由Xenopus 看分化現象的分子機制
概論生物的發育起自於胚胎，結束於個體的死亡。研究早期發育的學問稱之為胚胎學(Embryology)，而研究整個發育過程的學問叫發育生物學(Developmental Biology)。在巨觀上，胚胎學中有四大研究主題，分別是分化現象(differentiation)、交互作用(induction)、生長(growth)、與形態的產生(morphogensis)，可是這幾個研究主題在分子層次其實是相關的。
由一個受精卵產生各種不同的細胞(如神經細胞、肌肉細胞等)的過程，稱之為「細胞分化」。但細胞為什麼會分化呢?這是發育生物學中最有趣的問題之一，也是在我們有生之年，可能可以瞭解的一個現象。分化現象的特徵是發生在細胞分裂之後，通常是產生不可逆的變化。所謂的變化，可能是形態上的，亦可能是分子層次的改變，而無法觀察到。在此我們將分化現象進一步地分為初步分化與終端分化(terminal differentiation)，像上述形成神經細胞等是一種終端分化，常有具體的形態變化；而發生在胚胎中的分化，多為初步分化，在巨觀上沒有可觀察到的變化。簡單的說，分化現象就是由同而變為不同；在分子的層次上，所謂的不同就是表現出一些特有的基因。我將以非洲有爪水生蛙 (Xenopus)的發育為例，說明細胞分化的機制 (mechanism)。
使用非洲有爪水生蛙做實驗材料的好處
兩棲類是研究胚胎發育的好材料，在體外即可觀察其胚胎發育的過程，而且它的受精卵很大，可在胚胎上做移殖手術，觀察移殖對胚胎發育的影響。非洲有爪水生蛙更是其中重要的模型系統，因為目前不但有許多形態上的研究，也有許多分子層次的研究。例如它的整個胚胎發育過程已相當清楚，在什麼時候會發育到哪一階段都有圖譜可查閱。此外，在8個、16個、或32個細胞時，每個細胞會發育成哪些組織，也有圖譜可查，很適合做分子層次的研究。
在生化研究上，已精細到有活體外(in vitro)系統可模擬細胞分裂。也初步建立形態與功能之間的關係，例如已知在前12次細胞分裂時沒有轉錄，此時細胞分裂所需的蛋白質，全由卵母細胞發育時，所存的母系RNA所轉譯出來。此外，在卵母細胞中有哪些成份，都有表可查，因此在設計實驗上是很方便。
分化現象與mRNA定位現象
從早期胚胎學的研究知道，不同生物的發育方式可以分為鑲嵌式(mosaic) 和調節式(regulative)兩類。前者在兩個細胞的階段，殺死一個即無法進一步發育，因為不同的細胞具有不同的功能；後者在殺死一個細胞後，所剩的一個細胞仍能發育成完整的個體，也就是兩個細胞中的任一個，都具有發育所需的所有資訊。這兩種發育的機制在巨觀上非常不同，但從細胞分化的角度來看，可能差異並不大。若我們將生命的起點推回到生殖細胞的分化，在鑲嵌式胚胎代表的是初步分化可能在生殖細胞形成時已完成，所以殺死任一細胞就損失部份的資訊；而調節式胚胎則代表初步分化在胚胎中才發生，所以任何一個細胞都具有分化的能力。
不論是在生殖細胞中或在胚胎細胞中進行分化，如何從相同的細胞產生不同的子細胞，都是一個未解決的問題。由理論上分析，複製過程不可能產生不同，否則就不能稱之為複製。換言之，複製或細胞分裂不過是使分化呈現的一種動力，而不是產生分化現象的原因。分化的原因可能是環境上的不對稱，也可能是細胞內的不均勻。前者可使相同的細胞，對不同的環境產生不同的反應；後者則在細胞分裂後，會產生不同的細胞。早在1926年 Lewis就提出細胞質不均勻分佈的想法，可是這模型一直到1985年才被證實。這樣一個簡單的概念為何花那麼多的時間才被證明呢?事實上「不均勻分佈」不是一件直觀可以瞭解的事。若將一滴墨水滴到水中，你將看見它擴散；可是你從未看見一杯墨水會逐漸清澈，而將墨水集中到杯中一角。這是因為熱力學第二定律指出物質有趨向最大亂度的趨勢。那麼為何又可以觀察到mRNA的不均勻分布呢?這是因為熱力學中的自由能是內能 (enthalpy) 和亂度 (entropy) 的綜合表現。例如在正常狀況下水往低處流，可是在有幫浦時，水是可以往高處流的。所以只要不斷提供能量，細胞中的物質就已可能產生不均勻分布。
