人体には、ほとんどの見積もりで 200 種類以上の細胞が含まれており、そのすべてが 1 つの受精卵から派生したものです。皮膚のとげのある細胞、神経節に分かれた神経細胞、ふっくらとした脂肪細胞、非常に敏感な目の桿体と錐体 - これらはすべて、長い発達過程の産物であり、その間にそれらの物理的形態は見分けがつかないほど変化しました.しかし、いくつかの例外を除いて、これらの細胞はすべて受精卵と同じ遺伝子を持っています。細胞ごとに変化する唯一のことは、どの遺伝子がアクティブであるかです。
しかし、遺伝的に同一の細胞がどのようにして異なるアイデンティティーにシャントされるのでしょうか?幹細胞を皮膚細胞に変えるために分子レベルで何が起こっているのですか?なぜそれらは筋肉や脂肪に変化するのではなく、その状態のままなのですか?
研究者たちは、カラシナ、ムカデ、シロナガスクジラなど、すべての複雑な生物の発生に関連するこのような質問に答えるのに苦労してきました。遺伝モデルの初期の試みには、生物学者が自然界で見たものの重要な側面が常に欠けていました。特に、多数の細胞運命を定義するためにスケールアップできる単純さが欠けていました.
現在、物理学のバックグラウンドを持つカリフォルニア工科大学の生物学者グループが Science で報告しています。 彼らは、驚くほど複雑で生き生きとした行動を生み出す単純な遺伝子ネットワークを考案した.これは、自然がどのように細胞に分化を指示するかを理解する上で重要な進歩を表す可能性があります.
少数の操作された遺伝子を細胞に導入し、適切な化学的手がかりを適用することにより、研究者は細胞を7つの異なる安定状態に導くことができました.7つの異なる安定状態は、顕微鏡下で異なる光る色によって区別できます.細胞は、分化した細胞に関連する重要な特性を示しました。たとえば、彼らは 1 つのタイプの細胞であることに安定して関与していましたが、以前の活動の「記憶」も示し、それが新しい状況への反応に影響を与えました。
数学的モデルは、ほんの数個の遺伝子を追加するだけで、複雑な生物の組織を構成するのに十分な数の数百の細胞のアイデンティティを定義できる可能性があることを示唆しています。これは実験への扉を開く発見であり、何千年も前に私たちを構築するシステムがどのように構築されたかを理解することに近づく可能性があります.
相互抑圧の限界
発生生物学者は、自然の細胞を研究することによって、細胞が何らかの発生経路に従うように促す多くの転換点と化学シグナルを明らかにしてきました。しかし、合成生物学の分野の研究者はしばしば別のアプローチを取る、とカリフォルニア工科大学の生物学および生物工学の教授であり、新しい論文の著者であるマイケル・エロウィッツは説明した:そのようなシステムが必要とするものについて。
20 年以上前、James Collins 率いるボストン大学の研究者たちは、その方向への大きな一歩を踏み出しました。 自然の中で 論文で、彼らは大腸菌に挿入した人工細胞制御回路について説明しました バクテリア. この回路は、セルを 2 つの状態の間で反転させることができます。操作された細胞は、蛍光色素の産生を抑制する遺伝子がオフになっている限り、緑色に光りました。しかし、科学者が細胞の培養液に1つの化学物質を加えると、リプレッサー遺伝子が活性化され、色が消えました.別の化学物質を投与すると、第 2 のリプレッサーが強制的に作用することでこのプロセスが逆転し、緑が戻ってきました。
これらの 2 つの状態は安定していました。変化を引き起こす化学物質が追加されるまで、細胞は光っているか暗いままでした。この安定性は、開発中に発行された化学コマンドによって運命が永久に設定される自然界の細胞の挙動を思い起こさせます。制御システムの鍵は、2 つの抑圧者が互いに抑圧し合うということでした — 一方が優勢なとき、もう一方は休眠状態でした.
