人類在生物學的分類上屬於脊索動物門,所有脊索動物[1](以脊椎動物為最主要,例如魚類、鳥類及哺乳類等)具有一個獨特的特徵,消化系統在腹側,神經管則位於背側。然而同樣也屬於左右兩側對稱的蝦、蝸牛等動物則剛好顛倒,蝦子的消化道就是背上那條黑色線,而神經管位於腹側。一百多年來,生物學家一直無法妥善解釋脊索動物背腹獨特的身體構造從何演化而來。

本院細胞與個體生物學研究所蘇怡璇副研究員與臨海研究站游智凱主任指出,由於口部決定了腹側位置,研究發現,動物胚胎發育從「口部」消失產生變化,推測將於對側產生新開口,致使神經管與消化管方向對調,成為脊索動物背腹翻轉的關鍵。研究成果已於今(2019)年6月發表於《美國國家科學院院刊 》(PNAS)

本院細生所蘇怡璇與游智凱表示,半索動物玉柱蟲與脊索動物外形迥異,因親緣關係接近,同屬於後口動物,胚胎發育的機制仍有共通性。本研究以演化發育生物學[2]的角度,嘗試找出脊索動物在背腹翻轉的演化過程中如何產生中間過渡型態。

圖1:半索動物、棘皮動物、脊索動物同屬後口動物

 

過去研究發現,BMP(Bone Morphogenic Protein,骨骼形成蛋白)對於動物胚胎如何決定背腹體軸發育具有關鍵作用。研究團隊將BMP訊息分子加入玉柱蟲胚胎,改變其體內BMP的訊息強度,發現胚胎發育出現兩處改變,第一,口部消失,抑制胚胎口部的形成。第二,神經轉而集中於腹側發育,對應至脊索動物的背側神經系統。研究推測,胚胎發育晚期將產生新開口於原本的背側,致使背腹體軸翻轉。

蘇怡璇與游智凱表示,過去研究也曾提出背腹翻轉,認為當神經聚集至腹部後,嘴巴再慢慢演化、移動至另一側。本論文提供一個可能的分子機制:從口部消失開始演化,神經同時集中於原本的腹側發育,演化的轉折不在於口部位置移動,而是新開口從原先的背部產生,導致背腹翻轉。

圖2:上圖為正常的半索動物玉柱蟲胚胎(側面觀),口部(黑色*)位於腹面,黑色箭頭指向胚胎的背面。SynB的染色顯示神經系統分布於兩側,控制纖毛擺動,幫助攝食。下圖為mBMP4蛋白質提升BMP訊息傳遞強度後,導致胚胎口部無法形成(白色*),神經系統的分佈也改聚集至腹面(白色箭頭)。

 

值得一提的是,此研究使用在澎湖群島採集的半索動物玉柱蟲,為研究團隊長年致力在臺灣發展建立的研究模式動物。本院細生所位於宜蘭礁溪的臨海研究站在海洋動物研究資源的照護與提供上,也扮演不可或缺的角色。

本研究由中研院及科技部支持,研究團隊包括蘇怡璇、陳宜芝、丁修齊、范子霈、林靖益、王廣澤,游智凱。

研究團隊合照(由左至右:本院細生所游智凱、蘇怡璇、陳宜芝、林靖益、范子霈)

 

本研究論文標題為:BMP controls dorsoventral and neural patterning in indirect-developing hemichordates providing insight into a possible origin of chordates,論文連結:https://www.pnas.org/content/early/2019/06/11/1901919116

(細胞與個體生物學研究所)

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[1] 脊索動物門(學名:Chordata)包含三個亞門:包括頭索動物、尾索動物和脊椎動物。脊索動物以脊椎動物為最主要。常見的脊椎動物有五大類,分別為魚類、兩生類、爬蟲類、鳥類及哺乳類。

[2] 演化發育生物學(Evolutionary developmental biology、Evo-Devo)是一個透過比較不同生物體的發育過程,以推斷它們之間的祖先狀態以及發育過程如何演化的綜合性生物研究領域。 藉由研究脊索動物近親-玉柱蟲、海膽的發育過程,可以推論脊索動物背腹翻轉的獨特特徵如何由貌似迥異的胚胎型態基礎上演化出來。