「細胞が不要になったとき、彼らは偉大な尊厳としか言いようのないもので死にます」とビル・ブライソンはA Short History of Nearly Everythingに書いています。 .この忘却への行進は、いったん十分に進んだら後戻りすることはできないというのが、長い間受け入れられてきた知恵です。しかし、科学がこれまで以上に詳細に細胞機能の輪郭を描くにつれて、細胞の生と死のより流動的な概念が優勢になり始めています.
おそらくこれの最も劇的な証拠は、イェール大学医学部のチームが死んだ脳の細胞活動を一時的に回復させることで世界の注目を集めた昨年 4 月に明らかになった.神経科学者の Nenad Sestan、Zvonimir Vrselja とその同僚は、脳にヘモグロビンベースの溶液を灌流して細胞に栄養を与えながら、酸素欠乏からの回復を促進することができる BrainEx と呼ばれるシステムを開発しました。この状態は通常、10 分程度でニューロンにとって致死的です。 .彼らは、屠殺された豚から摘出された脳でテストし、血液を抜き取り、4 時間も室温で保管しました。従来の基準では完全に死に至りました。
しかし、実験溶液で6時間灌流した後、劣化して一見生命のない脳細胞の多くが、少なくとも一時的に、正常な構造と代謝活動の一部を取り戻しました.神経組織のスライスは、電気信号を伝導することさえできました (倫理上の理由から、研究者は動物の脳全体でその能力を一般的に抑制していました)。 BrainEx やそれに類するものは、いつの日か、脳卒中、酸素欠乏、その他の状態によって脅かされた脳を回復するために使用されるかもしれませんが、それが可能になるまでにはさらに何年もの試験が必要になるでしょう.
イェール大学のチームの成果は、細胞の生と死の間の境界空間を調査する一連の最近の研究の見出しとなりました。生と死は一般的に代替案として扱われますが、それほど単純ではありません。医師、医療倫理学者、議員は、人間の死の瞬間を定義するのに苦労してきました。それは呼吸が止まったときですか?心臓の鼓動が止まる時は？脳の活動が検出されないときは?死は過程であり、必ずしも不可逆的なものではないため、さまざまな答えが生じます。
生と死の間の壁は、生命の基本単位である細胞のレベルでも穴が開いています。研究者たちは、かつては終末期または死滅したと考えられていた細胞が、適切な条件下で自分自身を復活させたり、部分的に復活させたりできることを学びつつあります。辺鄙な状態にある細胞が少しずつ生き返ることを可能にするプロセスを研究することにより、科学者は最終的に、病気の細胞を健康に戻し、過度に活発な細胞分裂を制限し、期限切れになった臓器を蘇生させ、さらには長く絶滅した生物が再び歩き回る道を開くことさえ望んでいます.
崖っぷちからの帰還
直感的に、私たちは復活を目を見張るような派手なイベント、つまり灰の中から蘇る不死鳥と考える傾向があります。しかし、細胞レベルでは、復活は、精巧に調整されたオーケストラのクレッシェンドよりも勝利を収めた変化ではありません.
死をカオスと同一視するのは簡単ですが、細胞死はランダムなプロセスとはほど遠いものです。彼らの内部発生器は減速し、オルガネラは断片化する可能性があり、DNA は分解されます。
復活入札を開始するには、細胞はこれらのプロセスを逆転させ、複雑で厳密に計画された操作を通じて損傷を修復しようとする必要があります。多くの場合、この複雑な回復を自分自身ですぐに開始できます。これは、科学者が細胞死の最終性に関する古い仮説に疑問を呈した数年前に発見されたものです。
最も執拗な最初の質問者の中には、当時香港中文大学にいた生物学者である Ho Lam (Hogan) Tang と Ho Man (Holly) Tang の兄弟がいました。 Tangs は長い間、細胞がアポトーシス (多くの細胞が経験する古典的な死のシーケンス) に入ると、カスパーゼ (細胞のタンパク質を断片に切り刻むいわゆる処刑酵素) のために生き返らせることができないと聞いていました。カスパーゼは、ほぼすべての細胞の最終的な死の警告と見なされていました。カスパーゼが出現すると、アポトーシスを元に戻す方法はおそらくありませんでした.しかし、ホーガンとホリー・タンは確信が持てませんでした。 「私たちは『これは本当ですか?』と尋ねました」とホーガン・タンは言いました。
それを調べるために、2008 年にタング夫妻は簡単な実験を計画しました。彼らは、ヒト腫瘍細胞をエタノールに浸して、アポトーシスを開始させました。しかし、おそらく死んでいると思われる細胞を後から捨てる代わりに、細胞を洗浄し、新しい培地に入れました。
結果は衝撃的でした。翌朝までに、一部の細胞は正常で健康的な外観を取り戻していました。 「これは私たちが予想していたことではありませんでした」と、現在ジョンズ・ホプキンス医科大学にいるホーガン・タンは言いました。彼らが残した収縮し、しわが寄った細胞の代わりに、彼らは完全な膜を備えた平らな細胞を見つけました。ミトコンドリアなどの重要なオルガネラは、再び正常に機能していました。すべての兆候は、一晩で劇的な逆転を示しました — 細胞の最大の復活です.
