2014年6月6日

對稱中的不對稱-胚胎發育的不對稱控制

作者/蘇怡璇(任職中央研究院細胞與個體生物學研究所)

在兩側對稱動物的胚胎發育過程中,體內左右兩側不同的訊息分子,各自開啟不同的下游基因,最後導致內部器官左右不對稱的發育。

自然界充滿了對稱與不對稱之美,有研究曾經顯示大家公認的俊男美女,都有著極為對稱的五官。然而兩側對稱的動物如人類,雖然外表是左右鏡像對稱,但我們的內部器官卻左右不對稱。這樣的器官配置,是源自於胚胎發育的早期左右有著不同的調控機制。發育生物學家長久以來對於胚胎的左右不對稱發育充滿了好奇心,近二十年來的研究已漸漸的解開了調控左右不對稱發育的分子機制。本文將對早期胚胎的左右不對稱發育機制以及最近在海膽胚胎兩側發育調控的新發現做一介紹。

對稱與不對稱
在自然界的動物中,除了海綿和腔腸動物(如水母、珊瑚等)之外,大多數的動物都屬於兩側對稱動物。兩側對稱的動物外表雖為左右對稱,但其內部器官自發育早期就會在體內左右兩側不對稱的發育,最後導致外部對稱而內部卻不對稱的身體體制。例如我們的心臟朝向左邊,肝臟在右邊,胃和脾臟在左側,肺臟的左肺有兩片肺葉而右肺有三片肺葉。這個調控左右不對稱的發育機制,很忠實的在胚胎成長過程中執行,以確保身體器官在正確的位置上發揮功能。在極少數的例子裡,器官會發生左右錯置(內臟轉位症),若是左右器官完全鏡像顛倒(發生率小於萬分之一),通常並不影響整體生理正常運作,有的患者甚至不會發覺。然而若是部份的器官左右錯置,則可能會影響器官的功能並產生疾病。

有部份患有內臟轉位症的人同時也有纖毛運動障礙的遺傳疾病。纖毛是細胞表面延伸的細毛,纖毛運動障礙和左右不對稱發育的關係,一直到近年來的研究,才得以窺探其可能的因果關係。

脊椎動物胚胎的左右不對稱發育機制
動物的發育自精卵結合後,經過一連串的細胞分裂與移動,形成兩側對稱的胚胎。在脊椎動物的胚胎研究中,發育生物學家發現早在形態上能夠區分左右構造的不同之前,基因表現就已經有了左右不對稱的現象。其中最為人所知的,就是nodal 訊息分子。在所有研究的脊椎動物早期胚胎中,nodal 基因都在左側啟動,其訊息傳遞接著開啟了一連串在左邊表現的基因,導致身體左右側的不同命運。另一個與調控左右不對稱相關的因子是BMP訊息分子,在數個脊椎動物的模式生物中,BMP 的訊息傳遞都在右側活化。 然而最令人感到好奇的是最初打破左右對稱的機制究竟為何?從二十世紀末至今一連串在老鼠胚胎的實驗,證實了在早期鼠胚一個長滿纖毛的構造(稱為node),因其纖毛的擺動造成往左的水流,打破了早期的對稱性,也造成了nodal 在左側的表現。這些實驗結果首次對人類的內臟轉位症與纖毛運動障礙的相關性做出可能的解釋。然而,其他脊椎動物似乎會利用不同的機制來打破早期的對稱性。例如在雞胚、蛙胚、以及斑馬魚胚胎的研究中都發現了早期離子通道活性的不均勻,對其左右不對稱的建立很重要。因此,雖然不同的脊椎動物胚胎可能利用不同的機制來打破早期發育的對稱性,但其共同的結果均會導致nodal 在左邊表現,並且脊椎動物中的nodal 與BMP 分別控制左右兩邊的發育也似乎是個普遍的現象。

