某科學の超電報

神經管如何長到了背側?中研院揭露脊索動物的演化轉折

人類在生物學的分類上屬於脊索動物門,脊索動物(以脊椎動物為最主要,例如魚類、鳥類及哺乳類等)具有一個獨特的共同特徵: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、蝸牛等動物卻剛好相反,蝦子的消化道就是背上那條黑色線,神經管則位於腹側。

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。

中央研究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。本研究以演化發育生物學的角度,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。研究成果已於今(2019)年 6 月發表於《美國國家科學院院刊》(PNAS)。

研究玉柱蟲

半索動物、棘皮動物、脊索動物同屬後口動物。圖/中研院提供

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。

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:

  1. 口部消失,抑制胚胎口部的形成。
  2. 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。

上半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。下半為 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)。

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。而本論文則提供另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。


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