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幾個世界之最…

timd_huang
・2013/06/13 ・6094字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 529 ・七年級

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沒想到,我們一篇《自然》的論文(2013年4月11日,封面論文),竟然創了幾個記錄,我把它們記錄下來,不是要 ㄏㄧㄠˇㄅㄞ˙,而只是自己做個人記錄,人老不留白。

世界之最古老的恐龍胚胎

2003 年無意間在「百戰天龍」活動到雲南祿豐恐龍營撿到的一塊石頭,竟然引起了如此的「風波」,先是透過微型電腦斷層掃描,得知是很早期恐龍胚胎,後經兩度同位素定年,得到 1.95 億年的數字,證實為世界最古老的恐龍胚胎,比南非的大椎龍 (Massospondylus) 還早了 500 萬年;2010 上半年找到了這些恐龍胚胎出土的層位,展開三年的深入探討,終於建立了「恐龍胚胎學」;這些小小的恐龍胚胎,正是世界最古老的恐龍胚胎。

世界之最古老的陸相脊椎動物胚胎

恐龍是中生代最具有代表性的陸相(活在陸地上面)脊椎動物,但是,那個時代,在陸地上生活的,除了恐龍之外,還有其它的脊椎動物,如三列齒獸和早期哺乳動物,也都是陸相脊椎動物,所以,我這個無意間的發現,除了是世界最古老的恐龍胚胎之外,同時也是所知世界最古老陸相脊椎動物胚胎,一個發現,同時佔有兩項記錄,撿一送一,卯到啦!按:我並沒有說是最古老的脊椎動物胚胎,因為如魚類,也是脊椎動物,但牠們是海相的,所以「陸相」這兩個字不可漏失。

世界之最古老的恐龍胚胎骨床/孵育場

在 2010 年 3 月我再度探訪該地,除了恐龍胚胎骨頭和找到其層位之外,同時也在那個地方撿拾到成龍的爪子和肋骨終端,導致我認為此處是恐龍孵育場;不會飛的恐龍 (Non Avian Dinosaur) 和會飛的恐龍 (Avian Dinosaur,亦即鳥類) 有共同的特性,到了繁殖期間,大家會回到相同的地點交配、下蛋、孵蛋、育幼,因此,我同時找到恐龍胚胎骨頭和成龍骨頭,不得不讓我有此「孵育場 (Hatching Ground)」的推論;不過,從我們所做的埋藏學來說,這個地點,出土了至少三個不同孵化期的胚胎骨頭,應該是來自三窩,而且有很小水流稍微移動胚胎骨頭的跡象,所以稱為胚胎「骨床 (Bonebed)」,也說得過去;到底這邊快兩億年前的真相如何,還有待我們把那個小山包打開,才能見真章。

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目前的推論和判斷是:這個恐龍孵育場,鄰近水邊,可能是湖邊或河邊,中生代只有乾季和雨季兩個季節,在某次雨季,讓水位升高,氾濫出岸淹沒了這個孵育地區,靠水邊恐龍孵育場內正在孵化中的恐龍蛋胚胎,都被淹死肌肉腐爛蛋殼破碎,淹沒的水有些流動,造成某些較大骨頭排列成相同的方向(骨床特徵),可是水的移動很緩慢力道很小,所以像直徑不到一毫米 (mm) 的肋骨,還都保存下來,如果水流力量稍大一些,只有較大骨頭,如股骨、肱骨、脊椎骨等才可能會被保存下來,纖細的骨頭,如肋骨、上下頜骨等,會被沖刷破壞掉不會被保存下來,而我們兩種證據都有,既有相同方向排列的大骨頭樣本,也找到好些小肋骨、帶著尚未長出來牙齒的上頜骨,所以先做如此存疑的推論。

至於,到底這是單次,或是多次的淹水現象,從我們現有的證據來說,還無法完全定論;我們手頭上有的材料,有廿多根胚胎大腿骨,明顯地可區分為三個不同孵化階段,從小(孵化早期)到中到大(孵化晚期),它們應該是來自三個不同的窩,這一點可以肯定;可是,到底是不是同一次事件呢?在沒有更大規模深入探討之前,這就說不准了;目前我們只開挖了估計總共有 1,000 平方米中的 1 平方米面積而已,誰知道還有什麼驚喜等著我們?

有一種可能,說這是同一毀滅事件,有些祿豐龍爸爸媽媽迫不及待先來到此處做牠們喜歡做的事,有些來得晚一點,還有一些吊車尾,姍姍來遲,好不容易找到配對的對象(台語說:(女生)撿啊撿,撿到個賣龍眼的),所以在此孵育場總共有三批,有些恐龍蛋比較早開始孵化,有些晚了一些,導致三種不同孵化階段的大腿骨化石。

