カリフォルニア工科大学のマイケル・エロウィッツがまだプリンストン大学の大学院生だった 2000 年に、彼は合成生物学の若い分野で驚くべき偉業を成し遂げました。生きている細胞の回路」。彼と彼のメンターであるスタニスラス・ライブラーは、一連の遺伝子を大腸菌に挿入しました。 電子回路の発振器のように、細胞の蛍光タンパク質の生成に制御されたスイングを誘発したバクテリア.
これは、生物学者でありノーベル賞受賞者であるフランソワ・ジャコブが「生命の論理」と呼んだもの、つまり遺伝子から細胞や他の生物が示す形質に至る厳密に制御された情報の流れを見事に説明したものでした。
しかし、回路のようなロジックのこの明快なビジョンは、バクテリアでは非常にうまく機能していましたが、より複雑な細胞では失敗することがあまりにも多いのです。ハーバード大学医学部のシステム生物学者である Angela DePace は、次のように述べています。 「しかし、より複雑な生物では、多くのタンパク質がよりアナログな方法で関与しています。」
最近、人間や他の複雑な動物の胚を形成する 1 つの重要な発生経路内のタンパク質相互作用を詳しく調べることで、Elowitz と彼の同僚は、複雑な生命の論理が実際にどのようなものであるかを垣間見ることができました。この経路は、構成分子が多くの異なる組み合わせで結合できる自由奔放な赤面を作る分子乱交の暴動です.この混沌としたダンスが、細胞の運命を指示する首尾一貫した信号を伝えることができると期待するのは無駄に思えるかもしれません.しかし、この種の生体分子間の複雑な結合は、奇妙な例外ではなく、標準的なものかもしれません。実際、それが多細胞生物が機能する理由かもしれません.
「無差別に相互作用するリガンドと受容体のファミリーを備えた生物学的細胞間通信回路は、混乱しているように見え、私たち合成生物学者が設計したものとは反対のアーキテクチャを使用しています」と Elowitz 氏は述べています。
しかし、このように相互作用する構成要素が混沌としているように見えるのは、実際には高度なシグナル処理システムであり、シグナル伝達分子の複雑な混合物から確実かつ効率的に情報を抽出することができます。 「細胞の自然な組み合わせ言語を理解することで、現在よりもはるかに特異的に [それらを] 制御できるようになる可能性があります」と彼は言いました。
新たに出現した画像は、細胞内の生体分子が有機体を構築する際にどのようなロジックをたどって複雑な生命を生み出すかについての私たちの見方を再構成するだけではありません。また、生物が予測不可能な環境に直面しても生き残ることができる理由と、そのランダム性が進化を挫折させるのではなく許可する理由を理解するのにも役立つかもしれません.そして、なぜ分子医学がしばしば非常に難しいのか、なぜ多くの候補薬が私たちが期待したように機能しないのか、そしてどのようにして機能するものを作ることができるのかを説明することができます.
メッセージではなくメッセンジャー
機械や電子回路を設計する場合、セルをモデルにするのは愚かなことです。細胞の構成要素は、ほとんどの場合、注意深く配置および組み立てられているわけではなく、細胞膜内で手に負えない群集のように浮遊して混合されているだけです.それでも何とか機能します。
整然とした伝統的な説明は、細胞の作業部分のほとんどを構成するタンパク質分子が常に互いに衝突しているにもかかわらず、これらの遭遇のほとんどすべてを無関心に扱っているというものです.タンパク質が、その表面の精巧に彫刻された部分と正確にかみ合う別の分子に出会った場合にのみ、2 つが結合して相互作用します。正確な分子認識のこれらのプロセスは、細胞内の通信の明確なラインを維持し、それらを実行し続けます。
この話の唯一の問題は、それが間違っているということです。多くのタンパク質は選択的な分子認識を示しますが、真核細胞の働きにとって最も中心的なものの中には、それほど好き嫌いの少ないものもあります.