2人の科学者がこのプロセス中に活性な酵素を特定したとき、カスパーゼが内部を切り刻み始めた後でも細胞が回復できることを確認しました. 2012 年、Hogan と Holly Tang は、この細胞回復プロセスを「アナスタシス」と名付けました。これは、ギリシャ語で「生き返る」または復活を意味する言葉から来ています。
ジョンズ・ホプキンス大学でタング夫妻と協力し、2012 年の論文の共著者であった細胞生物学者のデニス・モンテルも、細胞の帰らぬ地点の存在に疑問を呈し始めていた。調査するために、現在カリフォルニア大学サンタバーバラ校のモンテルは、細胞死を開始するために、アルコールにいくつかのヒト癌細胞を沈めました.アルコールは数時間以内に期待された効果をもたらしました.細胞は収縮し始め、その膜は弱い斑点のある水風船のように膨らみました.
モンテルのチームが細胞を洗浄してアルコールを除去した後、細胞のアナスタシスを時間単位で追跡しました。当初、彼女は細胞がわずか 2 時間で完全に回復したと考えていましたが、12 時間後には細胞が 10 時間前とは大きく異なっていることに気付きました。さまざまな時点で活性だった遺伝子の配列を調べたところ、「基本的に、回復には 2 つの段階がある」ことが明らかになりました。 「さまざまなプロセスを含む後期段階があります。」
アナスタシスの第 1 段階では、アポトーシス中に増殖が停止した細胞が再び増殖を開始し、正常な細胞周期を再開します。後の段階では、約半日後、細胞は分裂して再生する際に以前よりも伸びて動き始めます。これは、生きている動物では、損傷した組織が埋められて再成長するのに役立つ可能性がある反応です.モンテルはまた、成長と回復を促進する遺伝子がアポトーシス中にある程度活性化されていることに気付きました。 「細胞は死んでも回復する態勢を整えています」と彼女は言いました。
2015 年、モンテルの研究室で開始され、その後ジョンズ・ホプキンス大学の J. マリー・ハードウィックの研究室で継続された研究を通じて、Tangs は、動物の遺伝子にカスパーゼ酵素の後にのみ光る蛍光タンパク質をタグ付けすることにより、生体のアナスタシスを追跡する方法を明らかにしました。が有効になります。これにより、どの細胞がアポトーシスの途中で進行し、ギアを逆転させて通常の機能に戻るかを確認できます。研究者たちは、アナスタシスがショウジョウバエからげっ歯類に至るまでの生物で発生することを実証するために、さまざまな手法を使用してきました。これは「非常に衝撃的です」とモンテル氏は語った。 「これらのイベントは、通常の開発中でも珍しくありません。」
これは、アナスタシスが提供する進化上の利点のために、アナスタシスが存続する可能性があることを示唆しています。 「細胞は一時的に深刻なストレスにさらされることがあり、体内のすべての細胞が自殺するのは有利ではないかもしれません」とMontell氏は述べた. 「永久的な組織損傷を制限する方法として進化しました。」
たとえば、一部の細胞が栄養不足に直面して死んだ場合、生き残った細胞が消費するためにより多くの栄養素を利用できるようになります。ホーガンとホリー・タンが、何日も絶食した後にショウジョウバエにタンパク質が豊富なごちそうを与えたところ、アポトーシスを開始したハエの卵細胞はコースを逆転させ、自己修復した.したがって、アナスタシスは、ストレス下で実行される細胞剪定体に対する釣り合い重りであり、アポトーシスの陰に対するエネルギッシュな陽です。
賢明な目覚め
アナスタシスは比較的最近の発見ですが、より微妙な形態の復活が何十年も生物学者の興味をそそってきました。それは、細胞が深い休眠状態から抜け出すために使用するプロセスです。さまざまな種で、特定の細胞は活動を劇的に遅くすることができます。彼らはこの静止状態にとどまり、繁栄するのに理想的な条件が整ったときはいつでも、適切な瞬間が生き返るのを待ちます.
