發育生物學 (Developmental Biology) 專題

1發育生物學 (Developmental biology) 這歷史悠久但又年輕的研究領域,隨著近代幹細胞研究(Stem ell biology) 以及再生醫學(Regenerative medicine)取得多項理論和應用上的突破及成就,成了生命科學研究越來越受重視的領域之一。在本篇發育生物學專題中,介紹了發育生物學的基本概念、起源以及一些主要的研究領域,並介紹了三個在近代發育生物學中備受期待的研究方向 – 發育模式形成(Pattern formation),幹細胞生物學(Stem cell biology),以及量化或系統發育生物學 (Quantitative or system developmental biology). 希望能帶給讀者對發育生物學這個領域有概括性的瞭解。
(圖片:果蠅胚胎在受精後22小時候的情形:http://commons.wikimedia.org/wiki/File:DrosophilaKutikula.jpg)

甚麼是發育生物學

發育生物學 (Developmental biology)是一門研究生物生長及發育的科學,以往專注於探討個體發育學(Ontogeny)的範疇,而現代的發育生育學則加入了研究細胞成長的基因調控、分化及型態學。這些也是探討組織學、個體以及解剖學的基本,也和再生 (Regeneration) 和老化 (Aging) 習習相關。
生命的開端及發育的過程是複雜且神奇的過程,並受一系列時間和空間的基因調控所控制,發育遺傳學 (Developmental genetics) 研究的是不同表現型(phenotype) 下,正常或不正常的表觀遺傳學 (Epigenetics) 模式。其研究成果將能幫助瞭解不正常的發育所引發的疾病如Chromosomal aberrations導致的唐氏綜合症(Down syndrome)。關於細胞在胚胎發育階段如何特化之研究能幫助瞭解幹細胞特化成組織或個體的機制,並應用於醫學及生物技術上。另外一重要應用在於瞭解细胞凋亡 (Apoptosis),去解釋細胞如何啟動自我程序性死亡。 此外發育生物學更能提供對先天疾病深入的瞭解,並幫助找出治療的解決方法。

發育生物學主要研究領域

發育生物學源自於胚胎學 (Embryology)的研究,從漸成說 (Epigenesis theory)或先成說 (Performation theory) 兩派理論,以及胚胎發育機制, 如鑲嵌式發育(Mosaic development)及調控式發育(Regulative development) 的爭論,到探討胚胎發育幾個主要階段包括切割分裂 (Cleavage division),模式形成(Pattern formation),型態發生 (Morphogenesis), 細胞分化 (Cell differentiation)到生長機制的探討。而當古老的胚胎學結合了分子生物學和細胞生物學並以現代科學技術和方法,以分子和細胞的尺度去解釋哪些細胞中的物質影響了發育,這些物質怎麼使胚胎細胞向一定方向分化,及分化的細胞如何構成組織或器官等研究,就構成了現今的發育生物學。
調控細胞的過程也主導了整個發育的過程,像細胞間的溝通(Cell-cell communication),包括生長素 (Morphogen) 在細胞間的擴散傳遞.。而細胞形狀改變 (Cell shape change) 及細胞遷徙 (Cell migration) 則為胚胎在型態發生階段的物理區動力。各部位不同的細胞增殖(Cell proliferation)速度差異則影響了器官或個體最後的外型差異,以及細胞死亡(Cell death)包括計畫性細胞死亡(Programmed cell death)或細胞自殺 (Apoptosis),以及癌症和老化也是發育生物學中重要的研究課題.
近代一些重要的發育生物學的研究領域包括:研究初始的對稱或單一形狀如何發育成日後複雜的3D結構的組織及器官。胚胎發育本身就是很好的例子,其他還包括細胞在特定邊上長出鞭毛、酵母的出芽或是上皮組織中頭髮細胞的發育等。這方面的研究課題通常會和型態學 (Morphology) 及生物力學(Biomechanics)結合。
模式發育 (Pattern formation) 是發育成複雜組織或個體在空間與時間上的整合分佈。基因的表現時機和位置,對個體外型發育、及模式發育有重要腳色。像果蠅或其他目標物種的體軸前後軸胚胎模式發育 (Anterior-posterior patterning of embryos);內胚層(Endoderm),中胚層(Mesoderm)和外胚層(Ectoderm)的發育;主動性的方向性非均等細胞行為 (Directional-anisotropic0cell behavior);細胞與細胞之間的溝通等都是模式發育的重點。許多動植物的型態發生 (Morphogenesis) 和模式發育有著相同或類似的分子作用機制,所以演化發育生物學(Evolutionary developmental biology)也探討了模式發育的分子機制及其型態控制演變的親緣關係及發育過程的演化.
細胞自我更新 (Self-renewal) 也是發育生物學中重要且越來越熱門的研究領域,包括幹細胞相關研究。幹細胞是能進行自我增生且有潛力能分化成幾乎所有細胞類型的未特化細胞,這種特殊性質以及近代幹細胞相關技術的成熟,吸引了大量來自不同領域的人投入相關研究。無論是在幹細胞的基礎研究上,如誘導性多功能幹細胞 (Induced Pluripotent Stem Cells,IPSCs)、幹細胞基因調控與幹細胞分化機制研究;或是治療遺傳性疾病和癌症等;或以幹細胞培育成組織及器官的再生移植醫學;或者應用於抗衰老上,都是充滿可能性。
如何發育出在空間上如此複雜的神經系統一直是具挑戰性的難題,過去幾年的研究顯示其他細胞或組織的發育機制也同樣作用在神經系統上,但大腦網路的發育也受其他電子活動的影響。在早期胚胎背侧表面有一群細胞日後會發育成腦和脊髓,稱為神經板(Neural plate)。控制這群細胞的信號來自背側表面的下層。而在神經板上分子信號的空間濃度梯度,影響了細胞生成間細胞元或運動細胞元.