可是還有另外一種可能,此處前後總共最多有三次的淹水滅絕事件:在此情境中,得假設這些恐龍爸爸媽媽,大家都一起行動,成群性致高昂 (horny) 的成龍,來到此地同時上演活春宮,下了蛋也孵化到某個階段,沒預料到水漲掩埋毀了這次努力的結晶(造成了某孵化階段的化石);俗語說,不孝有三,無後為大,辛苦做愛的結晶被老天爺毀了沒了,只好等水退陸面乾了之後,繼續回到此地努力,不能絕後啊!如此的反覆,總共三次;當然,這種情況,並不一定是在相同的季節,有可能是一年兩年後、也可能是幾十年或幾百年後重來的;恐龍孵育行為,已經證實有地點忠實性 (Site Fidelity),也就說,牠們會回到相同的地點來做這件事情,其它動物,如鮭魚和某些鳥類,也有類似的行為,牠們會回到出生地點完成牠們傳宗接代的生命任務。

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世界之最古老的陸相脊椎動物胚胎骨床/孵育場

前面說過,恐龍也只是陸相脊椎動物之一,所以我們推論的世界最古老胚胎骨床/孵育場,也得把這一記錄算進去,在還沒有發現其它非恐龍陸相脊椎動物胚胎骨床/孵育場證據之前,這是完全是合情合理合法的「灌水」自我榮耀。

世界之最古老恐龍蛋殼

從上述的嘮叨描述可能的埋藏學(Taphonomy,又戲稱為「死相學」),大致可以知道,楚雄州祿豐大洼恐龍山這個胚胎點的祿豐龍蛋和胚胎,有受到相對於其它出土完整還保存在蛋殼裡面的胚胎,稍微比較大的外力(水流)影響,因此,希望能找到還保存完整蛋殼與胚胎的機會,實在不大;到如今,除了賴茲院士研究的南非大椎龍胚胎恐龍蛋之外,全世界上還沒有找到其它大約相同時期(早侏羅紀)的恐龍蛋,也就是說,早侏羅紀恐龍蛋長得什麼樣子,真的沒人知道,特別是祿豐大洼這個恐龍胚胎點,都是一堆沖散的孤魂野鬼死骨頭,期望能找到此處的恐龍蛋殼,希望渺茫;不過,人生有時候也很有趣,就如我 2003 年 1 月無意間撿起了一塊爛石頭,揭開了這個世界最古老的恐龍胚胎大戲;在我們研究過程中,賴茲院士寄了一些我們採集到的樣本給德國波昂大學的孔恩 (Koen) 博士,要他做脊椎骨的組織學切片,寄給他的樣本中,有一塊很不起眼的圍岩團塊,孔恩也不知吃錯了什麼藥無什麼聊,竟然把這塊樣本也切開了,放在偏光顯微鏡下去看,怪怪,竟然看到類似於恐龍蛋殼的東西,幾經反覆查證,終於確定這真的是此胚胎點這些孵化中恐龍蛋殼,賓果!證明這些小骨頭是恐龍胚胎骨頭,又得到一個絕對強而有力的證據,孔恩,你幹得好啊!

世界之最古老孵化中恐龍胚胎在蛋內運動證據

懷孕中的媽媽都會經歷到胎兒在肚子裡面、其實是「無時得靜」,會動來動去,這是為人(父)母者體會新生命的奧祕驚喜;從生理學來說,胎兒的運動,攸關他/她的骨頭和肌肉成長,胎兒浮在羊水裡面,比較不受地心引力的影響,肌肉的發展拉扯運動,也因而會影響到骨頭的發育,造成骨頭兩邊厚度的不對稱性,這種情況,到了小貝比出生之後開始爬走,受到地心引力作用,終而變成(如大腿骨)骨頭(橫切面)兩邊厚度對稱性;鳥類和其它哺乳類胚胎,也都可觀察到這種現象。

可是,恐龍胚胎,特別是如此早期的恐龍胚胎,是否也有相同的證據呢?證明恐龍在孵化階段的胚胎骨頭發育,受到肌肉成長的拉扯運動,導致(大腿骨橫切面)骨頭發育的不對稱性?從我們研究不同階段的祿豐龍胚胎,我們找到了世界最古老孵化中恐龍胚胎在蛋內運動的證據!

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世界之最古老的有機殘留物

在我們研究中,最令我們老中次團隊興奮,也是所發表論文兩行題目中獨佔一整行的(第一行:Embryology of Early Jurassic dinosaur from China 「中國早侏羅紀恐龍胚胎學」,第二行:with evidence of preserved organic remains 「帶著保存的有機殘留物證據」) ,就是我們從這些將近兩億年的胚胎骨頭中,發現了有機殘留物,這是我們台灣團隊很值得 ㄏㄧㄠˇㄅㄞ˙ 的特點;當初,我知道我這個無意間的發現是如此重量級之後,立即考慮到一個很現實的問題,賴茲院士與他所組成的國際團隊成員,都是國際上響噹噹的古生物恐龍學者,我自己學化學的,根本是門外漢,台灣也找不到能搬上檯面的古生物學者,我們憑什麼和人家一起玩下去?在整個計畫中,完全沒有我們說話的餘地,想要插嘴都沒有機會,那怎麼辦?後來我想到了一個方向,可以讓台灣團隊從不同領域好好發揮一下,這就是我提出「看進骨頭裡面」的思維,玩傳統的古生物學,我們連幼稚園都沒入門,甭想了,可是,若從「看見骨頭裡面」來下手,正是我們可以打開一片天地的機會,台灣有各領域的專家學者一大堆,只要能說服他們放棄「隔行如隔山」的自我設限觀念,我們台灣學者專家可以玩出名堂來!在諸多領域,我們有不輸人洋人的人才群,也有些世界先進的科研設備,一點也不怕,也不會輸給其它人家;看骨頭外面的部份,我們有國際團隊,一點兒也不輸別人,所以台灣團隊從這個角度來切入,把恐龍胚胎骨頭裡面的成份組織等研究顯示出來,正好與「看到骨頭外面」的傳統古生物學,相輔相成,兩者相益得彰,也擴展了古生物學的視野範疇;其它想競爭的國際競爭團隊,肯定沒法做到這個地步,我們已經把古生物學擴展提升到另一個超高的水準,別人只能忘洋興嘆。

