2011年11月11日 星期五

不可思議的胚胎發育-----形態素(morphogens)


不可思議的胚胎發育   11-12-2011

許多偉大的科學家,不管是希臘時代的亞理斯多德(Aristotle),或是文藝復興時代的威廉哈維(William Harvey)---﹝他以實驗的方法証明人體血液的流動是循環的,而不是誤導了大家一千多年的觀念:以為血液是在人體內來回如潮汐般運動﹞。加上近代許多傑出的生命科學研究者,也都將研究的主題集中於胚胎學。

因為很多人都會領悟到,人如何由小到直徑僅100μ(=0.1㎝)的受精卵經過九個月的時間後,居然長成了平均3.0公斤的胎兒,這實在是一件太不可思議的事情。

各位網友,對不起,容許我咬文嚼字一番。請注意我一直用「不可思議」(incredible),我沒有說這是「不能思議」的事情。

尤其是這二、三十年來由於細胞學、分子生物學等等相關學科的帶動,胚胎學的研究早就不是像以前只注重形態外觀異同比較的一門科學而已,真可用一日千里來形容它進步的神速。

以人而言,懷孕九個月的前兩個月,稱為胚(embryo)。後七個月,稱為胎(fetus)。讓我打一個比喻,就好像建築師要設計一棟大樓,首先要考慮的一定是何處將來是一樓?何處將來是頂樓?也就是考慮到上下方位的問題。用胚胎學的術語來說就是先考慮體軸的極性(polarity of body axis)。接著要考慮的是蓋幾層樓?這就相當於考慮胚胎發育時要形成多少體節(somites)?體節的數目決定了,還要考慮在那一個或若干個體節中將形成甚麼器官組織?

人在演化及動物分類上,當然是屬於兩側對稱的動物(bilateral symmetry)。可是那是指外觀而言,人體內的許多器官明顯的都是不對稱的。例如心臟在左胸部;肝臟主要在右腹部。又譬如胃臟主要位於左腹部而脾臟則位於左季肋部。那問題來了,胚胎發育的時候是甚麼機制或甚麼因素,使得這些臟器(organs)發生在適當的體節,以及適當的位置呢?

試舉一例說明:在胚發育的很早期,甚麼器官都還沒形成的時候,胚體內因為基因的表現,產生了一些化學物質,總稱為形態素(morphogens)他們會以一種目前還不是很清楚的方式,形成濃度梯度。譬如說某幾種形態素在前方(anterior)濃度梯度較高,將來這部位就發育為頭部 。又例如某幾種形態素在後方(posterior)濃度較低,則將來這部位就發育為尾部。
圖一、左邊代表形態素濃度高;右邊代表濃度低。
From:http://www.google.com.tw/imgres?q=%E5%BD%A2%E6%85%8B%E7%B4%A0&hl=zh-TW&sa=X&gbv=2&tbm=isch&tbnid=O7pAjv5w52tjLM:&imgrefurl=http://biologicalfreak.blogspot.com/2010/04/blog-post.html&docid=Fo3jxzCtxPMAFM&imgurl=https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEh3iAhbKaI_1N8d_pzGh7NiEprtxZYRj2H1Hz4v15eFOmCiAhn_bmUutPeodifQGgiBl2Zlq0sd0pEf7kp7LoEgeGxKnApqfZzpUSeJluYsiquPjPsF3tAyA2j_tQrhTeQ6HMbqFqNOkRMN/s1600/%2525E6%252593%2525B7%2525E5%25258F%252596.JPG&w=475&h=355&ei=9NC9TvPQEcnsmAXtkcyKBA&zoom=1&iact=rc&dur=9&sig=108276397814414915116&page=1&tbnh=137&tbnw=181&start=0&ndsp=18&ved=1t:429,r:1,s:0&tx=88&ty=100&biw=1182&bih=642

圖二、左邊處於高濃度梯度的胚胎細胞進行增生及分化。
增生(proliferation)→指細胞的數目增加。
分化(differentiation)→指細胞的種類增加。
From:同上


圖三、Hedgehog morphogeg family是決定脊椎動物四肢末端發育的形態素(morphogens)。
From:

大約二十年前,一群日本的胚胎學家發現,在胚的早期靠近胸部,有一些具有鞭毛(flagella)的囊胚細胞(blastocyst),它們的鞭毛不停的往左邊擺動,導致一些形態素的濃度左邊明顯的高出右邊。就是因為如此,大部份人的心臟將來就會依循高形態素濃度梯度的指令,而發育在左胸部。

但是有極少數的人,因為基因異常的緣故,他們胚早期時的鞭毛無法擺動。(基因的名稱為dynein gene 有興趣的網友請自行google一下吧。)結果形態素的濃度梯度無法形成,於是他們的心臟就會發育到右邊,稱為右心症(Dextracardia)。後來進一步研究發現這些人不僅心臟發育的位置與正常人相反,身體中很多臟器的位置都相反了,所以又稱為臟器異位症(situs inversus)。最後學過細胞學或生命科學的網友,可能會馬上聯想到,如果是男生的話,因為精子的尾部就是鞭毛,因此它們在女性的子宮及輸卵管中,一樣無法擺動,結果導致不孕症的發生。想想看,因為一種基因的異常,惹出多大的禍事。

中國人一向很相信緣分,我雖然是學生命科學的人,可是我也非常認同萬事萬物的成功與否,是要多少因緣際會的巧合。請網友仔細想想,胚胎發育的每個環節,每個時間點,都要分秒不差,環環相扣。這種近乎不可能的任務,生命是如何辦到的?這是一種多麼「不可思議」的因緣?

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我曾任教於陽明大學,是一名教生命科學教了快三十年的老師,許多內容,班班相同,年年流轉,教了快三十年早已深植腦海中。約8年前因病退出教壇後,發現有些生命科學的事已開始逐漸慢慢淡忘了,不由得想起麥克阿瑟將軍(General MacArthur)的名言“Old soldier never die, they just fade away.”目前唯一沒變的是對生命科學的喜好與熱誠,有靈感時塗塗鴉一些心得和網友們分享 這是Blogger的緣起。

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