トップ生物I 改訂版第2部 生命の連続性第2章 発生>第2節 発生のしくみ

第2節 発生のしくみ

 

A 調節卵とモザイク卵

◆胚の調節性

教科書に示す胚の分割実験以外でも,下に示す2個の胚の融合実験が示すように,胚の調節性をどの時期に失っていくかは,生物によって異なっている。

 

発生の研究史

ギリシャ時代以来,人間がどうして生まれてくるかについては,いろいろな考えが発表された。アリストテレスは,胎児のもとになるのは女の月経血で男の精液は発生を進める役割を果たすと考えた。この時代の発生に関する考え方は,器官は発生に伴って生じてくるという後成説とみなされる。

17世紀に入って,イギリスのハーベイは,ニワトリの胚を観察して,血液が最初に発生する部分であると主張した。この世紀の後半になると,前成説が台頭し始めた。そのころから顕微鏡が使用され,ニワトリの卵を主な材料として,観察が進められた。イタリアの解剖学者マルピーギは,卵の中に縮小された動物が存在するという前成説を唱え,オランダのスワンメルダムも同様な考えを発表した。一方,ハルトゼーガーらは,精子の中に人間の像(ホムンクルス)が入れ子になって入っているという精原説と,そのもとになる精子の図を描いた。グラーフとステンセンは,ウサギの卵巣の中で卵を発見したと主張したが,彼らが見たのはろ胞であった。この発表も前成説の根拠とされた。

18世紀に入って,ヴォルフがニワトリの初期発生を調べ,各器官は発生の初めから存在するのではないという後成説の根拠を与えた。また,発達した顕微鏡による観察も,後成説を支持した。

19世紀に入ると,現代発生学の祖といわれるベーアが現れ,各種の動物の発生を比較して,各胚葉から形成される器管は動物の種類に関係なく一定であるということを明らかにした。また,ヘッケルは,発生反復説を唱え,発生と進化と関連づけた。また,ワイズマンは,個体の死で体細胞は死ぬが,生殖細胞は連続して子孫へつながっているという生殖質連続説を発表した。ワイズマンの友人のルーは,実験的に発生を調べる実験発生学を起こした。今世紀に入って,実験発生学は進展し,フォークトは局所生体染色法を開発し,胚の予定運命を明らかにした。シュペーマンは,イモリの胚で,発生のしくみを実験的に調べ,形成体と誘導現象を発見した。

 その後,発生のしくみに関する研究が進んでいる。20世紀の後半になり,遺伝子の働きが解明されるとともに,その成果をもとにして発生を研究する発生生物学が誕生した。発生生物学では,動物の組織や細胞培養が広く利用されるとともに,受精,発生,形態の分化などを,分子レベルで解明しようとする研究が盛んに行われている。

17世紀

 前成説の全盛

1672年 グラーフ,ステンセン

  ろ胞の発見

1759年 ヴォルフ

  発生の原理

1828年 ベーア

  胚葉説

1868年 へッケル

  発生学の創立

1881年 ルー

  実験発生学の創設

1892年 ワイズマン

  生殖質連続説

1922年 フォークト

  局所生体染色法による研究

1924年 シュペーマン

  誘導・形成体の発見

1930年〜

  実験発生学の発展

 

 

B 胚の予定運命と決定

◆予定運命

フォークトの行った生体染色の方法は,次のようであった。

すなわち,中性赤またはナイル青などの水溶液に寒天片を約1週間浸す。寒天片が,これらの色素液によって染まったら,これを0.2mm立方ぐらいの小片に切断する。この小片を卵の適当な部位にあてがい,上からおもしをのせて数十分放置する。胚の原基配置についての研究は,最初は有尾両生類について行われたものであるが,現在では,魚類・両生類・は虫類にまで及んでいる。

 

