ボストンのブリガム アンド ウイメンズ病院の大きな泡立つ実験室では、アホロートルと呼ばれる約 2,800 匹のサンショウウオがタンクやカップの中を漂い、床から天井までの棚を埋め尽くしています。間近で見ると、アホロートルはエイリアンのキュートな一面にすぎません。彼らは肉付きの良いピンク色の体と、無邪気で壁のような顔をしています。成長するにつれて陸生生物に変身するほとんどのサンショウウオとは異なり、アホロートルは通常、生涯にわたって若い水生形態を保ちます。彼らは鰓を外側につけており、頭の両側に 3 つの羽のような角があります。黒い爪のついた彼らの 4 本指の手は繊細で、どこか人間的です。
表示されている動物の 1 つは、11 日前に切断された手足がありません。切り株の中央には赤みを帯びた雄牛の目があります。新しい腕の芽です。
サラマンダーは失われた体の部分を再生するチャンピオンです。プラナリアと呼ばれる扁形動物は、組織の斑点から全身を成長させることができますが、非常に小さく単純な生き物です。ゼブラフィッシュは生涯を通じて尾を再生することができます。人間は、他の哺乳類と同様に、失われた肢芽を胚として再生することができます。幼い子供として、私たちは指先を再成長させることができます。マウスは大人になってもこれを行うことができます。しかし、サンショウウオは、年齢を問わず失われる複雑な体の部分を置き換えることができる唯一の脊椎動物として際立っています。そのため、再生に関する答えを求める研究者はサンショウウオに頻繁に目を向けてきました.
しかし、マウスやハエなどの動物を研究している研究者はゲノムの時代に進みましたが、アホロートルに取り組んでいた研究者は取り残されました。障害の 1 つは、ウーパールーパーがほとんどの実験動物よりも長生きし、成熟が遅いことでした。さらに悪いことに、アホロートルの膨大で反復的なゲノムは、配列決定に頑固に抵抗しました。
その後、ヨーロッパの研究チームがハードルを克服し、今年初めに実験用アホロートルの完全な遺伝子配列をついに発表しました。その成果がすべてを変える可能性があります。
ハーバード大学医学部とブリガム・アンド・ウィメンズ病院でこの研究室を監督する助教授兼研究者であるジェシカ・ホワイトドは、「ゲノムは、アホロートルで働いているすべての人の頭に残っていた大きな問題でした。彼女と他の研究者はアホロートルのゲノム全体を手に入れたので、再生の秘密を解き明かし、おそらく人間がこの力を自分自身のために利用する方法を学びたいと考えています.しかし、彼らはまだ答えよりも多くの疑問を抱えており、これらの疑問のいくつかは、250 年以上前にこれらの動物の奇妙な才能の最初の文書化された観察以来続いています.
イタリアの司祭とメキシコのサンショウウオ
イタリアの司祭の図の単純さは、彼が見たものの奇跡を信じませんでした。 Lazzaro Spallanzani の最初のスケッチは、横から見た小さなテーブルのように、正方形の 3 つの側面に似ていました。それはサンショウウオの切断された尾の切り株でした。次はそのテーブルの上に座っている三角形を示しました。尻尾はどういうわけか再生していました.
Spallanzani は、サンショウウオ、オタマジャクシ、カタツムリ、ミミズで実験を行っており、それらが失われた体の部分を再生できることを発見しました。彼は 1766 年に博物学者のシャルル ボネットに宛てた手紙の中で、その発見と自分の絵を共有しました。その 1768 年のコレクションのタイトル、Prodromo (「初期の兆候」を意味する) は、この主題に関するより長い研究が彼から続くことをほのめかしました — しかし、それは決してありませんでした.
しかし、他の科学者がそれらの調査を行い、研究者が選んだサンショウウオがアホロートルになりました。その学名は Ambystoma mexicanum です;その通称は「ボトルを詰める」と韻を踏んでいます。アホロートルは、飼育下で非常によく繁殖し、生き残ることができるため、研究に適しています。マサチューセッツ大学ボストン校のキャサリン・マカスカーの再生研究室のポスドクであるウォーレン・ビエイラは、人が部屋に入ると、アホロートルが平らなウナギのような尾を振ることがあると私に語った。動物の世話をしている研究者は、ウーパールーパーは好奇心旺盛で、食べ物を運んでくる人間の存在に注意を払っていることに同意しますが、一般的にウーパールーパーはあまり明るくありません.
