蘇怡璇_2018_BMC Evolutionary Biology

蘇怡璇老師任職於中央研究院細胞與個體生物研究所，為本會現任理事。其研究主要著重在瞭解訊息分子如何調控轉錄因子以組成發育基因調控網路，並對調控動物身體體制與體軸的分子機制亦感興趣。老師近年來也開始研究台灣半索動物玉柱蟲的發育機制。因為半索動物和棘皮動物為最接近的兩個動物門，與脊索動物同為後口動物的三大動物門，希望藉由比較兩者的發育分子機制，藉以探討後口動物身體體制的演化。蘇老師近期研究成果<半索動物玉柱蟲利用纖維母細胞訊息傳遞鏈來控制中胚層在胚胎時期與變態時期的發育>獲載於<<BMC Evolutionary Biology>>上，感謝老師與我們分享成果如下:

後口動物（deuterostomes）包含三個動物門：棘皮動物門（Echinodermata）、半索動物門（Hemichordata）與脊索動物門（Chordata）。脊索動物門又包含三個亞門，分別為頭索動物亞門（Cephalochordata）、尾索動物亞門（Urochordata）以及脊椎動物亞門（Vertebrata）。脊索動物共同擁有數個獨特的身體構造令他們與其他的動物相當不同。這些特殊構造包括脊索（notochord）、成對的肌節（somites）、背側的中空神經管（neural tube）以及肛後尾（post-anal tail）。在脊索動物胚胎發育的過程中，脊索與肌節均是由中胚層分化而來；脊索用以支持發育中的胚胎，肌節則會再更進一步分化為肌肉組織以及其他身體構造。

以不同種脊椎動物（vertebrate）作為實驗對象的研究顯示，纖維母細胞訊息傳遞鏈（FGF signaling）對於脊椎動物胚胎時期的脊索與肌節的發育至關重要。例如擾亂非洲爪蟾及斑馬魚的FGF signaling 會導致脊索與肌節無法發育。但有趣的是，研究文昌魚（頭索動物）以及海鞘（尾索動物）這類無脊椎的脊索動物，卻發現文昌魚只有身體前半部肌節的發育需要FGF signaling，身體後半部的脊索與肌節發育則不需要FGF signaling的調控。而在海鞘中，儘管來自於FGF signaling的調控對於脊索的形成是必需的，但軀幹肌肉在沒有FGF signaling的狀況下依然會分化 。顯示FGF signaling對於脊索發育的調控功能在脊椎動物和海鞘的演化過程中被保留了下來，但對於調控肌肉生成的功能因為在不同動物中呈現不一致的結果，所以仍然不清楚該功能是否為FGF signaling 古老的功能之一。

雖然中胚層的發育在脊索動物已經有相當廣泛的研究，但類似的實驗在其他後口動物中卻相當有限。為了探討在後口動物的祖先中FGF signaling對於中胚層發育所扮演的功能是什麼，研究棘皮動物與半索動物可以提供重要的線索。目前已知在棘皮動物加州紫海膽 （Strongylocentrotus purpuratus）的胚胎發育過程中，FGF signaling對於骨骼與肌肉的生成均扮演著重要的角色。此外，對半索動物當中的一員，玉柱蟲 （acorn worm） 的研究則顯示，抑制直接發育型（direct-developer）玉柱蟲 Saccoglossus kowalevskii 的FGF signaling會使胚胎失去誘發中胚層的能力，導致胚胎完全沒有中胚層細胞產生。然而在中胚層形成後，FGF signaling是否也參與後續肌肉分化的過程則還不清楚。

為了更進一步了解FGF signaling 對於半索動物中胚層發育過程所扮演的角色，我們以間接發育型（indirect-developer）的玉柱蟲 Ptychodera flava為對象，研究FGF signaling對於其胚胎時期以及變態時期中胚層發育的影響。不同於直接發育型玉柱蟲會從胚胎直接發育為成體的形態，P. flava 在發育為成體型態之前，會經過一段為期約四個月的浮游幼蟲期，在此時期的P. flava和棘皮動物的幼蟲型態非常相似。而在變態時期P. flava 會經歷形態上的巨大變化，由利用纖毛推進的透明浮游生物變成充滿肌肉的底棲蠕蟲型態。與變態後就變成五輻對稱的棘皮動物不同，成體型態的P. flava依舊維持兩側對稱的體型，並發育出與脊索動物類似的咽裂 （pharyngeal slits）構造。這些身體結構上的特徵以及在演化樹上的特殊的位置，都讓玉柱蟲在探討脊索動物起源時成為不可缺少的一環。

在我們的研究中發現，P. flava具有五種FGF配體（ligands）與三種FGF受體（receptors）。 這些FGF家族成員在胚胎發育的不同時期有著不一樣的表現位置，暗示著不同家族成員對於胚胎各部位的發育有著不同的影響。進一步的功能性研究發現， FGF signaling藉由調控著不同的轉錄因子（transcription factors）來誘發中胚層特化，並在胚胎發育的不同時期誘導中胚層逐步分化為不同的結構，包括肌肉組織。而在變態時期肌肉纖維會大量的生長，我們發現與此同時FGF 配體與受體的轉錄均會顯著的增加。此外，我們利用額外加入的FGF蛋白來增強FGF signaling 會加速變態的過程。這些結果顯示FGF signaling不僅對於胚胎時期中胚層的發育以及肌肉的生成有重要的調控功能，亦控制變態時期型態的轉變。這個實驗結果也暗示著FGF signaling 控制肌肉發育的功能相當古老，很有可能在後口動物的共同祖先中就已經存在。

**本介紹由第一作者 范子霈博士生撰寫**

全文刊載: https://bmcevolbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12862-018-1235-9

蘇老師實驗室: http://icob.sinica.edu.tw/pilab/SuYuLab/Su_and_Yu_Lab/Home.html