果真皇天不負苦心人,在十年 (2003-2013) 寒窗之後,我們團隊這幾年來努力在這些快兩億年的恐龍胚胎骨頭內,透過國家同步輻射研究中心 BL-14A 光束站的傅立葉轉換紅外線光譜 (Fourier Transformation Infrared Spectroscopy) 分析,特別感謝該工作站主任李耀昌博士的協助,我們找到了保存殘留有機物的證據,也寫入我們論文標題的第二行;這一點,除了證實我幾十年來切割化石聞到特殊味道的懷疑之外,也證實了,只要用對的方法、有足夠靈敏度的科研儀器設備,很多非常古老的化石,都可以找到有機殘留物。

如此一來,雖然回答了我個人幾十年的困惑問題,可是也立即引發更多幾個問題,如:一般的認知,化石都是古代的生物轉換成為(無機)的石頭了,怎麼有可能還保存著有機殘留物?接著,這些被保存的有機殘留物,到底是什麼?原本生物體內的有機物,到底裂解了多少?有沒有可能找到這些古生物的 DNA(〈侏羅記公園〉科幻電影)?這些複雜有機化合物之間,有什麼交互的作用;?最後,一個最重要的問題,也是可能屬於「抽地毯」(最根本)式的問題:從古代生物到變成化石的過程與機制如何?或說,這些有機物是如何被保存下來的?

能夠回答因我們找到世界最古老有機殘留物而引發以上這些相關問題,除了可修改過去石化過程的含糊認知之外,還可能大幅改寫人們對於古生物的認知--這又是一個屬於原子彈級的大好科研課題。

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世界之最先創的恐龍胚胎學

 

先看一下上面這兩張圖片,這是賴茲院士在 2005 年研究發表的南非大椎龍胚胎,非常完整漂亮,不是嗎?沒錯,多少古生物學者,窮一輩子之力,不就是渴望能有機會發現和研究如此罕見又珍貴的樣本嗎?人生的福氣啦!

可是,再仔細看一看,好好想一想,「福氣 (Blessing)」與「詛咒 (Curse)」,有時是一體兩面同時存在著;我說這話,絕對沒有對賴茲院士的任何丁點不敬,而是理智地來分析討論;試想,一、如此完整漂亮的樣本,有誰會讓你我取下任何一根骨頭來切割研磨深入研究?恐怕連用手碰一下都不允許,給你看外表、或甚至只看照片,已經是很大的恩惠了,不可能有機會讓研究人員想幹什麼就幹什麼,不是嗎?二、這麼漂亮的恐龍胚胎化石,是不是只是在整個恐龍蛋孵化過程中被凝結的某短暫剎那?此胚胎在漫長孵育過程中的此剎那之前和在此之後,完全沒有,它僅有這個短暫片段時刻的紀錄,沒有連續的資料,這也就是說,如此的樣本,同時是「福氣」也是「詛咒」。

相對來說,我在祿豐所發現、比大椎龍稍微早了 500 萬年的祿豐龍胚胎,除了我最早在 2003 年初找到的那個樣本之外,其餘的都是鬆散開 (Disarticulated) 的孤魂野鬼零星骨頭,完全沒有整體胚胎的型態保存下來,從胚胎完整性的角度來說,這是個「詛咒」,無法和人家在完整度方面來做任何比較;然而,也因為它們是零散的骨頭,我們卻因「禍」得福,把「詛咒」變成了「福氣」;怎麼說?

就是因為我們找到了很多鬆散開的胚胎骨頭,我們可以進行對骨頭的切割研磨,做各種具有破壞性的實驗,而讓我們能好好地「看進骨頭內」;就以上述的有機殘留物來說,如果沒有把那根大腿骨切割研磨到大約 150µm 的厚度薄片,大約一張影印紙厚度,根本無法進行紅外線掃描,我們也就無法說這些胚胎骨頭化石內還保存著大約二億年前的有機殘留物了:這不是因「禍」得福嗎?完整的大椎龍胚胎,有可能如此讓你我做嗎?不可能啦!

