發育生物學發育生物學

劉翠華劉翠華 洪建民洪建民

Part1.認識發育生物學何謂發育生物學胚胎學上古老的爭論胚胎的體軸與位置

Part2.胚胎發育機制鑲嵌式發育

調控式發育

Part4.Part4.細胞的行為細胞的行為細胞間的溝通細胞形狀改變細胞移動細胞增殖細胞死亡

Part5.Part5.癌症與老化癌症與老化

Part3.Part3.胚胎發育的過程胚胎發育的過程切割分裂模式形成形態發生細胞分化生長

認識發育生物學認識發育生物學

生命的發生孕育每個奇妙開始想像生命的起點是什麼

發生生物學家結合各領域的研究嘗試去解決其中的疑惑

何謂發育生物學？‧發育生物學(developmental biology)源自於胚胎學(embryology)

‧胚胎學：探討受精卵到出生的過程

‧發育生物學包含：

胚胎學

個體出生後的生長、器官的成熟以及受損組織、器官的修復與再生，甚至老化、癌症的發生、幹細胞治療、複製生物的技術

胚胎學上古老的爭論

古希臘時代就存在的爭論

胚胎的各部份是一開始就存在呢？還是在發育過程中逐漸形成的？

胚胎學上古老的爭論

漸成說(epigenesis)

‧緣起於兩千多年前

‧各種特殊型態的生物均由一簡單、無一定形式的卵子逐漸發育而成

亞里斯多德認為胚胎發育有如織魚網一般，一步一步逐漸完成….

http://www.abc.net.au/science/features/sciforsale/default.htm

胚胎學上古老的爭論

先成說(preformation theory)• 十八世紀提出• 宣稱在人類的精子內看見“小人”• 認為植物種子內含有迷你的小樹→精子或卵子中預存有該種生物的縮小雛體，個體發育只是單純將雛體逐漸長大

“Homunculus”http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL3530/DB_Ch01/DBNHist.html

胚胎學上古老的爭論

• 兩派的理論之比較

• Take a break ＆ Think

漸成說胚胎的各部位是逐漸形成的，發育的過程是漸近的變化，而且前後階段有因果關係

先成說受精卵內含有一個具體而微的完整個體，胚胎發育即是將此微小個體的各部位加以放大

根據你學過的生物學知識，你支持哪一個理論？

胚胎學上古老的爭論‧十九世紀顯微鏡的發明、細胞學說的確立及

基因概念的形成

‧胚胎發育的過程，是由單一細胞開始，經過

多次細胞分裂，再分化成各種不同的細胞，

形成各部位的組織、器官

‧基因記載著發育過程的預設程序，使胚胎各

部位依序發育

‧胚胎發育符合漸成說的理論

http://www.luc.edu/depts/biology/dev/humandev.htm

胚胎的體軸與位置

• 體軸前/後軸(A/P axis) 背/腹軸(D/V axis)左/右軸(L/R axis)

相對位置相對位置1.遠端(distal)、近端

(proximal)2.側面(lateral)

前 後

背

腹

右

左

http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL3530/DB_Ch01/DBNHist.html

胚胎發育機制胚胎發育機制

身體的所有細胞由受精卵分裂而來

是誰指揮這些細胞

發育成為不同類型的細胞組織？

鑲嵌式發育(mosaic development)‧魏斯曼(Weismann)

‧受精卵細胞核有特殊的化學因子，在核內分佈不

均，細胞分裂時，每個子細胞所分得的化學因子不盡相同，因而影響細胞發育的類型

‧例如：某個子細胞得到較多的神經發育因子，則

發育成神經細胞

http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL3530/DB_Ch01/DBNHist.html

鑲嵌式發育(mosaic development)• Wilhelm Roux test of Weismann’s theory

(1888)

