眼部特化

1.2.1 模式生物的眼部特化機制

在動物界 (animal kingdom) 中有各式各樣的眼睛，其中節肢動物的眼睛構造 稱為複眼 (compound eye)，各個複眼的構造、組成以及成像原理有些許差異，過 去也以此去做為討論複眼演化的共通性 (Nilsson, 1996; Fernald, 2000)，目前相信 現在所有節肢動物的複眼是源至於同一個起源 (Paulus, 1979; Melzer et al., 1999)，

複眼的分子遺傳研究是起源於模式生物 Drosophila melanogaster，D. melanogaster 是完全變態昆蟲，代表幼蟲需要經過蛹的階段才變成成蟲，成蟲的構造將會與幼 蟲不同，幼蟲的視覺構造稱為 Bolwig’s organ，由胚胎發育過程決定；成蟲的視 覺構造為複眼，由外胚層 (ectoderm) 形成成蟲盤 (imaginal discs)，至二齡幼蟲時，

成蟲盤細胞開始迅速分裂但不分化，直到三齡時，出現型態溝 (morphogenetic eyes absent (eya)、sine oculis (so)、dachshund (dac) 和 eyegone (eyg) 等基因連同 ey 和 toy 的表現去決定眼部細胞的命運，這些基因統稱為 Retinal determination genes (RD genes)，而這些基因彼此調控所構成的關係又稱為 Retinal determination genes net work (RDGN) (Silver and Rebay, 2005; Callaerts et al., 2006; Friedrich, 2006)，接 著介紹數個與本研究有關的 RD genes 在眼睛發育所扮演的角色。

D. melanogaster 最早發現與眼部特化有關的基因，其中之一是 ey 和 toy 基因，

ey 和 toy 基因是脊椎動物 Pax6 的同源基因 (homolog) (Quiring et al., 1994; Czerny et al., 1999)，Pax6 基因是屬於 Pax 家族成員之一，為具有與功能區塊 pair domain 和 homeodomain (均能與 DNA binding) 的轉錄因子 (Callaerts et al., 1997)，Pax6 在 動物界中已被證實與眼部發育有關 (Gehring and Ikeo, 1999)。已知 ey 和 toy

表現在視葉原基，用 Gal4-UAS 系統得知：異位表現 toy 的位置同樣可以偵測到 ey 的表現；異位表現 ey 的位置卻沒有 toy 的表現。結合這些資料可知 toy 是位於 ey 上游的基因，同時可以調控 ey 的表現 (藉由 Toy 結合至 ey 的 eye-specific enhancer)，但在 ey 突變下，異位表現 toy 並無法導致異位複眼的出現。在其它無 脊椎動物如 P. mammillata (海鞘)、Branchiostoma floridae (文昌魚)、Canorhabditis elegans 的 Pax6 基因 (C. elegans 為 vab-3) 都會表現在頭部外胚層，其中的一部分 將會特化成眼部 (Chisholm and Horvitz, 1995; Glardon et al., 1997,1998)。

除了倚賴 ey 和 toy 的表現來完成眼部的特化外，還需要其他基因如 eya、so 等協助決定眼部細胞的命運。Eya 蛋白序列上含有兩個區塊 (Eya domain-1 and -2) 以及 PEST region (proline/serine/threonine rich)，Eya domain 功能在於和 So 和 Dac 接合來影響 RDGN 下游基因的表現 (Chen et al., 1997; Pignoni et al., 1997; Bonini et so 在型態溝分化細胞的過程扮演重要的角色 (Bonini et al., 1993, 1998; Cheyette et al., 1994; Halder et al., 1998; Daniel et al., 1999; Zimmerman et al., 2000)，異位表現 eya 會導致異位複眼，但其出現頻率和程度均小於異位表現 ey 的結果 (Bonini et al., 1997; Pignoni et al., 1997)。在 eya 突變的眼部成蟲盤是無法偵測到 so 的表現，

可以偵測到 ey 的表現；so 突變的眼部成蟲盤卻是可以偵測到 eya 和 ey 的表現；

ey 突變的眼部成蟲盤無法偵測到 eya 和 so 的表現 (Halder et al., 1998)，由此可知，

eya 和 so 是位於 RDGN 中 ey 的下游基因。

D. melanogaster 中發現另一個眼部特化有關的基因 eyg，eyg 同樣含有功能區 塊 pair domain 和 homeodomain，因此被視為另一個 Pax 基因，然而其 pair domain 相較於 ey 和 toy 的 pair domain 是有部分消失的，即便如此在 eyg 的突變型中可發 現沒有複眼的表型，以及眼部成蟲盤上沒有光感受細胞的分化 (Hazelett et al., 1998)，這現象相信是與 wingless 基因有關，在 eyg 突變的眼部成蟲盤上可發現 wingless 會表現在成蟲盤後緣，而目前已知 wingless 會抑制型態溝的出現 (Ma and Moses 1995; Treisman and Rubin 1995)，當在成蟲盤後緣抑制 wingless 訊號表現時，

可觀察到成蟲盤上的光感受細胞開始分化，故 eyg 在眼部發育的功能可能是作為 一個調控 wingless 表現的基因 (Hazelett et al., 1998)。eyg 的異位表現無法在眼部 成蟲盤以外的組織上，促使異位複眼產生，但同時異位表現 eyg 和 ey 時，會明顯 的增加異位複眼的大小和頻率，推測 eyg 雖與眼部發育有關，但採取的調控機制 似乎與 ey 等基因不同 (Jang et al., 2003)，目前還需更多的證據去證明與其他 RD genes 的關係是如何。

1.2.2 以豌豆蚜蟲 toy、eya 和 eyg 基因來研究其眼部特化

過去眼部發育的研究主要是集中在 D. melanogaster 中，而其複眼發育是來自 於眼部成蟲盤，但這構造並不存在於不完全變態昆蟲中，不完全變態昆蟲的複眼 是由胚胎發育過程中特化的，目前對於不完全變態昆蟲的眼部發育研究甚少，無 從得知其發育的機制是否與完全變態昆蟲相似抑或是不同？選擇 A. pisum 進行眼 部發育的研究，除了進一步了解不完全變態昆蟲的眼部發育機制外，A. pisum 具 有非遺傳多型性 (polyphenism) 的特性，在環境因子的刺激下，A. pisum 會出現有 翅型，相較於無翅型，其小眼數量較多且有單眼結構 (Kalmus, 1945; Kring 1977;

Kawada, 1987; Braendle et al., 2006)，眼部發育研究在日後或許能幫助了解環境因 子是否會在胚胎發育過程中，影響眼部特化基因進一步影響複眼大小和有無單眼，

此外也希望能藉由這些 RD genes 正確標出在胚胎發育過程中，A. pisum 眼部結構 的位置和可能出現的時期，因為 A. pisum 的發育時期雖被分析和描述 (Miura et al., 2003)，但對於細節的發育仍是處在不明的狀態，所以將採取以選殖這些高度保守 的 RD genes，並在胚胎發育中觀察其表現，以便於回答蚜蟲是如何進行眼部特化，

以其機制是否與其他昆蟲類似，並以其器官生成來進一步探討以前未發現的細部 發育。