2009 年、ステージ 3 の乳がんと診断された後、Ann Ramsdell さんは科学文献を検索して、彼女と診断された人が完全に回復できるかどうかを調べ始めました。サウスカロライナ大学の発生生物学者である Ramsdell は、すぐに奇妙なことに気付きました。それは、左乳房と右乳房にがんがある女性では、回復の確率が異なるということです。さらに驚くべきことに、乳房組織が非対称な女性はがんを発症する可能性が高いことを示唆する研究を発見しました.
非対称性はすぐにはわかりません。しかし、皮膚の下では、非対称構造が一般的です。私たちの腸がどのように腹腔内を曲がりくねって進み、対になっていない臓器を発芽させているかを考えてみてください.または、融合した 2 つの同一の構造から生まれた私たちの心臓が、どのようにしてねじれて非対称ポンプになり、酸素を豊富に含む血液を体中に押し出すと同時に、肺から新しい一滴を引き込むことができます。体の自然な非対称性は、私たちの幸福にとって非常に重要です。しかし、ラムズデルが知っていたように、それはあまりにも頻繁に無視されていました.
科学者としての初期の頃、ラムズデルは非対称性についてあまり考えたことはありませんでした。しかし、論文審査の日に、彼女は借りたスライドをプロジェクターに入れました (これは PowerPoint が登場する前の時代です)。スライドは、心臓が片側にループし始める段階のニワトリ胚のものでした。その後、同僚がスライドを後ろに置いた理由を尋ねました。 「恥ずかしい話ですが、ハートループの方向性について考えたこともありませんでした。」ひよこの発達中の心臓は、私たちと同じように左右を区別することができました。彼女は、心臓が片側にループする理由についてポスドク研究を続けました.
数年後、回復した後、ラムズデルは心臓を置き去りにして、哺乳類の乳腺の非対称性を探し始めることにしました。ワラビーやカンガルーのような有袋類では、左右の腺が異なる種類のミルクを生成し、異なる年齢の子孫に向けられている.しかし、マウスに関する彼女の最初の研究は期待外れでした — それらの左右の乳腺はまったく異なっていないようでした.
次に、乳房のさまざまな細胞で活性化されている遺伝子とタンパク質に注目しました。そこで彼女は大きな違いを見つけました。ピアレビューを受けている未発表の研究によると、がんになりやすいと思われる左乳房は、特殊化されていない細胞の数が多い傾向もあります。それらは乳房が損傷した組織を修復することを可能にしますが、分裂する能力が高いため、腫瘍形成にも関与する可能性があります.左側の細胞がより一般的である理由について、Ramsdell 氏はまだ解明していません。 「しかし、それは細胞が成長する胚の環境に関係していると考えています。これは、両側でまったく異なります。」
Ramsdell と他の発生生物学者の幹部は、生物が右と左を区別できる理由を解明しようとしています。これは複雑なプロセスですが、人生の利き手に関する主要なオーケストレーターがより明確になりつつあります。
左折
1990 年代、発生中の胚におけるさまざまな遺伝子の活動を研究している科学者たちは、驚くべきことを発見しました。これまでに調査されたすべての脊椎動物の胚では、Nodal と呼ばれる遺伝子が胚の左側に現れます。それは、胚の右側で Nodal 活性を抑制する遺伝子である、その共同研究者である Lefty に密接に続いています。 Nodal-Lefty チームは、非対称性を導く最も重要な遺伝経路であるように思われる、とハーバード大学の進化生物学者であり、Nodal と Lefty の初期研究で中心的な役割を果たした Cliff Tabin は述べた.
しかし、何が胚の中で Nodal と Lefty の出現を引き起こすのでしょうか?発生生物学者の広川信孝氏は、「私たちは皆、それを信じたがっている」という非常にエレガントな説明を思いついた.ほとんどの脊椎動物の胚は小さな円盤から始まります。この円盤の下側には小さなくぼみがあり、その底は繊毛で覆われています — ヒロカワが示唆するように、ちらつきのある細胞の延長は、周囲の流体に左向きの流れを作り出します. 2002 年の研究では、流れの方向を変えると Nodal の発現も変化する可能性があることが確認されました。
損傷した繊毛は、長い非対称性関連疾患に関連付けられています。たとえば、カルタゲナー症候群では、気管の固定された繊毛が呼吸困難を引き起こします。興味深いことに、シンドロームを持つ人々の体の非対称性はしばしば完全に逆転し、そうでない場合のほぼ完全な鏡像になります. 2000年代初頭、研究者は、この症候群が繊毛を含む細胞内の運動を駆動する多くのタンパク質の欠陥によって引き起こされることを発見しました.さらに、2015 Nature 研究により、繊毛に関連する 20 のマウス遺伝子が特定されました。これらの遺伝子は、欠損すると異常な非対称性を引き起こします。
しかし、繊毛だけがすべてではありません。タフツ大学の生物学者で、1990 年代に Tabin の研究室で発表された Nodal 論文の筆頭著者である Michael Levin は、多くの動物、一部の哺乳類でさえ、繊毛孔を持っていないと述べています。
さらに、通常の非対称性発達に重要なモータータンパク質は、繊毛だけにあるわけではないとレビン氏は述べた.それらはまた、細胞に構造を提供する棒とストランドのネットワークである細胞骨格と連携して、その動きを導き、細胞成分を輸送します.