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再者,從我們的初期田野考察所採集到的樣本,有超過 20 根大腿骨,其中 14 根是右腿,也就是說,至少有 14 個個體;這些大腿骨粗略以大小來分,大致上有三種不同的大小,代表著三個不同的孵化階段,很有可能來自三個不同的窩;相對於完整大椎龍胚胎化石的死亡剎那,我們有整個孵化期間更多的材料,讓我們探討胚胎孵化比較完整的發育過程;在我們發表的論文中,右邊這張圖裡面的那條直線,是整篇文章中最美麗的線條。

總加起來說,藉由以上所說的這一大堆,我們我們團隊在賴茲院士睿智的領導之下,把原本是「詛咒」(「禍」)的發現,很漂亮地轉換成「福氣」,我們因「禍」得福,才能在全球首創「恐龍胚胎學」,這是別人沒法做到的,更該好好珍惜,並且在各方的協力之下,特加發揚光大,更上層樓。

75年來,雲南楚雄祿豐龍首次榮登 Nature,而且是封面論文

就在我們台灣三位作者和賴茲院士參加第二屆「雲台會」的期間,雲南省考古所的吉學平博士指出:中國恐龍學在 1938 年從大洼開啟了,可是,這麼漫長的 75 (1938-2013) 年以來,從來沒有雲南恐龍登上 Nature 而且是封面論文,即便非封面的 Nature 論文也沒有;哇!這真是一個很有趣的觀察;依照他的說法,我們這篇 Nature 封面論文,正式而且很顯要地把雲南的恐龍標示在世界恐龍地圖上;對於十年寒窗的我來說,真是個莫大鼓勵,對於團隊其他的成員而言,也是臉上很大的光彩。

稍微做一些文獻搜索,發現到現在為止,其實以前比較有學術份量的學術期刊,曾經有兩度刊登雲南的脊椎動物:一是 2001 年中科院古脊椎與古人類研究所徐星在〈古脊椎動物期刊(Journal of Vertebrate Paleontology, 21(3): 477–483)〉發表鐮刀龍超科的出口峨山龍 (Eshanosaurus deguchiianus);不過,早在 1971 年,趙喜進就在中國雲南省峨山彝族自治縣發現一些恐龍化石,他所命名的峨山龍是一種植食性的原蜥腳類恐龍;但是後來徐星又命名了肉食性的峨山龍,他所依據的樣本是一個部分下頜骨頭與牙齒,發現於中國雲南省的下祿豐組,地質年代為侏儸紀早期的赫塘階,約 1 億 9600 萬年前;也就是說,一方面「峨山龍」這個命名鬧了雙胞,趙的是吃素的恐龍,而徐的卻是吃葷的恐龍;另一方面來說,〈古脊椎動物〉期刊的份量,其 SCI 點數,遠遠低於 Nature 的 36.28 點;另外一篇報導出現於 1963 年的 Nature 期刊,H. W. Rigney 報導了歐氏摩爾根獸 (Morganucodon oehleri);可是,這種動物是哺乳形類,而根本不是恐龍。

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總結來說,上述的兩篇文獻,一篇問題很大,也非 Nature 論文,另一篇根本不是雲南的恐龍,吉博士所說的沒錯,雲南所有的恐龍,自從發現 75 年以來,從來沒有上過重量級的學術期刊過,而我們這篇論文,的的確確是第一篇榮登科學界最權威學術期刊 Nature 的論文,而且還當了封面論文,更是不簡單;嗐,提出一個疑問:為何如所謂的中國恐龍王,繼承了中國恐龍學之父的衣缽,怎麼會把這麼重大的機會承讓給我這個撈河撈過界的門外漢?再者,如果我們國際兩岸團隊,還是照著傳統古生物界的遊戲規則來玩人家訂規矩的遊戲,而非不按牌理出牌,採用「看進骨頭內」的思維,我們國際兩岸聯合科研團隊,能有此小成就嗎?值得深思

本文原發表於作者部落格「催眠恐龍

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timd_huang
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跟我玩恐龍去!

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胚胎發育必不可少的兩位舞者:胚胎幹細胞與滋養層幹細胞——《生命之舞》
商周出版_96
・2023/10/22 ・2668字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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細胞工程如何進行?

如果我們真的要進行細胞工程的話,我們就得要以孩童拼樂高積木的方式,一次一個地將細胞組合成胚胎。但我們並沒有經由口吸管的方式(請參考第五章)來這樣做,而是把一切都留給機率來決定。

我們在培養皿中混合了不同濃度的兩種細胞,並讓它們自由接觸。我們在第二天透過顯微鏡看到,有些細胞確實開始相互作用並形成結構。但為數不多,因為這取決於無法預測的機率。不過當胚胎幹細胞與滋養層幹細胞結合時,它們就會以驚人的方式進行自我建構,它們好像知道自己要做什麼,也有個目標。

胚胎發育過程經歷了什麼?

