動物胚胎的生殖細胞發育模式：預先形成與後成（下）

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

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生殖細胞預先形成發育機制：果蠅的卵在母體內發育時，卵母細胞會分裂四次，產生十六個細胞，包括十五個護衛細胞 (nurse cell) 以及一個卵。這十六個細胞的胞裂 (cytokinesis) 並不完全，彼此的細胞質仍由細胞橋樑通道 (ring canal) 及其內的微管細胞骨架相連接。經由這些通道，護衛細胞所合成的特殊蛋白質與 mRNA 被送往卵集中。之後，卵內的細胞骨架與動力蛋白質（dynein 或 kinesin） 再進一步將這些分子分送到卵的不同位置。其中 oskar 基因的蛋白質產物先集中在卵的後端，接著促使 nanos 基因的 mRNA 也集中在卵後端。由於 nanos 轉譯出的蛋白質具有抑制其他非生殖細胞分化基因的轉譯，同時再配合 vasa 和 piwi 基因的產物，促使胚胎後端的細胞走向初始生殖細胞分化的道路（圖二）。行預先形成機制胚胎裡的初始生殖細胞分化因子，於卵細胞質的特定位置集中，這些細胞質稱為胚質 (germ plasm)，胚質內帶有的 mRNA 及蛋白質主要促進生殖細胞分化基因的表現，並抑制非生殖細胞分化基因、初始生殖細胞的細胞週期及細胞凋亡 (apoptosis)，使初始生殖細胞保持一定細胞數目，直到發育後期進入體內才開始繼續分裂成更多的生殖細胞。

圖二、果蠅初始生殖細胞預先生成機制。上圖：卵成熟時，護衛細胞合成的分子經過細胞橋樑通道送至卵（紅色箭頭），隨即被卵內的微管細胞骨架運送至不同細胞質位置。oscar mRNA 被送往卵後端，固定 nanos mRNA 的分佈。下圖：nanos、vasa、piwi 等決定因子的基因產物（藍色區域），促使得到後端卵細胞質的細胞（極細胞，pole cells）分化為初始生殖細胞。（本文作者陳政儀繪）

由於這些分化因子的發現，科學家們用原位雜交 (in situ hybridization) 及免疫染色法 (immunostaining) 等標定初始生殖細胞在胚胎的發育過程。研究發現果蠅初始生殖細胞的預先生成機制也發生於動物演化樹上的其他分支，例如：線蟲、海膽、斑馬魚、非洲爪蟾及雞胚裡。由於這些參與調控的基因在演化上都屬於同源基因 (homologues genes)，且功能上都決定初始生殖細胞分化，因此，科學家們懷疑這種初始生殖細胞預先形成的機制是否就是後生動物 (metazoan) 祖先的生殖細胞發育所使用的機制呢？然而，越來越多在不同動物的研究上發現，演化樹上大部份生物的生殖細胞都是以後成的機制決定發育的。由於後生動物演化早期分支的海綿與刺絲胞動物胚胎裡，皆沒有發現集中化的初始生殖細胞決定因子，暗示了後生動物共同祖先的生殖細胞可能是以後成機制發育。但是在邏輯上必須注意的是，沒有發現集中化的初始生殖細胞決定因子，並不能夠完全證明這些動物的生殖細胞預先形成的機制不存在。

由於體細胞可以經由去分化 (dedifferentiation) 及轉分化 (transdifferentiaion) 改變其已決定的分化路徑而成為生殖細胞，並決定其遺傳分子是否能如同生殖細胞一樣傳遞至下一代，暗示了初始生殖細胞的細胞質內存在的預先生成因子，幾乎能由其他類似後成的機制所取代，例如多分化功能的 iPS 細胞的誘導機制，近來，誘導幹細胞的概念使得已分化的體細胞與未分化的多功能生殖細胞之間的界線已十分模糊。在果蠅的研究也發現並非所有初始生殖細胞最後都會分化為生殖母細胞，部分初始生殖細胞走向體細胞的分化路徑。另外，節肢動物的端足目早期胚胎初始生殖細胞內具有預先生成的決定因子，然而在這些細胞被去除後，發育成熟的個體仍具有從內胚層（體細胞分化路徑）引導發育而來的生殖細胞，且能夠產生下一代配子。同時，不帶有生殖細胞的渦蟲、水螅及海鞘身體片段，都能夠完全再生出具有生殖腺的個體。這些研究都顯示：初始生殖細胞的預先生成與後成，並不完全決定成體生殖細胞的來源。換句話說，即使動物胚胎發育時期缺乏初始生殖細胞，只要體內仍有能被誘導的多功能性幹細胞存在，成熟的不孕個體也能夠行有性生殖，將細胞核內所帶有相同的遺傳訊息傳遞給下一代。

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.