BMP と呼ばれる成長因子タンパク質を考えてみましょう。BMP は、一連の遺伝子のオンとオフを切り替えるように指示することで、細胞の増殖とさまざまな組織への分化を制御します。それらの名前は「骨形成タンパク質」に由来します。最初に知られている遺伝子は、もともと骨形成に関与するタンパク質をコードすると考えられていたためです。
しかし、BMP 産生の機能不全が骨成長疾患に関係しているという事実は確かに関係しているが、骨の成長が BMP タンパク質の機能であるという考えは、長い間幻想であることが証明されてきた. BMP の 1 つのタイプは、原腸陥入と呼ばれる発生過程に関与しています。これは、ヒト胚の受精後約 14 日で、細胞がさまざまな組織タイプに特化し始め、胚が細胞の塊からはるかに複雑な構造に変化するときに発生します。その後、BMP は軟骨、腎臓、目、初期の脳でも発現し、これらの組織の発達を導きます。
現実には、BMP の機能は、表現型 (つまり、形質) への影響によって定義することはできません。それらは細胞間のコミュニケーションを仲介しますが、そのコミュニケーションがトリガーするものは、異なるタイプの細胞、または異なる発達段階の同じ細胞タイプでまったく異なる可能性があります. BMP はメッセンジャーであり、メッセージではありません。
Elowitz 氏らが現在明らかにしていることは、BMP が水銀的でありながら、生物が命を賭けるのに十分なほど予測通りに振る舞うというこのトリックをどのようにやってのけるかということです。これらの特質は、BMP システムの構成における複雑な層を重ねる層と、これらの要素の相互の柔軟で可変的な親和性から現れるようです。逆説的ですが、この複雑さによってシステムの精度と信頼性が向上します。
哺乳類には、それぞれ構造がわずかに異なる 11 個以上の異なる BMP タンパク質をコードする遺伝子があります。 BMP は、同じタンパク質または異なるタンパク質の結合ペアまたは二量体で作用し、場合によっては、これらの二量体もペアになり、バリエーションがさらに増加します。 BMP タンパク質のファミリーは、関連する受容体タンパク質のファミリーに固執します。これらの受容体は、小さなグループ (通常は一度に 4 つ) に収まるサブユニットからも作られます。転写因子を活性化して遺伝子のオンとオフを切り替え、宿主細胞に対する下流の影響を引き起こすのは、この分子のクラスター全体です。
しかし、各 BMP 二量体が鍵と鍵のように結合する指定された受容体を持っているというのは、単純なことではありません。実際、これらの分子はそれほど選択的ではありません。各 BMP 二量体は、さまざまな程度の結合力で、いくつかの異なる受容体サブユニットのペアにくっつく可能性があります。これはコンビナトリアル システムであり、コンポーネントをさまざまな方法で組み立てることができます。ロックやキーのようではなく、レゴ ブロックのようです。
考えられる順列は、熟考するのが大変です。 BMP 経路は、細胞の運命を導く特定の指示をどのように伝えることができるでしょうか?非常に複雑なため、「この問題に取り組むには、型にはまらない考え方が必要でした」と、エロウィッツのグループの研究科学者であるジェームズ リントンは述べています。
カリフォルニア工科大学のチームは、Elowitz の元ポスドクで、現在はイスラエルのワイツマン科学研究所にいる Yaron Antebi とともに、実験的およびコンピューターによる研究を行い、哺乳類の 10 の主要な形態の BMP と 2 つのタイプの 7 つの受容体サブユニットの間の結合傾向を特徴付けました。マウス細胞の。それには多くの組み合わせを研究する必要がありましたが、細胞培養で反応を実行するための自動化されたロボット システムがそれを可能にしました。
やり取りは無差別ではありましたが、「なんでもあり」とはほど遠いものでした。一部の BMP にはほとんど互換性のある効果がありましたが、他の BMP にはありませんでした。場合によっては、1 つの BMP と 2 つの受容体サブユニットが、3 つの異なるコンポーネントのアセンブリと同様に機能しました。アセンブリは、ある BMP を別の BMP に交換しても同様に機能する可能性がありますが、受容体が同じままである場合に限ります。スワップされた 2 つのコンポーネントには独立した効果があり、それらを組み合わせた効果は単純な合計である場合がありました。効果が相互に強化し合ったり、打ち消し合ったりすることもありました。