發育模式形成Pattern Formation

模式形成在發育生物學上一直是非常重要的研究領域,廣義地說,模式形成也包括不同物種的外觀獨特性,從細胞層面開始構成組織,組織構成器官並形成個體.。發育生物學上模式形成重點在於探討其開端包括胚胎或細胞的發育模式形成,如胚胎的體軸前後軸胚胎模式發育,探討基因調控以及物理作用力等作用機制.。微管 (Microtube) 被認為是參與細胞內物質運輸,支持細胞型態但同時也推動著模式形成的內部構造的內部動力。
在 ”On growth and Form” 一書中提到1,形式必須以生長的角度來研究,而要解釋形狀則必須瞭解機轉,且生物形式是機械性與物理作用的結果,而這些過程的描述必須具有數學準確性。發育的機制則可解釋為非均勻擴張(Anisotropic growth)。譬如組織的擴張並非一致,而這不一致則塑造出器官的獨特外觀,且這塑造的過程可能來自於外來機械力的塑造,或是細胞集團的集體行為。至於如何確實描述發育的生物學空間形式 (Spatial patterns),在1950年由Turing提出的反應擴散模式 (Reaction-diffusion model) 可以電腦模擬空間形式如何生成2。原理是將生長素及其他參與擴散的物質建立擴散模式,並考慮各反應物質間反應的擴散參數,而建立多維偏微分程式組求解,解就是生成的空間形式。
如同建立反應擴散模式來模擬發育的空間形式,結合生物力學模式(Biophysical models) 和量化影像處理技術 (Quantitative imaging) 重現發育的過程也有越來越多研究團隊投入這方面的跨領域研究3,4。如何在這基礎上去考量細胞與細胞之間的聯繫方式(Cell-cell interactions),基因與轉錄表現的震盪現象(Oscillations in transcription and protein expression)等,以及釐清生物力學及遺傳表現間的機制,是未來發育模式形成研究要努力的方向。

幹細胞生物學Stem cell biology

2012年Development的主編Olivier Pourquie在 ”Development: looking to the future”提到5,有越來越多的傳統發育生物學家投入幹細胞生物學 (Stem cell biology)的研究。希望藉著對幹細胞分化或更深研究而重新去瞭解胚胎發育的過程。像再生醫學 (Regenerative medicine),也因為
幹細胞的研究及傳統發育生物學的結合進展迅速。自1960年Ernest A. McCulloch及James E. Till 證明造血幹細胞開始,科學家在 1981 年就已成功培養出小鼠的胚胎幹細胞,並在 20 年後成功培養出人類胚胎幹細胞後, 幹細胞相關研究技術已趨成熟。
幹細胞可分成胚胎幹細胞 (Embryonic stem cell,ES) 和成體幹細胞 (Adult stem cell)兩種。ES細胞屬於全能幹細胞 (Totipotent) 具有分化成完整個體的能力,所以如何利用 ES 細胞將會是未來幹細胞研究及生物工程的核心問題.。而成體幹細胞則屬於萬能幹細胞 (Pluripotent) 或多功能幹細胞 (Multipotent)及專一幹細胞(Unipotent),僅具有能發育成多種組織的細胞能力,但不能發育成完整個體,。現今醫學上常用的臍帶血幹細胞或骨髓幹細胞等都算是成體幹細胞,它們能形成先驅細胞 (Progenitor cells) 再分化成不同的細胞類型。在研究上一大重點就是尋找在各組織中特異性的幹細胞,並建立分離及鑑定系統,比較這些幹細胞和ES細胞的性質、以及這些幹細胞在Stem cell niche中受因子控制細胞更新與分化的路徑。
近年來幹細胞技術的成熟以及對幹細胞發育機制的理解 越來越多令人振奮的研究成果被發表出來,如化學誘導性多功能幹細胞 (Chemical induced Pluripotent Stem Cells, IPSCs)只需要化學物質無需基因轉殖步驟就能將體細胞誘導成幹細胞6、或者在小鼠活體內就能將體細胞轉化成誘導性多能幹細胞7,以及利用幹細胞培養出類似大腦發育早期的3D腦部結構8研究大腦結構。或者使用自身iPSC的器官移植能避免自身排斥反應9,以及應用人類幹細胞於心臟或肺炎疾病的治療上10,11等,都是令人雀躍的研究成果。

