1952 年、発生生物学者が Hox という用語を使用するずっと前に 遺伝子と転写因子、または DNA の構造を理解することさえ、アラン・チューリングは考えました。エニグマ暗号を解読して第二次世界大戦の終結を早めた有名な数学者は、自然界に目を向け、パターン形成のエレガントな数学的モデルを考案しました。彼の理論は、2 つの単純な仮説上の化学物質、つまり「モルフォゲン」の相互作用から無限の種類の縞模様、斑点、鱗がどのように出現するかを概説しています。
生物学者が、この数学的理論が無数の生物学的パターンを実際に説明できると真剣に考えるまでには、何十年もかかりました。哺乳類の毛髪、鳥の羽毛、さらには口蓋の尾根の発達はすべて、チューリングのようなメカニズムに由来します。
現在、サメの皮膚を覆う歯のような突起である小歯をリストに追加できます。フロリダ大学の研究者は最近、サメの歯が、羽の模様の形成に関与するのと同じ遺伝子によって指示されるチューリングのようなメカニズムによって敷設されていることを発見しました。この研究を主導した研究者であるガレス・フレイザーによると、この研究は、多様な骨格種の発生中の胚が、同じように組織の外層に特徴のパターンを設定することを示唆しています。それ以来、ほとんど変わっていません。」
「この研究の素晴らしいところは、サメの歯状突起から鳥の羽毛まで、あらゆるものを形成するこのメカニズムが非常に強力に保存されている可能性があることを示していることです」とハーバード大学の発生生物学者であるアレクサンダー・シアー (Alexander Schier) 氏は述べた。この研究は、「自然は何かを一度発明すると、そのテーマのバリエーションを演じる傾向がある」という発生生物学の成長テーマを強化するものであると Schier 氏は述べた。
反応拡散メカニズムと呼ばれるチューリングのモデルは、美しくシンプルです。水に落としたインクのように組織を介して拡散する、活性化剤と阻害剤の 2 つの相互作用剤のみが必要です。アクチベーターは、スポットの形成などのプロセスを開始し、それ自体の生成を促進します。インヒビターは両方のアクションを停止します。重要なことに、阻害剤は活性化剤よりも速く組織を介して広がります。この阻害剤のより速い拡散は、活性化のポケットがこぼれるのを防ぎます。アクティベーターとインヒビターがいつどこで放出されるかに応じて、活性化のポケットは規則的な間隔のドット、ストライプ、またはその他のパターンとして配置されます。
オーストラリアのカーティン大学の発生生物学者である Catherine Boisvert は、この活性化抑制システムが強力な発生モチーフであると説明しています。羽や歯のような完全に形成された構造を構築しようとしている場合、「過密になることはありません」と彼女は言いました. 「間にスペースがなければ、明確なエンティティを取得することはできません。」
Schier によると、チューリングのモデルは発生生物学者を興奮させます。「その単純さにもかかわらず、多くの多様なパターンを説明できるからです」。しかし実際には、チューリングのようなメカニズムに決定的に固定された自然界のパターン化の例はほとんどありません.
