【探索16-5】燒錄「命孕交響曲.mp3」的生殖細胞

16-5-wiki講師|臺大昆蟲系主任 張俊哲
撰文|
楊于葳

●序曲:考取名校,其實是很那個……

高中時的張老師就讀台中一中,照理來說一個年輕人考上中部最好的高中,內心應該要感到無比的喜悅,但在開始讀書時內心即開始產生變化,老師引用台灣音樂製作人李宗盛《十七歲女生的溫柔》中的歌詞:「十七歲女生的溫柔,『其實是很那個的』⋯⋯」來表達一種說不出的鬱卒感。「何謂學習的理由?」至今都是學子們內心的大哉問,也是學生時期的老師心中很大的疑惑。

回顧大學時期,老師對於榜單的結果不慎滿意,特意休學重考但結果不如預期,於是復學回到台大植病系昆蟲組,以上下學期班級第一名的成績成功轉入台大生化學系。讀完研究所、服完兵役後,老師認為應該學以致用,幸運考取法務部調查局的鑑識科及公費留考,經過幾番思考後決定放棄公務員資格,到劍橋大學攻讀遺傳學博士,意外譜出一段生殖細胞的命「孕」交響曲。

此講張老師以親身實例,分享從「為何學習」到「主動學習」的心境是如何轉變,並且以幽默歡快方式介紹蝗蟲、蚜蟲的生殖模式,以及此項研究的積極意義,帶領大家享受一曲生命交響樂。

●第一樂章:生殖漿驅動模式與訊息誘導模式

從初始生殖細胞到成熟的生殖細胞的特化過程,是吸引老師研究的生命現象。生殖細胞(Germ cells)是由初始生殖細胞分化而來,動物的體內形成生殖細胞的模式有兩種,分別是生殖漿驅動模式(Germ-plasm driven mode)以及體細胞誘導模式(Somatic induction mode)。

生殖漿驅動模式中,生殖細胞的特化是倚賴生殖漿中的生殖細胞決定因子。細胞形成之時,特化的細胞質富含生殖細胞決定因子的生殖漿,當某些沒有特化的細胞核移到特化的細胞質再被細胞膜包覆後,細胞核會接收將來要變成生殖細胞的信息,最後形成初始生殖細胞。在很多的動物裡,初始生殖細胞是最早形成的生殖細胞,因為擔當傳宗接代的重責大任,胚胎開始發育後即確立細胞屬性,將體細胞與生殖細胞有所區隔是生殖漿驅動模式最大的特色。

生殖漿驅動模式與訊息誘導模式的差異,在於生殖漿驅動模式的決定因子是由母親所供應的,並不是胚胎本身具有的因子,舉例來說這是一個果蠅的卵,在未受精時果蠅媽媽就已經把生殖漿組裝好了,當卵發育更完全的時候,生殖漿組成物會在後端細胞化形成初始細胞。而在訊息誘導模式中是藉 Bmp4 因子的誘導形成初始細胞,Bmp4 因子是胚胎本身製造的而非母親供應的,且通常此模式會發生在胚胎發育的中晚期。 人類的生殖模式與小鼠的生殖模式十分相近,皆是利用訊息誘導的模式。小鼠的訊息誘導模式是利用 Bmp4 刺激上胚層細胞誘導初始生殖細胞的形成。

●第二樂章:非洲沙漠飛蝗生殖蛋白 Vasa 之研究釐清爭議70年之久的歷史懸案

時至今日,非洲沙漠飛蝗(Schistocerca gregaria) 所造成的環境災害仍是重要議題,在指導老師 Michael Akam 的建議下,老師開始研究非洲沙漠飛蝗生殖細胞的特化現象,研究一個稱為Vasa的生殖基因,希望能利用Vasa表現出Vasa的蛋白基因的原理,再去製造對 Vasa 蛋白有專一性的抗體。當老師把胚胎抗體染色時,預期訊號會出現在性腺表現位置的腹部中央,然而實驗結果卻帶給老師驚奇的發現。一開始訊號散佈在胚胎的邊緣,隨著胚胎發育的時間,訊號漸漸於頭、胸部消失,慢慢轉移至腹部,在胚胎發育中後期後,訊號出現在性腺內,晚期時表現在生殖器官內的生殖細胞。

