初期の臓器の設計図はヒトデの中に隠れているかもしれない

地味なヒトデは、おそらく約 4 億 8000 万年前に遡る古代の海洋生物です。天体のような形、スポンジ状の皮膚、腕の吸盤で、水族館のタッチ タンクで人気があります。この美しい 5 本足の棘皮動物は、科学者が管状形成と呼ばれる重要な生命プロセスを解明するのにも役立っています。

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5月9日にネイチャー・コミュニケーションズ誌に発表された研究では、他の生物の器官がどのように発達するかの青写真となる、ヒトデの中空管形成のプロセスを調査した。

管状形成とは、体内でさまざまな種類の中空の管状構造が形成されることです。これらの管は最終的に血管、消化管、さらには心臓、腎臓、乳腺などの複雑な臓器を形成します。これは胚段階で発生する基本的かつ重要なプロセスであり、これらのプロセス中に異常が発生すると、臓器の機能不全、位置ずれ、非対称、さらには血管などの構造の再生欠陥を引き起こす可能性があります。

動物はそれぞれ非常に異なる戦略を使用してこれらの管状構造を形成するため、胚発生中の中空管形成の一般的なメカニズムについてはほとんどわかっていません。

ここでヒトデの出番です。ヒトデの管状形成の過程は、胚が非常に透明で邪魔をせずに観察できるため、比較的観察しやすいです。言うまでもなく、ヒトデは年間を通じて大量に繁殖します。この新しい研究は、ヒトデPatiria miniataまたはコウモリヒトデの管状形成の開始と初期段階を明らかにしています。

「私たちの臓器のほとんどは管状です。なぜなら、それらは体液やガス、食物や血液を輸送する必要があるからです。そして、心臓のようなより複雑な臓器は管から始まり、その後、異なる構造に発達します。つまり、管形成は私たちのすべての臓器を形成するための非常に基本的なステップなのです」と、研究の共著者でシカゴ大学付属海洋生物学研究所の細胞生物学者マルゲリータ・ペリロ氏は声明で述べた。

ヒトデは半透明であるという理由から理想的であるだけでなく、研究者たちは生命の樹の根源にあり、脊索動物門（魚類、両生類、爬虫類、鳥類、哺乳類を含む脊椎動物）より前に進化した動物を必要としていたとペリロ氏は付け加える。

ペリロ氏と同僚は、CRISPR 遺伝子編集やその他の技術を使用して、ヒトデの遺伝子機能と、成長中の幼生の長時間のタイムラプス動画を分析しました。チームは、ヒトデが腸から枝分かれする管をどのように生成するかを解明しました。これらの観察から、彼らは、発達した可能性のあるより高度な脊索動物の管状器官に必要な基本的なツールを定義することができました。現在、彼らは、生物が 1 つの細胞から、さまざまな生物を構成するより複雑な 3D 管状構造にどのように発達したかという答えに近づいています。

ペリロ氏によると、ハエなどの一部の生物では、「すべての細胞が非常に複雑な移動パターンを作り、伸長し、形を変え、管状になる前に、大規模な細胞増殖サイクルが発生します。」

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哺乳類を含む他の動物では、細胞の増殖と移動は同時に起こる。研究チームは、ヒトデでも、脊椎動物の形成と同じように管が形成されるために、細胞が増殖し、同時に移動できることを発見した。研究チームによると、器官を作るメカニズムは、脊索動物の進化の基盤、つまり根源ですでに確立されていたに違いないという。

ヒトデは、器官形成に関する進化論的知見を提供するだけでなく、生物医学研究にも役立つ。ペリロ氏は、Six1/2 と呼ばれる遺伝子が管形成における分岐過程の重要な調節因子であることを発見した。マウスから Six1/2 を取り除くと腎臓は異常に形成されるが、この遺伝子を欠くマウスは、腫瘍細胞を注入されても腫瘍形成に抵抗する。がん細胞で過剰発現するこの遺伝子を理解することで、病気の進行を研究する新しい方法が見つかるかもしれない。

「この遺伝子を使えば、臓器がどのように発達するかだけでなく、病気、特にがんにかかったときに臓器に何が起こるのかを理解できる」とペリロ氏は言う。「最大5年から10年以内に、この遺伝子を使って臓器ががんを発症し、がんが転移する仕組みをテストできるようになると期待している」