近年研究主題

本實驗室的研究旨在探索非主流模式動物的發育機制,透過比較研究,以發現動物體制與形態歧異度演化的發生學基礎,另一方面也與主流模式動物互補,進一步理解發育分子細胞機制的本質及演化可塑性。

本實驗室目前以Helobdella澤蛭為主要研究對象,我們的長程研究方向為:
  • 細胞系譜 (cell lineage) 發育過程中,細胞訊息溝通及基因調控網路的功能性角色。
  • 螺旋卵裂 (spiral cleavage) 之細胞學及發生學研究。
  • 改良及開發用於非主流模式動物發生學研究之技術方法。
  • 澤蛭屬種間發育生物學比較研究。

研究室簡介

澤蛭在分類上屬於環節動物門 (Phylum Annelida) 環帶綱 (Class Clitellata) 蛭亞綱 (Subclass Hirudinea) 有吻蛭目 (Order Rhynchobdellida) 舌蛭科 (Family Glossiphoniidae) 底下的一個屬,目前發現近五十種,但可能有更多尚未被描述的種。不同於一般印象中的吸血水蛭,澤蛭以水生昆蟲幼生、其他貧毛類環節動物及小型淡水螺為主食,並不會攻擊人類及其他哺乳類動物。澤蛭成體長約 1-2 公分,為可自體授精之雌雄同體。相較其它環節動物,舌蛭科胚胎的培養方法簡單,因此早在 1870 年就有其胚胎學的研究,是現代實驗胚胎學的先驅。但由於二十世紀開始以遺傳學模式物種為主的研究興起後,相關研究進入長達半個世紀的停滯。

當代的澤蛭胚胎學研究則在 1970 年代的柏克萊加大校區分子生物系 Gunther Stent 的實驗室重新開始,以顯微注射標定細胞的方法進行細胞系譜研究,隨後又有相繼的實驗胚胎學及胚胎發育基因表現研究。最新的進展是於 2007 年完成的 Helobdella robusta 基因體定序 ,這讓我們可以在現有的基礎上,更進一步研究其胚胎發育的分子機制。經過三十多年的發展,澤蛭可以說是目前環節動物中最佳的發生學研究物種。本實驗室使用的技術有實驗胚胎學技術 ( 如顯微注射及顯微手術 ) 、各式分子生物學技術、分子組織學技術、活體顯微造影、影像處理分析、基因體分析及演化樹分析等。

就長遠來說,澤蛭發生學的研究主要有以下幾個顯著意義:

一、澤蛭是輪冠動物總門 (Lophotrochozoa) 的一員。輪冠動物包含許多常見且在生態及演化上有重要地位的無脊椎動物,例如各式軟體動物 、環節動物、扁蟲等 ,但相較於其他門類,輪冠動物發生學的研究少得可憐,且大多屬於描述性研究,針對發育機制進行實驗性分析的研究相當稀少。由於生活史的特化,蛭類與寡毛類失去輪冠動物特有幼生期,因此澤蛭胚胎發育和一般輪冠動物很難直接在外表形態的基礎上比較。但近年來的研究卻顯示,澤蛭可以在基因表現及細胞系譜這兩方面,和多毛類環節動物可做直接比較,因此澤蛭胚胎發育的實驗分析或可成為未來輪冠動物發生學研究的開路先鋒。另一方面,許多輪冠動物在卵裂期的細胞系譜在演化上極為保守,即使不同門間都有相同早期細胞系譜。這項特徵讓輪冠動物成為一個可研究動物體制演化的獨特系統。澤蛭胚胎發育的研究,可藉由與其他輪冠動物的比較,對這方面的問題提出一些洞見。

二、澤蛭胚胎發育的細胞系譜是固定的。這點和線蟲 C. elegans 相似,但相較於線蟲,澤蛭更為複雜。蛭類及寡毛類環節動物可能是擁有固定細胞系譜的生物中細胞數量最多、體制最複雜的。因此,澤蛭是自然界中應用固定細胞系譜為胚胎發育機制的極限。相較之下,在更複雜的動物中(如脊椎動物),胚胎細胞系譜是不固定而有彈性的,其使用的基本細胞命運決定機制和以固定細胞系譜為主的小型無脊椎動物胚胎有所區隔。但我們已經逐漸在澤蛭胚胎中發現一些介於兩種典型中間的發育機制,因此我們認為研究像澤蛭這樣一個複雜度高 , 但又同時有固定細胞系譜的胚胎發育,可以讓我們對這兩種典型的胚胎發生機制有基本的重新認識。再者,由於所有動物有個單一起源的共同祖先,這兩種胚胎發育典型也勢必有相同起源。雖然遠古祖先早已滅絕,但透過再次演化出來中間型的研究,可以讓我們對演化中,發育機制演變的趨勢與可能性有進一步了解。