一般に、BMP は同等のグループに分類できます。 「2 つの BMP が、他のすべての BMP と同じパターンの相互作用を持っている場合、同等であると分類しました」と Elowitz 氏は述べています。しかし、これらの等価関係は固定されたものではなく、細胞の種類や細胞が発現する受容体の構成によって異なりました。 BMP のペアは、あるタイプの細胞では互いの代わりになるかもしれませんが、別のタイプの細胞ではそうではありません。この発見は、例えば、BMP9 タンパク質は血管形成の経路では BMP10 の代わりになるが、心臓の発達の経路では取り替えられないという他の研究者の観察と一致しています。
少ないシグナルで特異性を高める
BMP シグナリングが不必要に複雑に見えるのはなぜですか?カリフォルニア工科大学のチームは、より少ない費用でより多くの生物を提供できるのではないかと推測しています。このグループのメンバーによる数学的モデリング — Caltech の Christina Su、イスラエルの Antebi、シカゴ大学の Arvind Murugan — は、無差別な相互作用システムが、1 対 1 の分子相互作用よりも幅広い潜在的な利点を提供することを示しました。
特に、リガンドが受容体に一意に結合するシステムでは、リガンドの種類の数によって、一意に対処できる異なる細胞型または標的の数が制限されます。コンビナトリアル システムでは、少数のリガンドと受容体の間の異なるペアリングにより、はるかに多くのターゲットを指定できます。組み合わせの違いにより、全か無かの反応ではなく段階的な効果も可能になります。
「私たちの作業仮説は、これらのリガンド受容体の組み合わせは、個々の分子よりも細胞型特異的である可能性があるということです」と Elowitz 氏は述べています。
したがって、コンビナトリアル システムは、細胞に対処するためのより多くのオプションを提供し、より複雑な細胞パターニングを生成できます。この汎用性は、正確な構成で多くの細胞型を含む生物を構築するために重要です。シグナル伝達分子のレパートリーが少なくても、胚の細胞の 1 つのグループが軟骨になるように指示され、別のグループが骨になり、他のグループは別の運命をたどることができます。
多くの可能な組み合わせは、地域間の境界でいくらかのあいまいさを生み出すかもしれませんが、リントンは、他の信号システムと連携して動作することによって、これらが鮮明になるかもしれないと推測しています.たとえば、Wnt と呼ばれるタンパク質ファミリーが関与する経路は、多くの場合、BMP シグナル伝達と並行して機能しているようです。 「どこかで BMP が働いているのを見つけたら、Wnt が見つかる可能性が非常に高いです」と Linton は言いました。経路は相互に拮抗する場合もあれば、相互に強化する場合もあります。 Wnt 経路が同様の組み合わせ規則に従う場合 (この可能性についてはまだ実験的に調査する必要があると Elowitz は強調しています)、BMP と Wnt は互いのシグナル伝達を改良するのに役立つ可能性があります。
Elowitz と彼の同僚は、このように、この種の組み合わせ規則は、細胞の分子配線の広範な「設計原理」を表すことができると考えています。
ハーバード大学医学部のシステム生物学者であるガリット・ラハブも、そのようなシステムが非常に理にかなっていることに同意しています。彼女は、遺伝子 p53 にも同様のことが当てはまるのではないかと考えています。 、これは細胞の複製と分裂のサイクルを制御する上で中心的であり、しばしば癌に関係しています。 p53 タンパク質は、細胞シグナル伝達においていくつかの異なる役割を果たし、他の多くの分子に結合します。
