受精卵は、最初に 2 つの細胞に分裂し、次に 4 つ、次に 8 つというように分裂します。一方、これらの細胞は、クラスター内の未分化の塊から、心臓、脳、筋肉、血液、骨、およびその他の組織に関連するより多様なアイデンティティへと進行します。全体的なプロセスはよく知られていますが、科学者はそれをあまり詳しく理解していません.
しかし、今日 Science に 3 つの論文が掲載されています 彼らが発生生物学の分野にとって大きな意味を持つ研究を明らかにするにつれて、それは変わりつつあります。研究者たちは、遺伝子配列決定と数学的方法を組み合わせて使用し、ゼブラフィッシュとニシツメガエルの胚の最初の 24 時間の発生の多くの段階を通じて、すべての細胞の遺伝子発現パターンを追跡しました。
その結果、これまで不可能だった解像度と規模で、胚細胞が完全に分化した組織で最終的な運命をたどる遺伝的および発生的軌跡が明らかになりました。驚くべき新しい洞察も明らかになりました。たとえば、多くの生物学者は、胚細胞は成熟に向けて常に分岐経路をたどり、特定の運命に取り返しのつかない運命をたどっていると信じていました。しかし、新しいデータは、細胞が実際には「ループバック」して別の経路をたどることがあり、異なる発生履歴を持つ細胞が同じタイプの細胞になることがあることを示しています.
この分野の専門家によると、これらのレポートで使用されている強力な技術は、発生、細胞運命、および疾患を研究する能力の新たなフロンティアを示しています。 「研究に関心のある組織が何であれ、このデータセットにはあなたが興味を持っているはずの何かがあります」とケンブリッジ大学の分子生物学者である Berthold Göttgens は言いました。マウス胚で。ゲノム配列決定研究の台頭が生物学を別の立場に置いたように、彼は次のように述べています。人々が戻ってくるランドマークになるでしょう。」
ハーバード大学の細胞生物学者である研究の著者である Alexander Schier は、次のように述べています。 「以前は、数個の遺伝子、数個の細胞、または数個の発達段階しか扱えなかったとき、私たちは 2 つまたは 3 つの星を見ているようでした。今、突然銀河全体が見えるようになりました。」
従来、発生生物学者は、分裂中の胚の細胞を染色してその空間的軌跡を追跡したり、特定の遺伝子を標的にして生物への影響を調べたりしてきました。最近では、編集技術を使用して「バーコード」を細胞 DNA に統合しています。細胞が分裂するにつれて、バーコードは共通の細胞系統を決定するために使用できる突然変異を獲得します。
Science に掲載された研究 別のアプローチを取ります。ハーバード大学のシステム生物学者である Allon Klein、Marc Kirschner、Sean Megason とその同僚は、2 つの論文で各細胞のメッセンジャー RNA の発現を測定しました。ある論文では、そのデータをバーコード技術と組み合わせました。メッセンジャー RNA データは、発現する遺伝子に基づいて各細胞のアイデンティティを定義し、バーコードは、その細胞がどこから来たのか、いわば「家族の歴史」に関する情報を提供しました。
そのデータの分析により、何年にもわたる骨の折れる調査の後に他の科学者によって報告された多くの発見が確認されました。 「何十年にもわたる発生生物学の研究が私たちのデータに組み込まれているのを見るのは刺激的でした」と Klein 氏は述べています。
しかし、彼らの実験はまた、新たな発見にもつながりました。 「古い技術では、都市レベルで地図を取得することを想像できます。しかし、例えばフィラデルフィアがピッツバーグと比べて何ができたのか、まだよくわかっていませんでした」と、ハーバード大学医学部の幹細胞生物学者で、この研究には関与していないレナード・ゾンは言いました。 「これで、そのキャラクターの説明が得られます。どのように組み立てられ、どこから来たのか、何をしているのかです。」
発達のプロセスは、受精卵が根元にあり、その後細胞が枝分かれし、すべての細胞型が出現するまで特殊化する木のようなものとして視覚化されることがよくあります.最初の 12 時間でゼブラフィッシュの胚を研究した Schier のグループは、このトポロジーを確認しました。
しかし、後の段階では、「開発をツリーとして考えることは、何が起こっているのかをうまく説明できない可能性があります」と Klein 氏は述べています。古い仮定を無視して、分岐が一緒になり、ループ内の同じパスに収束することがあります。非常に異なる発生履歴を持つ細胞が、最終的に非常に類似した目的地に到達する可能性があります。
要するに、細胞は科学者が考えていたよりも可塑性が高く、特定の組織になるのは比較的遅くなる可能性があります。 「ティッシュの作り方を考えるもう 1 つの方法です」と Zon 氏は言います。
この発見は、発達の過程で実際に何が起こっているのか、そして最終的に成体の生物にならない細胞のすべての中間状態の重要性について、より大きな疑問を投げかけている、とクラインは付け加えた.発生の唯一の目的が特定の細胞タイプを作成することである場合、理論的には、必要な遺伝子プログラムを細胞内ですぐにオンにすることができます。成熟した筋肉、骨、神経、およびその他の組織は、ほぼ最初から胚に存在する可能性があります。 .しかし、発達はプロセスであり、適切な細胞が適切な時期と場所で出現し、胚の成長と形質転換のパターンを確立する必要があります。移行状態にある細胞は、それ自体が独自の機能と発達上の価値を持っている可能性があり、単に何らかの目的へのステップとしてではありません。最終的に同じ種類の細胞を生成する場合でも、胚の異なる部分には異なる中間ステップが必要です。
樹木の比喩を混乱させていると思われる細胞の可塑性は、これだけではありません。 Schier のグループは、特定の細胞がマーカー分子を発現し、複数の発生運命を示すことを観察した。細胞はすでに 1 つの経路をたどっているように見えたとしても、右外側の信号は依然として別の経路に進む可能性がある。 Schier は、これらの細胞は組織間の境界に存在する細胞である可能性があると推測しています。いずれかの組織タイプになるための正確な指示に従うのではなく、局所的な相互作用と合図に応じて、どちらかになることができるようにあいまいさを維持します.