三、醫用水蛭 ( 屬於無吻蛭目 Arhynchobdellida) 長期以來是系統神經生物學的一個模式系統,用於研究支配規律行為的簡單神經網路,對神經網路基本原理的認識有很大的貢獻,但我們對這個神經系統的生成不甚了解。醫蛭的早期胚胎相當小,難以培養及操作,但晚期胚胎成長後,可供單細胞層級的操作,過去醫蛭神經系統發育的研究因此集中在晚期發育。澤蛭與醫蛭的中樞神經系統相當類似,故澤蛭神經系統早期發育的研究可以和醫蛭神經系統晚期發育的相關研究銜接參照比較。這也是當初 1970 年代開始研究澤蛭胚胎學的主要誘因,但由於許多技術上的問題,兩者還無法有效接上。直到現在,我們開發出新一代的細胞系譜追蹤技術,才有實現這個目標的可能性。

此外,澤蛭亦可用於族群及種間層級的演化研究。由於其生殖策略 ( 可自體授精的雌雄同體 ) 及生態特性 ( 常見於不穩定棲地 ) ,澤蛭生殖隔離演化快速,有極頻繁的新種發生。在發育的變異方面,目前已在 (1) 胚胎細胞週期、 (2) 細胞系譜、 (3) 形態生成機制等三方面發現種間差異。將來可就發育機制及基因組演化的關係進一步研究,或可對發育機制的演化做出更細緻的描述。

歡迎有意加入本實驗室的研究生及博士後找老師詳談,加入實驗室的研究生及博士後應對發生學、演化及個體生物學有相當程度興趣。同時歡迎大學部學生來實驗室走走,和老師聊聊,看看實驗室在做什麼,試一試你的研究手感。如果感覺不錯的話,不妨做個小研究計劃,親自體驗研究到底是怎麼一回事。
除澤蛭胚胎發育之外,本實驗室也歡迎有自己想研究題目的有志之士加入我們的行列。本實驗室的配置以實驗胚胎學為主,無論是其他非主流模式動物的發育及比較形態解剖研究,或是以環節動物為材料但涉及其他領域的研究,只要在設備或材料上能支援,可透過與其他實驗室合作的方式進行研究。


代表著作

Publications

(* corresponding author)
  1. Oleg Simakov, Ferdinand Marletaz, Sung-Jin Cho, Eric Edsinger-Gonzales, Paul Havlak, Uffe Hellsten, Dian-Han Kuo, Tomas Larsson, Jie Lv, Detlev Arendt, Robert Savage, Kazutoyo Osoegawa, Pieter de Jong, Jane Grimwood, Jarrod A. Chapman, Harris Shapiro, Andrea Aerts, Robert P. Otillar, Astrid Y. Terry, Jeffrey L. Boore, Igor V. Grigoriev, David R. Lindberg, Elaine C. Seaver, David A. Weisblat, Nicholas H. Putnam, and Daniel S. Rokhsar (2013). Insights into bilaterian evolution from three spiralian genomes. Nature 493, 526-531
  2. Dian-Han Kuo*, Marty Shankland and David A. Weisblat (2012). Regional differences in BMP-dependence of dorsoventral patterning in the leech Helobdella . Developmental Biology 368, 86-94.
  3. Dian-Han Kuo* and David A. Weisblat (2011). Intermediate filament genes as differentiation markers in the leech Helobdella . Development, Genes and Evolution 221, 225-240.
  4. Dian-Han Kuo* and David A. Weisblat (2011). A new molecular logic for BMP-mediated dorsoventral patterning in the leech Helobdella . Current Biology 21, 1282-1288.
  5. Stephanie E. Gline*, Dian-Han Kuo, Alberto Stolfi and David A. Weisblat (2009). High resolution cell lineage tracing reveals developmental variability in leech. Developmental Dynamics 238, 3139-3151.
  6. Shaobing O. Zhang, Dian-Han Kuo and David A. Weisblat* (2009). Grandparental stem cells in leech segmentation: differences in CDC42 expression are correlated with an alternating pattern of blast cell fates. Developmental Biology 336, 112-121.
  7. Dian-Han Kuo* (2009). Annelids in evolutionary developmental biology. In Annelids in Modern Biology , (ed. D. H. Shain), pp. 65-87. Hoboken, NJ: Wiley-Blackwell.
  8. David A. Weisblat* and Dian-Han Kuo (2009). Helobdella (Leech): a model for developmental studies. In Emerging Model Organisms: a Laboratory Manual , pp. 245-267. Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press.
  9. Dian-Han Kuo* and Marty Shankland (2004). Evolutionary diversification of specification mechanisms within the O/P equivalence group of the leech genus Helobdella . Development 131 , 5859-5869.
  10. Dian-Han Kuo* and Marty Shankland (2004). A distinct patterning mechanism of the O and P cell fates in the development of the rostral segments of the leech Helobdella robusta : implication for the evolutionary dissociation of developmental pathway and morphological outcome. Development 131 , 105-115.

開設課程

  • B01 40010書報討論(一)
  • B01 49100專題研究
  • B41 D0100博士班專題討論