組み合わせ原理は、細胞の成長と発達を超えた状況にも及ぶ可能性があります。リントンは、嗅覚系で起こっていると思われることと大まかに類似していると考えています。人間には、鼻の嗅球の膜の内側を覆う約 400 種類の受容体タンパク質があり、これらの受容体は集合的に膨大な数のにおいを識別することができます。それぞれの匂い分子が専用の受容体によって一意に認識されなければならない場合、それは不可能です。代わりに、受容体はさまざまな親和性を持つ匂い物質に無差別に結合するようであり、脳の匂い中枢に送信される出力信号は組み合わせ規則によって決定されます。
ノイズを有利に利用する
細胞調節に関与するタンパク質、RNA 分子、および DNA ゲノム配列の相互作用が柔軟で無差別であるという証拠は、過去 10 年ほどでますます一般的になっています。それらは、生物学全体の幅広いシステムで現れます。 「乱交が存在する必要はなかったが、どこにでもあることを考えると、最も単純で最も合理的な仮定は、乱交が何らかの機能を提供しているということです」と Elowitz 氏は述べています。
彼は、能力の根底には情報処理があると考えています。 「軸索と樹状突起を介して結合されたニューロンが複雑な情報処理を実行できるように、生化学的相互作用を介して結合されたタンパク質も同様に実行できます」と彼は言いました。これは、他の科学者も生化学ネットワークの研究から得た洞察です。
Elowitz のグループのメンバーであり、BMP システムの実験作業の多くを行った Heidi Klumpe は、それをニューラル ネットワークの動作方法と比較します。つまり、ネットワークの特定のコンポーネントに固定の役割を割り当てるのではなく、役割を多くの接続から出現させることです。 . 「細胞は以前考えられていたよりも複雑な計算を行っていると考えています」と彼女は言いました.
「私たちが今やろうとしているのは、これらのシステムが実際に計算する関数の種類を正確に把握することです」と Elowitz 氏は言います。
チューリッヒ大学の進化生物学者であるアンドレアス・ワグナーは、このような無差別システムが選択されたのは、それが何らかの利点をもたらすという考えが「的を射ている」ことに同意する.この利点がその汎用性にある可能性があるということは、「この問題について真剣に考えた人の頭をよぎった可能性が高い」と彼は言いました.
しかし彼は、「もっとありふれた別の可能性がある」と付け加えています。多細胞生物の細胞のような複雑なシステムが機能する唯一の方法はおそらくこれしかないのです。 「セルラー システムは非常にノイズが多いです」と Wagner 氏は言います。細胞内の混雑した押し寄せる環境での分子の遭遇は予測不可能であり、生成されるタンパク質の量は刻々とランダムに変動します。各コンポーネントが別のコンポーネントに特別に配線されているセルは、これらの制御不能な変動に対して非常に脆弱です。回路要素がネットワークにランダムに出入りし続けるかのように動作します。
さらに、細胞が分裂するたびに、DNA複製のランダムコピーエラーのために、回路が正確に再現されるという保証はありません. 「そのようなシステムは、その特性を変化させる突然変異に対して非常に敏感である可能性があります」とワーグナーは言いました. 「これらすべてのコストを合わせると、法外な額になる可能性があります。」
その結果、細胞はノイズを有利に利用する適応を進化させた可能性があり、制御ネットワークの組み合わせロジックの Elowitz のモデルは「そのような適応の一例である可能性がある」と Wagner は述べた。 「細胞は、適切な種類の組み合わせ論から力を発揮するずさんなシステムを持っている可能性があります。」
ハーバード大学医学部の発生生物学者であるMeng Zhuは、「生物学的システムは一般に、私たちが想像するよりもはるかに堅牢です。研究者は、生存に不可欠と思われる遺伝子を実験的に無効にすると、生物はほとんど気付かないように見えることがよくあります。生物は、遺伝子とタンパク質のネットワーク内の相互作用と経路を再調整して補償します. BMP システムに見られるように、関連するタンパク質の冗長性と代償機能は、その能力の重要な部分である可能性があると彼女は言います.