この種の相互抑圧は、コリンズの実験以来、生物学者が考案したほとんどの細胞制御システムの中心となっています。洗練された例は、2017 年の論文で発表された、アリゾナ州立大学の生物医学工学の准教授である Xiao Wang と彼の同僚によって設計されたシステムです。彼らは、相互に抑制し合う 2 つの転写因子と、それ自体を活性化する 2 つの遺伝子を使用して、E を挿入できるシステムを作成しました。大腸菌
ただし、相互抑圧はスケールアップが複雑になる可能性があります。遺伝子を追加することで追加の安定状態を生成できますが、各遺伝子は他のすべての遺伝子を阻害する必要があります。このようなアプローチは、野心的な合成生物学の実験でも扱いにくいように思われ、生物の細胞の発生を誘導するために、自然は明らかにそのような脆弱なシステムに頼ることができませんでした.
柔軟性、適応性、堅牢性
Elowitz が彼の研究室の大学院生である Ronghui Zhu とこの問題について話し合ったとき、彼らはスケールアップするためのより簡単な方法があるのではないかと考えました。 「自然システムの基本的な特性は、スケーラブルであることです。それが重要な洞察だったと思います」と Elowitz 氏は述べています。 「何かを追加するたびに、すでに組み込まれているものすべてを再設計しなければならない [必要のない] デザインが必要です。」
彼らは、転写因子タンパク質がペアまたは二量体で結合しているのが見られる自然界の解決策を探しました。転写因子は、それ自体のコピーに結合することもあれば、まったく異なる因子に結合することもあります。それがバインドされているものは、因子の能力を根本的に変更し、新しい遺伝子を活性化するか、完全にオフにすることができます.これらの組み合わせの順列は、セルの可能な状態のネットワークを形成します。
そこで、Elowitz と Zhu は、相互に阻害および促進する転写因子のペアが細胞の状態を制御できるシステムを説明する数学を計算しました。彼らの新しいシステムでは、各遺伝子が転写因子タンパク質を生成します。これらのタンパク質は二量体として結合して効果を発揮します。同じ因子の 2 つのコピーが結合すると、結果として生じる「ホモ二量体」が、遺伝子によるさらなるタンパク質産生を刺激します — 正のフィードバック ループです。しかし、因子が別の因子に結合して「ヘテロ二量体」を形成する場合、転写因子は不活性です。
この配置の優れている点は、転写因子遺伝子の活性または非活性が設定されると、その状態が維持される傾向があることです。異なる二量体の組み合わせの正確な量を微調整して、遺伝子活性の任意のパターンを生成できます。転写因子の安定性に影響を与える重大な環境変化は、細胞をある状態から別の状態に反転させる可能性がありますが、ランダムな小さな変化は無視されます.これにより、制御システムは柔軟で適応性があり、堅牢になります。
ずっと後に、Elowitz、Zhu と彼らのチームは、主に E で構築された他の研究室のシステムから変更して、哺乳類の細胞で実際にそれを構築できるかどうかを確認することにしました。大腸菌 .彼らは、同僚によって組み立てられた転写因子コンポーネントのツールボックスを利用して、ホモ二量体として活性であるがヘテロ二量体として不活性な 2 つを設計しました。モデルは、これらの周りに構築された制御システムが細胞を3つの異なる状態にすることができることを示唆しました.1つは最初の遺伝子のみが活性化された状態、もう1つは2番目の遺伝子のみが活性化された状態、もう1つは両方が活性化された状態です。どちらの状態が優勢であるかは、因子タンパク質の安定性と、それらが互いに結合する可能性に依存します。 「この設計により、組み合わせ制御が可能になり、1 つの状態が他の状態を抑圧することも可能になります」と Zhu 氏は述べています。
もちろん、モデリングは 1 つのことです。生きている細胞で何かを機能させることは別です。 Elowitz 氏は、「生物学の数学的モデリングを何度も行うと、モデルが多くの場合に起こっていることの非常に大まかな近似であり、モデルを予測するのが難しいことがよくあることを常に知っています」と述べています。 Zhu が最初のテスト用の遺伝子をハムスター細胞に導入したところ、細胞は素直に緑、赤、黄色の絵画的なパターンに変化したとき、チームは驚きました。彼らが MultiFate と名付けたシステムは、機能しているように見えました。
