【探索生命讲座】 胚胎发育之身体塑形

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台大科学教育发展中心 CASE 探索讲座第十六期《命孕交响曲的四大乐章-发生、错生、重生及再生》,于 10 月底举行第三场“胚胎发育之身体塑形”,由中央研究院分子生物研究所特聘研究员孙以瀚教授主讲。本次讲座内容主要针对在胚胎从一个受精卵分裂成一团细胞、再发育成为一个复杂完整身体的过程中,细胞如何去知道哪里该发展成什么、身体的轴线方向、对称或不对称、器官大小与功能的配合等问题加以阐述。

“科幻电影的外星人都长这样”孙教授说,一面展示出三张不同电影的外星人照片。“有没有想过,这是因为电影制片没有创意,还是身体型态他就会长成这个样子呢?”巧妙的开场,开启了接下来一连串关于胚胎在发育过程中,身体塑型调控方面的分享。

生物胚胎从一个受精卵开始,不断地分裂,两个、四个、八个,进而成为一团细胞,每种动物各有其专属的形态,其中又有相当多类似的地方。例如高等动物常有些相同的特征:分为身体轴线、左右对称、身体分节以及附肢等等。

中央研究院分子生物研究所特聘研究员 孙以瀚 教授

中央研究院分子生物研究所特聘研究员 孙以瀚 教授

体轴发育

身体的轴线可分为头-尾、背部-腹部、近端-远端等类似于 x、y、z 的三条,分裂成一团细胞状态的受精卵,因着运动方向的影响,建立了前后的方向;为了感知,感觉器官以及脑部也跟着长在前端;分化的结果,型态也造成差异。

问题就来了,细胞怎么去决定他运动的方向?如何知道哪边是头?从节肢动物果蝇的发育成长过程中可以看到,未受精的卵子已经有了腹背之分,意即果蝇的身体轴线方向是由母亲单方控制,再借由基因产物在不同位置浓度梯度的差异,发展出了前、后,以及不同的身体结构;而从两栖类动物的发育过程中,看到当精子进入卵子的瞬间,卵子外壳的移动、灰月区的产生、细胞团分裂、内凹的过程,渐渐产生出身体的轴线及各个胚层,意即两栖类动物的身体轴线是由精子进入点所控制的。

而哺乳动物呢?由于哺乳动物的胚胎发育都在体内,较难以观察。但我们可以从穿山甲的同卵四胞胎、人类最高记录同卵五胞胎来推论,体轴的决定可能到八个细胞以上的时期才发生。

身体分节

果蝇的身体在体轴决定之后,借由基因的调控,逐步分割成小单元—头部、胸部、腹部。其中胸部的三节很特别,T1 仅长腿,T2 会另外长出翅膀,而 T3 也额外长出小平衡棒。而只要单一一个基因的改变,就能让 T3 变 T2,长出翅膀来;此外,一个基因的改变,也能使触角长成腿的模样。

这些调控的机制,很重要的是 HOX 基因。神奇的是,人和老鼠身上也存在类似的基因,顺序和果蝇类似,只是从一串变成了四串。从脊椎骨的颈椎、胸椎、腰椎和尾椎分析组成,也可以看到是由 HOX 基因的表现在调控每个阶段的不同型态种类。一旦 HOX 基因出现问题,无论是果蝇、老鼠或人类的构造都会出状况。

四肢的生长与再生

蝾螈四肢的再生,一直是科学家相当有兴趣的题材。无论是切割在远端的末梢、或近端的根部,甚至是切断后倒插回体内,都能长出原本完好的样貌,不会少长或多长。这是由于蝾螈具有座标性,能够定位被切断的位置,补足缺少的部份。而除了两栖类,节肢动物也有这样的特性,蟑螂的脚在切断、重接或反接后,都会长出其中缺少的座标,并维持正确的方向性。

四肢的发育,是由近端到远端的方向逐步生长。而指节的前后座标性,则由特定基因产物的浓度梯度决定。当这些物质浓度受到影响、改变,就会产生多指症的现象。不仅从远古人类就有多指的记载,多指更是乌骨鸡的重要特征之一。

器官的独立与协调

人类婴儿和成人的比例相当不同,这是由于身体各部位分别的发育速度差异所导致。许多动物都会有某个部位或器官特别快速地生长,例如昆虫的触角、蝙蝠的指节及沙皮狗的皮。

除了各自独立的发展速度,也有许多相互配合的例子。例如果蝇的翅膀分成两边,在一般的状况下两边的生长速度会一致。当人为调控去让其中一边生长比较缓慢或加速时,其相对应的细胞就会增大或减小,使得两边最终呈现的状态仍然一致,以维持功能的正常运作。

不对称

许多动物都有左右不对称的状态。人体的器官就是相当明显的左右不对称。各种不同的突变,可能使得人体器官整个左右相反、或仅有横隔膜以上或以下左右翻转,或是长成对称的两边。其实胚胎发育的不对称相当早期就出现了。纤毛同方向的运动,使某些物质聚集在同一边,因而产生了不对称的结果。因此当纤毛不会运动时,就可能发生左右对称的突变状况。

器官的数目与位置

小鼠的前肢和鸡的翅膀,骨头构造相当类似,而前肢与后肢的位置,也由 HOX 基因所调控。同样也能借着控制基因在不同部位的表现量,而让身体长出多的前肢或后肢—所以一只鸡有很多只鸡腿是可行的。eyeless 基因决定了复眼的发育状况。突变时整个眼睛都不见;人为使它在身体其他位置表现,那些地方就会长出复眼。它是一个复眼发育的开关基因,有了他的表现才能引发一连串的发育。但 eyeless 不只是在复眼的位置有表现,自然状态下,并不是所有有表现的位置都会长出复眼,还需要其他物质的同时配合才能完整发育。人类的身体构造、胚胎发育,是我们最有兴趣的主题,但人类不能轻易拿来做研究,因此许多研究利用果蝇、老鼠等比较简单的生物,去找出调控的基因及机制,后来也发现跟人类的构造、生命和疾病相当地相关。这些从简单的生物上得到的知识,对于人类的了解、医学的发展等都有很重要的影响。

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当日参与人士有国中生物老师、许多高中生、大学硕士学生以及工程师、会计师等。提出的问题五花八门,最有兴趣的是那些人为生长出的复眼或四肢,能否拥有正常的功能,“想干嘛就干嘛”。孙教授指出,骨骼的成果我们可以很容易地观察到,但肌肉和神经的分布与生长就不是那么明确。然而从一些间接的实验仍然可以发现,这些多长出来的器官因没有与大脑良好的连接,无论是感觉或动作都无法顺利执行,以功能来说是无法比拟正常生长的器官。

现场提出的许许多多问题,也让主任与孙教授再三感慨,生物是一门很深的学问,当你了解到某个程度,就会发现更多的疑惑,问题是永远问不完的;许多生物类的问题由于可能影响的层面过多,也无法由单一个案去做判读、下定论。

除此之外,本次讲座中提及的多项研究都是相当多年前的成果,当时的分生技术尚没有今日如此纯熟,因此许多细微的机制与分析还没有那么清楚,若是以现在的技术重新执行类似的实验,可能可以得到更为精确的结果。当然也有可能,推翻过去的结论。这也是生命科学有趣的地方。

第五期的探索讲座将于 11/12 (星期六)登场,探讨“我为何而生?”这个问题的主角 ─ 生殖细胞,由台大昆虫系教授兼系主任的张俊哲老师主讲,报名网址:http://goo.gl/9NTEzf

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图片来源:由 CASE 讲座提供。