量化或系統發育生物學 Quantitative or system developmental biology

”Development: looking to the future”裡提到另一個發育生物學新興的領域就是計算發育生物學及系統發育生物學5。結合影像處理技術及像蛋白質體學 (Proteomics) 或轉錄體學 (Transcriptome) 的量化技術,能取得高精確度的發育過程的量化資料,幫助回答傳統發育學上一些無法回答的問題.。而這些量化資料更吸引了物理學家及數學家投入這個領域,例如去解析在型態發生 (Morphogenesis) 中形狀改變的內部物理力量,或瞭解胚胎發育的物理機制.。所以未來在發育生物學領域,量化技術以及電腦模擬將會越來越重要,而傳統發育生物學者也將必須對數學與物理越來越熟悉。
2012年4月份的Science刊出了計算生物學 (Computation biology) 的特刊,其中就包括一篇強調結合Computation 與發育生物學重要性的文章12,並回顧了數個以胚胎量化資料於建立數學計算模型於胚胎模式發育 (Embryonic patterning)的研究,而實驗資料與電腦模擬的結合更是解決Developmental patterning的趨勢。在文章中列舉四種 Developmental patterning上的研究方向包括1. 生長素梯度(Morphogen gradient),指從某信號源細胞傳遞的信號梯度所引導的Global pattern現象。2. 活化與抑制系統(Activator-inhibitor system)。3. 耦合振盪子(Coupled oscillators)。4. 機械性形變(Mechanical deformation)。許多理論學家,數學家與計算生物學家各自建立不同的計算方法朝著這四個Patterning的研究主題邁進。
將系統生物學 (System biology) 概念應用在發育生物學上,結合對單一基因或細胞的研究,通過整合影響發育的基因表現及蛋白質之間的相互關係而建立系統,相關的系統分析技術的提升上,系統發育生物學(System developmental biology)也是未來發育生物學的主要研究趨勢13

結語

發育生物學也是近代進展相當迅速的研究領域,與其他生物相關學門以及電腦模擬及計算生物學的結合讓我們有能力能解答傳統發育生物學無法回答的問題。讓我們期待發育生物學在未來無論是基礎科學研究或醫學應用上將有改變世界的可能性.

撰稿|吳子青
編輯|蔡文豪

作者簡介:
吳子青
清大化學系畢,並直攻清大生命科學所博班。後轉至台大生物環境系統工程研究所研究類神經網路及Soft Computation,畢業後在陽明生資所研究小波分析等訊號處理在生物資訊上的研究。目前在美國Purdue大學農業生物工程所攻讀博士班,研究方向為發展演化式演算法(Evolutionary Algorithm),模糊邏輯及模糊偏微分方程式, 及數值分析技術解發育生物學上的數學模式。

  1. Thompson, Darcy Wentworth. “On growth and form.”On growth and form.(1942).
  2. Kondo, Shigeru, and Takashi Miura. “Reaction-diffusion model as a framework for understanding biological pattern formation.” Science 329.5999 (2010): 1616-1620.
  3. Purnell, Beverly A. “Forceful Thinking.” Science 338.6104 (2012): 209-209.
  4. Kicheva, Anna, Michael Cohen, and James Briscoe. “Developmental pattern formation: insights from physics and biology.” Science 338.6104 (2012): 210-212.
  5. Pourquié, Olivier. “Development: looking to the future.” Development 139.11 (2012): 1893-1894.
  6. Hou, Pingping, et al. “Pluripotent stem cells induced from mouse somatic cells by small-molecule compounds.” Science 341.6146 (2013): 651-654.
  7. Abad, María, et al. “Reprogramming in vivo produces teratomas and iPS cells with totipotency features.” Nature (2013). 340–345.
  8. Lancaster, Madeline A., et al. “Cerebral organoids model human brain development and microcephaly.” Nature 501.7467 (2013): 373-379.
  9. Morizane, Asuka, et al. “Direct comparison of autologous and allogeneic transplantation of iPSC-derived neural cells in the brain of a nonhuman primate.”Stem cell
  10. Yu, Bing, et al. “Reprogramming fibroblasts into bipotential hepatic stem cells by defined factors.” Cell stem cell 13.3 (2013): 328-340.
  11. Lu, Tung-Ying, et al. “Repopulation of decellularized mouse heart with human induced pluripotent stem cell-derived cardiovascular progenitor cells.” Nature commu
  12. Morelli, Luis G., et al. “Computational approaches to developmental patterning.”Science 336.6078 (2012): 187-191.
  13. Perrimon, Norbert, and Naama Barkai. “The era of systems developmental biology.” Current Opinion in Genetics & Development 21.6 (2011): 681-683.

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