【探索生命讲座】烧绿“命孕交响曲 mp3”的生殖细胞

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由国立台湾大学科学教育发展中心 CASE 所举办的探索讲座第十六期《命孕交响曲的四大乐章—发生、错生、重生及再生》的第五讲〈烧绿“命孕交响曲.mp3”的生殖细胞〉,由台湾大学昆虫系教授兼系主任,也是本次探索系列讲座的顾问之一,更是“命孕交响曲”这个主题的命名者—张俊哲教授主讲。由发育生物学的角度出发,介绍生殖细胞在命定的过程,借由一个一个 story,与观众们分享许多的 discovery。

台湾大学昆虫系教授兼系主任 张俊哲教授

台湾大学昆虫系教授兼系主任 张俊哲教授

比减数分裂更前面的事—初始生殖细胞的命定与特化

稍微接触过一点生物学的话都会知道,动物的精子与卵子,都是由生殖细胞经过减数分裂分化而来的。但是有没有想过,这些生殖细胞是怎么来的?在众多的胚胎细胞中,哪些细胞被“命定”将来发育成为“生殖细胞”? 生殖细胞的形成,可分为两种特化模式—“生殖浆驱动模式”及“讯息诱导模式”,借由这两种不同模式,命定了某部分的胚胎细胞成为“初始生殖细胞(primordial germ cell,PGC)”,再发育成为生殖细胞。

生殖浆驱动模式

一群未特化的细胞核,移动到某个富含“生殖细胞决定因子的细胞质—生殖浆”的位置(经常在蛋腔的后方),经过细胞化(细胞膜形成、包覆)的过程,这些细胞因为富含生殖细胞决定因子,这些因子的讯息传给细胞核,就发展成日后的生殖细胞。这个倚赖生殖浆里面的生殖细胞决定因子的命定过程,就称为“生殖浆驱动模式”。

讯息诱导模式

人类的生殖细胞特化过程与小鼠的相似,是借由 Bmp4 因子去刺激内脏内胚层前面的上胚层细胞,诱导产生出初始生殖细胞,而不是借由细胞化的过程、细胞膜去包覆生殖细胞决定因子而产生。

生殖浆驱动与讯息诱导模式的差异

生殖浆驱动模式可以说是命孕交响曲的第一乐章,在这样的模式中,生殖细胞是最早形成与特化的细胞,在发育的一开始,就与体细胞做出区隔。在这个模式下的生殖细胞决定因子,由母亲制造与供给,生殖细胞在胚胎发育早期就开始形成。而讯息诱导模式,包含了人类、小鼠与大部分的昆虫,生殖细胞决定因子是由胚胎自己制造与供给的,并且生殖细胞形成在胚胎发育中晚期才发生,就不是第一乐章了。

vasa 蛋白的迁移

张教授在剑桥大学攻读博士班时的研究,是选殖一个生殖基因 Vasa,利用对 vasa 蛋白专一的抗体去观察生殖细胞的形成。在非洲沙漠飞蝗身上看到,这些细胞原来是分布在胚胎的边缘,这样的发现他们一度怀疑是抗体专一性不够造成的误差。后来这些细胞渐渐地移动到腹部周围,再向中间集中,最后只专一表现在性腺位置内。这也解开了由 1930 年代开始的悬案,当时两位研究者,Nelsen 以早期的胚胎指出生殖细胞在胚胎周围,Roonwal 则以晚期的胚胎指出生殖细胞在腹腔中间的位置,并认为 Nelsen 的研究室错误的。张教授的研究结果则发现,两位研究者的结果都是正确的,因为胚胎细胞的确早期是在胚胎周围,而在发育中后期则移动到生殖腺的位置。

蝗虫、蚜虫与果蝇

令人意外的是,在蝗虫身上表现专一性不够的蝗虫 vasa 抗体,在蚜虫身上却有非常完美的表现,张教授笑说“这实在太好染太漂亮,不做蚜虫对不起自己也对不起抗体!”,于是就开始了蚜虫的研究。蝗虫、蚜虫和果蝇的生殖细胞命定模式不同—蝗虫是讯息诱导模式,而果蝇和蚜虫是生殖浆驱动模式,但他们的生殖细胞内都有表现 vasa 蛋白,于是张教授就有了一个调皮策略,Aphid in Drosophila(AID)计画,把蚜虫的 vasa 基因选殖出来,在果蝇身上表现,发现蚜虫的 vasa 无法在果蝇的生殖浆位置表现,但亲缘关系更远的蝗虫 vasa 蛋白却可以!经过研究发现,是因为虽然生殖细胞决定模式不同,但蝗虫和果蝇有一段相同的基因序列,可以被一个叫做 Osk 的蛋白辨认,这个 Osk 是作用在生殖浆的组装,蝗虫本身虽不会产生 Osk 蛋白,却有能辨认 Osk 蛋白的序列,使 vasa 集中在生殖浆的位置。