参考 昆虫の受精卵と細胞質

体細胞は,両親から譲り受けた遺伝情報のすべてをもっている。しかし,遺伝子の大部分は発現しておらず,多くは発生過程の一定の時期に,一定の場所の細胞でだけで発現する。立体的な体をつくりあげるには,XYZ軸の情報が必要である。ハエでは,母親は卵に軸情報を与え,受精卵は軸情報をもとに遺伝子を次々と選択し,発現させていく。

ハエとヒトを比べると,形態が大きく異なり,体づくりのしくみが異なるように見える。しかし,形態形成ではたらく遺伝子や,その機能は基本的に同じであり,ハエで明らかにされたしくみの多くは脊椎動物にもそのまま当てはまる。地球上の多様な動物の祖先は共通だからである。したがって,実験動物として扱いやすいハエが多く用いられ,重要な研究成果の蓄積も多い。

 

背腹軸形成

ショウジョウバエの背腹軸に沿った位置情報は,核に存在する転写因子ドーサルDl)の濃度勾配として与えられる。Dlは母性遺伝子産物であり,腹側の形成に必要な遺伝子の転写を活性化させ,背側を形成する遺伝子の転写を抑制する。Dl が欠失すると,胚全体が背側化する。核のDlの濃度勾配の形成には,囲卵腔に蓄えられた濾胞細胞からの情報がかかわっている。

卵母細胞の形成過程で,核は卵母細胞の前端の細胞膜直下に移動する。この核が移動した部位が,後に胚の背側になる。核はグルケン(GurkenmRNAを合成し,mRNAは翻訳されて核の周辺に分泌性のGurkenが合成される。Gurkenは拡散し,濃度勾配が形成される。卵母細胞から囲卵腔に分泌されたGurkenは,濾胞細胞の細胞膜受容体に結合し,濾胞細胞のパイプ(Pipe)の合成を抑制する。Pipeは濾胞細胞から囲卵腔に分泌される伝達因子であり,囲卵腔及び卵母細胞内のシグナル伝達カスケードを介して,最終的に胚の核にDlを蓄積させる。卵母細胞の核から遠い細胞質ではGurkenの濃度が低いか,分泌されない。Gurkenの濃度に反比例するように濾胞細胞から囲卵腔にPipeが分泌され,胚の腹側の核のDl濃度が高くなり,腹側の構造が形成されることになる。

核内Dlの濃度によって発現する遺伝子が異なる。したがって,背腹軸に沿って細胞が分化することになり,腹側から中胚葉,神経外胚葉,側部外胚葉,背側外胚葉,羊漿膜が形成される。

Dlによりスネイル(sna),ツイスト(twi),ロンボイド(rho)の転写が活性化される。これらの遺伝子の転写調節領域とDlの親和性は弱いため,転写活性化には高濃度のDlを必要とする。したがって,これらの遺伝子は腹側の領域だけで発現し,背側では発現しない。また,これらの遺伝子間で,活性化に必要なDl濃度が異なるため,発現の領域が異なる。

Twiは中胚葉を形成する遺伝子を活性化し,Rhoは神経外胚葉を形成する遺伝子を活性化する。一方,Snaは非中胚葉で発現する遺伝子と,rhoの発現を抑制する。これらの遺伝子の相互作用により,SnaTwiが発現する最も腹側の領域が中胚葉になり,Rhoだけが発現する領域が神経外胚葉になる。

Dlは背側を形成する遺伝子ツェアクヌルト(zen),デカペンタプレジック(dpp),トロイド(tolloid)を抑制する。背側ではDlが核内にないので,これらの遺伝子がはたらき,背側が形成される。

 

◇前後軸形成

ハエの胚は,母親から与えられた前後軸に沿った位置情報をもとに,先節,頭部,胸部,腹部,尾節を分化させていく。前後軸情報は転写因子ピコイドBicoidBcdの濃度勾配として与えられ,後部の前後軸情報は翻訳調節因子ナノスNanosNosの濃度勾配として与えられる。

bcdmRNAは,卵形成の過程で,保育細胞から卵に輸送されるが,卵の先端部にとどまる。

bcdmRNAは受精するまで翻訳されない。受精とともに合成が開始されるとBcdタンパク質は胚の先端から拡散し,後方に向けて濃度勾配が生じる。Bcdの濃度によって,活性化される胚の遺伝子が異なるので,前後軸に沿った分化が起きることになる。

nos-mRNAも卵形成の過程で,保育細胞から卵に輸送され,後端に蓄積される。受精とともに合成が開始されたNosタンパク質は,胚の後端から拡散し,前方に向けて濃度勾配が生じる。Nosの濃度に応じて,タンパク質合成が調節され,前後軸に沿った分化が起きることになる。