Zhu は、無差別で高度に相互接続されたタンパク質ネットワークも、生物が進化を通じて有用な新しい能力を獲得する能力を促進する可能性があると考えています。 「より高い接続性を持つシステムは、新しい機能をより簡単に進化させる傾向があります」と彼女は言いました。なぜなら、その構成部分の有害な突然変異をよりよく許容できるからです.
逆に、分子成分間のすべての相互作用が非常に細かく調整されている場合、「何か新しいことを行うのは非常に困難です」と、オックスフォード大学で生物学的複雑性の問題に取り組んでいる物理学者のアード ルイスは述べています。これらのコンポーネントの変更は、たとえ有利に見えるものであっても、既存の重要な機能を混乱させる可能性があります.
したがって、あるタンパク質を別のタンパク質に置き換えることを可能にする無差別結合により、ネットワークは古い機能を失うことなく新しい機能を獲得できる可能性があります。スイス連邦工科大学チューリッヒ校で Joshua Payne と協力している Wagner は、この考えを支持するものを見つけました。彼らは、転写因子の乱雑な結合が、突然変異に対する頑健性と新しい機能を進化させる能力の両方を促進できることを示しました。
したがって、リガンド結合のコンビナトリアル システムは、細胞により多くの選択肢をもたらし、生物により多くの進化可能性とノイズに対するロバスト性を与える可能性があります。進化は、細胞の生化学の多くを、研究者が考えていたよりもはるかに詳細に敏感にならないように組織化した可能性があります.
「うるさくて進化した生物学的システムは詳細に満ちていると思いますが、それらの多くは無関係です」とクランペは言いました。 「さらに、重要なのは特定の詳細ではなく、より高いレベルの機能の保存である可能性があります」 — たとえば、転写因子がある程度の強度で結合して遺伝子発現をオンにする必要がある.
回路が単純すぎる
生体分子ネットワークにおけるこの種の「ずさんさ」は、医薬品開発に重要な結果をもたらす可能性があります。 「通常の医療における課題の 1 つは、薬物が標的タンパク質に対して非常に特異的である可能性があることですが、その標的タンパク質は、それが発現する細胞タイプに関して非特異的である可能性があることです」と Elowitz 氏は述べています。タンパク質の標的を非常に正確に攻撃できるかもしれませんが、それが異なる組織にどのような影響を与えるかはまだわかりません. Elowitz のチームの研究は、薬物が単一分子の「魔法の弾丸」以上のものである必要があるかもしれないことを示唆しています。望ましい反応を引き起こすには、組織固有の標的のさまざまな組み合わせを攻撃する必要があるかもしれません。
その組み合わせ原理の理由が何であれ、BMP シグナル伝達システムは、細胞が人間が作る機械とは違うことを示しています。 「そして、それは多くの生物学的システムに当てはまるかもしれません」とリントンは言いました. 「電子機器に単純に例えると、不足することになります。」
これは、生物学的システムについて話すだけでなく、それらを理解し、操作することを困難にします. Elowitz と Leibler が 20 年前に研究したバクテリアのような比較的単純なシステムには、電子的なアナロジーが適しているかもしれませんが、生物がより複雑になると、特にそれらが多細胞になり、多様で特殊化された細胞で一緒に働く遺伝的に同一の細胞を持つようになると、州 — 異なる規則が適用される場合があります。
BMPシステムによって例示される動作原理は、「多細胞性とより複雑な組織を生み出す方法として自然界に出現したもの」かもしれません.彼は、「これが、私たちのような生物の出現を可能にしたイノベーションだった」可能性さえあると示唆しています。
おそらく、細胞がどのように機能するかについての最も有用な類推は、嗅覚や認知など、それ自体が生物学的なものです。おそらく、人生を本当に理解する唯一の方法は、それ自体を参照することです.
