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不朽的生殖細胞

 

不朽的生殖細胞

生物醫學系 楊淑元助理教授

生命能夠一代一代的延續下去,生殖細胞是關鍵!

生殖細胞在胚胎早期形成,到了成體性成熟之後,提供精子和卵子,兩者受精後就能生成下一代,完成物種世代交替的重要工作。就因為這個特殊又極其重要的特質,生殖細胞和體內所有其他的體細胞有根本的區別,生殖細胞能夠藉著受精的過程繼續生存下去,不若體細胞必定會隨著個體的老化而凋亡,因此生殖細胞被視為是個不朽的細胞系。

令人驚訝的是,如此重要的生殖細胞,他們產生的方式以及負責調控的基因,在不同的物種間,卻有不少差異。從演化的角度來看,越是重要的生物現象及基因,在物種間越可能保留下來。一個物種若已經發展出某種功能,只要這個功能對於生物體的生存或繁衍很重要,在演化的進程中保存的機會就高;生殖細胞的發育,卻不完全合乎這樣的概念。在目前已知的物種中,生殖細胞生成的方式大略分為兩類:一類物種的受精卵中帶有特定的物質,獲得這些特定物質的細胞,就是未來的生殖細胞;另一類則是利用誘發的策略,由胚胎中某一群細胞,誘導鄰近的細胞成為生殖細胞。不過即便是生成方式同屬一類的物種,其中的細節也還多有不同。以線蟲和果蠅這兩個現代生物學最常見的兩種模式生物為例:這兩個物種的生殖細胞都依賴獲得受精卵中的特定物質而生成,然而取得這特定物質的方式,還有特定物質為何?兩個物種間有很多差異。

調控生殖細胞生成的最上游機轉,在物種間雖不相同,卻不代表中繼的環節和基因也都不同。以另一個與繁衍息息相關的過程—性別決定機制—為例:各類物種交配繁衍的方式五花八門,掌控性別決擇的最上游基因也是因物種而不同。然而各物種間,依舊有一個共同的基因能夠掌控性別決定。這個基因不是最上游的調控點,而是個重要的中繼環節;這樣的設計,或許是要因應不同物種賴以生存的生態環境不同,交配的手段和策略不同,性別決定為了要能配合不同繁衍方式,因此演化出了不同的最上游調控基因,但是最後還是會回歸統整到相同的中繼基因。生殖細胞生成的方式,是否也依循類似的模式,上游調控機轉各不相同,但最後會彙整到相同的中繼環節,是個很值得探索的題材。

當今火紅的研究領域之一,在探討具有多重分化能力的幹細胞如何生成,又如何能夠被引導形成各種特殊的細胞,如肌細胞、神經元等。這個題材的重要性不難了解;如果能瞭解細胞如何由簡到繁分化,就能從原始的幹細胞依需要生成各種特定的細胞,甚至是組織器官。一但解開了如何形成新的具備多重分化能力的幹細胞之謎,則能依不同個體的需要取得適當的幹細胞。這些知識在應用上有極大的潛能,因此被科學家與醫師們賦予重望,期盼這方面的研究,能夠帶來醫療上的重大突破。生殖細胞最重要的功能就是要能延續生命,在受精的過程中還原到分化的原點,以形成受精卵。換句話說,這個不朽的細胞系,擁有從精卵子已分化狀態,回復到未分化幹細胞狀態的能力。此外,生殖細胞雖然不是幹細胞,但相較於其他細胞,這個細胞系在特殊實驗狀態中,被誘導成為幹細胞的潛能也明顯較強。因此,生殖細胞或許較其他體細胞更近似幹細胞,也可能是生殖細胞一直維持在某種能形成有多重分化能力幹細胞的儲備狀態中。

這些生殖細胞的特質,都使得探究生殖細胞生理功能的同時,也增長了細胞如何返轉回未分化狀態的知識。如此重要的功能到底如何達成?各個物種雖然以不同的方式產生生殖細胞,但他們是否運用相同的中繼基因與機轉,達成生殖細胞生成與發育的目標?如果能找到物種間共通調控生殖細胞發育的基因,應會讓我們更了解多重分化能力如何達成。我們也期望這些研究與實驗,能夠在未來引領醫療上的新設計,一方面改善與生殖細胞直接相關疾病的診斷與治療,如不孕症等。此外,或能更進一步突破幹細胞生成的技術和運用,佐助組織工程的發展,嘉惠更廣泛的病患群。

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