Roux認為兩個細胞在第一次細胞分裂時即決定將來發育的方式，即使其中一個細胞死亡，剩下的細胞仍然可以按照既定的「計畫」順利地發育成半邊的胚胎

http://www.dls.ym.edu.tw/lesson3/devebio2.htm

鑲嵌式發育(mosaic development)• 蛙卵的動物極與植物極所含化學物質成分不同，影響其後所分裂出的細胞「命運」

• 動物極的細胞會發育成外胚層，植物極的細胞發育成內胚層，中胚層則是從兩極交界處產生

http://spacebio.net/modules/db_teare.html

動物極：含色素，顏色深

植物極：富含卵黃，顏色淺

調控式發育(regulative development)

Hans Driesch’s experiment (1892)‧以海鞘的卵重做Roux

實驗

‧他認為胚胎在缺乏某

部分細胞下，依然可

正常的發育，表示胚

胎內的細胞彼此間可

相互調控，彌補所缺

少的部分

http://www.dls.ym.edu.tw/lesson3/devebio2.htm

調控式發育(regulative development)

Spemann＆Mangold’s 誘導(1924)• 蠑螈的胚胎上移植來自不同種的

蠑螈胚胎組織

• 結果發現移植的組織可誘導胚胎長出另一個不完整的胚胎

• Spemann，1935諾貝爾生理醫學獎

http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/CoursPCEMDEUG/Fig116.htm

完整胚胎

不完整的胚胎

胚胎發育屬於

鑲嵌式？調控式？

鑲嵌式和調控式發育

‧根據研究兩種發育機制都存在於胚胎發育之中，但何種為主要機制，會因不同物種而異

‧脊椎動物大多以調控式發育為主

無脊椎動物則大多以鑲嵌式發育為主

胚胎發育的過程胚胎發育的過程

雖然不同生物胚胎發育的過程不盡相同

但仍可以歸納出五個主要的階段每個階段各有不同的事件發生

五個主要的階段

‧切割分裂(cleavage division)‧模式形成(pattern formation)‧形態發生(morphogenesis)‧細胞分化(cell differentiation)‧生長(growth)

切割分裂(cleavage division)

‧受精卵分裂

受精卵體積在分裂過程中維持不變，分裂的次數越多，每個子細胞的體積越小

‧細胞的數目增加，但整體的體積不會改變

http://www.welc.cam.ac.uk/groups/zernicka-goetz.html

模式形成(pattern formation)

‧胚胎主要的體軸(前/後軸、背/腹軸)在此階段確定下來，隨後不同區域的細胞會發展成哪一胚層也可確定

‧空間配置的差異是造成生物間相異的主要原因

比較人類和黑猩猩，兩者在細胞種類與形態都

沒有不同，不同的因素在於細胞排列與組合方

式上的些微差異

形態發生(morphogenesis)

• 外觀形態有很劇烈變化，細胞群藉由細胞遷移，逐漸雕塑出未來個體的形態

• 原腸化(gastrulation)腸道的細胞，從胚胎最表層向內遷移形成原腸(形成腸道)

• 手、腳和臉部的外型亦在此時塑造出來

海膽

http://www.mc.vanderbilt.edu/devbio/2005mdbmod1lecture.html

細胞分化 (cell differentiation)

• 胚胎內的細胞在構造與功能上開始有所區別

• 人類有250種不同類型的細胞，例如：神經細胞、

肌肉細胞、表皮細胞等

• 細胞→組織→器官

http://www.ncu.edu.tw/~ls/chinese/menu_title/faculty/whole_time_faculty/SLC/SLC1_1.htm

生長 (growth)

‧細胞數目、體積的增加

‧有些細胞會開始分泌物質，形成細胞間質填充細胞間的空隙

‧五個發育階段並非相互獨立，也未必一定按照此順序發生

‧真實胚胎發育的情況往往是各階段交錯進行

細胞的行為細胞的行為

說穿了整個發育的過程

不過就是調控細胞表現出不同的行為

細胞間的溝通(cell-cell comunication)

