動物胚胎的生殖細胞發育模式：預先形成與後成（上）

動物胚胎的生殖細胞發育模式：預先形成與後成（上）(Two Main Mechanisms of Animal Primordial Germ Cell Determination: Preformation And Epigenesis (I))
國立臺灣大動物學研究所碩士 陳政儀

動物進行有性生殖的過程中，成體生殖器官 (gonad) 內的生殖母細胞製造雌或雄配子 (gametes)，也就是卵子或精子，兩者結合後產生合子 (zygote)。合子經過胚胎發育 (embryogenesis)，逐漸由幼生發育成熟成為成體，成體又可產生新的配子，這樣的循環使得物種能夠繁衍。由於在這這個過程中會發生突變，進而累積性狀變化，促成演化的發生。

在胚胎不斷分裂的同時，不同細胞會因為細胞本身內在分子的產生或外在訊息的刺激，分化出不同功能的細胞。例如海膽植物極細胞因為細胞核內的 β-catenin 蛋白，影響基因表現，因而分化為中胚層 (mesoderm) 及內胚層 (endoderm)；脊椎動物的神經管 (neural tube) 腹側細胞，因接收來自脊索 (notochord) 的 Shh 訊息，分化為腹側神經節；同樣的，將來會發育為生殖母細胞的「初始生殖細胞」(primordial germ cells, PGCs)，也藉由細胞的內在或外在因子，決定他們走向與其他細胞不同的分化命運。

從眾多模式動物的研究中，科學家歸納出決定動物初始生殖細胞的分化機制主要為預先形成 (preformation) 或後成 (epigenesis) 兩種方式。以預先形成方式發育生殖細胞的動物，他們的卵在未受精之前即帶有母體製造的特定決定因子，這些特定決定因子在受精前會藉由胞內移動的方式集中於卵的特定區域，因此，在後續的卵裂 (cleavage) 的過程中，部分細胞的細胞質因為分得這些特定決定因子，使其走向生殖細胞的分化方向而成為初始生殖細胞。然而，後成胚胎中的初始生殖細胞命運，並非由細胞內的決定因子所主導，也就是說，未受精卵以及早期卵裂產生的細胞們並不帶有決定因子，因此發育早期並沒有任何生殖細胞被決定是否成為初始生殖細胞。而是當後生胚胎發育經過了卵裂及囊胚期 (blastula) 後，原腸胚 (gastrula) 的細胞開始逐漸分化為不同胚層。此時，部分細胞接收了外在其他細胞所釋放出的生殖細胞分化因子，這些分化因子引導並促使接收細胞分化成初始生殖細胞。表一簡單歸納兩種機制的差異：

然而，是什麼樣的內、外在決定因子讓特定的胚胎細胞走向分化成生殖細胞呢？以下以小鼠及果蠅分別簡介後成及預先形成兩種的生殖細胞發育機制：

生殖細胞後成發育機制：受精後的小鼠胚胎在原腸胚之前，沒有任何細胞表現生殖細胞的基因，也沒有細胞帶有生殖細胞決定因子。然而到了原腸胚時，可能源至內臟內胚層細胞所釋放的 Wnt 分子，使得後側近端的外胚葉 (posterior proximal epiblast ) 細胞對胚外外胚層 (extra embryonic ectoderm) 所釋放出的 BMP 分子反應，抑制非生殖細胞基因的表現，並引導多功能幹細胞基因 (Sox2 和 Nanog) 和初始生殖細胞分化基因的表現，使得這些細胞開始分化成初始生殖細胞。而其他例如軀幹和前端的細胞雖然也接收了 BMP 分子訊息，但由於 BMP 阻抗分子 (antagonist) 的存在，因此沒有被引導成為初始生殖細胞（圖一）。

圖一、小鼠胚胎初始生殖細胞誘導機制。於發育第 6.5 天，紫色外胚葉細胞接收由胚外外胚層分泌的 BMP 訊號，進而再發育第七天被誘導成為初始生殖細胞。（本文作者陳政儀繪）

連結：動物胚胎的生殖細胞發育模式：預先形成與後成（下）

參考文獻

1. Gilbert, S. F. (2013). Developmental Biology (10 ed.). Sinauer Associates, Inc.
2. Extavour, C. G. (2007). Evolution of the bilaterian germ line: lineage origin and modulation of specification mechanisms. Integrative and comparative biology, 47(5), 770–85. doi:10.1093/icb/icm027
3. Nieuwkoop, P., & Sutasurya, L. A. (1981). Primordial germ cells in the invertebrates: from epigenesis to preformation. Cambridge University Press.