我們在實驗室暗房的顯微鏡下,看到許多胚胎發育的基本過程。我們首先看到細胞極化。接著幹細胞會自我建構,胚胎幹細胞會聚集在一端,而滋養層幹細胞則聚集在另一端。由於胚胎幹細胞衍生出的胚胎部分與滋養層幹細胞衍生出的胚外部分會進行對話,所以在每個細胞群中的空腔後續會打開並創造出三維的 8 字形。我們發現這涉及到一個名為 Nodal 的蛋白所傳送的訊號。這兩個空腔之後會融為一體,最終形成一個對胚胎發育至關重要的大型羊膜腔。這種體腔形成的過程似乎就跟真正胚胎在著床不久後會發生的情況一樣。我們看見了自我建構的驚人創舉。

不過,我們當然總是想要更進一步,讓合成胚胎中胚胎幹細胞所衍生部位裡的那些類胚胎細胞,能夠適當地打破對稱性。我們的意思是讓這些細胞設法進行原腸化,也就是提供未來身體體制基礎的關鍵步驟。
我們發現若是可以讓胚胎幹細胞與滋養層幹細胞結構再發育久一點,它們確實會打破對稱性。

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像 Brachyury 這類基因就會在胚胎與胚外部位之間開始表現,就跟真正胚胎的情況一樣。Brachyury 基因至關重要,因為它會影響中胚層的形成與前後軸線。 這個發現不但讓我的心跳差點停止,也讓實驗室中的每個人都大為驚奇。

這些類胚胎結構與正常胚胎結構非常相像,足以用於揭開在母體著床時期的某些發育謎團。很明顯地,胚胎幹細胞與滋養層幹細胞一同建造的結構所模擬出的胚胎形態與結構模式,要比只使用胚胎幹細胞要來得精確許多——這是更值得信賴的發育模型。

圖/unsplash

感覺起來,這兩種幹細胞就好像兩名舞者彼此都告訴對方,自己在胚胎中的所在位置。沒有這場雙人舞,正確形狀與形式的發育以及關鍵生物機制的適時運作就不會適當發生。我們也發現這個結構模式的發育,得仰賴 Wnt 與骨成形性蛋白質(bone morphogenetic protein, BMP)的訊號路徑,這與真正胚胎的發育情況一樣。

投稿論文的種種阻力與助力

我們將這篇論文投稿至《自然》。由於許多論文在初始階段就會被退回,所以我們知道編輯將稿子送去審閱時,士氣不由得為之一振。編輯們的知識淵博,經驗也豐富,能走到這一步就是一種重要的認可,所以我們有場小小的慶祝活動,因為即使是小小的成功也能做出改變。

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不過最終他們沒有接受我們的論文,除非得像一位審稿人要求的那樣,提供合成胚胎在自我建構時所用基因的詳細資料,以及這些基因的表現模式在自我建構的每個階段是如何變化的。這將會是一件大工程。然而這彷彿算不上是什麼壞消息,因為我的實驗室中並沒有技術可以研究這些基因所運用的轉變形態模式。我需要尋求經費來購買我負擔不起的設備,我們也需要找到合作夥伴。

我受邀到澳洲獵人谷為歐洲分子生物學組織大會進行講座。那時正值學校放假,所以我帶著賽門一起踏上這次的冒險旅途。我們在香港轉機,順便停留一天拜訪當時的行政長官梁振英,他是我最好的前博士生之一梁傳昕的父親。

圖/unsplash

我的演講是由小鼠發育生物學家譚秉亮(Patrick Tam)開場,我感到非常榮幸,因為我向來就對譚秉亮的研究極為崇拜。賽門與我加入譚秉亮與他太太伊莉莎白(Elizabeth)的行列,一起到雪梨的海邊走走,一路上譚秉亮告訴我有關他與上海生命科學研究院景乃禾(Naihe Jing)的合作,景乃禾利用雷射切割胚胎,揭露了胚胎基因的表現模式。我非常幸運,因為在我回到劍橋不久後,景乃禾就到劍橋來拜訪,所以我能夠親自與他見上一面。我們同意一起合作揭開我們類胚胎結構中基因表現的模式。景乃禾團隊的貢獻將是我下一章故事的重心。那時我們才意識到,可能要花上一年的時間才有辧法確實做到這一點,而我也不確定我們是否願意為了讓《自然》的編輯滿意(或者還是不滿意,誰知道呢)而等這麼久。

那時,莎拉與柏娜已經累積了更多的數據,所以我們決定將研究結果投稿到我比較不熟悉的《科學》。事實證明這是正確的選擇。跟過往一樣,審稿人要求我們再多做一點實驗。但這次的要求還做得到,只是我們就得在 2016 年的聖誕節假期長時間的工作,以便在新學期開始前完成手稿。大衛也一起下來幫忙,他成為這篇論文的共同作者。

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為「類胚胎模型」命名也是一門大學問

命名很重要,因為「珠子」那個命名的前車之鑑,所以我們對於要怎麼為我們的類胚胎模型命名進行了漫長的討論。這些模型讓我們知道胚胎結構是如何從幹細胞自我建構而成,所以我們想要給它們取個特別的名字。但是我們最後沒有得到共識。