• 細胞溝通的方式可分為：1.分泌化學訊息以擴散的方式傳遞，

距離發出訊息處越遠，

訊息分子濃度越低，

接受到訊號分子濃度

不同，引起細胞內的

生理反應也不相同

濃度

距離細胞a

細胞b

細胞間的溝通(cell-cell comunication)

2.相鄰細胞間以細胞膜上蛋白質的直接接觸3.透過特殊的相連通道(gap junction)交換訊息

http://www.accessexcellence.org/RC/VL/GG/contactWin.html

http://www.consciousness.arizona.edu/quantum/

week6.htm

細胞形狀改變(cell shape change)

‧神經管的形成

原本單層的表皮細胞，因部分細胞形狀的變化，使兩側向中央摺疊，最終兩側細胞相連癒合形成神經管

‧形狀變化、細胞遷移，是胚胎「形態發生」的力量

http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL3530/DB_Ch01/DBNHist.html

細胞遷徙 (cell migration)神經脊細胞(neural crest cells)‧起源於細胞從表層移動至神經管兩旁

‧這些細胞接著遷徙至胚胎許多不同部位，形成

皮膚色素細胞、感覺神經、腸道神經、神經膠

細胞等等神經管形成過程中神經脊細胞伴隨產生，往後便展開胚胎內大遷徙

http://www.riken.go.jp/engn/rworld/research/lab/nokagaku/develop/develop/result.html

細胞增殖(cell proliferation)‧細胞增殖是生長的方式之一，各部位生長速率的差異，則會影響最後個體的外形

人類胚胎從8週到出生時，個體的體積變化

除了體積改變化，頭部與四肢的比例也明顯改變

http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL3530/DB_Ch01/DBNHist.html

細胞死亡(cell death)• 計畫性細胞死亡(programmed cell death)或細胞自戕(apoptosis)

http://www.amonline.net.au/wild_kids/freshwater/bell_frog.htm

蝌蚪的尾巴，在發育過程中會逐漸消失，此一過程必須藉著尾部細胞死亡來完成

癌症與老化癌症與老化

癌症是發育過程的意外事故老化卻是最終必然的結果

癌症-發育的意外事故

癌症--發育失控的細胞‧不受限制的增殖、生長

→細胞增殖‧侵犯其他組織的能力

→細胞移動

癌細胞使血管增生以供應其所需養分

http://student.biology.arizona.edu/honors2003/group13/page%205%20Discussion.htm

老化-發育的最終章節

‧發育不只是胚胎成長的過程，也包括老化

‧老化很可能早已預先設定在發育的程式裡，且留在較晚的時間才開始執行

‧大象時間vs老鼠時間

Take a break ＆ Think

為何生物一定會老化？可以試著從天擇的角度去解釋

• 延伸閱讀沃伯特(Lewis Wolpert) ，胚胎大勝利，天下文化

• 參考資料1.Lewis Wolpert. Principles of Development

2/e.Oxford2.陽明大學新世紀生命科學課程改進計畫-發育生物學 http://www.dls.ym.edu.tw/4.htm

發育生物學 認識發育生物學何謂發育生物學？胚胎學上古老的爭論胚胎學上古老的爭論胚胎學上古老的爭論胚胎學上古老的爭論胚胎學上古老的爭論胚胎的體軸與位置胚胎發育機制 鑲嵌式發育(mosaic development)鑲嵌式發育(mosaic development)鑲嵌式發育(mosaic development)調控式發育(regulative development) 調控式發育(regulative development)鑲嵌式和調控式發育胚胎發育的過程 五個主要的階段切割分裂(cleavage division) 模式形成(pattern formation) 形態發生(morphogenesis) 細胞分化 (cell differentiation) 生長 (growth)細胞的行為 細胞間的溝通(cell-cell comunication) 細胞間的溝通(cell-cell comunication)細胞形狀改變(cell shape change) 細胞遷徙 (cell migration) 細胞增殖(cell proliferation) 細胞死亡(cell death) 癌症與老化癌症-發育的意外事故老化-發育的最終章節