 

◇前後軸に沿った胚の遺伝子発現調節

母系遺伝子のはたらきで前後軸が形成されると,次に,体の分節化が始まる。最初にギャップ遺伝子群がはたらき,胚は先節,頭部,胸部,腹部,尾節の5つに分化する。

 

ギャップ遺伝子は母系遺伝子タンパク質の濃度勾配によって発現調節を受けるので,ギャップ遺伝子タンパク質も濃度勾配を形成する。ギャップ遺伝子タンパク質の濃度に応じて,さまざまなペアルール遺伝子が,7本のストライプとして発現する。奇数番目のパラセグメントで発現するペアルール遺伝子と,偶数番目のパラセグメントで発現するペアルール遺伝子があり,胚は14本のストライプに区画化される。このときまでに,胚の細胞化は完了しており,以降,細胞間シグナル伝達を介した細胞分化が起きる。

ペアルール遺伝子タンパク質はセグメントポラリティー遺伝子の発現を調節し,14個のパラセグメントをさらに細分化する。さらに,ギャップ遺伝子とペアルール遺伝子が協調的にホメオティック遺伝子の発現を調節し,各体節に特徴をもたせていく。

 

◇ホメオティック遺伝子

ホメオティック遺伝子の産物は転写因子であり,体節に特徴を与えるはたらきがある。突然変異が起こると,体の一部が別の部分に変わること(ホメオーシス)から,ホメオティック遺伝子と名づけられた。ホメオティック遺伝子は第3染色体の2か所に連なっており,アンテェナペディア・コンプレックスと,バイソラックス・コンプレックスとよばれる遺伝子群がある。

 

◇ホメオティック・コンプレックスの構造と機能

アンテェナペディア・コンプレックスは3′末端から,レイビアルlab,プロボシピディアpb,デフォームドDfdエスシーアールScrアンテェナペディアAntpの順に並んでいる。pbは成体になってはじめて機能する遺伝子であり前端の口の形成にかかわる。labDfdは頭部の体節を分化させ,ScrAntpは胸部の体節を分化させる。正常なハエでは,Antpは第2胸節の形成にかかわるが,頭部でAntpを発現する突然変異体では,触角となるべきところに脚ができる。一方,Antpが欠損すると,第2胸節の脚の代わりに触角が形成される。

バイソラックス・コンプレックスは3′末端から,ウルトラバイソラックスUbx,アブドミナルA abdA,アブドミナルB abdBの順に並んでいる。

Ubxは,3番目の胸部体節の分化にかかわり,欠損すると,平均棍をもつ第3胸節の代わりに,翅をもつ第2胸節と同じ構造が形成される。abdAabdBは,腹部体節の分化にかかわる。

 

興味深いことに,ホメオティック・コンプレックスの各遺伝子の前後軸に沿った発現領域の並び順と,遺伝子の並び順が一致している。脊椎動物もホメオティック・コンプレックスをもっており,各遺伝子をまとめてホックス(Hox)クラスターとよぶ。脊椎動物では遺伝子重複してHoxAHoxBHoxCHoxD4つのコンプレックスになっており,ショウジョウバエのホメオティック・コンプレックスと同様に,前後軸や四肢の基部先端軸に沿って領域特異的に発現する。なお,ホックスの各遺伝子の前後軸に沿った発現領域の並び順と,遺伝子の並び順も,ショウジョウバエのホメオティック・コンプレックスと同様に一致している。脊椎動物のHox遺伝子群も体軸に沿ったパターン形成にかかわることが明らかになっている。