ますます多くの研究は、これが個々の細胞内でも非対称性を引き起こす可能性があることを示唆しています. 「細胞にはある種の利き手があります」と、レンセラー工科大学の生物医学エンジニア、レオ・ワンは言いました。 「障害物にぶつかると、左に曲がる細胞と右に曲がる細胞があります。」 Wan は、2 つの同心円状の隆起部を持つプレートで構成されるテストを作成しました。 「それらの尾根の間に細胞を配置し、それらが動き回るのを観察します」と彼は言いました。 「尾根の 1 つにぶつかると方向転換し、好みの方向がはっきりとわかります。」
Wan は、細胞の好みは、細胞骨格の 2 つの要素であるアクチンとミオシン間の相互作用に依存すると考えています。アクチンは、細胞全体にトレイルを形成するタンパク質です。別のタンパク質であるミオシンは、多くの場合、他の細胞成分を引きずりながら、これらの軌跡を横切って移動します.両方のタンパク質は、筋肉細胞での活動でよく知られており、収縮に不可欠です.大阪大学の細胞生物学者である松野賢治は、彼が「型にはまらないミオシン」と呼んでいるものを発見しました。松野は、ミオシンが細胞利き手を引き起こしている可能性が高いことに同意します.
ショウジョウバエを考えてみましょう。それは、繊毛ピットと結節の両方を欠いていますが、非対称の後腸を発達させます。松野は、後腸の細胞の利き手がミオシンに依存し、細胞の最初の傾きによって反映される利き手が腸の発達を導くものであることを実証しました。 「細胞の利き手は、細胞がどのように移動するかだけでなく、細胞が互いに保持する方法も定義します」と彼は説明します。 「これらのレスリング細胞が一緒になって、本来あるべき通りに曲がったり曲がったりする後腸を作り出します。」同様のプロセスが回虫 C.エレガンス .
節点は、脊椎動物のすべての非対称性の発達にも必要ではありません. Nature Communications に掲載された研究では 2013 年、オランダの Hubrecht Institute の生物学者である Jeroen Bakkers は、Nodal がない場合にゼブラフィッシュの心臓がどのように右に曲がるかを説明しました。実際、彼は、体から取り出して単純な実験用皿に入れてもそうであることを示し続けました. 「そうは言っても、ノーダルのない動物では、心臓は本来あるべきように左にシフトせず、正しく回転しませんでした.一部の非対称性は内部に由来しますが、細胞は Nodal の助けを必要としています。」
細胞の話し方
Tabin にとって、このような実験は、Nodal がすべてではないかもしれませんが、非対称性の発達において最も重要な要因であることを示しています。 「進化の観点からすると、対称性を破ることはそれほど難しいことではありませんでした」と彼は言いました。 「それには複数の方法があり、さまざまな生物がさまざまな方法でそれを行ってきました。」進化が解決しなければならなかった鍵は、非対称性を信頼性が高く堅牢なものにすることだったと彼は言いました. 「Lefty と Nodal を一緒に使用することで、非対称性を堅牢にすることができます。」
しかし、重要なつながりが発見されるのを待っていると信じている人もいます。 Levin の研究室からの研究は、細胞間のコミュニケーションが、非対称性の発生において調査されていない要因である可能性があることを示唆しています。
細胞骨格はまた、特殊なタンパク質の細胞表面への輸送を指示する、と Levin は述べた。これらのいくつかは、細胞が電荷を交換することによって通信できるようにします。彼の研究によると、この電気通信は、細胞の動きだけでなく、細胞がどのように遺伝子を発現するかを指示している可能性があります。 「[コミュニケーション] チャネルをブロックすると、非対称開発は常に失敗します」と彼は言いました。 「そして、このシステムを操作することで、ゲノムをまったく変更することなく、6本足のカエル、4頭のワーム、または腸に目を向けたカエルを作成して、驚くべき、しかし予測可能な方向に開発を導くことができました。」
発達中の生物が自らの形状を検出して修正する明らかな能力は、自己修復がいつの日か人間にも選択肢になるかもしれないという Levin の信念を助長します。 「あらゆる岩の下には、複雑な体を自分で修復できる生き物がいます」と彼は指摘します。 「これがどのように機能するかを理解できれば、医学に革命を起こすかもしれません。多くの人は私が楽観的すぎると思っていますが、私はこれについてエンジニアリングの見解を持っています:物理法則によって禁止されていないことは何でも可能です。」
