一百多年前,胚胎學家 Hilde Mangold 進行了一項改變生物學的奇特實驗。

在 1920 年代攻讀博士學位期間,她將一種蠑螈胚胎的細胞團塊移植到另一種蠑螈胚胎中。移植的細胞在宿主胚胎中誘導形成了一個次級的「身體軸」,包括神經系統和脊椎的前身。Mangold 證明了大部分次級身體軸是由接受胚胎組織發育而來的。

德國耶拿弗里德里希席勒大學的發育生物學家 Stanislav Kremnyov 表示,這個協調身體軸形成的胚胎「組織者」的發現「開創了發育生物學的全新領域」,他現在正追隨 Mangold 的腳步。

在本週《自然》期刊發表的一項研究 1 中,Kremnyov 和他的同事們報告了在稱為櫛水母(Ctenophora)的海洋掠食者中發現了胚胎組織者,並成功將其移植到屬於完全不同門的海葵(Cnidaria)胚胎中,形成了額外的口和咽。

許多科學家認為櫛水母屬於動物界最早的分支。Kremnyov 和他的同事們認為,組織者的出現有助於將單細胞生物轉變為動物。

維也納大學演化發育生物學家 Ulrich Technau 表示:「我對此感到非常興奮。」但並非所有科學家都信服這些說法。

Mangold 於 1924 年在一場家中瓦斯爆炸中不幸身亡,但這項發現為她的指導教授 Hans Spemann 贏得了 1935 年諾貝爾生理學或醫學獎。

Spemann 的實驗室成為發育生物學界的中心,吸引了頂尖科學家前來探究組織者,並在其他發育組織中尋找類似的能力。

Kremnyov 說:「他們做了瘋狂的事情」,將蝸牛和老鼠腎臟的組織移植到青蛙胚胎中,證明這些組織也具有組織活性。後來,在 1980 年代和 1990 年代,科學家們揭示了組織者的分子基礎:一種稱為形態發生素的訊號分子。

Kremnyov 說,組織者細胞及其釋放的形態發生素,就像發育中的胚胎裡的建築工頭,告訴「細胞該做什麼以及該建造什麼」。

對組織者的研究主要集中在脊椎動物。但在 2007 年,由 Technau 領導的一個團隊在海葵(Nematostella vectensis)胚胎中發現了這類細胞 2,海葵屬於櫛水母分化之後的一個動物譜系。這些發現引發了關於組織者演化起源的問題。

Kremnyov 表示:「直到我們的工作之前,人們不知道它何時出現。」

Kremnyov 的指導教授兼該研究的共同作者、發育生物學家 Andreas Hejnol 在耶拿弗里德里希席勒大學飼養了一批不尋常的無脊椎動物,包括海葵、陰莖蟲和扁形蟲,他稱之為「微型動物園」。當他加入實驗室時,Kremnyov 加入了一隻櫛水母(Mnemiopsis leidyi)。

M. leidyi 繁殖力強,每天都會產下透明的胚胎。在觀察 M. leidyi 時,Kremnyov 注意到胚胎結構「原口」的形成——這是其他動物胚胎組織者的位置。「我看到了原口——我只想把它移植過去。」這些結構在稱為原腸胚形成(gastrulation)的過程中出現,在櫛水母受精後數小時發生。

為了測試原口細胞是否能作為組織者,他將一塊 M. leidyi 胚胎的組織移到另一隻 M. leidyi 胚胎的不同位置。結果與 Mangold 的實驗相似:產生的幼蟲有兩個功能齊全的口。

當 Kremnyov 將 M. leidyi 的組織移植到海葵 N. vectensis 的胚胎中時,約有 10% 的移植結果相似。這些幼蟲擁有兩個口和兩個咽。

進一步的實驗表明,M. leidyi 的組織者在某種程度上是由與 Technau 的團隊先前證明在海葵組織者中活躍的相同訊號通路所協調。這些通路也與脊椎動物胚胎組織者中的分子參與者相連結。Kremnyov 說:「這個建築工頭能說一種通用的語言。」「牠們可以告訴來自不同門的細胞該建造什麼。」

Technau 表示,櫛水母組織者受與其他動物相似的訊號網絡調控的發現「令人興奮」,這支持了組織活性的出現是動物演化關鍵一步的觀點。科學家認為,第一批動物的單細胞祖先能夠形成特化細胞並聚集形成團塊。但 Kremnyov 和 Hejnol 的團隊認為,是組織活性賦予了這些團塊秩序。

維也納科學技術研究所的發育生物學家 Carl-Philipp Heisenberg 表示,為了完全理解櫛水母組織者如何工作——以及它們與脊椎動物組織者的重疊程度——仍需連接一些分子上的細節。

然而,佛羅里達大學的發育生物學家 Mark Martindale 並不相信這些移植實驗能證明櫛水母具有組織者。「沒有證據表明移植的細胞改變了鄰近接受細胞的命運,這是組織者的標誌性特徵。」他說:「認為這是一個組織者的整個說法都極其可疑。」

有助於科學家更好地理解組織者起源的一個資訊是,海綿是否具有組織者。牠們的譜系在動物界譜系的基部附近分裂,緊隨櫛水母之後(一些科學家仍然認為海綿譜系是第一個)。但牠們的胚胎難以在實驗室環境中進行研究和維持。

Kremnyov 表示,因此,目前尚不清楚海綿胚胎是否具有與其他動物結構相似的原口。Martindale 說他也沒有找到:「我走遍世界尋找一個適合進行實驗胚胎學研究的優良模式海綿。我還沒找到。」

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