海膽─實驗室與教室的友善夥伴
海膽屬於棘皮動物,是生活在海洋中的無脊椎動物。海膽被用來做為發育生物學的研究材料已有超過百年的歷史,其大量的精卵、簡易的體外受精、透明且同步發育的胚胎、卵裂及發育的方式(與脊椎動物同為後口動物,第一個產生的胚口會形成肛門),都讓它成為傳統上研究以及課堂上展示給學生觀察胚胎發育極佳的動物模式。近年來因為顯微注射技術的發展以及基因體序列的解析,海膽胚胎亦是現代研究發育基因調控網路重要的模式生物之一。現生的棘皮動物除了海膽外,還包括海星、海蔘、陽燧足以及海百合,它們最明顯的共同特徵是輻射對稱的身體構造,而且絕大部份是五幅對稱(圖一)。雖然棘皮動物的成體是五幅對稱,它們卻毋庸置疑的屬於兩側對稱動物,因為在大部份棘皮動物的發育過程中,它們會先發育成兩側對稱的浮游性幼生,之後才會發展出五幅對稱的成體構造。在這個兩側對稱轉換成五幅對稱的發育過程中,五幅對稱的雛體只在浮游性幼生的左邊形成,之後幼生的組織逐漸退化,並進一步變態成五幅對稱的幼體(圖二)。

圖一:棘皮動物的五幅對稱身體體制。

左圖為棘刺去除之後的海膽殼,
可以明顯的看到自中心點向外往五方發散出去的棘刺基部,成五幅對稱的排列。
右圖為台灣澎湖潮間帶常見的飛白楓海星,如同散落在海灘的楓葉般,具有五隻腕足。

圖二:海膽發育的過程。

由左至右為發育的先後順序,兩側對稱的浮游性幼生在海中攝食微細藻類,
幼生身體左側會長出五幅對稱的雛體,雛體仰賴幼生
攝取的營養逐漸長大,在變態的過程中雛體伸出管足,
幼生的組織退化,最終形成五幅對稱的幼體。

對於海膽左右不對稱的研究,直至數年前才有較大的突破。法國的研究人員發現海膽的nodal 基因也有左右不對稱的表現,然而與脊椎動物相反,海膽的nodal 在胚胎的右邊開啟,在胚胎發育過程中,nodal 的訊息傳遞會抑制雛體在右邊的生成。若是在海膽的發育過程中抑制nodal 的訊息傳遞,則浮游性幼生的左右兩邊都會有雛體的形成,這樣的個體在變態後會形成相連的兩隻海膽,如連體嬰般的在背口面相連接。因此,海膽雖然為無脊椎動物,卻也利用nodal 來調控左右不對稱的發育,只是在海膽胚胎中,nodal 在右邊的表現是抑制雛體生成。至於在海膽胚胎的左側是否有促進雛體發育的因子,其與nodal 訊息分子的關係為何,nodal 又是如何抑制雛體生成,這些問題則是接續待解的謎團。

BMP 與Nodal 也是海膽的左右護法
雛體在海膽幼生的左側發育是一個漸進的過程。最早可以觀察到左右不對稱的形態,是在幼生的左側有一條由腸道前端左邊的體腔囊所延伸的水孔小管,右邊的體腔囊則無此小管。此水孔小管會在背部左邊開一個小水孔,是將來形成海膽雛體的重要構造之一(圖三)。中研院細胞與個體生物研究所的團隊在從事BMP 下游分子pSmad 的抗體染色時,意外發現BMP 的活性在浮游性幼生時期也是左右不對稱。進一步利用多重螢光染色偵測法,更確認了BMP 的活性只作用在左邊的體腔囊以及其後形成的水孔小管。若是抑制BMP的活性,則水孔小管無法生成,並影響之後雛體左右不對稱的發育。
圖三:海膽的左右不對稱發育。