結局のところ、彼らは非常に近交系です。世界の実験用アホロートルのほとんどは、1860 年代にメキシコからパリに渡ってきた 34 頭の動物の子孫です。 (ほとんどの野生のアホロートルは淡いピンクではなくまだらの泥の色ですが、実験動物はアルビノではありません。真のアルビノのアホロートルは黄色がかった色で、目は黒ではなく金色です)。生態系を変化させ、都市化によって劇的に枯渇させた導入種によって汚染され、侵略されました。アホロートルも地元の人々の伝統的な食べ物です。皮肉なことに、非常に多くの恐ろしい怪我を乗り越えることができる動物に対して、アホロートルはこれらの複合的な攻撃に耐えることができず、野生ではほぼ絶滅しています.しかし、研究室の人口は増加しています.
1935 年に、これらのヨーロッパのアホロートルの一部が北米に戻ってきて、最終的には生物学者のジョージ マラシンスキーの指導の下、インディアナ大学のコレクションになりました。彼が 2005 年に引退したとき、ケンタッキー大学は彼の 500 匹ほどの動物のコロニーを継承しました。マラシンスキーは「それらをすべて積み込み、一晩で追い払った」と、現在大学のアンビストーマ遺伝ストックセンターを指揮しているランダル・ヴォスは述べた.ドライブは約 3 時間しか続きませんでしたが、ストレスによって一部のサンショウウオが変態しました。 「おそらく 10% ほどの人が、インディアナポリスからの乗り物を理由に、もう水遊びをしたくないと決めたでしょう」と Voss 氏は言いました。
現在、ストックセンターは一度に 800 人から 1,000 人の大人を飼うことを目指しています。 1932 年までさかのぼる血統記録は、センターが同系交配グループの残りの遺伝的多様性を維持するのに役立ちます。アホロートルの胚、幼虫、成体を世界中の研究室や教室に出荷しています。 (孵化したての子は 60 セント、繁殖期のメスは 36 ドル。ただし、ペットとして購入することはできないため、質問しないでください。)
しかし、これらの研究室はアホロートルから多くのことを学んできましたが、そのゲノムを完全に解読できたものはありませんでした。アホロートルゲノムの主な問題は、それが巨大であることです。それは 320 億の塩基対を持ち、ヒトゲノムの約 10 倍の長さになります。それにもかかわらず、アホロートルとヒトは同程度の数の遺伝子を持っているように見えると、ウィーンの分子病理学研究所の生物学者、Elly Tanaka は述べた。これらの遺伝子は、非常に反復的な配列の海に浮かぶ島のようなものです。
この過剰な反復 DNA が問題でした。生物のゲノムの配列を読み取るために、科学者は DNA をチャンクに分割し、それらのピースをジグソー パズルのように再組み立てする必要があります。田中氏は数年前まで、「これらのチャンクは、これらの反復シーケンスのサイズを埋めるには小さすぎた」と述べていました。このテクノロジーは、情報の孤島から次の孤島に到達することはできませんでした。
手足の再生方法のマッピング
しかし、ウーパールーパーのゲノムがマッピングされる前でさえ、科学者は他のツールを使用して再生を理解し始めていました.
ボストンのノースイースタン大学にあるジェームズ モナハンの研究室で、ポスドクのヨハンナ ファルカスがサングラスのようなものを私に手渡した。私たちは何十ものアホロートル タンクが並ぶ棚に面していました。ラボには約 400 ～ 500 頭の動物がいます。 （「この部屋には、現在野生にいるよりも多くいるかもしれません」とファルカスは言いました。） 人々が部屋に入ると、サンショウウオの鼻がタンクの前に引っ張られ、私たちを前後に追いかけました。 Farkas は、皮膚が黄色がかっている大きな大人のウーパールーパーを見るように私に言いました。私がサングラスをかけた後、彼女は鮮やかな緑色に光る動物に青い懐中電灯を向けました.
