未解之谜网

当前位置: 未解之谜网 > 自然科学 > 精子从哪里进入卵子会影响胚胎发育？

精子从哪里进入卵子会影响胚胎发育？

当我第一次惊喜瞥见打破对称性的可能起源时，我惊讶地发现到这段历程似乎很早就开始了，而这也为我运用绿色萤光蛋白追踪细胞分化的研究铺起了大道。卡罗琳娜与我想要进一步探索这个研究发现，所以我们提出了一个有关其终极源头的简单问题：精子进入卵子的位置是否对于胚胎一开始失去对称性有任何影响?在线虫与青蛙这类动物的胚胎中确实是这样，但在哺乳动物（例如小鼠）的胚胎中也一样吗?

对称艺术

当我们将生命的起源以动画演绎出时，常常看到的影像就是精子设法进入没有任何特征的圆形卵子上，并融入其中。若情况是这样的话，就很难看出精子进入卵子的位置是要如何对未来一切发育有所影响。在这个理想化的卵子上，任一处表面都与其他表面没有任何差异。不过，当然还是存在有个参考指标，那个等同于“这边是上面”的指标就是：极体。

图/pexels

极体是从减数分裂的不对称过程中所产生，细胞“骨架”在这个过程中会聚集以协助细胞进行分裂。这个细胞骨架称为纺锤体，它会从细胞中心点往细胞边缘移动，产生出一个大大的卵子与一个小小的极体。我们可以合理认为，纺锤体与染色体的移动可能打破了卵子的对称性，也造成了挤压极体的发育。许多人的确注意到极体最终总是会落在受精卵进行分裂的那个平面上。

理查.加德纳这位我们之前见过的科学家，发现极体会附着在卵子上，它不只会确立受精卵首次分裂成两个细胞的那个平面，它还会在几天后确立出囊胚的对称轴。这项发现让我们有所启发。这真的是因为卵子中的轴向资讯会一直持续到囊胚阶段，还是有其他的因素会影响胚胎发育的对称性?在我们进行科学研究的过程中，我与卡罗琳娜在当下这个时间点想要知道的是，精子进入卵子的位置是否也会影响胚胎发育，并提供第二个定位线索。

卵子上的座标——精子进入的位置会影响胚胎发育吗?

就像在地表上某个地点跟北极的相对位置，可以定义所谓的经线，我与卡罗琳娜想要知道，精子进入卵子的位置是否也可以提供相对于极体位置的另一位置资讯。若真的是这样，我们就能更精准确立进行首次分裂的那个平面。这感觉起来很合理，因为极体的形成与精子的进入位置都会重新排列之后会运用在卵子分裂上的细胞骨架。若不是这样，分裂的那个平面与精子的进入位置之间就只有随机的关系。

以现代科技来说，我们很容易就可以解决这个问题。我们可以将这个过程拍成影片，来看看从精子进入卵子后到后续细胞进行分裂的几天之间究竟发生了什么事。但在我们开始研究的那个年代，不存在这样的选项。我们无法拍摄小鼠胚胎从受精开始进入发育的影片，要等到几天后胚胎进入囊胚阶段才行。我们只能想办法去标记精子进入的位置，以便可以追踪它与受精卵在数小时后首次分裂的那个平面之间的关系。

图/pexels

我一开始想着要用某种自然一点的东西，像是胚胎干细胞这种非常微小的细胞，在卵子受精后马上附着在精子进入点上，因为那时还可以看到进入点，但最后我有了更简单的办法：我们改用肉眼看不见的微小萤光珠。我们成功了，但我很后悔没有给这些珠子取个像“微球体”这样酷炫的科学名称。当然，同领域人士不认同的不仅仅只是这些珠子要怎么命名，但“珠子”这个名称有种简朴感，所以批评者会用这个名称来贬低我们的研究，这就是我们得要付出的代价。

一开始很容易就能看到精子是从哪里进入卵子的。它会留下一个名为受精锥（fertilization cone）的小小凸起。受精锥是由卵子的细胞骨架所建构，并由肌动蛋白的纤维所组成，它大约会凸起半个小时。这时间刚好足够嵌入一至两个珠子来标记位置。

我们将这些珠子浸到名为植物血凝素（phytohemagglutinin）的蛋白质混合物中，珠子就会具有黏性。植物血凝素常用于让细胞聚集在一起。因为人的手不够稳定，所以卡罗琳娜会以一只机械手臂来拿取具有黏性的珠子，并将珠子放到卵子的表面上，同时还会以另一只机械手臂牢牢固定住刚受精的卵子。

图/pexels

虽然珠子很小，直径只有 0.0001 至 0.0002 厘米，但在紫外线的照射下看起来大多了，亮绿色的点让我们很容易就可以追踪它的命运。观察受精卵的发育时，我们发现珠子最终会来到细胞首次分裂所产生的两个细胞之间的边缘，或者是非常接近这个地方。

受精卵的分裂平面真的是由精子决定的吗?

我们一直都在挑战我们的思考与发现。上述情况有可能是任何落在卵子表面的珠子都会掉进分裂沟（cleavage furrow）中。所以为了确认，我们进行了一项对照实验，卡罗琳娜将另一颗类似的珠子随机放在卵子表面的其他地方。令我们欣慰的是，这颗珠子最终没有掉进细胞分裂时所产生的分裂沟中。对我们而言，这表示精子进入卵子的位置以某种方式“被记住”了，并且成为受精卵偏好进行分裂的地点。换句话说，若我们是对的，受精卵之所以会在这个平面进行分裂，是因为偏好（biased）而非随机（randomly）。

我们持续获得了各种新发现。在胚胎从两个细胞发育成四个细胞的阶段中，带有精子进入标记的那个细胞，会倾向于先进行分裂。这个细胞的命运之所以会改变，是因为精子带入的物质滋养了它吗?受精的三天后，精子进入标记会留置在囊胚两部位之间的边缘处，一个部位是含有会形成胚胎本体的胚胎部分，另一个则是胚外部分。

这表示了，两细胞胚胎内的其中一个细胞较容易发育成胚胎，另一个则倾向于变成胚外部分。我们感到震惊。我们观察影像好几个小时，甚至好几天。我一开始根本不敢相信这些发现，所以我请卡罗琳娜一再重复进行实验，打破早期对称性的证据怎么这么简单，会不会太简单了?

可以理解地，对此感到怀疑的人士可能会吹毛求疵地表示，决定分裂平面的不是精子进入点，而是将珠子嵌在进入点的这个动作。为了验证这个可能性，我们进行了许许多多的对照实验，我之后会提到。我们已经确认过，将珠子放置在受精锥以外的任何一个地方，都不足以决定分裂的平面。但我们还有诸多其他事项要一而再、再而三的确认，因为我们必须很确定。