圖/imdb

《科學》的編輯不喜歡「合成」類胚胎結構這個名字。我在期中假期得知這個消息,那時我正與家人及朋友滑雪度假中,所以我請他們一起來想想其他的名字。這或許就是為何我們會想到「ETs」這個名字的原因之一。史蒂芬.史匹柏有部科幻電影講述到從異世界來的訪客,而從幹細胞自我建構出的第一個類胚胎結構似乎也帶給我們這樣的感受。不過這個 E 不是代表「另外(extra)」的意思,而 T 也不是「地球人(terrestrials)」的意思。E 代表的是胚胎幹細胞(ES),而 T 代表的則是滋養層細胞(TS)。

——本文摘自《生命之舞》,2023 年 9 月,出版,未經同意請勿轉載。

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發育中胚胎如何淘汰異常細胞?——《生命之舞》
商周出版_96
・2023/10/21 ・2937字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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為了理解染色體異常細胞對鑲嵌型胚胎的影響,我們必須要創造出數百個小鼠胚胎,並研究數千個胚胎不同部位的細胞。這麼龐大的工作量需要有一位專職的科學家,也需要資金。

在匯整如何測試這個假設的思緒時,我在絨毛膜採樣檢查後又進行了另一個羊膜穿刺檢查,這個檢查一樣在超音波影像的引導下,將針插入包圍發育胎兒的羊膜囊中,以取得少量的透明羊水樣本來進行分析。保護胎兒的羊水會帶有胎兒細胞,可以用來確認是否具有染色體問題。這次的檢查結果是沒有問題的,我們都鬆了一口氣。不過,得要到我把孩子抱在手上那時,我才能百分之百地放心。

圖/unsplash

還有其他的好消息是,我有了資源可以進行了解我檢查結果的研究。我在發現懷孕那天所進行的面試,讓我獲得惠康基金會的資深研究補助金。這筆補助金原本打算用在另一個計畫上,不過他們給我足夠的自由度,可以直接挪用其中部分資金來為鑲嵌型胚胎建立模型。

如何製造染色體異常的細胞?

我們有一大堆事情要做。首先,我們得要找到一種可信的方式(最好不只一種)來製造染色體異常的細胞。然後我們還要找到一種方式來標記這些細胞,好讓它們在正常細胞旁發育時,我們可以追蹤到它們。製造異常細胞比我們原先所想得更加困難。海倫測試許多種不同的方法來干擾染色體分離的過程,我們最後用到一種名為逆轉素(reversine)的藥物,這是我們實驗室中另一個研究計畫使用過的藥物。

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逆轉素是種小分子抑制劑。我們想要使用逆轉素來抑制染色體分離中的一個關鍵過程。那是一個分子檢查點,在正常情況下會暫停細胞分裂(有絲分裂),直到有正確數目的染色體(帶有 DNA)被拉開,並分離到兩個不同的子細胞間為止。逆轉素會阻斷名為單極紡錘體蛋白激酶(monopolar spindle 1 kinase)的酵素,而這種酵素會在細胞分裂時確保染色體公平分配。

圖/unsplash

為了確認逆轉素確實會造成染色體異常,我們經由標記隨機選出的三個染色體來分析有用藥及無用藥的胚胎。我們所使用的標記方法名為螢光原位雜合技術(fluorescence in situ hybridization, FISH),這種技術會外加一個探針(短 DNA 序列)及一個螢光標記。當探針在樣本中碰到類似的 DNA 片段時,就會在螢光顯微鏡下發光。經由螢光原位雜合技術的追蹤,確認了海倫使用逆轉素後,確實會增加染色體異常胚胎的數量。

逆轉素的效用是暫時性的,海倫一把藥劑洗掉,檢查點就恢復正常功能。這很重要,因為這表示我們可以將胚胎染色體異常的發生限制在特定的發育期間內。

染色體異常的胚胎能正常發育嗎?

確信可以製造出染色體異常的胚胎後,我們需要確定這些施用過逆轉素的胚胎是否會完全發育。海倫對四細胞胚胎施用逆轉素,並觀察到在發育 4 天後,它們的細胞數量比未施藥的胚胎要來得少。不過雖然細胞數量較少,還是可以形成三組基本的細胞世系。

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為了找出施用內逆轉素的胚胎是否可以長成小鼠,我們將這些胚胎植入母體中。這個時間點是在我們創造出體外培養胚胎的技術之前。每 10 個正常胚胎有 7 個會著床,而這個比例在施藥後的胚胎上則降了一半。最重要的是,施用逆轉素的胚胎沒有一個能夠成長為活生生的老鼠。這個實驗顯示,當胚胎中大多數的細胞都出現染色體異常時,它們的發育最終會以失敗收場,即使它們著床了、也發育了一陣子。

圖/unsplash

製造同時有異常與正常細胞的胚胎

現在我們可以進一步來探討那個重要的問題:若是只有部分胚胎細胞帶有染色體異常,發育又會受到何種程度的影響?為了找出答案,我們必須製造出鑲嵌型胚胎,也就是混合了染色體異常細胞與染色體正常細胞的胚胎。因此我們決定經由製造嵌合體來達到這個目的。