この動物は、通常クラゲに見られる緑色の蛍光タンパク質を作るように科学者が遺伝子操作したアホロートルの系列に由来します。緑色の光以外のすべての波長をフィルターで除去したメガネは、その蛍光を見せてくれました。他のアホロートルは、赤色蛍光タンパク質を作るように設計されています。研究者は、赤と緑の蛍光品種間、または光る動物と光らない動物の間で組織の移植片を交換して、再生中の細胞の動きを追跡できます。
このような実験により、たとえば、新しい付属肢を構成する細胞がどこから来たのかを知ることができます。切断後、サンショウウオは出血がほとんどなく、数時間以内に傷をふさぎます。その後、細胞は創傷部位に移動し、再生芽と呼ばれる塊を形成します。これらの新兵のほとんどは、自分の内部時計を胚に見られるような未分化または「脱分化」状態に戻した近くの細胞のようです.しかし、この動物が幹細胞の予備を必要とするかどうか、またどの程度必要かは不明です。その起源が何であれ、再生芽細胞は新しい骨、筋肉、その他の組織に再分化します。完璧な新しい手足がミニチュアで形成され、所有者にぴったりのサイズに拡大します。
切り取られて体の他の場所に移植された再生芽は、本来あるべき肢になる可能性があります.しかし、初期の重要な時期に神経が再生芽に到達しない限り、新しい肢は成長しません。肢の神経が切断された場合、切断は単に治癒します.
研究者は、マクロファージと呼ばれる免疫細胞がサンショウウオの再生にも重要であることを発見しました。それらは、プロセスを損なう炎症を制御するのに役立ちます.一方、線維芽細胞と呼ばれる結合組織細胞は、四肢の再生に不可欠な位置情報を保持しています。この位置記憶は、細胞が体のどこにあるかを知る方法です。それは左手首の一部ですか?右肩？腕の上か下か?
モナハン氏によると、位置情報は、動物のエピゲノム (遺伝子の活動を指示できる細胞の DNA に取り付けられた化学タグのセット) に配置された「一種の分子郵便番号」です。さまざまな細胞のさまざまなエピジェネティック タグは、細胞がどこにあるかについての情報を細胞に提供します。
ビタミンAに関連する分子であるレチノイン酸も、位置シグナル伝達に関与しています。十分な量のレチノイン酸は、細胞の郵便番号を書き換えることができます.モナハンの研究室で私を見つめている 1 つのアホロートルには、1 本の正常な腕と 1 本の非常に長い腕があり、彼は「スパゲッティ アーム」と呼んでいます。研究者は、動物の手を切断し、手首の切り株が肩の切り株であると考えるのに十分な量のレチノイン酸を追加することで、それを作成しました.その結果、まったく新しい腕が手首から再生されました。
実験用ウーパールーパーが再成長できる体の部分は、腕、脚、尾だけではありません。彼らはまた、脊髄への重傷から回復します。 「彼らは前脳の 2 ミリ四方の正方形を再生できます」とモナハンは言いました。科学者たちは、アホロートル器官の再生力をまだ詳しく調べていません。しかし、Monaghan のグループはこれまでにアホロートルの心臓、肺、卵巣を研究しており、3 つすべてが損傷後に元に戻ることを発見しました。
科学者たちは、アホロートルが同じメカニズムを使用して内臓を手足と再生するかどうかを知りません.彼らはまた、アホロートルが何回も続けて腕を元に戻すことができるのに、無期限ではない理由も知りません.5回切断された後、ほとんどのアホロートルの手足は元に戻りません.もう 1 つの謎は、手足が適切なサイズに達すると成長が止まることをどのように知っているかです。
しかし、これらは長い間ミステリーではないかもしれません.
ゲノムがどのように役立つか
「実は私じゃなかった！」田中エリーは笑いながら言った。 「このような大きなゲノムを組み立てるためのアルゴリズムをまとめることができたのは、私の他の共同研究者でした。」田中、計算科学者などを含むグループが、この 2 月 Nature で報告しました。 彼らが実験室のアホロートルの全ゲノムを配列決定したこと。改良された技術により、ゲノムを十分な大きさのチャンクで読み取ることができるようになり、アホロートルの遺伝子間の長くて見当識障害のある部分を橋渡しすることができるようになりました。ブルート コンピューティング パワーと新しいアルゴリズムを使用してパズルを完成させた結果、研究者はついにゲノム全体を読み取ることができました。
原則として、アホロートルの全ゲノム配列が利用可能になったことで、研究者は動物の再生がどのように機能するかについての主要な疑問に答えることができるようになりました。たとえば、アホロートルは独自の遺伝子を使用して手足を再生しますか?それとも、他の動物 (人間を含む) が共有する遺伝子を使用しますが、それらを異なる方法で制御しますか?それらの答えはまだこれからです。田中は自然のゴールを言った 出版は単に科学者のために配列を公開することでした。 「再生を理解するためのゲノムの真のマイニングは現在進行中であり、数年かかるでしょう」と田中氏は述べた.