最もよく研究されている休眠の模範の 1 つは、アカガエル (Rana sylvatica) です。 冬に急激に気温が下がると固まる。最初の凍結の前に、カエルは落ち葉の巣を見つけて、そこで自分自身を断熱します。氷の結晶が体全体に広がると、肝臓は細胞の破裂を防ぐ天然の不凍液であるグリコーゲンを大量に生成します。この適応により、細胞は凍結損傷から保護され、ほとんどの細胞が後で通常の活動を再開できるようになります。
Kenneth Storey のような研究者は、これらの凍結保存されたカエルの細胞がどのようにして完全な機能に戻るのかを理解するために取り組んでいます。オタワのカールトン大学の分子生物学者である Storey は、彼が「カエル」と呼ぶものを長年研究しており、遺伝子配列決定は、カエルの驚くべき回復の特定の基盤を特定するのに役立ちました.
Storey が 2016 年に発見したように、カエルが長期の静止状態に入ると、カエルの細胞はトランスフォーミング増殖因子ベータ (TGF-ベータ) と呼ばれる物質を分泌し、細胞プロセスを停止させるタンパク質の産生を促進します。同時に、これらのタンパク質は血液凝固を助ける特定の遺伝子を活性化します。これにより、凍結プロセス中のわずかな出血が休眠中に制御され、長い冬が終わったときにカエルの組織がより迅速に回復できるようになります.抗菌タンパク質は凍結したカエルの細胞にも蓄積し、細胞を健康に保ち、春に力強い復活を遂げます.
アカガエルと同じ寒さで生き残る方法を使用する動物はほとんどいませんが、哺乳類の細胞は、休眠状態になると同様の自己防衛戦略を採用します。細胞生物学者のライラ・リツマは、オランダのライデン大学医療センターで、生きたマウスの休眠細胞を、生体内顕微鏡法と呼ばれる画像技術を使用して研究しています。彼女は自分の細胞を蛍光色素で染色します。蛍光色素は、染色された細胞が増殖し始めると徐々に希釈されます。 「細胞が大量に増殖すると、最終的に色素がほとんどなくなります」と Ritsma 氏は述べています。
しかし、休止状態の細胞では、色素は非常に濃縮されたままであるため、Ritsma はこれらの細胞を目視で識別できます。彼女は、蛍光遺伝子標識を使用して、個々の休眠細胞の運命を経時的に追跡しています。休眠中は、「細胞の代謝が低下し始めます。細胞は増殖に必要なすべての経路を遮断します」と Ritsma 氏は述べています。 「しかし、彼らが何もしないというのは真実ではありません。」
Ritsma の調査は、休眠中のカエルの細胞と同様に、休眠中の哺乳動物の細胞が、復活の成功の可能性を巧みに最適化し、身をかがめ、条件が最適になると咆哮を上げて戻ってくることを示唆しています。彼女は今年、タンパク質発現研究に基づいて、哺乳動物細胞が TGF-ベータタンパク質を使用して、アカガエル細胞と同様に休眠状態を制御していることを報告しました。 「TGF-ベータは休眠を誘発するだけでなく、増殖も誘発する可能性があるため、非常に興味深いものです」と Ritsma 氏は述べています。 「それはすべて依存します。」たとえば、TGF-ベータは、細胞周期を遅らせる遺伝子の活動を加速させ、細胞が休眠できるようにします。生き返るために、細胞は TGF-ベータを再び変更することによって、これらの休眠促進遺伝子を沈黙させることができます。
しかし、この勝ち誇った逆転には、暗い側面がある可能性があります。 Ritsma が説明したように、がんでは、悪性細胞の一部が定期的に休眠に入り、化学療法や放射線による攻撃に抵抗するようになります。これらの休眠細胞の一部が後で再び目覚め、狂乱の分裂状態に戻り、寛解していた癌の再発に寄与している可能性があります.
順調に復活
状況や種に関係なく、細胞の復活は継続的な調整と適応のプロセスです。さまざまな種類のスタシスから回復する細胞は、以前と同じように堅牢に見えるかもしれませんが、それらの回復はシームレスにはほど遠いかもしれません.ある実験で、ホーガンとホリー・タンは、死の瀬戸際から戻った細胞のいくつかが、アナスタシス後に染色体に異常があることに気付きました.細胞はアポトーシス中に DNA 損傷を被り、そのすべてを修復することはできないため、ホーガン タン氏はそうなる可能性があると述べました。
ほとんどの細胞は、休眠状態から戻る旅を完了する際に、同様に脆弱な段階を通過します。水は凍ると膨張するため、木のカエルの細胞の一部は、防御手段を備えているにもかかわらず、膜の破裂と DNA の変異に苦しんでいます。一部の休止状態の細胞は、損傷が大きすぎて修復できず、取り除かなければならず、細胞の宙ぶらりんの中で自分のスティントの犠牲者を出しています.