左为蝗虫,右为果蝇。

左为蝗虫,右为果蝇。

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三代同堂的蚜虫

蚜虫在大多数的时候,是以孤雌胎生的方式在繁衍后代。一条微卵管同时进行了卵发育和胚胎发育,当蚜虫母体产下小蚜虫时,这些小蚜虫肚子里已经有了更小的蚜虫,一个俄罗斯娃娃的概念,形成了蚜虫的三代同堂。

环境决定型态—蚜虫的形态多型性

蚜虫对于环境的刺激是相当敏感的,当把小母蚜虫在小试管里塞满,十分钟后放出来,这些小母蚜虫产下的后代,有相当高比例都是有翅膀的—环境太挤而传递了拥挤讯息(crowding signals),就长出了能飞离拥挤环境的翅膀。

三代同堂的蚜虫,来源:维基百科。

三代同堂的蚜虫,来源:维基百科。

而在生殖方面,大部分的时候蚜虫都是行孤雌胎生、无性生殖,但是当光周期改变,秋冬之际,会改行有性生殖。但在四季如春的台湾,无论实验室怎么控制光照、温度,都无法诱使蚜虫改行有性生殖,学者怀疑,这些蚜虫转变成有性生殖的基因已经被抑制或消失了。如果能把这些无法诱导成有性生殖的蚜虫,与日本能成功诱导的蚜虫基因分别解开,加以比对之后也许能发现让蚜虫改行有性生殖的关键。

由于蚜虫的有性生殖相较于无性生殖所产下的后代数量差异相当庞大,如果能掌握这样的关键,在蚜虫的防治和控制上面也许就能做到不伤害环境,单一针对蚜虫的方式。

DNA 指纹辨识

张教授在 DNA 指纹辨识发明者 Alec Jeffreys 爵士的实验室待了一年,一边试图使用发育生物学的方式,找出人类基因多型性的关键,一边学得了 DNA 指纹辨识的原理。这样的过程让他发现,生殖细胞在命“孕”交响曲中,负责特化、承受、受孕、孕育下一代,而在命“运”交响曲中,则成载着每个人不同的专属密码。这样的运不是虚无飘渺的,而是每个人独一无二的。

做这些研究有什么用

很多人会问,做这些果蝇、蝗虫、蚜虫的生殖研究有什么用? 在客观面来说,借由这些昆虫生殖细胞特化分子机制的解开,能去进一步探索其他物种在生殖方面的奥祕。除此之外,了解蚜虫的生殖细胞是如何决定的,就能如上述所说的,找到单一针对蚜虫、控制蚜虫族群数量的方式,而不会造成环境的伤害。而主观面则是在了解生殖细胞的特化 specification 和命定 determination 的过程中,发现生物学不再是死背强记,而能用讲道理的方式来了解生命现象,让张教授觉得自己非常的有存在价值,难以被取代。而看着这些生殖细胞的发生,看见生命的一开始就是如此的轰轰烈烈,也认为之后的一生也都该活的有意义。

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命名的幽默

在演讲中,张教授提起几个有趣的命名。例如前面提到的 Osk 蛋白,全名为 Oskar,是欧洲古王朝的名字,相传这个王朝的结束是因为近亲通婚导致没有后代;生殖细胞在移动时所需的蛋白则命名叫哥伦布,当这个基因突变的时候,生殖细胞就无法顺利的找到生殖腺新大陆;在移动过程中则需要猪八戒悟能 Wunen 基因的与大家相处不来的排斥性,形成一条途径,当悟能突变,能与大家好好相处的时候,就无法顺利抵达了。

人生必须不停地冒险与碰撞

张教授花了很长的时间介绍自己从高中开始的苦闷、迷惘,到经过重考、大学以及之后考上公务员、出国攻读博士之后的渐渐明朗,这一路走来,每一个阶段都是出乎他意料的。教授借由这样的经验,去鼓励在场的学生,现在苦闷没有关系,人生有很多意想不到的事情。无论现在是在哪个阶段,在摸索自己喜欢的科目或专长时,即使没有发现,也不要停止去探索。很多东西唯有你去接触,才知道自己有哪些兴趣,就像化学一样,一定要有分子的碰撞,才会知道会产生什么样的火花。无论有没有找到兴趣,都不要停止去充实自己。只要怀着一颗冒险的心,勇敢地去尝试,最后都可以满载而归。

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图片来源:
CASE 讲座提供。