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斑馬魚的條紋如何形成?

生物體如何形成美麗而多變的花紋長久以來都是許多發育生物學家們熱衷的議題。其中一個廣為人們接受的理論是圖靈模型(Turing model),又稱為反應-擴散模型(reaction-diffusion model),係由電腦科學之父 Alan Turing(註)於 1952 年所提出。相較於先前提到的 French-flag model 係單一訊息分子的擴散,圖靈模型則是指兩個(以上)的訊息分子在空間中擴散並交互反應。根據 Giere 和 Meinhardt 的研究,典型的圖靈紋(Turing pattern)必須是一個「短程正回饋」與「長程負回饋」所組合形成的網路。在眾多被認為擁有圖靈紋的生物中,斑馬魚算是被研究最透澈的模式生物。

 

斑馬魚是一種小的淡水魚,牠在軀幹表皮和魚鰭都分布著藍黃相間的條紋。藍色的條紋係由黑色細胞(melanophores)所組成,黃色的條紋則是由黃色細胞(xanthophores)所組成。在軀幹表皮另外還有銀藍細胞(iridophores)分布,分為扁平的 L-type 細胞和柱狀的 S-type 細胞,前者位於藍色條紋,後者則位於黃色條紋。科學家在離體培養實驗中發現黃色細胞與黑色細胞會表現出「官兵捉強盜」(run-and-chase)的行為,也就是當黃色細胞與黑色細胞接觸時,黃色細胞會朝黑色細胞方向伸出樹突(dendrite),接著黑色細胞便會朝著突觸來源的反方向逃離,黃色細胞伸長的樹突則緊追在後,兩個細胞本體於是就越分越開。這可以用來解釋為何發育過程中為何兩類細胞會各自分群成兩種顏色條紋,也暗示了黑色細胞與黃色細胞間在過分靠近時可能存在著彼此抑制的機制而達到「短程正回饋」的效果。

 

在帶有各種突變的斑馬魚中,科學家們也觀察到當黃色細胞發育不良時,連帶會造成藍色條紋無法成形與黑色細胞的凋亡。基因表現分析發現黃色細胞與黑色細胞分別表現了 deltaC 和 notch1a,而當黑色細胞接受到較多異源表達的 DeltaC 時,藍色條紋的寬度將會增加。在顯微鏡下,科學家們則觀察到黑色細胞會伸出長的突出至黃色細胞。這些觀察暗示了:儘管黑色細胞會發出抑制訊息避免與黃色細胞太接近,但同時也透過長的突出遙遙地接收來自黃色細胞的促進存活與生長的因子(可能就是 DeltaC),因而也就達到了「長程負回饋」的效果。

 

以上研究結果讓許多科學家確信斑馬魚條紋的形成係基於圖靈模型。然而,原先以果蠅胚胎發育起家後來轉戰斑馬魚發育的諾貝爾獎得主 Christiane Nüsslein-Volhard 卻提出了不同的看法:他認為現行以黃色細胞與黑色細胞為核心的圖靈模型忽視了銀藍細胞的重要性。研究團隊利用螢光標記追蹤黃色細胞的起源、遷移和分化,很驚訝地發現在三種色素細胞中,黃色細胞竟然是第一批到達表皮的細胞。約三周大時,幼魚開始進入變形(metamorphosis)階段時黃色細胞大量分裂(而非經由細胞遷移)而覆蓋整個側背。接著從背根神經節(dorsal root ganglion)附近幹細胞發育而來的銀藍細胞穿過縱向肌間(horizontal myoseptum)才出現在表皮形成第一個黃條紋,然後再逐漸往背側與腹側方向複製而呈現 “緊密-鬆散” 的分布,緊密分布的銀藍細胞會促使黃色細胞組織重組地更為緻密(也就形成日後黃條紋區域)。而在銀藍細胞到達表皮不久後,黑色細胞也沿著神經出現在表皮。黑色細胞與黃色細胞交互作用下將使黑色細胞分布於銀藍細胞鬆散的區域,也將使黃色細胞組織發生局部的重組、短暫的遷徙,並朝黃條紋區域分裂而留下空間予黑色細胞。

 

根據以上觀察結果,Christiane Nüsslein-Volhard 團隊認為現行以黃色細胞與黑色細胞為核心的圖靈模型是亟待修正的。這個意見自然引起原模型擁護者 Maskatsu Watanabe 與 Shiegeru Kpndo 的反彈,也因此在今年四月的《Science》雜誌上雙方有了一場論戰。有興趣的讀者不妨自行前往閱讀,想必會有更大收穫!

 

※ 註:Alan Turing 就是去年榮獲奧斯卡獎多項提名電影《模仿遊戲》(The Imitation Game)中的主人翁。反應-擴散模型就是出自他 1952 年的一篇大作 <The Chemical Basis of Morphogenesis>。

 

 

圖說:(圖 A)黃圓代表黃色細胞,黑圓代表黑色細胞,兩直線代表銀藍細胞;黑線代表近距離的交互作用,紅線代表遠距離的交互作用。上方是原先以黑色細胞和黃色細胞為核心的圖靈模型,下方則是作者團隊所提出的修正模型。(圖 B)銀藍細胞與黑色細胞自背根神經節附近遷移至表皮的路徑。(圖 C)銀藍細胞與黑色細胞隨時間分布情形示意圖。

 

參考資料:

  1. Mahalwar, P., Walderich, B., Singh, A. P., & Nusslein-Volhard, C. (2014). Local reorganization of xanthophores fine-tunes and colors the striped pattern of zebrafish. Science345(6202), 1362-1364. doi:10.1126/science.1254837
  2. Watanabe, M., & Kondo, S. (2015). Comment on “Local reorganization of xanthophores fine-tunes and colors the striped pattern of zebrafish”. Science348(6232), 297-297. doi:10.1126/science.1261947
  3. Singh, A. P., Frohnhofer, H., Irion, U., & Nusslein-Volhard, C. (2015). Response to Comment on “Local reorganization of xanthophores fine-tunes and colors the striped pattern of zebrafish”. Science348(6232), 297-297. doi:10.1126/science.aaa2804
  4. Watanabe, M., & Kondo, S. (2015). Is pigment patterning in fish skin determined by the Turing mechanism? Trends in Genetics31(2), 88-96. doi:10.1016/j.tig.2014.11.005
  5. Singh, A. P., Schach, U., & Nüsslein-Volhard, C. (2014). Proliferation, dispersal and patterned aggregation of iridophores in the skin prefigure striped colouration of zebrafish. Nature Cell Biology16(6), 604-611. doi:10.1038/ncb2955

撰文|李政霖

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