そのような 2 つの例は、マウスの毛包とヒヨコの羽毛の位置を設定するパターンにあります。発育中のひよこでは、原始羽が順次出現し、ひよこの背中に沿って 1 本の直線を形成します。その最初の列は、胚が覆われるまで胚の側面にカスケードする平行列の生成を刺激します。重要なことに、研究者は活性化因子と阻害因子の役割を果たす分子を知っており、そのプロセスがチューリングに似ていることを確認しています。
Fraser 研究室の大学院生である Rory Cooper は、サメの歯が同様に発達しているように見えると考えました。しかし、サメとそのいとこであるガンギエイとエイは、4 億 5000 万年前に残りの脊椎動物から分裂しました。
「彼らは生命の木の非常に興味深い場所に座っています」とクーパー氏は説明し、サメは初期の脊椎動物の発達の様子を示していると説明しました。哺乳類が毛髪を生やし、鳥類が羽毛を生やす何億年も前に、サメには鎧のように皮膚を覆う歯状の「うろこ」がありました。歯状突起のパターン、形態、および機能は多様です。厚く重なり合った歯状突起は、一部のサメを保護します。一部のサメの種では、歯はコミュニケーションを助ける生物発光バクテリアを収容しています.しかし、いくつかの小さな違いはあるものの、歯牙、毛髪、羽毛の発生パターンの類似性は否定できません。
フレーザーの同僚は、サメの歯のパターン形成がチューリングのようなメカニズムから原理的に生じることを実証するために、活性剤と阻害剤の相互作用の数学的モデルを構築しました。彼らは、モデルが発達中のサメの皮膚のパターンと一致するパターンを生成するまで、2つのモルフォゲンの拡散、生成、および分解速度をいじくり回しました. 「このモデルは、理論的にはチューリングのようなメカニズムでサメのパターン形成を説明できることを教えてくれました」と Cooper 氏は述べています。
羽毛の場合と同様に、歯状突起の発達の分子基盤は知られていませんでした。しかし、発生の類似性を考えると、ニワトリの遺伝子は出発点として適していました。 Cooper が in situ ハイブリダイゼーション (発達中の組織における遺伝子発現を明らかにすることができる技術) を使用したとき、彼はヒヨコとサメの両方でパターン形成中に同じ遺伝子が光るのを見た. 「これらの遺伝子は[歯状突起]が現れるときに発現するだけでなく、実際には同じ組織層で発現します。これは非常に強力な保存です」と Cooper 氏は述べています。
同様のプロセスで同様の遺伝子発現を実証することは、最初のステップとしては適切ですが、発生生物学における証明のゴールド スタンダードはノックダウン実験です。パターン製作において重要な役割を果たします。これを行うために、クーパーは小さなビーズにヒヨコの羽の活性化剤を阻害する化学物質を入れました.その後、彼はサメの胚のプロト歯状突起に沿ってビーズを移植し、サメが成長するのを観察しました。
結果は明らかでした。鳥の活性化遺伝子の発現を阻害するように設計されたビーズは、何億年もの進化を経てサメに同じ効果を及ぼす可能性があります。クーパーは、アクチベーター遺伝子の発現がビーズの隣で急落し、歯状突起のない平らな「デッド ゾーン」を形成することを発見しました。
「これらの操作の結果は、このメカニズムが深く保存されていることを非常に強力に裏付けています」と Schier 氏は述べています。
チューリングのようなメカニズムが、他のサメやその近縁種に見られる幅広い歯状パターンを作り出すことができるかどうかをテストするために、研究者は、モデル内の活性剤と阻害剤の生成、分解、拡散速度を微調整しました。彼らは、比較的単純な変化が、この系統に見られる多様性の多くに一致するパターンを生み出す可能性があることを発見しました.たとえば、スケート靴は、パターン化された歯状突起がまばらになる傾向があります。阻害剤の拡散速度を上げるか分解速度を下げることで、研究者はよりまばらなパターンを出現させることができました.
初期パターンが設定されると、他の非チューリング メカニズムによって、これらの列が完全に形成された歯状突起、羽毛、またはその他の上皮付属物に変換されます。 「これらの付属器の発達の早い段階で作用するこれらの深く保存された主調節機構があります」とBoisvert氏は説明しました。それでも、Boisvert は、非常に多くの異なる生物学的パターンの根底にあるメカニズムが、「分子生物学についてほとんど理解されていなかった時代に、生物学の訓練を受けていない数学者によって」理論化されたことは驚くべきことであると強調しました。
チューリング メカニズムは理論的にはパターンを構築する唯一の方法ではありませんが、自然はチューリング メカニズムを好むようです。 Fraser 氏によると、非常に多くの広範囲にわたる生物群がこのメカニズムに依存していることは、何らかの制約が働いている可能性があることを示唆しています。 「何かをパターン化できる方法は多くないかもしれません」と彼は言いました。システム、特にチューリング メカニズムのようにシンプルで強力なシステムが出現すると、自然はそれと共に動き、振り返ることはありません。
「生物学的多様性は、全般的にかなり制限された一連の原則に基づいており、機能しているように見え、進化の過程で何度も再利用されています」と Fraser 氏は述べています。自然は、そのあふれんばかりの発明力のすべてにおいて、私たちが思っていたよりも保守的かもしれません.
この記事は、Investigacionyciencia.es でスペイン語で転載されました .