回想在1930年代有兩位學者分別對此研究有不同的發現。1934年,Nelsen根據他的實驗追蹤,發現在胚胎周遭有很大顆的細胞,跟其他細胞不一樣,追蹤後發現這個細胞跑到性腺裡面,所以在 Nelsen 文獻中註解稱為GC(生殖細胞)。1937年,Roonwal 觀察蝗蟲胚胎發育的後期,明確地指出哪一個地方是生殖細胞,並以一頁的篇幅指證 Nelsen 的發現應該是心臟細胞。釐清一系列的脈絡後,老師發現兩位學者都是對的, 且做出驚人的結論,因為從來沒有人想過初始細胞可以聚集在細胞的外圍在進到胚胎裡面,完全顛覆常人的想像。

●第三樂章:似變形金剛的豌豆蚜蟲,可否在生殖漿驅動模式和訊息誘導模式進行轉換?

當初老師用 Vasa 抗體染蝗蟲生殖細胞時發現效果不佳,心灰意冷之際將蝗蟲 Vasa 抗體分給研究蚜蟲的日本籍學者,細胞卻作用的如此完美,著實讓老師感到意外,於是在心中許下日後研究蚜蟲的心願。

一般的昆蟲以卵生居多,而碗豆蚜蟲特別之處在於它是行孤雌胎生,不需要雄性受精即可繁衍下一代,小蚜蟲出生即懷孕,如同俄羅斯娃娃般的繁衍能力,也是老師選擇蚜蟲為實驗對象的原因。

蚜蟲的基因體對環境因子具有型態多形性的展現(Morphological polyphenism),當我們把一隻無性的母蚜蟲(無翅)生長在壅擠的試管內,蚜蟲會感到受環境擁擠的訊息,希望下一代有能力到其他的地方找尋充足的食物,因此後代中有高比例的蚜蟲會有翅膀,如同變形金剛一樣,當遭受到環境的威脅時,轉變為另一種型態適應環境變化。也因為如此,老師開始思考無性與有性生殖的蚜蟲,在生殖細胞特化會不會有生殖漿驅動模式和訊息誘導模式的轉換,並開始一系列的研究。

●Aphid in drosophila計畫

蚜蟲可依光週期決定有性生殖或無性生殖,台灣的氣候較為溫暖,決大部分的蚜蟲都是行孤雌胎生,無法誘導成有性生殖。無性生殖的蚜蟲是以生殖漿驅動模式決定生殖細胞,生殖漿會聚集在彈槍的後端,當細胞形成時,即把生殖蛋白 ApVas1 包覆形成生殖細胞。

根據文獻在發育中期蚜蟲的生殖細胞才被發現,因此蚜蟲的有性世代極有可能是採取訊息誘導模式。為應證此想法,老師在果蠅卵巢分別表現蚜蟲和蝗蟲生殖基因 Vasa,結果顯示蚜蟲 ApVas1 蛋白無法聚集表現於生殖漿,而蝗蟲SgV蛋白可聚集表現於生殖漿,顯然蝗蟲與蚜蟲的Vasa序列能夠被牽制在卵細胞的後端,是因為果蠅的Vasa中有關鍵的氨基酸及結構區域專門負責蛋白Osk。

●第四樂章:命孕交響曲 VS. 命運交響曲

果蠅與蚜蟲的生殖模式皆為生殖漿驅動模式,而蝗蟲的生殖模式為訊息誘導模式。雖然果蠅跟蝗蟲雖有不同的生殖模式,卻有共同的序列。果蠅含有Osk蛋白,因此以生殖漿驅動模式為生殖模式,而蝗蟲沒有 Osk 蛋白,所以以訊息誘導模式為生殖模式。然而,雖然蚜蟲是以生殖漿驅動模式,但是卻沒有Osk蛋白,至於是什麼因子把他固定在後方目前還是一個未知的地方。

總結以上的研究經歷,以客觀來說,這些研究開啟動物生殖細胞發育的分子奧秘,除此以外,可以了解生殖基因的作用機制,期能找到抑制生殖基因表現的策略,控制害蟲的大量繁衍,降低蚜蟲傳播植物病毒的數量,期待有一天能夠找到對付生殖基因大量表現的方法。

--註記:蛋白Osk 與 Osca 諧音。Osca 是歐洲古王朝的名字,根據歷史的記載此王朝是因近親通婚導致無法繁衍後代。

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本文整理自:105/11/12 由張俊哲教授在臺大思亮館國際會議廳所主講之「燒錄「命孕交響曲.mp3」的生殖細胞」演講內容。

 

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