四肢發育是許多脊椎動物發育重要的階段。四肢一開始都是由短短的肢芽（limb bud）發育而來，肢芽的生長、分化可分為兩個軸向：遠近軸向（proximodistal axis）和前後軸向（anteroposterior axis）（如左上圖）。前者被認為與 fibroblast growth factor（Fgf）由末梢往驅幹方向擴散有關，後者則受由肢體後側的極性活化區（zone of polarizing activity）所分泌的 sonic hedgehog（SHH）所調控。以前肢為例，末梢的前側發育成大拇指，後側則長成小指。當我們在肢體末梢前側異源地表達 SHH 時，將產生多指（polydactyly）的現象；相反地當 SHH 遭剔除時，肢體末稍將只發育出一隻指頭。這使得許多生物學家相信指頭發育的模式也是由 SHH 所調控。
然而，2002 年一篇發表在《Nature》雜誌的研究卻指出（ref 3.）：當我們剔除 SHH 下游分子 Gli3 以後小鼠將長出多指，而在雙重剔除 SHH 和 Gli3 的小鼠身上同樣可觀察到多指的現象。這說明了：正確的指頭發育（包括數目、間距、形狀等等）的確需要 SHH 的參與，但同時 SHH 絕非決定肢芽末端特定區域是否成為指頭的根本因子。
在上一篇小新聞中，我們提到圖靈模型（Turing model）可以用來解釋斑馬魚身上的藍黃規則相間的花紋（關於圖靈模型的敘述詳見上一篇報導 https://goo.gl/F3ZyxN）。來自西班牙龐培法布拉大學的 James Sharpe 團隊認為可以用圖靈模型也來解釋規則相間的指頭發育。過去其實也不乏有學者持類似看法，但往往不是缺少好的電腦模擬，就是無法清楚指出是哪些分子參與該模型。James Sharpe 團隊在這篇研究中首度指出：Sox9、BMP、Wnt 乃是指頭發育最重要的三個分子。
Sox9 是未來發育成指頭的區域最早表現出來的基因之一，以螢光標記之則可見其在肢芽末梢呈放射狀分布。當 Sox9 被剔除時，連帶也會造成其他基因無法形成規律的放射狀圖案，這使得我們有相當理由確信 Sox9 在建模中擁有關鍵的角色。針對指頭（Sox9+）與指間（Sox9-）的細胞進行轉錄體分析、原位雜交染色，發現 BMP 以及多數 Wnt 的下游基因也都會呈現規則的放射狀並且與 Sox9 呈反相（out-of-phase）分布（按：亦即活化於指間）。進一步分析 BMP 和 Wnt 的訊息傳遞活性，發現 pSMAD（BMP下游的傳訊分子）與 Sox9 分布同相，而 β-catenin（Wnt 下游的傳訊分子）則仍和 Sox9 分布反相。這個結果說明了兩件事情：首先，BMP、Wnt、Sox9 應該正是在肢芽末梢形成圖靈圖案的三個關鍵要素；第二， Sox9 會受到來自 BMP 訊息的促進，同時也會為來自 Wnt 的訊息所抑制。
不過上面的觀察並不足以讓這個 BMP-Sox9-Wnt 模型形成圖靈圖形而長成指頭，是以研究團隊在這三個元素間添加了其他交互作用，一共模擬了 84 個模型，依模型穩定度與和實驗結果是否相符選定了其中一個模型（如圖所示）。為了使結果更接近實際狀況，研究團隊也把 Hoxd13 和 Fgf 納入考量用以調整三個元素互動的參數，使得電腦所模擬出來的手指發育將只發生在肢芽末端且不會產生手指的分岔。研究團隊進一步藉由抑制 Wnt 或 BMP 的訊息傳遞路徑比對實驗與電腦模擬結果，發現該模型的預測與實驗結果相當吻合，說明了該模型的有效性。
事實上，早在 2012 年 Sharpe 團隊就已透過分析 Gli3、Hoxa13 和 Hoxd11-13 的突變小鼠發育情形預測：指頭的發育乃是基於圖靈模型，而 Hox 和 SHH 等則可藉由調節指頭與指距寬度影響指頭數目（ref. 4）。本篇的貢獻在於清楚地指出哪些訊息路徑參與該圖靈圖案的建構。這對於發育生物學界以及研究四足動物（tetrapod）四肢發育的演化生物學家來說不啻是令人興奮的一刻！
圖說：以圖靈模型解釋指頭發育 圖片來源：（上圖）http://goo.gl/VMD7yF, （下圖）http://goo.gl/Vwmh2W
參考資料：
- Raspopovic, J., Marcon, L., Russo, L., & Sharpe, J. (2014). Digit patterning is controlled by a Bmp-Sox9-Wnt Turing network modulated by morphogen gradients. Science, 345(6196), 566-570. doi:10.1126/science.1252960
- Zeller, R., López-Ríos, J., & Zuniga, A. (2009). Vertebrate limb bud development: moving towards integrative analysis of organogenesis. Nature Reviews Genetics, 10(12), 845-858. doi:10.1038/nrg2681
- Litingtung, Y., Dahn, R. D., Li, Y., Fallon, J. F., & Chiang, C. (2002). Shh and Gli3 are dispensable for limb skeleton formation but regulate digit number and identity. Nature, 418(6901), 979-983. doi:10.1038/nature01033
- Sheth, R., Marcon, L., Bastida, M. F., Junco, M., Quintana, L., Dahn, R., … Ros, M. A. (2012). Hox Genes Regulate Digit Patterning by Controlling the Wavelength of a Turing-Type Mechanism. Science, 338(6113), 1476-1480. doi:10.1126/science.1226804
撰文 | 宋侑倖
修訂 | 熊浩安