細胞がどのように自分自身を復活させるか、また細胞が途中で不具合をどのように乗り切るかを研究することで、Montell、Tangs、Ritsma などの研究者は、人間の細胞に同様の種類の復活を誘導することを望んでいます。 「死にかけているニューロンと心臓細胞のアナスタシスを促進することは、脳損傷と心臓発作の治療に役立つ可能性があります」とホーガン・タンは言いました. Storey 氏は、ウッド フロッグの細胞の回復から手がかりを得て、移植のために凍結した人間の臓器を損傷することなく解凍する方法を研究しています。これにより、臓器を無期限に保管し、世界中の受信者に出荷することができます.
細胞内の復活シーケンスを停止することは、治療の観点からも同様に有益であることが証明される可能性があります.たとえば、がん治療中、化学療法の毒性作用により、多くの細胞がアポトーシスに入りますが、これはまさに起こるべきことです.しかし、毒素は、すでに休眠状態になっているがん細胞には効果がない可能性があり、アナスタシスによって自己修復した細胞でさえ、永久的な遺伝子損傷を保持している可能性があります.どちらのカテゴリーの細胞も、新しいがんを発生させたり、既存のがんを再発させたりする可能性があります。モンテルの目的は、必要に応じてこれらのシグナルを抑制または促進することを期待して、がん細胞がアナスタシスを経て進行することを可能にする分子シグナルを特定することです.
それでも、生物学者は、どのがん細胞が休眠状態から目覚め、制御不能に分裂するかを特定する方法をまだ知りません。これは、見落とされたがん細胞が実際の問題を引き起こす前に封じ込めるために必要な情報です。アナスタシスやその他のタイプの回復を促進する細胞信号のシンフォニーも、さらに解読する必要があります。治療的アナスタシスを可能にするために、「最も重要なことは、アナスタシス阻害剤とプロモーターを特定しようとすることです」とホーガン・タンは言いました.もう 1 つの未解決の問題は、隣接する細胞がどのように相互に通信して、各細胞が生き返るか、休眠状態を維持するか、または細胞死シーケンスを進行するかを決定する方法です。
細胞の復活に関するほとんどの研究では、通常の基準では、死にかけている、またはごく最近になって「死んだ」と考えられる細胞が関与しています。死んで何時間も保存されていなかった屠殺された豚の脳に関するイェール大学のグループの研究は極端なケースでした。しかし、一部の研究者は、さらに先へ進むことを恐れていません。彼らは、20,000 年以上前に死亡した絶滅した動物から細胞成分を復活させようと試みました.
昨年、日本の近畿大学の生物学者チームは、生物学者のイリタニ アキラ氏の長年のリーダーシップの下で、実験室の冷凍庫からシベリアマンモスの小片を取り出し、小さな試験管で組織を粉砕し、核を含む微視的な小片を抽出しました —最後の氷河期にこの絶滅した哺乳類の細胞を活性化させたコントロール センター。研究チームは、縫い針よりも小さなピペットを使って、核移植と呼ばれる技術を使ってマウスの卵細胞に核を注入しました。次に、ハイブリッド細胞が新しい生命の兆候を示すかどうかを確認するのを待ちました。科学者たちは顕微鏡のデジタル画面の前に緊張して座り、動きの兆候に注意を払いました。
再構築された細胞の 1 つに、突然、古代のマンモスの染色体が浮かび上がり、マウスの卵子の紡錘体とつながり始めました。この紡錘体は、通常、分裂中の細胞で染色体を引き離す装置を形成しています。チームが固執して見ていると、染色体は 2 つの異なるクラスターに移動しました。その後、各クラスターの周りにかすかな丸いエッジが現れました — 曲線は、以前は 1 つしかなかった 2 つの細胞核の始まりを示唆していました.
マンモス細胞の核は、おそらくDNAが蓄積した損傷のために、それ以上分裂することはありませんでした.この研究の共著者の一人である遺伝子工学者の宮本圭は、マンモスの染色体の配列は非常に不規則であり、染色体の周りに見られる湾曲が初期の核の端であったという証拠はないことを強調しています。それでも宮本氏は、観測された活動を「良い兆候」と呼んだ。研究者たちは 28,000 年前のマンモス細胞を生き返らせていませんでしたが、あらゆる可能性に反して、人類の歴史が始まるずっと前に最後に活性化された細胞核内で、少なくとも何らかの生化学的火花を燃やしていました。
私たちは今、細胞が死の境界を危険にさらす可能性があり、おそらく死の境界を完全に越える可能性があることを知っています.この柔軟性は意図的かつ適応的です。より広いライフサイクルと同様に、細胞レベルでは、システム全体が繁栄するためには、死と再生が絶妙なバランスを保っていなければなりません。そのバランスがどのように維持され、細胞がそれをどのように調整するかを理解することは、私たちに、それを生命に傾ける解放的で恐ろしい力を与えるかもしれません.