Melton博士在非洲有爪水生蛙的卵母細胞中，發現有一種mRNA會集中在卵母細胞的植物極，所以將這種 mRNA稱之為Vg1 mRNA。由Vg1 mRNA轉譯出的Vg1蛋白質，也會集中在植物極。既然如此，為何不直接將蛋白質輸送到植物極，而要先將mRNA送到植物極，再轉譯出蛋白質呢?如果思考一下輸送的效率，就會瞭解，輸送一分子mRNA 可以轉譯出許多蛋白質分子，所以mRNA定位是一個比蛋白質定位有效率的過程。這個過程需要其它反應的配合，例如為了只讓Vg1蛋白質表現在植物極，就必須抑制它在其它區域的表現。事實上，在卵母細胞中有許多RNA是不表現為蛋白質的，其中有一些是rRNA，另一些只在受精後才開始轉譯，這些RNA都是為胚胎發育所儲備的，稱之為母系 (maternal) RNA。
在受精卵分裂後，只有在原植物極位置的子細胞，會得到此mRNA與Vg1蛋白質，其它的細胞則沒有得到。在形成原腸胚 (gastrula) 的過程中，這些含Vg1 mRNA的細胞會分泌Vg1蛋白質，此蛋白質是一種擴散範圍有限的荷爾蒙，會誘導其相鄰的細胞形成中胚層。換句話說，定位現象產生的分化，提供了細微的環境差異。胚胎發育時形態上的變化，似乎是為了將細胞放在適當的位置，讓它們能產生適合的交互作用，以便產生進一步的細胞分化。
分化現象與基因的開關
Gurdon曾經將非洲有爪水生蛙消化道細胞的細胞核，移殖到去細胞核的受精卵中，結果這個細胞可發育成一正常的個體。這個實驗顯示所有的細胞都具有相同的遺傳物質，可是為何具有相同DNA的不同的細胞，會表現不同的基因呢?目前的解釋方法是不同的細胞可能具有不同的染色質 (chromatin) 結構。這用5S RNA 的表現來討論是最具代表性的。
因為在胚胎發育初期的快速細胞分裂中需要各種蛋白質，必須有足夠的核糖體來進行轉譯，所以在母系RNA中，數量最多的並不是mRNA，而是rRNA。一般的rRNA基因是利用基因擴增的方式來增加rRNA的量，可是5S RNA 並不是利用此法，而是開啟卵母細胞特有的5S RNA基因。可是在個體中，大部份的細胞都是體細胞，而不是生殖細胞。因此在胚胎細胞的分化過程中，必須將這些卵母細胞特有的5S RNA基因關閉，並啟動體細胞特有的5S RNA 基因。在真核生物中轉錄的抑制，主要是靠形成染色質；要開啟一個基因則需要轉錄因素活化。可是生殖細胞與體細胞為何會具有不同的染色質呢?目前認為這和 5S基因的轉錄因子TFIIIA有關。有一種解釋的方法是TFIIIA和卵母細胞特有的5S基因形成的複合物在受精卵較易分解，所以在形成染色質後，轉錄即被關閉。
秩序的根源
接下來的問題是這個複合物為何比較容易被分解?這個問題可以一直追問上去，追蹤到最後可能會發現不可能由相同中產生不同。換句話說，可能在微觀上根本是不同的，只是實驗者觀察的不夠仔細，所以沒有發現。以mRNA定位為例，必須有蛋白質先產生不均勻分布，才可能將 mRNA固著在植物極。而蛋白質又如何不均勻地分布到植物極呢?這可能與上次細胞分裂的位置有關。這樣就要問細胞分裂的位置是隨機的嗎?如果不是，那麼細胞在微觀上可能永遠是不對稱的，所以可以一直產生不相同的子細胞。如果這是正確的，為何有些細胞又完全相同呢?另一種解釋是假設許多生命現象都是靠隨機的過程產生，這樣我們就要問秩序的根源 (origins of order) 到底是什麼?有一派的理論認為秩序的根源是各種具迴饋功能的生化交互作用的結果，所以這裏所謂的交互作用和發育生物學中所談的細胞間的交互作用不相同。例如在煮水的過程中，液體多數時候是亂流，可是可能有一時刻水分子同步發生移動而產生對流，呈現出一種秩序。換言之，複雜中是可以產生秩序的。只是我們看的不夠多，思考的也不夠多，所以還不能解釋分化現象的機制。
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