脫離母親之二三事 —— 談細胞週期

受精卵的發育最一開始是由一連串快速且同步的細胞增生與極少許的細胞分化所構成。這個時期的細胞週期只有 S 期與 M 期，子代本身基因的轉錄活性極低，胚胎的發育主要受承襲自卵細胞的蛋白質與 mRNA 的影響（即「母系效應」，maternal effect）。此階段發育形成的構造稱之為囊胚（blastula）。當胚胎進入囊胚中期以後，子代的基因體將會大量被活化（zygotic genome activation, ZGA），取代原先母系效應所主導的胚胎發育，細胞將開始產生分化，細胞增生速度將會減慢（S 期漸久，並加入了 G 期），科學家稱這個過程為囊胚中期過渡（mid-blastula transition, MBT）。

長久以來，發育生物學家們便相當好奇究竟什麼因素讓胚胎進入 MBT？什麼原因活化了子代的基因體？什麼原因讓胚胎進入 MBT 後發生細胞週期的重組？關於這些問題存在兩個並不互斥的學說：一派科學家觀察到一個有趣的現象：細胞核與細胞質比例（核質比）會決定細胞是否發生 MBT，而當我們縮減細胞質、注入外源 DNA，或者在多倍體（polyploidy）的突變中也都可觀察到細胞提早發生 MBT。於是有人主張：核質比提高將使細胞內來自母體的促進 DNA 複製與抑制基因活化的因子相對於 DNA 含量被稀釋，因而使胚胎進入 MBT。另外一派科學家則認為胚胎之所以進入 MBT 是因為原先母系效應的相關分子已被消耗殆盡而來自子代的物質（如：Zelda、Smaug）逐漸「奪取」對細胞命運的掌控權。

Shelby A. Blythe 和 Eric F. Wieschaus（註 1）在今年三月《Cell》期刊中為大家提出了關於細胞週期何以改變的解答。首先，他們藉由製造帶有多套性染色體的果蠅胚胎以比較在不同 DNA 劑量下第 13 次核分裂（以下簡稱 NC 13）的長短（註2），發現整體 DNA 每多 8.3%，NC 13 所需的時間將會增加 1 分鐘。研究團隊進一步比較帶有 XX 染色體與 XY 染色體的 NC 13 差異，發現前者比後者多了約 1 分鐘；然而，事實上果蠅的 X 染色體與 Y 染色體的大小並無如此大的區別（註 3），反而是 X 染色體中真染色質（euchromatin）的含量遠多於 Y 染色體。研究團隊於是假設：NC 13 的長短與具轉錄活性 DNA 量的多寡有關。針對 RNA Polymerase II（以下簡稱 Pol II）進行染色質免疫沉澱（chromatin immunoprecipitation，ChIP），發現在 NC13 除了先前已與 Pol II 結合的區域 Pol II 含量增加以外，更有許多新的 DNA 與 Pol II 結合，印證了上面的假設。

接著，Blythe 和 Wieschaus 提出他們關於細胞如何因為基因轉錄活性增加而改變細胞週期的解釋。在先前的研究中，人們已知當剔除複製期檢查點（replication checkpoint）相關的基因（如：mei-41/ATR、grapes/chk1）時，胚胎將在 NC 13 時因為細胞不待 S 期完成而直接進入 M 期（NC 13 周期因此從 19 分鐘變為 13-14 分鐘）而在之後因嚴重 DNA 損毀而死亡。Blythe 和 Wieschaus 懷疑胚胎是否在 NC 13 階段於 DNA 複製時期開始面臨若干壓力，而該壓力是否與子代基因轉錄活性增加有關。研究者針對 RpA-70（註 4）進行 ChIP 分析，並將結果與 Pol II 的 ChIP 結果比較，發現兩者的分布有著高度的重疊性。為了確認兩者間的因果關係，作者剔除了上述學說二中所提到的 zelda。Zelda 是一種基本的轉錄因子（transcription factor），當其被剔除以後，Pol II 與 DNA 的結合程度顯著的下降，同樣的情形也發生在 RpA-70。此外，在 zelda 與 mei-41 雙雙被剔除的胚胎中，NC 13 的細胞週期雖仍約為 14 分鐘，但胚胎竟然能夠安然度過第十四、十五次的細胞分裂而不致夭亡（註 5）。這些結果說明了在 NC 13 所延長的細胞週期係因所增加的 DNA 轉錄活性確實會為細胞複製帶來壓力而啟動複製期檢查點，進而延長 NC 13 的 S 期。

回到上述兩個並不互斥的學說。本篇研究從細胞核質比的學說出發，指出胚胎進入 MBT 後的週期變化並非與 DNA 總量有關，而是與活化的染色質的多寡有關。雖然本篇並未進一步闡明核質比本身所代表的意義為何，不過研究者指出這些由新生成的轉錄因子所活化的染色質將會帶來複製壓力，啟動相關檢查點而延長了細胞週期，可說是間接呼應了第二種學說的觀點。更加詳細分子機轉、是否有其他類似因子參與其中、其他物種是否也有類似的機轉將會是未來研究的發展重點。

※ 註 1：Eric F. Wieschaus 就是當年與 Christiane Nüsslein-Volhard 共同研究果蠅發育而在 1995 獲得諾貝爾生理醫學獎的老兄。
※ 註 2：之所以稱為核分裂而非細胞分裂是因為在 NC 14 之前果蠅胚胎的發育只有細胞核分裂，一直要到 NC 14 以後細胞間才會形成明顯間隔。此外，雖然一般所說的 MBT 乃是發生在果蠅 NC 14 階段，不過事實上早在 NC 13 階段就可觀察到細胞週期的變化。
※ 註 3：果蠅一條（非一對）性染色體約可為總 DNA 量帶來約 12% 的貢獻，而按照原 DNA 總量的模型，將意謂著 Y 染色體比起 X 染色體少了約 70%（8.3%/12%），這顯然是不可能的。
※ 註 4：RpA-70 是 Replication Protein A（Rpa）的一部分。Rpa 會結合在單股 DNA 上發揮保護 DNA 完整性並在必要時啟動修復機制的效果。
※ 註 5：當把上述實驗中的 Zelda 換成另外一種轉錄因子 Trithorax-like（Trl）時，發現也可得到類似效果。而根據先前研究，Zelda 和 Trl 乃是在不同時間開始作用於不同 DNA 上（如附圖）。

參考資料：

1. Blythe, S., & Wieschaus, E. (2015). Zygotic Genome Activation Triggers the DNA Replication Checkpoint at the Midblastula Transition. Cell, 160(6), 1169-1181. doi:10.1016/j.cell.2015.01.050
2. Laver, J., & Lipshitz, H. (2015). Transcription Gets to the Checkpoint. Cell, 160(6), 1043-1044. doi:10.1016/j.cell.2015.02.051
3. Lee, M. T., Bonneau, A. R., & Giraldez, A. J. (2014). Zygotic Genome Activation During the Maternal-to-Zygotic Transition. Annual Review of Cell and Developmental Biology, 30(1), 581-613. doi:10.1146/annurev-cellbio-100913-013027

撰文 | 李政霖
修訂 | 熊浩安