発達中の細胞の新たに明らかにされた可塑性は目まぐるしいかもしれませんが、ハーバード大学の研究者はまた、その複雑さの一部を軽減するデータの一般的なパターンを見つけたいと考えています. Klein と彼の同僚は驚くべき発見をした:彼らが調査したゼブラフィッシュとカエルの両方に共通するタンパク質の遺伝子のうち、統計的に有意な同様のパターンで発現されたのは 30% だけだった.動物は残りを完全に異なる方法で表現しました。これは、遺伝子が進化の過程で発現プログラムに適応したことを示唆しています。配列レベルでのタンパク質の保存は、進化におけるそれらの発現の保存とは関係がないようです.
「それは本当にショックでした」とクラインは言いました。 「それはしばらく私たちを不快にさせました。」しかし、それは「進化がいじくり回せる別の方法」も表しています。
彼と彼の同僚は、他の人々がこれらの比較研究を生命の木の残りの部分にまで広げてくれることを望んでいます。たとえば、ゲトゲンスはこのアプローチを適用して、血液系の形成と、マウス胚の心臓を生み出す細胞の初期の多様化の両方を研究しています。彼の研究は、これらの経路で重要な役割を果たす遺伝子の分離に焦点を当てています。これは、突然変異を導入し、それらが細胞の意思決定にどのように影響するかを観察することによって、クラインとシアーのグループも同様に行うことを目指しています.
より多様な生物からのさらに多くのデータセットを使用して、研究者は、進化の歴史を通じて開発がどのように適応したか、および細胞型がどのように進化し、結果として出現したかについて、より幅広い質問をすることもできます. Klein と彼のチームが観察したゼブラフィッシュとカエルの遺伝子発現レベルの違いを見てみましょう。科学者が、保存されているものと保存されていないものを説明する韻または理由を見つけることができれば、基本的なルールを定めるのに役立つ可能性があります。開発について。 (現在、クラインは、保存された発現パターンを持つ遺伝子は転写調節因子である傾向があるように思われると説明しています。適応へ。」)
科学者たちは、この初期胚の研究が、組織や器官内の細胞がさらに分化する発達の後期段階について何を明らかにできるかに興奮しています。 Schier のチームは現在、研究を脳にまで広げています。たとえば、現在の研究でマッピングした 25 種類よりもはるかに多くの細胞型で構成されています。その研究は、最終的に病気がどのように発症するかについての重要な洞察を提供するかもしれません。 「たとえば、心臓のさまざまな部分がどのように形成されるかがわからない場合、先天性心疾患で実際に何が問題になっているのかを理解することは困難です」と Göttgens 氏は述べています。
その知識の利点は、潜在的な治療法にも及ぶ可能性があります。 Klein と Schier の技術は、細胞の運命を意図的に操作するために再生医療で使用できる特定の細胞型を作成する方法のレシピを提供します。特定の遺伝子をいつオンまたはオフにするかを知り、細胞の可塑性とその中間段階の重要性を説明することは、生物工学者がより良い組織を構築するのに大いに役立つ可能性があります。また、研究者ががん治療を改善するのにも役立つ可能性があります。腫瘍内の細胞の種類とその個々の履歴をより正確に特定することにより、研究者はより悪性または薬剤耐性の細胞をより適切に標的とすることができます.
それまでの間、ハーバード大学のグループは、彼らが説明した細胞決定の根底にあるメカニズムを特定したいと考えています。さまざまな要因がそれらの経路にどのように影響するか、分岐点がどこで発生するのか、どの遺伝子がそれらのイベントの原因であるかを理解するために.クラインは、そのような研究が、彼らの発見の根底にあるある種のグローバルロジックの正体を明らかにすることを望んでいます。そうすれば、すでに見た複雑さにもかかわらず、「開発は私たちが思っているよりも単純であることがわかるかもしれません」と彼は言いました.
訂正:6 月 13 日に、ヒュー ウィリアムズとジェームズ スミスの功績を認めるために、3 つのタイムラプス ビデオのクレジットが更新されました。
