果蠅的生長發育機制

多細胞生物由一個受精卵細胞發育成數以億萬計的細胞，這段發展過程中，如何周密而精確地組合細胞群以發育成特化的器官或組織，一直是發生學家很感興趣的謎題。經過多年來的研究歸納，一般咸信有二個作用機制。一﹒祖先決定型：（lineage-depend）整個發育過程，在早期祖先的細胞內已設定好了（programmed）。如在線蟲（Caenorhabditis elegans，又譯圓蟲）的發生過程中，成體中每一個細胞，皆可追蹤其發生過程，而在幼蟲時期找到早期祖先細胞，若在幼蟲時，將該祖先細胞突變或殺死，則將來成蟲會缺乏特定的子裔細胞（見圖一）。二﹒位置決定型：在發育中的細胞會受到所處的位置，而影響它將來的命運。通常這一類型都是由細胞所處的環境提供一些訊號（參閱本刊77-12月號周成功的〈「美國式」胚胎發育機制〉）。這些訊號包括激素，或鄰近細胞的接觸，或是一些帶有訊號的分子擴散。當細胞接收這些訊號後，便被激化（induction）而進行下一步分化（differentiation）。

最近，在果蠅複眼發生的研究，提供了位置「決定型」發生模式的「分子階層」證據。所謂「分子階層」是指，找到了負責接收訊號的受器（receptor）以及可能是傳遞訊號的分子。利用X光或一些化學物質，將負責製造受器或訊號的基因突變化（mutagenize），使之不再產生該分子，則細胞因為接收不到訊號，而停止發育，或是變形成為另一種型式的細胞。

果蠅有一對複眼，每一個複眼都是由八百多個小眼所組合而成。每一個小眼內有8個感光細胞（photosensitive cell），分別稱做R1至R8。這8個細胞發生的順序及形態上位置的移動，已經研究得十分透徹，其順序為R8→R2/R5→R3/R4→R1/R6→R7，最早是R8，接下來是三個成對出現，最後才是R7。果蠅的眼睛可感受可見光及紫外光，R7是紫外光的受器，如果同時在有可見光和紫外光Y型管試驗下（見圖二），正常果蠅會朝紫外光飛去。

科學家們發現，用X光使某些果蠅突變，有些果繩會朝可見光源飛去，分析這些果蠅的基因發現，有一個基因被破壞了，這個基因叫sevenless，因為它的突變會使R₇細胞消失。進一步研究該基因的序列，發現它所轉譯的蛋白質是屬於細胞表面的蛋白質，有二個疏水性區（hydrophobic domain），且更訝異的是，它與一些已知的生長激素受器十分相似，如胰島素受器（insulinreceptor）還有酪胺酸激活性（tyrosinekinase activity）的區域。這個發現說明三點：一﹒sevenless基因很可能是負責一個訊號接受器；二﹒這個訊號的傳達與否，直接影響R7細胞的存在；三﹒訊號的傳遞可能涉及R7細胞內酵素磷酸化反應，類似激素的訊號傳遞。

有了受器，那訊號呢？因為不管是訊號或受器被破壞都會造成同樣的結果：R7細胞的消失。科學家進一步篩選突變過的果蠅（即朝可見光飛的），發現有一些sevenless是正常的，但仍然沒有R7細胞，經過染色體圖譜分析（chromosomemapping）找到一個遭破壞的基因，位於另一條染色體（不同於sevenless所在的染色體）上。這基因叫boss（bride of sevenless）意即sevenless的新娘。

利用鑲嵌分析（mosaic analysis），科學家證實boss可能是負責通知R7分化的訊號分子。它是由R8所製造分泌，擴散傳給R7，因為R8位於R7的正下方，所以這是一個很明顯「位置決定型」發生模式的例子。

這分析技術的原理是利用標示（marker）基因所呈現的「表現型」（phenotype），例如：眼色、外型改變....等，來判定細胞內在標示基因附近的「基因型」（genotype，見圖三A）交配不同突變種，產生一個異配位結合子（heterozygote）的後代。這種果蠅的眼色是黃色的，因為在負責眼色的配對基因white上，一套是突變，並且在它附近的兩個基因boss及chaoptin(chp)，也同時是突變的[chaoptin是負責感光細胞桿狀構造（rhabdomere）的正常發育，突變會使它造成嚴重缺陷]。

另一套3個基因是正常的，這種果蠅在受精卵孵化後，0∼48小時內以X光照射，誘發有絲分裂過程中的染色體重組（mitosis recombination），而使子代細胞有不同的「基因型」。有一類子細胞二套配對基因都是boss w chp突變，這種細胞會呈現出白色，而且桿狀構造是有缺陷的；另一類子細胞二套配對基因boss w chp，都是正常（wild-type）呈現出紅色細胞，而且桿狀構造是正常的；若沒有基因重組發生的子細胞，則仍然是黃色。所以，我們可以很容易從眼色及桿狀構造的形狀，來判定boss的基因型。基因型是正常或突變，因為基因重組結果一定是，同時造成兩種同配位結合子（homozygote）都正常或都是突變，因此在基因重組發生後，紅色和白色子細胞一定成對出現（見圖三B）。又因紅色和白色都是同配位結合子，即基因重組再發生，仍然是同配位結合子。所以一切紅色、白色的後代細胞（liniage）都是紅色或白色，因此在果蠅眼睛上會造成「嵌片」（patch）的圖案（就是同一複眼內有紅、白、黃三種顏色的細胞）。

科學家用顯微鏡觀察鑲嵌的部分，並分析其每一個小眼內8個感光細胞的boss基因型，整理出如附表，歸納成三個結論：

一﹒R7細胞內的boss「基因型」正常與否，並不影響R7細胞的存在，它並不是R7「自己」發育時的必要基因（non-autonomous），這暗示boss不可能再負責R7的受器。

二﹒R8細胞的boss基因型對R7的存在與否，有絕對性的影響，也就是說只要同一小眼內，R8的boss是突變，R7一定消失，而只要R7存在，R8的boss一定是正常的。這很明顯的表示，boss是由R8所發出負責誘發R7發育的訊號基因控制著。

三﹒其他同一小眼內R1∼R6的boss基因型，並不影響R7的生長發育。

這個分析方法提供一個很有力、很清楚的證據，具體說明了：這種細胞與細胞之間交互作用，是發育分化的一種重要機制。但是這訊號究竟如何產生？被接收後又如何引起細胞內變化，以致造成細胞分化成具有特定功能的性質？相信這些都是今後科學家努力研究的方向。

栗志堅就讀於清華大學生命科學研究所

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