しかし、彼女と彼女の共著者は、いくつかの興味深い予備的観察を行いました. 「再生中の四肢組織では、明確な人間の対応物を持たない比較的多数の遺伝子が見られるようです」と彼女は言いました.他の哺乳類、魚類、鳥類にも存在しないこれらの遺伝子を調査することは、再生を理解するための「実りある手段」になる可能性が高い、と田中と彼女の共著者は書いています。
ただし、アホロートルのゲノムは完全に配列決定されていますが、その配列情報は、背骨を失った本のページのように、非常に多くの断片にまだ残っていることに注意することが重要です。ケンタッキー大学の Voss のグループは、2017 年に独自のアホロートル ゲノム配列をまとめましたが、その配列は田中の約 100 倍の断片でした。 Voss 氏によると、彼のグループは現在、アホロートル ゲノムのページを正しい順序で取得することに取り組んでいます。遺伝子を染色体上にマッピングすることで、組み立てられたゲノムを他の科学者が扱いやすくなるだろう、と彼は述べた.
まだ公開されていないが bioRxiv.org に投稿された論文で、Voss のグループはアホロートルのゲノムの一部がオスかメスかを決定することも特定しました。研究者たちは、個々のアホロートルの性別が遺伝子によって決定されることを知っていましたが、ボスと彼の共著者が男性と女性の性染色体の「わずかな」違いと呼ぶものを発見していませんでした。科学者がアホロートルの遺伝学を理解するのを助けることに加えて、この発見は、ストックセンターが孵化したばかりの子ガメのバッチを出荷するときなど、研究室の集団を管理するのに役立ちます.これまで、アホロートルの赤ちゃんの性別を知る唯一の方法は、7 ～ 9 か月待って、どの部分が成長したかを確認することでした。 (アホロートルは約 1 歳になるまで繁殖できません。通常、実験室では 5 ～ 10 年生きますが、15 年生き残ることが知られています。)
アホロートルの完全なゲノムが公開される前は、動物の分子生物学への洞察を求めていた研究者は、アホロートル遺伝子のタンパク質と RNA 産物を調べることしかできませんでした。彼らはソース資料を読むことができませんでした。しかし、遺伝子の産物は、それがどのようにオンまたはオフになっているのか、または細胞がその発現に影響を与えるために DNA にどのようなエピジェネティックなマークを付けたのかを教えてくれません。たとえば、モナハンは、遺伝子のパッケージングと調節のどのような変化が手の細胞を肩の細胞に変えるのか、つまり、通常のアホロートルをスパゲッティ アームを持つ細胞に変えるのかを知りたがっています。 「以前はこの問題に取り組むことさえできませんでした」と彼は言いました。
配列がなければ、遺伝子工学を使用してアホロートルを研究することも困難でした。たとえば、特定の遺伝子を取り除き、サンショウウオの再生方法に変化が見られなかった場合、その遺伝子は重要ではないと結論付けるかもしれませんが、実際にはサンショウウオがあなたが持っていないバックアップ遺伝子を持っているほど重要かもしれません.同じタスクを実行するものはまだ見つかりません。モナハン氏によると、彼のグループは、数年前に利用可能になった革新的なゲノム編集技術である CRISPR を使用して遺伝子操作されたサンショウウオを作成するための参照として、新しいゲノム配列を既に使用しています。シークエンスがなければ、「理解するのは大変でした」と彼は言いました。
その遺伝情報は、時間の経過とともにますます良くなると、UMass Boston の McCusker 氏は述べています。シークエンスについて学ぶべきことは常に多く、埋めなければならない穴もまだまだある、と彼女は語った。 「完全なゲノムはありません。ヒトゲノムでさえ」と彼女は言った。
彼女がすでに新しいゲノム配列情報を自分の研究に使用しているかどうかについて、McCusker 氏は、「ああ、そうです」と言いました。
がんと再生
彼らが研究の新しい時代に移行するにつれて、世界中のサンショウウオ研究所の責任者がこの夏、ウィーンで初めての会議に集まります。彼らは、ゲノム配列やその他のリソースの使用方法について話し合い、アホロートル研究の分野に新しい人々を連れてくるための戦略を立てます。
「利用可能な2つの異なるアセンブリと、他のすべてのラボによって開発されているすべての分子ツールで、私はその時が来たと思います」とモナハンは言いました. 「このゲノムはまさに出発点に過ぎません。」
すでに、彼と他の研究者は、人間の医学における彼らの研究の潜在的なアプリケーションを見つけています. Monaghan は、老化した人間の目の幹細胞治療の結果を改善するために、アホロートル網膜を研究しています。彼はまた、アホロートルがどのようにして肺を急速に再成長させるかを解明することは、自然にいくらかの再生力を持っている人間の肺を癒す方法を学ぶのに役立つと考えています. Whited は、サンショウウオの肢の再生に重要な同じタンパク質が、マウスの切断後の良好な治癒反応の指標にもなり得るかどうかを研究しています。最終的に、これは外傷性四肢損傷から回復する人間の患者を医師が予測するのに役立つ可能性があります。
McCusker は、サンショウウオの再生肢の組織環境が細胞の挙動をどのように制御するかを研究しました。いつの日か、がん細胞の周囲の環境を制御し、正常に機能させることができるかもしれません。 「再生組織は、実際には癌細胞と多くの類似点を共有しています」と彼女は言いました.