モデルが予測したようにスケールするかどうかを確認するために、彼らは 3 番目の転写因子を追加しました。細胞は、7色の万華鏡を必然的に開発しました。それらが邪魔されずに放置された場合、その状態は 1 か月以上持続し、自然のシステムの安定性を反映しています。
研究者はまた、細胞が変化にどのように反応するかを観察しました。細胞環境中の化学物質の濃度を変えることで、転写因子タンパク質を不安定にする可能性があります。予測どおり、これにより細胞は状態間を移動しました。しかし興味深いことに、遺伝子操作された細胞の応答は、その歴史によって部分的に形成されていました。化学物質の濃度が高濃度から低濃度になると、状態が切り替わりましたが、濃度が再び上昇したとき、元に戻るだけではありませんでした。
この行動の非対称性は本質的に類似しており、たとえば、欠乏の時代を生き抜く細胞は、エネルギーを蓄える永続的な状態にとどまる可能性があります。環境をリセットしても、セルのエクスペリエンスは消去されません。
セルラー ランドスケープを歩く
「非常に巧妙です」と、Science の Elowitz と Zhu の論文についての解説を共同執筆したボストン大学の教授である Ahmad Khalil は述べています。 . 「タンパク質の安定性を増減するだけで、さまざまな状態のこの風景をどのように歩き回るか、この風景を再形成できるかを示しています。」
今日の巨大な多細胞生物の複雑さを引き起こしたプロセスは、非常に単純なものから始まったに違いなく、タンパク質の安定性などの基本的で可変なものに依存していた可能性が非常に高いため、これは大きな成果です。 Elowitz と Zhu が説明したシステムは、これらのような原理が、自然界に見られる多種多様を生み出すのに十分だったことを示唆しています。
E を開発した Wang 氏。大腸菌 4 つの安定状態を持つシステムの研究者は、研究者のモデリングが、しばしば複雑で驚くべき結果をもたらすシステムを扱う数学の一分野である非線形ダイナミクスを利用したことを物語っていると考えています。 「遺伝子調節ネットワーク全体は非線形ネットワークです」と彼は言いました。非線形性はしばしばカオスにつながる可能性がありますが、生物学では通常そうではありません。 「だから、そこには何か他のものがあるに違いない。物事を非常に複雑にすると同時に、非常に堅牢にするための、非常に深い原理と規則が必要なのだ」
「理論的には、8 つの転写因子のマスター ネットワークがあれば、人体を形成する可能性をすべて備えたコア マシンを手に入れることができます」と Wang 氏は付け加えました。実際、Elowitz と Zhu は MultiFate の論文で、わずか 11 の転写因子で 1,000 以上の定常状態を生成できるはずだと書いています。
「理論上は非常にスケーラブルです」と Wang 氏は言います。 「しかし、スケールアップするときは注意が必要です。生物学には、未知のことがたくさんあります。予期しないものを見るかもしれません。」
今後、研究者は MultiFate システムを使用して、細胞の色だけでなく、細胞の成長と変化の実際の側面を制御することが期待できると Khalil は推測しています。おそらく、患者に導入された細胞は、望ましい発生経路をたどることによって、患者の環境に応答するように設計される可能性があります。たとえば、がんを感知した場合、診断上または治療上有用な方法で発症する可能性があります。 「それはとてもクールなアイデアです」と彼は言いました。
Elowitz にとって、このシステムは単なるルーブ ゴールドバーグ マシン以上のものとしての生物学の奇妙さを理解するための入り口です。単純なタスクを最大数のステップで実行するアーティストの気まぐれな仕掛けは、「進化不可能なデザインの完璧な具現化」であると彼は言いました。
「自然界のシステムは、何が起こっているのかを完全には理解していないため、表面的にはそのように見えるかもしれません」と彼は言いました。 「正しい見方を理解すれば、シンプルなデザインとして評価できると思います。」