C 形成体と誘導

◆形成体

脊椎動物の初期発生で予定外胚葉に働きかけて,中枢神経の形成を引きおこすと共に,それ自身は,頭部中胚葉・脊索・体節に分化し,胚の形成の中心として働く胚の部分を指す。形成体の存在について最初に気づいたのはシュペーマンであるが,つづいて,マンゴルド,ホルトフレーターなどのドイツの学者によって著しく研究が発展した。形成体のはたらきの本質については,すでにいろいろな説があるが,形成体と反応を受ける組織とを,ミリポア・フィルターでへだてても誘導が成立するような物質であることは事実である。「この物質はタンパク質で,タンパク質分解酵素によって作用がそこなわれる。作用部位はかなり不安定な性質らしく,放置すると誘導そのものが変わってくることがある」というのが大体の現時点での理解である。

 

◆誘導

形成体の項で述べたように,誘導は形成体に含まれている特殊な物質によるという見解に対しては,いわゆる誘導物質によって,組織の状態に変化がおこり,そのような状態が誘導をおこすのであって,特定の誘導物質など考えられないとする反対論もある。

 また,細胞の内部にまではいりこんで情報を伝えるなんらかの活性物質の存在によると考えるより,分化すべき細胞の表面へのある種のはたらきかけによるものとみたほうがよいとする考えもある。

 

◆中胚葉誘導

動物極の割球や植物極の割球は,発生の早い段階からそれぞれ表皮外胚葉や内胚葉組織に自律的に分化する傾向がある。アフリカツメガエルの胞胚の動物極領域をアニマルキャップといい,アニマルキャップを胚から切り出し,単離した状態で培養をすると,表皮外胚葉にしかならない。植物極領域を切り出し,単独で培養すると,消化管に似た内胚葉になるが中胚葉は形成されない。ところが,表皮外胚葉にしかならないアニマルキャップと内胚葉にしかならない植物極領域の細胞を結合させて培養すると,典型的な中胚葉構造が形成される。なお,アニマルキャップと植物極領域の中間にある帯域とよばれる領域を切り出し,単独で培養すると筋肉や管などの中胚葉になる。このことから,オランダの生物学者ニューコープは植物極領域の細胞と動物極領域の細胞間に相互作用があり,帯域が形成されて中胚葉になると考えた。この現象は中胚葉誘導とよばれ,脊椎動物の発生で起こる最初の誘導現象である。

 カエルの未受精卵には動植物軸があり,精子は色素が沈着した動物半球に進入する。卵の表層は精子が進入すると,卵の内部細胞質に対して約30度回転する。これを表層回転という。回転の方向は精子の進入点によって決まり,表層回転によって左右相称が確立する。色素が沈着した表層が動物極方向に回転すると,精子の進入点の反対側に色が薄くなった領域が現れる。これを灰色三日月環といい,将来の背側中胚葉となる。背側中胚葉は形成体となり,脊索,体節,神経管などの背側の組織を誘導する。この背側中胚葉を誘導するのが,植物極背側領域であり,これをニューコープセンターとよぶ。植物極背側領域は消化管内胚葉に分化する。

微小管の重合を阻害する紫外線照射により表層回転を妨げると背側の構造が形成されず,微小管の形成を重水D2Oにより促進すると腹側の構造が小さくなり,背側の構造が増大することが知られている。また,卵割期の胚をリチウムイオンで処理すると,胚全体が背側化する。リチウムイオンはWntシグナル伝達系のGSK3βの活性を抑制し,転写因子βカテニンの核への移行を促進することから,Wntシグナル伝達系が背側構造の形成に関わることが示唆されている。

ニューコープセンターの働きに関わる遺伝子の探索は,アニマルキャップを遺伝子産物を加えた培養液で培養し,その発生を調べる方法で行われてきた。この手法をアニマルキャップアッセイという。中胚葉誘導因子の候補として,繊維芽細胞増殖因子(FGF)とアクチビンなどの形質転換増殖因子βTGF-β)が最初にあげられた。アクチビンは濃度依存的にさまざまな中胚葉組織を誘導する。また,背側中胚葉の誘導にも関係していることが示されている。しかし,アクチビンノックアウトマウスで中胚葉が正常に分化し,アクチビン受容体のノックアウトマウスでも中胚葉の分化が正常であるなど,アクチビンが単独で中胚葉誘導を担っているわけではなさそうである。他に,TGF-βファミリーに属すVg1や,BMPサブファミリーに属すNodalが中胚葉誘導因子の有力な候補にあげられており,アクチビンはBMPNodalを介して働いていることが示唆されている。

背側中胚葉はシュペーマンにちなんでシュペーマンオーガナイザーとよばれる。シュペーマンオーガナイザーで発現する遺伝子も,転写因子をコードするgoosecoidlim-1や,分泌タンパク質をコードするnogginchordinなど,多数報告されている。

 

◆分化

1924年,シュペーマンとマンゴルドによって発生運命の決定のしくみの大要が示された。現在では2つの細胞群が接触したとき一方が他方の発生運命を決定する誘導作用が連鎖的に起こって,各胚葉からいろいろな組織や器官が形成されていくと考えられている。オーガナイザー(形成体)発見とその誘導連鎖の解析は,最初両生類で行われたが,原索・脊椎動物全般にわたってその機構が明らかになり,発生の根本原理として認められている。

 

発展 発生と細胞分化 クローン動物

ヒトの一卵生双生児が生まれる原理と同じように,胚が胚盤胞になったところで分割し,代理母の子宮に着床させるとクローン動物が得られる。この技術は実用化されており,優良な肉牛の卵と精子を人工受精させ,胚を安価な乳牛の胎内で育てると,高価で肉質の良いクローン牛を量産することができる。

 一方,体細胞の核を卵に移植して得るクローンを体細胞クローンという。未受精卵の核を取り除き,核を移植する。次に,電気刺激で精子による受精と同じように卵を活性化させ,発生を開始させる。胚盤胞まで培養したところで子宮に着床させて,生まれるのを待つのである。

体細胞から直接,核を取り出すのではなく,増殖因子を含む培養液の中で細胞分裂させてから核を取り出すと,成功率が高まることが知られている。体細胞の細胞分裂の速度は初期胚に比べると非常に遅いので,培養により増殖速度を初期胚に近づけることがよい結果につながるものと考えられている。

 これまでに,ヒツジやウシの体細胞クローンを得ることに成功している。しかし,成功率は極めて低い。大部分は妊娠中に死亡し,誕生したとしても何らかの異常がある場合が多い。その原因は,体細胞の核を卵に移植するとDNAのメチル化のパターンが書き換えられることにある。DNAのメチル化の程度と,メチル化される塩基配列は発生過程で大きく変動する。体細胞の核が卵に移植されると,DNAのメチル化パターンが胚盤胞に至る過程で消去される。細胞分化にともない,新たにメチル化を受けるが,メチル化パターンが異常になる場合がほとんどである。メチル化パターンが正常と異なると,遺伝子の発現パターンが狂い,正常な発生をしなくなり,流産する。たまたま,正常と似たメチル化パターンが得られれば,一見正常に生まれてくるが,障害を伴う場合が多い。例えば,雌の性染色体はXXであり,正常な個体では,片方のX染色体をメチル化して不活性化し,雄のX染色体の遺伝子情報量と等しくしている。しかし,体細胞クローンでは大部分が,両方のX染色体遺伝子を発現してしまう。

 クローン人間が得られたとしても,正常な体のヒトが得られる確率は今のところ皆無に近い。精神は遺伝子だけで支配されているわけではなく,むしろ誕生後の経験により形成される神経のネットワークが大きな影響を及ぼす。一卵性双生児が別々の人格をもつように,クローン人間ができたとしても,各クローンは別の人間であることを忘れてはならない。

 

 

 

 








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