生物学で最も長く続いている問題の 1 つは、均一な細胞の胚の塊として始まった生物が、時間の経過とともに、それぞれが独自のパターンと特徴を持つ多様な組織を持つ生物にどのように変化するかということです。その答えは、ヒョウがどのように斑点を形成するか、シマウマが縞模様を形成する方法、樹木が枝を形成する方法、および生物学におけるパターンの発達の多くの謎を説明するでしょう.半世紀以上にわたり、多くの成功を収めてきた数学者アラン・チューリングによって提案された化学シグナル伝達に基づく洗練されたモデルが支持されてきました。
しかし、チューリングの理論は話の一部に過ぎないと疑う科学者が増えています。ロックフェラー大学の発生生物学者であるエイミー・シャイヤーは、「私の意見では、単にその美しさのために、それがどれほど広く適用されるべきかについて私たちは盲目でした.彼女の見解では、細胞が成長して分裂する際に細胞に作用する収縮と圧縮の物理的な力も中心的な役割を果たす可能性があります.
そして今、彼女はそれを証明しています。 Cell に掲載された論文で 5月、共同主任著者であり仲間の発生生物学者であるShyerとその同僚は、機械的な力がニワトリ胚の皮膚を誘導して、羽を成長させるための卵胞を作成できることを示しました.表面張力が水をガラス表面の球状ビーズに引き込むことができるのと同様に、胚内の物理的張力も、発生中の組織における成長と遺伝子活動を導くパターンを設定することができます.
生物が成長および発達するにつれて、その組織内の細胞は互いに引っ張ったり押したりしたり、それらが複雑に関連している支持タンパク質の足場 (細胞外マトリックス) を引っ張ったりします。一部の研究者は、これらの力が細胞の圧力と剛性の変化と相まって、複雑なパターンの形成を指示している可能性があると疑っています。しかし、これまで、これらの物理的な力の影響を、それらを煮る化学シチューから切り離すことができた研究はありませんでした.
パターンの引き出し
彼らが共同で率いるロックフェラー大学の形態形成研究室で、シャイヤーとロドリゲスはニワトリの胚から皮膚を取り除き、組織を分解して細胞を引き離しました。次に、細胞溶液を 1 滴ペトリ皿に入れ、培養して増殖させました。彼らは、皮膚細胞が皿の床の上で自己組織化してリングを形成するのを観察しました。これは、胚が通常になる細胞のボールの 2 次元バージョンのようです。細胞は脈動と収縮を繰り返しながら、細胞外マトリックス内のコラーゲン繊維を引っ張り、それを自分自身の周りに組み立てました。 48 時間以上かけて、繊維は徐々に回転し、束になってから互いに押し離され、羽毛包になる細胞の束を形成しました。
「これは非常にクリーンでシンプルな実験装置で、美しいパターンが現れ、それを定量的に制御することができました」とジョンズ・ホプキンス大学の生物物理学者である Brian Camley 氏は述べていますが、彼はこの研究には関与していません。
その後、細胞収縮率やその他の変数を調整することで、研究者は胚塊の物理的張力がパターンに直接影響することを示しました。 「最大の驚きは、これらのパターンを作成するために、細胞がこの非常に動的な方法で細胞外マトリックスと相互作用する方法だったと思います」とロドリゲスは言いました. 「私たちは、それが 2 つの間の相互的なダンスであることに気付きました。」
「これは、収縮性がパターン形成を駆動するのに十分である可能性があることを示唆しています」と Camley 氏は述べています。 「これは本当に新しい必須アイテムです。」
力学が先、遺伝子は後?
数学者のダーシー ウェントワース トンプソンは、1917 年に物理的な力が開発を導く可能性があると提案しました。彼の著書成長と形態について 、トンプソンは、ねじれ力が角と歯の形成をどのように支配するか、卵やその他の中空構造がどのように出現するか、さらにはクラゲと液体の滴との類似性についても説明しました.
しかし、トンプソンの考えは後にチューリングの説明によって覆され、遺伝子の新たな理解とより容易に結び付いた。 1952 年の論文「形態形成の化学的基礎」で、彼の死の 2 年前に発表されたチューリングは、骨格の斑点、縞模様、さらには骨の彫刻された形のようなパターンは、モルフォゲンと呼ばれる化学物質の渦巻く勾配の結果であると示唆しました。それらは細胞全体に不均一に拡散するため、互いに相互作用しました。モルフォゲンは、分子の設計図として機能し、指、歯列、またはその他の部分を発達させる遺伝子プログラムを開始します。
チューリングの理論は、その単純さから生物学者の間で愛され、すぐに発生生物学の中心的な信条になりました。 「生物学のほとんどのメカニズムについて、分子的および遺伝的観点からの強力な見解がまだあります」と Rodrigues 氏は述べています。
しかし、そのソリューションには何かが欠けていました。ケミカルモルフォゲンが発達を促進するなら、科学者は一方が他方に先行することを示すことができるはずである — 最初に化学物質が来て、次にパターンが来る.
彼女とロドリゲスは研究室でこれを示すことができませんでした. 2017年、彼らはニワトリ胚の皮膚を小さくスライスし、卵胞を形成する準備として組織がまとまるのを注意深く観察しました.一方、彼らは卵胞形成に関与する遺伝子の活性化を追跡しました。彼らが発見したのは、細胞が集まるのとほぼ同時に遺伝子発現が起こったということでしたが、それ以前ではありませんでした.
「『最初に遺伝子発現、次に力学』ではなく、力学がこれらの形状を生成しているようなものでした」と Shyer 氏は言います。その後、彼らは、遺伝子調節化学物質の一部を除去してもプロセスが中断されないことを示しました. 「それは、『ねえ、ここで何か他のことが起こっているかもしれない』と言う扉を開きました」と彼女は言いました.
生物学のアクティブ ソフト マター
Shyer と Rodrigues は、彼らの研究と将来の調査が、物理学の役割と、発生中の化学物質や遺伝子との相互作用を解明するのに役立つことを願っています.
シカゴ大学の分子生物学者である Edwin Munro 氏は、この研究には関与していませんが、「分子遺伝子の発現、シグナル伝達、および細胞運動における力の生成のすべてが互いに密接に関連していることを認識しています」と述べています。
マンローは、細胞外マトリックスの役割は科学者が現在認識しているよりも重要であると考えていますが、発達におけるそのより中心的な役割の認識が構築されています.最近の研究では、例えば、細胞外マトリックスの力がショウジョウバエの卵の発生に関連付けられています。
ロドリゲスは同意した。 「細胞と細胞外マトリックスがそれ自体で物質を形成しているようなものです」と彼は言いました。彼は、この収縮性細胞と細胞外マトリックスの結合を「アクティブなソフトマター」と表現し、細胞外の力によって発生する胚発生の調節についての新しい考え方を示していると考えています。今後の研究で、彼と Shyer は発生中の物理的力の詳細を解明し、それらを分子ビューと統合することを望んでいます.
「以前は、ゲノムをより深く厳密に研究すれば、これらすべてが明らかになると考えていましたが、重要な問題に対する答えは、ゲノムのレベルでは得られない可能性があります。」発生の決定は、細胞内の遺伝子とその産物の相互作用によって行われるように思われていましたが、「意思決定は、細胞同士の物理的な相互作用を通じて、細胞の外側で行われる可能性がある」ということが明らかになりつつあります。 /P>
