停地冒險與碰撞

張教授花了很長的時間介紹自己從高中開始的苦悶、迷惘,到經過重考、大學以及之後考上公務員、出國攻讀博士之後的漸漸明朗,這一路走來,每一個階段都是出乎他意料的。教授藉由這樣的經驗,去鼓勵在場的學生,現在苦悶沒有關係,人生有很多意想不到的事情。無論現在是在哪個階段,在摸索自己喜歡的科目或專長時,即使沒有發現,也不要停止去探索。很多東西唯有你去接觸,才知道自己有哪些興趣,就像化學一樣,一定要有分子的碰撞,才會知道會產生什麼樣的火花。無論有沒有找到興趣,都不要停止去充實自己。只要懷著一顆冒險的心,勇敢地去嘗試,最後都可以滿載而歸。

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圖片來源:
CASE 講座提供。

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