ヒトデの再構築　～バラバラからの復活～　論文紹介　簡易版

ヒトデの再構築胚　～バラバラからの復活～

論文掲載年 2017年
掲載雑誌 Development, Growth and Differentiation
論文タイトル Identification of morphogenetic capability limitation via a single embryo/larva reconstruction method
和文タイトル ヒトデの１個体胚または幼生からの再構築作成法により細胞の形態形成能力の限界を発見した
著者 Narudo Kawai, Ikuko Omori, Ritsu Kuraishi and Hiroyuki Kaneko
論文へリンク https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/dgd.12352

ヒトデ胚を使った再構築胚に関する2017年の論文です。
　再構築胚とは、胚を個々の細胞に一旦バラバラにした後に、その細胞を集めてやることで再び構築される胚のことです（漫画「イトマキヒトデの再構築胚」参照）。再構築胚についてはウニの胚を用いたものについて1962年に報告があります。失敗した結果については報告されないので、想像するしかありませんが、胚をバラバラにしても元に戻るのか？という疑問を持った研究者がいろいろな生き物で試した結果、このウニ胚での報告になったのではないでしょうか。そして1986年に本論文で使われているイトマキヒトデの胚での報告があります。興味深い現象ですが、その研究についての報告はほとんどありません。それはなぜでしょうか？ひとつには、この現象は人為的な条件でしか起こらないからでしょう。もし自然界で胚がバラバラになってしまった場合は、細胞は海中に拡散してしまうため、このような現象は起こりえないと言えます。しかしながら、この現象だからこそ新たな何かが発見できる可能性はあります。自身の関わった研究でもあり、ほとんど知られていない研究というものあって、ぜひ紹介したいと思います。

この論文で分かったこと
・1個の胚から再構築胚を作ることが出来る。
・再構築に使用できる材料は受精後2日目ビピンナリア幼生までである。
・外胚葉細胞と中内胚葉細胞の両方が再構築には必要である。

［背景］

　再構築胚(reconstructed embryo)とはなんでしょう？生物の胚発生は1細胞の卵から分割を繰り返して細胞数を増やします。これらの細胞はそれぞれが互いに接着しており、そのつながりを維持して形態形成を行っていきます。では、その細胞の接着を人為的に剥がして、1細胞にまでバラバラにしてみたらどうなるのでしょうか？また、そのバラバラにした細胞をもう一度集めてみると何が起こるのでしょうか？そのような実験を行い、もう一度胚ができるという報告が棘皮動物の一部で報告されています。このようにしてバラバラの細胞から形成された胚を再構築胚と言います。この再構築現象のしくみについてはほとんど解っていません。
　イトマキヒトデの胚は捕食遊泳幼生であるビピンナリア幼生を経て、着床、変態し成体になります（図１）。イトマキヒトデの再構築胚は正常胚と同様にビピンナリア幼生を経て成体になることが知られています。これまでの研究で再構築胚は正常胚とは異なる発生過程を示すこと、再構築胚でしか見られない形態形成過程があることが報告されています。このような不思議な再構築胚は正常発生とは異なる視点で発生過程をとらえることが出来るため、発生や形態形成に関する新たな発見をもたらす可能性があり、さらなる研究が期待されます。

　しかしながら、これまでの研究で行われていた再構築胚の作成方法は、数千の胚をまとめて一度にバラバラにした後、数十万の細胞群をしばらく放置しておくとできる細胞塊から発生していく再構築胚をピックアップするというものでした（漫画「再構築胚の作り方」参照）。この方法には3つの問題点があります。1つ目は、胚をバラバラにする過程で約半分の細胞が死んでしまうこと。2つ目は、一度の操作で得られる再構築胚の数、その再構築胚の大きさがバラバラであること。3つ目は、得られた再構築胚に含まれる細胞が材料である胚のどの細胞に由来するかをコントロールできないことです。この様に従来の方法では、再現性の高い一定規格の再構築胚を得ることが困難であり、さらなる研究に向けて改善が必要です。
　この論文では、上記の3つの問題点を解決する1個体からの再構築胚の作成方法を確立し、その方法を用いて6つの発生段階の胚を材料として再構築胚を作成し、材料胚の発生段階と得られた再構築胚の形態形成能力について明らかにしています。また、外胚葉細胞または中内胚葉細胞のみから再構築胚が形成できるのかについても実験を行い、新たな知見を得ています。

［結果］

　６つの発生ステージの胚、（孵化胞胚、初期原腸胚、中期原腸胚、後期原腸胚、受精後2日目ビピンナリア幼生、3日目ビピンナリア幼生）を材料に新しい方法（SER: Single Embryo Reconstruction、漫画「1個からの再構築（SER）」参照）を用いて、1個体から再構築胚を作成したところ、胚をバラバラにする過程で失われてしまう細胞の割合が平均して約50％から1％未満になり、大きく改善しました。
　SERを用いて、上記6つの発生ステージ胚を材料に再構築胚を作成し、再構築後5日目における生存率と形態形成率（口、食道、胃及び腸を含む消化管が形成されている割合）を求めました。その結果、3日目ビピンナリア幼生からの再構築胚の形態形成率は最も低くなり、わずか16％でした（漫画「いろんな時期の胚を使う」参照）。ビピンナリア幼生への発生に失敗した胚は原口、胞胚腔及び胃腸様構造が形成されましたが、口、食道、体腔嚢がありませんでした。
　次に、外胚葉（胚の外側）、または中内胚葉（胚の内側）細胞が持つ形態形成能力を調べるために、2日目ビピンナリア幼生から得られたそれぞれの細胞のみから再構築胚を形成しました。外胚葉細胞から得られた凝集塊は滑らかな上皮を有していましたが、その形は球形ではなく、１つまたは複数個所で原口に似た構造が形成されました（漫画「外側だけを使う」参照）。一方で、中内胚葉細胞からの再構築胚では、生存率が大きく低下し、胞胚腔や原口の形成が見られず、替わりに上皮の外側に付着する細胞群が観察されました（漫画「内側だけを使う」参照）。最終的に、それぞれの細胞から形成された再構築胚はほとんどすべて完全に崩壊しました（漫画「外側だけを使う」「内側だけを使う」参照）。

［考察］

　本研究の結果は再構築過程における形態形成能力の限界について2つの点を明らかにしました。一つ目は、3日目ビピンナリア幼生において、原口形成だけでなく口、消化管形成の点で形態形成能力が低下していることがわかりました。3日目ビピンナリア幼生は2日目ビピンナリア幼生よりも発生が進み、新たな器官である繊毛帯、神経系、胃の成長、蠕動する食道などが形成されます。それゆえ、分化状態が進んだことが再構築過程における形態形成能力の低下の原因であると考えられます。二つ目は、外胚葉細胞または中内胚葉細胞だけからの再構築胚では完全なビピンナリア幼生は発生できませんでした。このことは、再構築胚がビピンナリア幼生に発生するには外胚葉細胞と中内胚葉細胞が必要であることを示しています。また、これらの再構築胚は途中でほとんど死んでしまったことから、生き残るためにも外胚葉細胞と中内胚葉細胞が必要であると言えます。
　今後の研究では、本研究で示された形態形成能力や相互作用をつかさどる分子を探求することが必要です。その成果は再構築過程のメカニズムを理解するうえで大きな役割を担うことになるでしょう。