因為我們無法在對同個胚胎施用逆轉素時只讓其中一些細胞出現染色體異常,所以無法經由這個方式製造出鑲嵌型胚胎,因此我們想到了運用嵌合體的作法,將來自不同胚胎的細胞結合建構成嵌合體(鑲嵌型胚胎是由單顆受精卵生長發育而成的)。創造嵌合體而非鑲嵌型胚胎的好處是,我們可以系統性地去研究要具有多少異常細胞才會干擾到發育。很幸運地,這個作法成功了。

圖/unsplash

海倫在小鼠胚胎從兩細胞階段分裂到四細胞階段時,經由口吸管的方式施用逆轉素,並在八細胞階段將細胞一個個地分開。然後她將來自正常胚胎的四個細胞與來自施藥胚胎的四個細胞結合創造出八細胞嵌合體胚胎。

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我們要追蹤細胞的命運就需要標記。我朋友凱特.哈迪安東納基斯(Kat Hadjantonakis)與金妮.帕帕約安努在紐約對小鼠進行基因改良,讓牠們的細胞核具有綠色螢光蛋白,所以我們就採用了具有這種特性的小鼠。我們將這類小鼠胚胎施予逆轉素,施過藥的細胞會與未施過藥的細胞有不同的顏色,這樣我們就可以做出區別。具有綠色螢光蛋白的細胞讓我們可以明確看到新細胞是在何時與何處誕生以及新細胞的後續分裂,還有,若是細胞死亡了,我們也可以看到是在何時與何處死亡的。我們可用此種方式為個別細胞建立「譜系圖」。

染色體異常細胞在胚胎發育過程中會被清除嗎?

我們為這些鑲嵌型胚胎拍攝了影片,以精準追蹤每個細胞的命運。海倫在螢幕上看見,異常細胞數量的下降主要發生在產生新個體組織的那一部分胚胎,也就是上胚層。這些異常細胞會在凋亡的過程中死去,也就是經歷程序性的細胞死亡。在注定成為胚胎本體的那一部分胚胎中,施用過逆轉素的細胞經歷凋亡的頻率是未施藥細胞的兩倍以上。

圖/unsplash

這個結果表示,在注定成為胎兒的那一部分胚胎中,異常細胞有被清除的傾向。這支持了我的假設,也就是在這一部分的胚胎中,異常細胞競爭不過正常細胞,不過實際運用的機制跟我原來所想的不一樣。

我簡直不敢相信。這是我們真的會研究出重要成果的第一個徵兆,發育中的胚胎不僅可以自我建構,也同樣可以自我修復。幾年前當我懷著賽門那時,絨毛膜採樣檢查所檢測到的染色體異常細胞的後代,有沒有可能在成長為賽門的那部分胚胎中自我毀滅了呢?

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這張圖片的 alt 屬性值為空,它的檔案名稱為 0823--300.jpg

——本文摘自《生命之舞》,2023 年 9 月,出版,未經同意請勿轉載。

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精子從哪裡進入卵子會影響胚胎發育?——《生命之舞》
商周出版_96
・2023/10/20 ・2697字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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當我第一次驚喜瞥見打破對稱性的可能起源時,我驚訝地發現到這段歷程似乎很早就開始了,而這也為我運用綠色螢光蛋白追蹤細胞分化的研究鋪起了大道。卡羅琳娜與我想要進一步探索這個研究發現,所以我們提出了一個有關其終極源頭的簡單問題:精子進入卵子的位置是否對於胚胎一開始失去對稱性有任何影響?在線蟲與青蛙這類動物的胚胎中確實是這樣,但在哺乳動物(例如小鼠)的胚胎中也一樣嗎?

對稱藝術

當我們將生命的起源以動畫演繹出時,常常看到的影像就是精子設法進入沒有任何特徵的圓形卵子上,並融入其中。若情況是這樣的話,就很難看出精子進入卵子的位置是要如何對未來一切發育有所影響。在這個理想化的卵子上,任一處表面都與其他表面沒有任何差異。不過,當然還是存在有個參考指標,那個等同於「這邊是上面」的指標就是:極體。

圖/pexels

極體是從減數分裂的不對稱過程中所產生,細胞「骨架」在這個過程中會聚集以協助細胞進行分裂。這個細胞骨架稱為紡錘體,它會從細胞中心點往細胞邊緣移動,產生出一個大大的卵子與一個小小的極體。我們可以合理認為,紡錘體與染色體的移動可能打破了卵子的對稱性,也造成了擠壓極體的發育。許多人的確注意到極體最終總是會落在受精卵進行分裂的那個平面上。

理查.加德納這位我們之前見過的科學家,發現極體會附著在卵子上,它不只會確立受精卵首次分裂成兩個細胞的那個平面,它還會在幾天後確立出囊胚的對稱軸。這項發現讓我們有所啟發。這真的是因為卵子中的軸向資訊會一直持續到囊胚階段,還是有其他的因素會影響胚胎發育的對稱性?在我們進行科學研究的過程中,我與卡羅琳娜在當下這個時間點想要知道的是,精子進入卵子的位置是否也會影響胚胎發育,並提供第二個定位線索。

卵子上的座標——精子進入的位置會影響胚胎發育嗎?

