ヒトデの対称性の仕組み

ヒトデの対称性の仕組み 生物学
©Conor Gearin/Whitehead Institute

ホワイトヘッド研究所の博士研究員Zak Swartz氏は、2021年11月4日付の学術誌「Current Biology」に掲載された論文で、ホワイトヘッド研究所のメンバーであるIain Cheeseman氏の研究室や、マサチューセッツ工科大学(MIT)、マイアミ大学、海洋生物学研究所の発生学講座の共同研究者らとともに、動物の最初の細胞に見られる初期極性の起源を解明しました。

この極性は、発生中の生物の対称軸を確立し、発生の最初のステップを支えるものです。

今回の研究では、「Dishevelled」と呼ばれる特定のタンパク質が細胞内に局在し、この極性の形成を助ける仕組みが明らかになりました。

すべての多細胞生物は、卵子の前駆細胞である卵母細胞から始まります。

卵母細胞は、完全に発達した複雑な生物になるための「プラン」を内包しています。

「多機能なボディプランがどのようにして作られるのかは、発生生物学における最も深い問題の一つです。」とSwartz氏は言います。

「ヒトデをはじめとする多様な動物は、信じられないほど複雑なボディプランを持っていますが、そのどれもが、初期細胞の極性なしには実現できません。今回の研究では、この極性が、発生中の卵母細胞の減数分裂1真核生物の細胞分裂の様式の一つ。動物では配偶子を形成する際に行われ、生じた娘細胞では染色体数が分裂前の細胞の半分になる。の早い段階で、細胞の対称性を崩し、発生因子の非対称な分布を実現するための予想外の戦略によって生じていることを示しています。」とCheeseman氏は語ります。

体のパターン化の複雑なプロセスを研究するために、Cheeseman氏の研究所の研究者たちは、コウモリヒトデ(Patiria miniata)と呼ばれるヒトデの一種を使用しました。

このカラフルな動物は、成体では腕が5本、場合によってはそれ以上あるなど、放射状に対称な形をしていますが、幼生では人間のように両側に対称な形をしています。

ヒトデの幼生の鏡像対称性は、卵母細胞と呼ばれる卵細胞のときに確立されます。

このタンパク質は、卵母細胞が2つの娘細胞に分裂する準備をしているときに、卵母細胞の植物側の端(胚の後端となる部分)に局在します。

「Dishevelled」は、ミバエの相同タンパク質の変異により、ミバエの小さな毛が乱れているように見えることから名付けられたが、Wntシグナル経路と呼ばれる共通のシグナル伝達経路の構成要素であり、動物界の多くの生物に見られます。

この経路は、体のパターン形成から細胞の増殖まで、細胞内でさまざまな役割を果たしています。

「Wntシグナル経路は進化的に古いものです。クラゲも、ヒトデも、人間も使っているのですから、本当に奥が深いと思います。」とSwartz氏は言います。

ヒトデでは、Wntシグナル経路は、卵母細胞の初期の非対称性と、生まれてくる胚の極性を結びつける役割を果たしています。

「Dishevelled」は、ヒトデの細胞内でメッセンジャーの役割を果たし、外部からの信号を伝達し、その信号が分子経路を通って細胞の核に伝達されます。

研究チームは、タイムラプス画像を用いて、細胞の成長段階に応じて、「Dishevelled」が卵母細胞の周りをどのように移動するかを可視化しました。

ヒトデの卵母細胞が非分裂期にあるときは、「Dishevelled」は細胞質全体に小さな集合体として均一に分布していました。

しかし、卵母細胞が分裂の準備をすると、「Dishevelled」の集合体は溶解し、核から最も離れた細胞の底部で再形成されたのです。

これにより、卵母細胞の両端に明確な違いが生じました。

Swartz氏は、タンパク質が卵母細胞の底部に局在する仕組みを知りたいと思いました。

Time lapse of a sea star oocyte (Dishevelled shown in magenta)

動画:マゼンタ色で示されている「Dishevelled」は、最初は細胞全体に分布している。卵母細胞が減数分裂を始めると、「Dishevelled」の集合体は分解され、分裂前に卵母細胞の植物側の端(胚の後方を規定する部分)で再形成される。

このタンパク質は、細胞骨格(小さな線路のようなものと考えればよい)によって輸送されているわけでも、細胞質電流に乗っているわけでも、卵母細胞の「上部」にある何らかの因子によって反発されているわけでもありません。

この時点で、Swartz氏はマサチューセッツ工科大学の物理学部門の2人の共同研究者に連絡を取り、彼らの協力を得て、卵母細胞内での「Dishevelled」の挙動をさらに調査するための実験を計画しました。

「そのときに、論文のオチのようなものである、溶解と再構築というアイデアを考え始めました。これは、塩の結晶が水に溶けるようなものと考えることができます。あらかじめ組み立てられたものを物理的に(卵母細胞の底に)運ぶのではなく、これらの「Dishevelled」の集合体はどこででも始まり、個々の構成要素に溶かされ、植物性領域で選択的に再形成されるという考えです。」とSwartz氏は言う。

この溶解と再形成の正確なメカニズムは、まだ明らかになっていません。

Swartz氏は、「Frizzled受容体」という別のWntシグナル経路タンパク質がないと再構築が起こらないことを示すことができましたが、「Frizzled受容体」は卵母細胞の底部だけに存在するわけではないので、再構築を促しているのは「Frizzled受容体」だけではないと思われます。

Swartz氏は今後、「Dishevelled」の集合体が正確な構造で形成されているのか、それともホワイトヘッド研究所のメンバーであるAnkur Jain氏の研究室で研究されているRNA分子や、ホワイトヘッド研究所のメンバーであるRichard Young氏の研究室で研究されている転写に関与するタンパク質分子のように、相分離した液滴としてグループ化されているのかを調べる予定です。

「これらの構造体の幅広い構成に興味があります。「Dishevelled」だけが含まれているのか、それとも他の成分が含まれているのか?」

集合体がどのように形成されるかにかかわらず、「Dishevelled」がどのように局在するかに関する新しい情報は、Wntシグナル経路がヒトデの初期のボディパターニングにどのように関与しているかについて、これまで謎に包まれていたステップに光を当てています。

「『Dishevelled』の局在化が、ヒトデだけでなく、遠縁の脊椎動物においてもWntシグナル経路の重要な特徴となっていることは、非常に印象的でした。私の考えでは、卵母細胞に組み込まれた極性を解釈して、初期胚の選択的な部分でこの経路を活性化する能力は、動物のボディプランの進化において本当に重要な特徴なのではないかと思います。」とSwartz氏は言います。

Published by Whitehead Institute for Biomedical Research. S. Zachary Swartz et al, Polarized Dishevelled dissolution and reassembly drives embryonic axis specification in sea star oocytes, Current Biology (2021). DOI: 10.1016/j.cub.2021.10.022