がんと再生との関係は興味深いものです。ほとんどの動物は、細胞増殖を慎重に制御する必要があります。制御不能な増殖は癌に等しいからです。手足全体をゼロから頻繁に成長させる動物は、がんのリスクが高いと予想されるかもしれません。 「サンショウウオの興味深い点は、再生してもほとんど癌にならないことです」と Whited 氏は述べています。 「一方で、明らかに、人々は常に癌にかかります。」
1952 年、Charles Breedis という科学者が 500 匹以上のイモリの腕にコール タールやその他の既知の発がん物質を注射しました。 2匹の動物だけが腫瘍を成長させました。はるかに多くの場合、イモリは余分な腕を発芽させることで対応しました.科学者が発がん物質がそのような再生成長を引き起こす仕組みを解明できれば、この分野の研究にとって「ある種の聖杯」になるだろう.
再生の未来
UMass ボストンで、Vieira はプラスチック製のコップがいっぱい入ったトレイを見せてくれました。 「実際に繁殖イベントを行ったところです」と彼は言いました。 (アホロートルの繁殖を促進するために、モナハンとファルカスによって書かれたアホロートル ケアのガイドでは、次のように提案されています。壊れたテラコッタ ポットまたは大きな平らな岩。」)
ふわふわのえらで顔を縁取られたバラ色の小さな赤ちゃんが愛らしいです。彼らはまた共食いです。 Vieira は、お互いにかじったために腕や脚が欠けている人を指摘しています。
空腹の兄弟のプールで生活を始めるサンショウウオにとって、再生は単なるクールなトリックではなく、必要である可能性があります.それが彼らが能力を進化させた理由、または他の動物が能力を失ったときに能力を維持した理由かもしれません.
ホワイトド氏は、再生がどのように正確に進化したかについては、まだ陪審員が出ていないと述べた。化石と遺伝子からの証拠に基づいて、この分野のほとんどの人は、今日の動物が大部分を失った古い形質であると信じています.しかし、Whited は、再生能力の他の起源の可能性を開いています。彼女が興味を持っている理論の 1 つは、体の主軸に沿った尾の再生を含む「軸」再生は古代の祖先の能力である可能性があるのに対し、手足の「付属器」再生は別々に、そして最近になって進化した可能性があるというものです。
もし再生が太古の特徴であるなら、人間のような哺乳類は、遺伝子の引き出しの中でまだいくつかのツールを動かしている可能性があります.瘢痕化など、私たちが進化させてきた他の治癒プロセスが邪魔をし、再生の発生を妨げている可能性があります. Whited は、人間の切断者は神経腫と呼ばれる痛みを伴う状態を発症することがあることを指摘した.おそらく、この再成長は、完了に至らなかった再生の残骸です。
彼女の研究に基づいて、Whited は、人間は私たちが信じているよりも多くの再生ツールを持っていると考えています。体に適切な環境を作り出すことができれば、それらのツールを活用できるかもしれません.いつの日か、手足を再生できるかもしれません。
他の研究者は、それが可能かもしれないことに同意します。田中氏は否定しない。 「それが本当にどれほど複雑になるかを知るのは少し難しいです」と彼女は言いました.しかし、手足がどのように成長するかについて私たちがすでに学んだことと、アホロートルが私たちに教えてくれることで、彼女は私たちが同じ能力を自分たちのために設計する未来を想像することができます.
「努力する価値があると思います」と彼女は言いました。
この記事は ScientificAmerican.com に転載されたものです。