就像在地表上某個地點跟北極的相對位置,可以定義所謂的經線,我與卡羅琳娜想要知道,精子進入卵子的位置是否也可以提供相對於極體位置的另一位置資訊。若真的是這樣,我們就能更精準確立進行首次分裂的那個平面。這感覺起來很合理,因為極體的形成與精子的進入位置都會重新排列之後會運用在卵子分裂上的細胞骨架。若不是這樣,分裂的那個平面與精子的進入位置之間就只有隨機的關係。

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以現代科技來說,我們很容易就可以解決這個問題。我們可以將這個過程拍成影片,來看看從精子進入卵子後到後續細胞進行分裂的幾天之間究竟發生了什麼事。但在我們開始研究的那個年代,不存在這樣的選項。我們無法拍攝小鼠胚胎從受精開始進入發育的影片,要等到幾天後胚胎進入囊胚階段才行。我們只能想辦法去標記精子進入的位置,以便可以追蹤它與受精卵在數小時後首次分裂的那個平面之間的關係。

圖/pexels

我一開始想著要用某種自然一點的東西,像是胚胎幹細胞這種非常微小的細胞,在卵子受精後馬上附著在精子進入點上,因為那時還可以看到進入點,但最後我有了更簡單的辦法:我們改用肉眼看不見的微小螢光珠。我們成功了,但我很後悔沒有給這些珠子取個像「微球體」這樣酷炫的科學名稱。當然,同領域人士不認同的不僅僅只是這些珠子要怎麼命名,但「珠子」這個名稱有種簡樸感,所以批評者會用這個名稱來貶低我們的研究,這就是我們得要付出的代價。

一開始很容易就能看到精子是從哪裡進入卵子的。它會留下一個名為受精錐(fertilization cone)的小小凸起。受精錐是由卵子的細胞骨架所建構,並由肌動蛋白的纖維所組成,它大約會凸起半個小時。這時間剛好足夠嵌入一至兩個珠子來標記位置。

我們將這些珠子浸到名為植物血凝素(phytohemagglutinin)的蛋白質混合物中,珠子就會具有黏性。植物血凝素常用於讓細胞聚集在一起。因為人的手不夠穩定,所以卡羅琳娜會以一隻機械手臂來拿取具有黏性的珠子,並將珠子放到卵子的表面上,同時還會以另一隻機械手臂牢牢固定住剛受精的卵子。

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圖/pexels

雖然珠子很小,直徑只有 0.0001 至 0.0002 公分,但在紫外線的照射下看起來大多了,亮綠色的點讓我們很容易就可以追蹤它的命運。觀察受精卵的發育時,我們發現珠子最終會來到細胞首次分裂所產生的兩個細胞之間的邊緣,或者是非常接近這個地方。

受精卵的分裂平面真的是由精子決定的嗎?

我們一直都在挑戰我們的思考與發現。上述情況有可能是任何落在卵子表面的珠子都會掉進分裂溝(cleavage furrow)中。所以為了確認,我們進行了一項對照實驗,卡羅琳娜將另一顆類似的珠子隨機放在卵子表面的其他地方。令我們欣慰的是,這顆珠子最終沒有掉進細胞分裂時所產生的分裂溝中。對我們而言,這表示精子進入卵子的位置以某種方式「被記住」了,並且成為受精卵偏好進行分裂的地點。換句話說,若我們是對的,受精卵之所以會在這個平面進行分裂,是因為偏好(biased)而非隨機(randomly)。

我們持續獲得了各種新發現。在胚胎從兩個細胞發育成四個細胞的階段中,帶有精子進入標記的那個細胞,會傾向於先進行分裂。這個細胞的命運之所以會改變,是因為精子帶入的物質滋養了它嗎?受精的三天後,精子進入標記會留置在囊胚兩部位之間的邊緣處,一個部位是含有會形成胚胎本體的胚胎部分,另一個則是胚外部分。

這表示了,兩細胞胚胎內的其中一個細胞較容易發育成胚胎,另一個則傾向於變成胚外部分。我們感到震驚。我們觀察影像好幾個小時,甚至好幾天。我一開始根本不敢相信這些發現,所以我請卡羅琳娜一再重複進行實驗,打破早期對稱性的證據怎麼這麼簡單,會不會太簡單了?

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可以理解地,對此感到懷疑的人士可能會吹毛求疵地表示,決定分裂平面的不是精子進入點,而是將珠子嵌在進入點的這個動作。為了驗證這個可能性,我們進行了許許多多的對照實驗,我之後會提到。我們已經確認過,將珠子放置在受精錐以外的任何一個地方,都不足以決定分裂的平面。但我們還有諸多其他事項要一而再、再而三的確認,因為我們必須很確定。

這張圖片的 alt 屬性值為空,它的檔案名稱為 0823--300.jpg

——本文摘自《生命之舞》,2023 年 9 月,商周出版,未經同意請勿轉載。