左圖為從口部觀察的海膽幼生,幼生的左邊在讀者的右方,
水孔小管的形成是左右不對稱第一個出現的形態特徵。
右圖為從左側觀察的海膽幼生,雛體的五幅對稱體制清晰可見。

研究團隊更進一步探討左側的BMP 與右側的nodal 之間的關係。實驗結果發現右邊的nodal 訊息會抑制BMP 在右邊的訊息傳遞,使得BMP 的活性被局限在胚胎的左邊以促進水孔小管的形成。若是抑制nodal 訊息,則BMP 的活性在左右兩側都可以被偵測到,幼生也因此會長出兩條水孔小管,在背部可觀察到兩個水孔,幼生更進一步會在左右兩側都產生雛體(圖四)。除此之外,在右邊接收到nodal 訊息的細胞會死亡,因此右邊無法形成雛體。BMP 和nodal 這兩個訊息分子,在胚胎的左右兩側相互調節通力合作,BMP 在左側扮演正向的促進角色,nodal 在右側扮演負向的抑制角色,以建立海膽的左右體軸,使得五幅對稱的雛體得以在左邊形成。
圖四:抑制nodal 訊息傳遞導致兩側對稱發育的海膽。

左圖為抑制nodal 訊息後產生兩條水孔小管並在背部具有兩個水孔的海膽幼生。
右圖為此幼生繼續發育下去會產生左右對稱的雛體。

左右不對稱調控機制的演化
海膽與脊椎動物雖然外型迥異,卻運用相同的分子機制來建立它們的左右體軸,因此海膽和脊椎動物的共同祖先(也就是後口動物的共同祖先),可能就已經使用nodal 與BMP 這兩個訊息分子來調控左右不對稱的發育。另外,美國和日本的學者近幾年在軟體動物的螺類(屬於原口動物,與後口動物為兩側動物的兩大分支)之研究,顯示這個分子機制也許可以往前推衍到兩側對稱動物的祖先。螺類的不對稱性發生在貝殼旋轉的方向,在右旋貝發育的過程中,nodal 表現在胚胎的右側,左旋貝的nodal 則在胚胎左側開啟;此外,螺類的BMP 也與貝殼螺旋形成相關。但這兩個訊息分子在螺類是否與其在後口動物一樣能相互調節則需要進一步的研究。

雖然海膽與脊椎動物運用相仿的分子機制建立左右體軸,在海膽胚胎中BMP 在左側nodal 在右側,與脊椎動物的nodal 在左BMP 在右剛好相反。這個左右調控機制相反的現象,不禁讓人想到動物演化上背腹體軸顛倒的理論。這個想法最早由法國自然學家E. Geoffroy Saint-Hilaire 在1822 年所提出,他在解剖龍蝦後認為節肢動物的腹部構造與脊椎動物的背部構造相似,近二十年來的胚胎分子生物學研究也證實調控背腹體軸的訊息分子在脊索動物與非脊索動物是背腹顛倒的。由於動物左右體軸的方向是根據背腹體軸而決定,如果背腹體軸顛倒,左右體軸自然也隨之反向,因此海膽的左右調控機制與脊椎動物相反也支持了脊索動物演化上背腹體軸顛倒的理論。

待解謎題
科學研究的成果,通常是帶來更多更深入的問題。以中研院這次的研究成果為例,接下來衍生出許多重要且有趣的問題,例如:海膽胚胎初始打破左右對稱的機制為何?海膽雖然沒有node的構造,其兩側對稱的胚胎在海水中卻也靠著纖毛擺動而有一定的旋轉方向,其旋轉方向是否與左右體軸的建立有關?另外,在左側形成的海膽雛體是如何發育成五幅對稱的體軸?這樣獨特的體軸轉換是如何發生,又是如何演化出來的呢?現今的發育與演化生物學研究,正走到了一個令人興奮的時刻,地球上形形色色的動物形態,皆是經由胚胎發育的過程造就而成,科學家現今已能利用發育生物學的技術與比較基因體學所提供的龐大資訊,來研究探討演化上重要的問題。未來期望有更多對發育與演化生物學領域有興趣的年輕學子,加入研究的行列,一起來探索未知。

註:本文相關的原始文獻,可至http://www.plosbiology.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pbio.1001402下載。

沒有留言: