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ヒトとネズミで発生のペースが違う理由

動物の発生が種によって異なった速度で進む理由が解明され始めている。そのカギとなるのは、細胞の中の小さな「タイムキーパー」かもしれない。

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ILLUSTRATION BY ALBERTO SEVESO

Nature ダイジェスト Vol. 18 No. 7 | doi : 10.1038/ndigest.2021.210720

原文:Nature (2021-04-29) | doi: 10.1038/d41586-021-01086-9 | These cellular clocks help explain why elephants are bigger than mice

Michael Marshall

スペイン・バルセロナにある欧州分子生物学研究所(EMBL)の研究室で、発生生物学者の戎家美紀は、歯車もばねも文字盤もない時計を組み立てた。この時計はチックタックと音を立てて時を刻むことはない。遺伝子とタンパク質でできていて、戎家のチームが研究室で作製した細胞層の中で正確に時間を計る。この小さな生物学的時計は、動物種間で最も目立つ違いのいくつかを説明する助けになるかもしれない。

動物細胞はさまざまな活動をしていて、その活動のペースは種間で異なる。全ての観察された例において、マウスの細胞はヒトの細胞よりも速く活動し、ヒトの細胞はクジラの細胞よりも速く時を刻む。こうした違いは、動物の体がどれくらい大きくなるか、さまざまな身体部分がどのように配置されるか、そしておそらく、どれくらい長く生きるかにさえ影響する。しかし長い間、細胞の中でこれらの速度を制御している「タイムキーパー」がどのようなものか、そして、そうした速度がなぜ異なるかについては解明が進んでいなかった。

細胞の働きを制御する時計はたくさんある。その中の1つに関する答えが、研究の高まりによって得られ始めている。初期胚には、遺伝子を活性化させたり、不活性化させたりすることによって規則的なリズムを作り出す時計が存在する。この時計は「分節時計」と呼ばれ、私たちの背骨の椎骨など、繰り返し構造をとる身体部分を作り出す。戎家が自身の研究室で作ったのはこの時計である。

「私は生物学的時間に興味を持っているのですが、寿命や妊娠期間は、私にとって研究するには長過ぎます」と戎家。分節時計は進みが速いので、理想的なモデル系になると彼女は言う。

生物学者たちは1990年代以来、分節時計の研究を行い、マウス胚の分節時計はヒト胚のものより約2倍の速さで動くことが分かっている。胚が発生するスピード、あるいは胚のさまざまな部分が発生するスピードは、成体の体に重要な影響を与える。戎家をはじめとするこの分野の研究者たちは、発生のペースの違いが、マウスとヒトのように異なる体と行動を持つ生物を作り出す仕組みを理解したいと考えている。

この謎に関する答えが、2019年ごろから出始めている。これは主に、ヒト幹細胞から分節時計を発生させる組織をin vitroで作製できるようになり、その活動を詳細に観察できるようになったおかげだ。

「本当に胸が躍るのは、それをヒト(の組織)で見られるようになったことです」と、スタンフォード大学(米国カリフォルニア州)の幹細胞生物学者Helen Blauは言う。「これは重大な進歩です」。

そうして得られた研究結果は既に、動物たちの発生の仕方の違いに関する長年の仮定の1つをひっくり返している。これまでのところ、分節時計の速度を制御するマスター遺伝子が存在する徴候は全くない。その代わりに、その速度はタンパク質が分解される速度の違いによって制御されているように思われる。科学者たちはこれまで、各タンパク質の分解速度はさまざまな動物でほとんど一定だと仮定していたので、この発見によって何冊かの分子生物学の教科書の改訂が必要になるかもしれない。

細胞におけるこうした速度の違いは、多くの他の動物と比べてヒトでは脳が特大であることや幼年期が長く長命であることなど、ヒトの発達の独特な特徴について説明するのを助けさえするかもしれない。

分節時計の研究の結果が真実であるなら、束の間の存在であるこの小さな時計は、私たちの一生を形成するより深い生化学の原則の存在を明らかにする手掛かりになる可能性がある。

ヘッケルと異時性

種をつくることに関していえば、速度は重要である。進化は、単に余分な骨を加えることによってキリンに長い首を与えたのではなかった。キリンの椎骨の数は、首が太くて短い親類のオカピと同じだ。キリンの首の椎骨はより長い期間にわたって成長することで、大きくなることができるのである。

このような変動、つまり体の部位により発生する速度にばらつきがあることは、異時性と呼ばれている。ドイツの動物学者で胚発生の研究で有名なエルンスト・ヘッケル(Ernst Haeckel)が解説した概念だ。現代の発生生物学者たちは、異時性という考えが、生物学の核心に関する謎に迫るのを助ける重要なカギであると見なしている。発生の最初期段階では、全ての脊椎動物の胚は同じように見えるが、胚発生が進むに従って、どの動物の胚なのかが容易に区別できるようになることは知っての通りだ。では、ヒト胚の細胞がチンパンジーの仔や幼魚ではなく、ヒトの赤ん坊になる仕組みはどのようなものなのか?

ドイツの動物学者エルンスト・ヘッケル(1834–1919)。1903年、彼のデスクにて。生物の系統的類縁を想定して系統樹を作り、個体発生では系統発生が繰り返されるという「生物発生原則(反復説)」を提唱した。チャールズ・ダーウィンの進化論をいち早く受容し、広めたことでも知られる。 | 拡大する

ullstein bild/ullstein bild via Getty Images

だいたいのところ、その答えは得られている。体の部分が発生する速度が大きな違いを生み、最終的な動物の姿を作り出すからである。では、何が発生の速度を制御するのだろう?

Haeckelと同じく、現代の生物学者たちも、椎骨などの繰り返し構造をとる体の部位が事例研究として役に立つことを見いだした。数十年前、彼らは体の部位が胚形成期にどのように生じるかを調べ始めた。

胚が発生するとき、そのコンパートメントの1つは自らくびれて、頭部から尾部へと続く繰り返し構造の部分(体節)を形成する。各体節は1つの椎骨とそれに関連する組織となる。

1976年に、2人の研究者が、このコンパートメントの細胞がそれぞれある種の振動機構を含んでいて、この機構が周期的なサイクルで自身のオンとオフを切り替えることにより、体節の形成が制御されるという仮説を発表した1。「この説はしばらく、珍奇な考えとされていました」と、ハーバード大学医学系大学院(米国マサチューセッツ州ボストン)の発生生物学者Olivier Pourquiéは言う。「そして、1990年代後半に私たちは、やがて体節を形成することになる組織でリズミカルな挙動を示す遺伝子を特定したのです」。

培養マウス細胞(左)と培養ヒト細胞(右)で、Hes7と呼ばれる遺伝子が自身の発現をオン/オフする様子。そのペースはマウス細胞の方がヒト細胞の2倍速いことが分かった。

M. Matsuda et al./Science

Pourquiéの研究チームは、発生中のニワトリ胚を研究して、c-hairy1と呼ばれる遺伝子が、90分ごとにオンとオフを切り替えることを見いだした2。90分は、1つの体節が作られるのに要する時間である。c-hairy1発現の波は、胚の尾部から頭部へ伝わっていき、体節の発生と同期する振動現象を示した。それ以来、同様の分節時計がマウスなど他の種でも発見されてきた。

Pourquiéや他の生物学者たちは、以来ずっと分節時計を詳しく調べて、それがどのように働くかを理解しようとしてきた。その過程で、分節時計が時を刻むのを助ける遺伝子とタンパク質の長いリストを作った。1つの重要な遺伝子はHes7で、ニワトリの遺伝子c-hairy1の哺乳類版である。時計に関与する他のいくつかの遺伝子と同様に、Hes7は繰り返し自身をオン・オフすることができる。このことから、この遺伝子は「分節時計の主要なペースメーカー」だと考えられると、20年近くこの遺伝子を研究している京都大学の発生生物学者、影山龍一郎は言う。

しかし、Hes7がなぜ異なった種において異なった速度でオン・オフするのか、そして、その結果、分節時計の速度が最終的にどのように制御されるかは、まだ分かっていない。ただし、過去3年間に行われた一連の研究から、その答えが指し示されている。

時計を分析

2019年と2020年に、いくつかの研究室が、幹細胞を培養して体節を形成する組織を作製することにより、in vitroでヒトの分節時計を再現できることを示した3-5。これは、ヒトも分節時計を持つことを示す最初の確実な証拠であった。といっても、ヒトが分節時計を持つことは広く受け入れられていた。この研究結果にはもっと重要な意味があった。ヒトの組織で分節時計を研究できることが初めて実証され、そのメカニズムをはるかにきめ細かく分析できるようになったのである。

このような研究が可能になったのは、幹細胞培養技術の進歩により幹細胞から特定の組織を作れるようになったからだと、ルーヴァン大学(ベルギー)の発生神経生物学者のPierre Vanderhaeghenは言う。ヒト胚では、分節時計が活動するのはだいたい妊娠第3週目と4週目の間だけである。「その時期は、女性がまだ妊娠に気付いてさえいません」と、Pourquiéは言う。「そのため分節時計に関して何も分かっていないのです。このin vitroの系は研究のための代用物となってくれます」。

2018年に影山のチームは、マウス胚性幹細胞を使って、体節を形成する組織を作り出せることを示した6。この組織ではHes7遺伝子発現の振動現象も見られる。2019年と2020年には、Pourquié、戎家、そしてモーグリッジ研究所(米国ウィスコンシン州マディソン)の幹細胞生物学者James Thomsonがそれぞれ率いる3つの独立した研究チームが、ヒトでも同じことが達成できることを示した3-5

これらの研究は、ヒトの分節時計と他の動物のものの間には多くの類似が見られることを明らかにした。例えば、ヒトとマウスでは同じ遺伝子とタンパク質の類似体が関わっている。

しかし、衝撃的な違いが1つあった。ヒトの分節時計は進みが遅いのである。各振動には5~6時間かかり、マウス胚での2~3時間に比べて2倍長い。異時性の明確な例である(「分節時計を解明」参照)。しかしなぜ、ヒトの分節時計はそれほど進みが遅く、そして、何がそれを制御しているのだろうか?

分節時計を解明
数十年にわたり、研究者たちは、発生中の胚が椎骨などの繰り返し構造をとる体の部分を形成するのを助ける時計について研究してきた。分節時計はさまざまな遺伝子の発現を周期的にオン・オフすることによって計時している。 | 拡大する

SOURCE: REF. 7. GRAPHIC: NIK SPENCER/NATURE

ゆっくり時を刻む時計

2020年9月にScience に同時に発表された2編の論文7,8が、有望な答えを提供した。

戎家のチームはHes7遺伝子に注目した(彼女はこの遺伝子を「分節時計の核」と呼ぶ)。ヒトのHes7とマウス版Hes7が細胞の速度の違いを制御しているかどうかを調べるために、戎家らはマウス細胞にヒトのHes7を、そしてヒト細胞にマウスHes7を挿入し、ヒト細胞がマウスの速度で振動し始めるか、そしてその逆も起こるかを観察した。しかし、振動の速度はほとんど全く変化しなかった7。他の何かが、Hes7に影響を及ぼしていた。

これを調べるために、研究チームはHes7が実際にどのように働くのかを考えた。遺伝子は活性化されるとHes7タンパク質を作り出す。そしてタンパク質が十分な量作られると遺伝子は不活性化される。次に、Hes7タンパク質が分解されてしまうと、遺伝子はまた活性化され得る。このようにして、Hes7は自身のスイッチをオンにしたりオフにしたりを続けるのである。

戎家のチームは、Hes7タンパク質はヒト細胞中ではマウス細胞中よりゆっくり分解されるのではないか、そしてこれがHes7活動の振動を、ひいては分節時計の進みをより遅くしている原因の説明になるのではないかと考えた。その後の実験で、実際にHes7タンパク質とそのRNAテンプレートがヒトの細胞でははるかにゆっくり分解されることが明らかになった7

ヒトvs マウス
科学者たちは、in vitroでヒトの分節時計を再現して、Hes7と呼ばれる重要な遺伝子の活動を追跡した。マウスの時計と比べると、ヒトの時計の進みは2倍遅い。 | 拡大する

SOURCE: REF. 7. GRAPHIC: NIK SPENCER/NATURE

こうなる理由は、正確には分からない。Hes7タンパク質は、壊されるためにまずタグ付けをされて、そのあとプロテアソームと呼ばれる酵素複合体によって分解される。「しかし、この分解過程のどの部分がより遅いかは分かっていません」と戎家は言う。

好奇心をそそられるのは、ヒトのタンパク質の分解速度の遅さはHes7に、そして分節時計にさえ限定されるわけではないという点だ。これは2つ目の研究8によって証明された。この研究を率いたのはフランシス・クリック研究所(英国ロンドン)の発生生物学者James Briscoeで、彼のチームはマウス胚とヒト胚の脊髄における運動ニューロンの分化を研究した(「迅速な遺伝子」参照)。これは、椎骨の形成とは関係のない胚の異なる部分で起き、分節時計とは関係しない。しかし、この過程は、マウスでは3~4日であるのに比べて、ヒトでは約2週間かかり、やはり遅いのである。

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SOURCE: REF. 8

Briscoeの研究チームは、ヒトのタンパク質の分解にはマウスタンパク質の約2倍の時間がかかることを明らかにした。これがどうやら運動ニューロンの発生速度を決めているように思われた。これは戎家の知見と驚くほど似ていると、Briscoeは言う。「戎家が体節形成で発見したのと全く同じ時差が、脊髄でも見られたのです」。

マウスとヒトのタンパク質は全く同じと言えるほどよく似ていると、BriscoeのチームメンバーであるTeresa Rayonは付け加える。だからマウスのタンパク質の安定性がもともと低いということはあり得そうもない。「私たちは、その原因はタンパク質の分解のされ方にあるのではないかと考えています」とRayon。

それにもかかわらず、BlauとVanderhaeghenは、タンパク質分解の速度が、分節時計の速度の違いのカギだという考えに対して慎重な姿勢を見せている。「まだ確信は持てません」と、Blauは言う。これらの研究は速度の違いに対するいくつかの説明を除外したが、だからといって、タンパク質分解の速度が原因であるとはまだ立証されていないと彼女は言う。

反応速度

一方、未発表の実験で戎家は、全てのヒトのタンパク質の分解速度がマウスのタンパク質よりも遅いかどうかを調べている。「私たちは、ヒト細胞では分解がより遅くなるという一般的な傾向があると考えています」と彼女は言うが、それは全てのタンパク質に言えることではないかもしれない。また、彼女のチームは、他の種の細胞に比べてヒトの細胞ではタンパク質がよりゆっくりと分解されるのと同様に、タンパク質の合成速度も遅いという証拠を得ている。Vanderhaeghenは、代謝サイクルやミトコンドリアにおける過程など、細胞のその他の成分の中にも、種によって速度が速かったり、遅かったりするものがあるかもしれないと言う。

ヒト細胞では、生化学的反応がなぜそのように一貫してより遅いのか。また、この違いが生じる機構的な仕組みについても、進化史の中でなぜこれが起こったかについても、研究者の中でその答えを知る者はまだいない。

ヒト細胞が相対的に遅いのはその組成あるいは複雑性によるのかもしれないと、ダンディー大学(英国)の発生生物学者、J. Kim Daleは言う。例えば、分解機構自身が供給に追い付くのが困難だと感じて、反応を減速させているのかもしれない。「私たちが得ている情報からは、原因は細胞環境にあるだろうと示唆されています」と、彼女は言う。

in vitroの分節時計研究はこの疑問を解決してくれるかもしれないが、より広範な謎も提示するだろう。他の種に比べてヒト細胞の活動が遅いのは、ただ発生という特定の期間だけでなく、全生涯を通じて見られる現象なのだろうか? もしそうであるなら、ヒトの寿命が他の種に比べて長い理由を説明する助けになるかもしれない。

確信を持つには早過ぎるが、2021年1月に発表された研究9で、生化学的反応速度におけるこうした変動は、生物学において深く根差していることが示唆されている。ロチェスター大学(米国ニューヨーク州)でプロテオミクスを研究するSina Ghaemmaghamiが率いる研究チームは、最長でも4年ほどしか生きられないゴールデンハムスターからヒト、そして200年以上生きられるホッキョククジラまで12種類の哺乳類の皮膚細胞で、タンパク質がどのくらいの速さで合成されたり、分解されたりするかを比較した。

「たいした違いは見られないだろうと思っていました」とGhaemmaghamiは言う。プロテオミクスの教科書には、タンパク質の半減期はその構造によって決まると書かれていることが多いので、これらの非常によく保存されたタンパク質(種間での違いは非常に少ない)は、全ての動物の体内で同じくらいの時間存在し続けるはずだと彼は言う。しかし実際には、彼のチームは寿命との強い逆相関を発見したのだ。寿命の長い生物種のタンパク質の代謝回転は遅かったのである。

より長く生きる動物は単に生化学のレベルでより反応が遅いのか?「それは1億円の賞金に値する難しい質問です」とGhaemmaghamiは言う。「遅い代謝回転が長寿命を引き起こす何らかの方法なのか、あるいは長命の生物は完全に独立した理由で長命になって、そのあとで代謝回転率を調整できるのか? 解明は本当に困難です」。

当面、Ghaemmaghamiは反応の遅さは長寿命の結果だという作業仮説に基づいて研究を行っている。彼は、タンパク質の合成と分解が速いことは細胞が高品質なタンパク質を確実に使用できるようになるので良いことであるが、その全ての活動が細胞に傷害を与え得る有害な廃棄物を放出すると指摘する。「長命の生物であれば、ただ素早くタンパク質を合成したり分解したりすることはできません。他の何もかもにダメージを与えてしまうからです」と、彼は言う。代わりに、彼のチームは、長命の動物は全体的な代謝回転は減少させて、損傷したタンパク質だけを狙って分解するという方法をとっているのだろうと考えている。

戎家は、化学反応の速度はこれらの違いのカギであるかもしれないが、考えを一般化する準備ができる前にそのメカニズムを解明したいと考えている。「私は、同様のメカニズムで他の生物学的過程も説明できるのかどうか、まだ確信を持てません」と、彼女は言う。

それには時間がかかるかもしれないが、戎家や他の研究者が作り出した時計は、動物がどのように時を刻むかに関して、もっと多くのことを明らかにしてくれるだろう。

(翻訳:古川奈々子)

Michael Marshallは、英国デボンに拠点を置くサイエンスライター。

参考文献

  1. Cooke, J. & Zeeman, E. C. J. Theor. Biol. 58, 455–476 (1976).
  2. Palmeirim, I., Henrique, D., Ish-Horowicz, D. & Pourquié, O. Cell 91, 639–648 (1997).
  3. Diaz-Cuadros, M. et al. Nature 580, 113–118 (2020).
  4. Matsuda, M. et al. Nature 580, 124–129 (2020).
  5. Chu, L.-F. et al. Cell Rep. 28, 2247–2255 (2019).
  6. Matsumiya, M., Tomita, T., Yoshioka-Kobayashi, K., Isomura, A. & Kageyama, R. Development 145, dev156836 (2018).
  7. Matsuda, M. et al. Science 369, 1450–1455 (2020).
  8. Rayon, T. et al. Science 369, eaba7667 (2020).
  9. Swovick, K. et al. Mol. Cell Proteom. 20, 100041 (2021).

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Nature ダイジェスト Online edition: ISSN 2424-0702 Print edition: ISSN 2189-7778

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