生命科學

細胞羅盤

從昆蟲到哺乳類,動物細胞操控迷你羅盤,依循正確方位堆積出各種複雜的組織形態。如今打造羅盤的幕後推手終於現身,竟是五億年前就存在的六個古老基因!

撰文/艾德勒(Paul N. Adler)、納森(Jeremy Nathans)
翻譯/潘震澤

生命科學

細胞羅盤

從昆蟲到哺乳類,動物細胞操控迷你羅盤,依循正確方位堆積出各種複雜的組織形態。如今打造羅盤的幕後推手終於現身,竟是五億年前就存在的六個古老基因!

撰文/艾德勒(Paul N. Adler)、納森(Jeremy Nathans)
翻譯/潘震澤


重點提要
■所有動物細胞都需要知道自己在身體當中所處的相對位置。
■過去幾十年來研究人員發現了幾個關鍵蛋白質,可讓細胞感知動物的上下前後各方位。
■這些蛋白質重要無比,以致於它們在五億多年前演化出來之後,就沒有發生太多改變。


生物體的建造不是件容易的事,不論是魚、青蛙還是人,都是從單一個細胞開始,克服重重險阻,最後形成高度組織化且複雜無比的生物。受精卵一分為二,再一路往下分裂為4、8、16,在短短幾星期內就形成數以萬計的細胞。此時,原始的球狀細胞群重新組合成長形,且一端變圓、變厚,同時還形成一條淺溝縱貫其中。沒多久,一齣細胞芭蕾舞劇驚豔登場:淺溝變深,溝壁細胞彼此靠近,最終貼在一起,形成一條長形的中空管道。膨脹突起的一端最後形成腦,另一端則為脊髓。


要進行如此精確的組裝,胚胎各個細胞必須能夠感知彼此間的相對位置。每個細胞都需要知道生物體的上下前後各方位,也需要弄清楚朝哪個方向移動是靠近抑或遠離身體。過去幾十年來,我們和其他發育生物學家一直試著了解細胞的這種定向系統如何運作。在這個大題目之下展開的研究,讓我們發現了某種包含若干蛋白質的關鍵組成,可在每個細胞內充當迷你羅盤;沒有這個羅盤,心臟、肺臟、皮膚以及其他器官都將不能正常發育。以人類為例,如果這些蛋白質當中有任一個受基因突變影響生成,就會造成嚴重的先天缺陷。


雖然科學家對於這個定向系統的運作方式還有許多未知之處,但現階段的成果已經讓我們對放諸全動物界皆準的基本發育過程有了新的認識。目前我們知道最多的,是這種羅盤在表皮細胞中的運作方式。一般來說,表皮細胞就像人行道上的石磚一樣,一層層覆蓋在組織表面,每層只有一個細胞的厚度。如果棉質床單是由表皮細胞組成,那我們發現的蛋白質將使得床單中的每個細胞都能感知床單哪側較靠近床頭、哪側又較靠近床尾。


由這種帶有定向功能的細胞組成的生物,在演化上具有特定優勢:其複雜的組織不再需要在每個方位都形成對稱;不同的部位可以各自分化。例如位於內耳螺旋狀耳蝸管一端的髮狀纖毛可辨識高頻聲響,而位於另一端的則可辨識低頻聲響。科學家把此組織層的不對稱性稱做「平面極性」(planar polarity),意即從組織平面可以看出相對的兩極。


一旦動物發明了有用的工具,就會把持不放。一如攜帶調節蛋白質編碼的基因,負責平面極性蛋白質的基因在演化關係遙遠的物種之間也非常類似,例如哺乳類體內的版本就與昆蟲體內的相當接近。這些基因十分古老,早在約莫五億年前動物界興起時就已演化出來,這一點也不讓人意外。


昆蟲帶路做研究


目前我們對於平面極性的了解,大多源自20世紀中葉的昆蟲研究。為了方便研究,科學家以多數成蟲擁有、且容易取得的堅硬外殼(角質層)為實驗對象,而非內在器官;昆蟲的這種硬質外殼是由硬殼下方較為柔軟的表皮細胞所分泌製造。


在顯微鏡下,昆蟲的硬殼表面看起來是一片排列整齊的稜脊與鱗片,其間有細毛與剛毛以固定距離相隔。這些構造中有的對壓力或化學物質濃度的變化相當敏感,因此有助於昆蟲對外在環境做出反應。再來,幾乎每根細毛或剛毛都緊鄰彼此平行排列,頂端也都指往同一方向:位於翅膀上的細毛朝身體外側生長,位於身體的細毛則朝遠離頭部的方向而生。一如剛形成神經管的管壁細胞,這些生成細毛的細胞似乎也曉得哪邊是前、哪邊是後;此外,它們似乎還知道什麼方向更靠近或遠離其他組織(分別是近端與遠端)。


動物就愛極性基因


昆蟲顯然不是唯一表現出平面極性的動物。受到格布與艾德勒的果蠅實驗啟發,包括本文作者之一納森在內的研究人員開始在脊椎動物身上尋找平面極性基因。除了這些實驗,後續針對不同基因組所展開的大規模定序研究,在在顯示了極性基因在整個動物界中有著驚人的相似性。有趣的是,植物體內並沒有發現類似的基因,意味花朵與其他植物器官的美麗形態,是由另一套截然不同的極性系統所打造。


就果蠅的六個極性基因而言,哺乳動物都有多種版本,但其中原因還不清楚。例如,人類及其他哺乳動物都擁有三種不同的星夜基因,而果蠅只有一種;此外鬈髮和亂髮基因也都同時有好幾個版本。


極性系統在所有脊椎動物(包括人類)的生存上扮演了重要角色,從生命初始的胚胎發育,到當下每一回的呼吸吐納──位於我們呼吸道的纖毛會把累積其中的黏液朝固定方向推動,也就是往上離開胸腔。隨著研究人員對於細胞如何感知它們位居身體何處有更多了解,我們也不斷地驚歎於胚胎發育之美。遺傳變異造就了動物以千變萬化的面貌展現於世,其中極性基因功不可沒。在過去五億年間,這群基因及其製造的蛋白質表現穩定且亮眼,動物因此成為忠實用戶,持續演化出複雜多變的形態,以解決各種生存挑戰。