何世紀にもわたり、自然科学者たちは ヒトデ の体のどの部分が「頭」にあたるのかについて謎に包まれていました。ミミズや魚のように、どちらが頭でどちらが尾か明らかな生物とは異なり、ヒトデは5つの同じ形をした腕を持ち、どの腕も海底を移動する際に先頭になることができます。この特異な体型から、多くの研究者はヒトデには頭が存在しないのではないかと結論付けていました。しかし、スタンフォード大学とカリフォルニア大学バークレー校の研究者が率いる2つのラボが、実際はまったく逆であることを示す研究結果を発表しました。
ヒトデの「頭」に関する新発見：進化により体を失ったか
彼らの研究によると、ヒトデの幼生では頭の発達に関連する遺伝子のシグネチャーがほぼ全体に存在している一方で、動物の胴体や尾部をコードする遺伝子の発現はほとんど見られませんでした。
さらに驚くべき発見として、通常は頭部の最も前方に関連する分子シグネチャーが、ヒトデの各腕の中央に位置し、腕の端に向かうにつれて後方に進行する傾向がありました。
この研究はNature誌に掲載され、「Molecular Evidence of Anteroposterior Patterning in Adult Echinoderms（成体棘皮動物における前後軸パターニングの分子的証拠）」と題されています。この論文の主著者であるローラン・フォルメリー博士（Laurent Formery, PhD）は、「ヒトデは胴体を完全に失い、海底を這う頭部だけとして最もよく説明される」と述べています。「これは科学者たちがこれまで想定していたこととは全く異なります。」
この研究の共同シニア著者である、スタンフォード大学の海洋生物学者クリストファー・ロウ博士（Christopher Lowe, PhD）と、カリフォルニア大学バークレー校の動物種の分子進化の専門家ダニエル・ロックサー博士（Daniel Rokhsar,PhD）は、10年以上にわたり協力してきました。彼らはCZ Biohub SFのIntercampus Research Awardsによって資金提供されたチームのメンバーです。ロウ博士は、フォルメリー博士を共同ポスドク職に支援するこの賞が、新たな発見の重要な触媒であったと言及しています。
「私たちが一緒に行うことを提案した研究は非常に野心的で、通常の資金調達メカニズムではうまくいかない種類のものです」とロウ博士は述べています。「Biohubがリスクを取り、私たちのラボ間の共同職を支援することは、このプロジェクトの成功にとって重要でした。」
星形の謎解き
ほとんどの動物、ヒトを含め、は両側対称性を持ち、頭から尾へと伸びる単一の軸に沿って二つの鏡像の半分に分けることができます。1995年、果物ハエを用いた研究で、ほとんどの動物に見られる両側対称の頭から尾への体の構造が、頭部と胴部の特定の領域で発現される遺伝子によってコードされた一連の分子スイッチの作用から生じることを実証した3人の科学者に生理学・医学賞ノーベル賞が授与されました。
その後の研究で、この遺伝子プログラミングは、ヒトや魚のような脊椎動物、昆虫やミミズなどの多くの無脊椎動物を含む、大多数の動物種に共有されていることが確認されています。
しかし、ヒトデの体の構造は長年にわたり動物進化の科学者たちの理解に混乱をもたらしてきました。成体のヒトデ、および関連する棘皮動物であるウニやナマコは、明確な頭部や尾部がない5つの対称軸を持ち、両側対称性を示していません。そして、この特異な5つの対称性がどのように遺伝子プログラミングによって駆動されるかを決定することは、誰にもできませんでした。
一部の科学者は、ヒトデでは頭から尾への軸が動物の装甲の背中からいわゆる管足が密集する腹部に伸びているのではないかと提案しています。また、ヒトデの5本の腕のそれぞれが従来の頭から尾への軸のコピーに対応しているという説もあります。
しかし、このような仮説を確実に確認する努力は、主にマウスやハエのような少数のモデル生物で開発された遺伝子発現の検出方法が、若いヒトデの組織ではうまく機能しないため、挑戦に直面しています。何年にもわたり、ロウ博士と彼の同僚たちは、発達中のヒトデ全体にわたる遺伝子活動をマッピングすることで遺伝情報を問題に適用することに熱望していました。しかし、典型的なモデル生物に対して何十年にもわたる研究で開発された複雑な遺伝子ツールキットが存在しないため、そのような包括的な分析は困難でした。
画期的な技術の登場
ロウ博士は、Biohub Investigatorsのサンフランシスコでの定期的な会合でこの問題の解決策に出会いました。そこで、別の研究者がシリコンバレーに本拠を置くPacBioという会社に連絡を取ることを提案しました。PacBioは、過去5年間にわたって、郵便切手サイズのチップに数百万の個々の化学反応装置を詰め込み、そこでDNAの長い断片を同時に読み取る技術を完璧にしてきました。
従来のシーケンシングは精度を保証するために遺伝物質を小さな断片に切り分ける必要がありますが、PacBioのアプローチであるHiFiシーケンシングは、完全な遺伝子サイズのDNA鎖から高精度のデータを取り出すことができ、このプロセスをより速く、安価にすることができます。これはロウ博士と彼のチームがヒトデの遺伝学を一から研究するプロセスを確立するために必要なまさにそのものでした。
「かつて数ヶ月かかったシーケンスが、今では数時間で行えるようになり、たった5年前に比べて数百倍安価になりました」と、新しい研究の共同シニア著者であり、元PacBioの科学フェローであるランク博士は述べています。「これらの進歩により、私たちは実験室で通常研究されない生物で、事実上ゼロから始めて、10年前には不可能だった詳細な研究を組み立てることができました。」
この技術により、研究者たちはヒトデのゲノムをシーケンスし、空間的トランスクリプトミクスと呼ばれるアプローチを用いることができました。これにより、ヒトデのどの遺伝子が生物体の正確な位置で活動しているかを特定することができました。頭から尾への軸を示すパターンを探すために、研究者たちは体の3つの異なる方向にわたる遺伝子発現の違いを調査しました：ヒトデの中心から腕の先端へ、上部から腹部へ、そして腕の片側の端から反対側の端へ。その後、特定の重要な遺伝子がどのように振る舞っているかをより詳しく見るために、それらを一つずつ蛍光染料でマークし、ヒトデの体内での分布の詳細なマップを作成しました。
研究者たちは、ヒトデの体の構造に関する主要な仮説のどちらも正しくないことを発見しました。代わりに、彼らは、ヒトや他の両側対称動物の前脳に対応する遺伝子発現が、ヒトデの腕の中央線に沿って位置し、ヒトの中脳に対応する遺伝子発現が腕の外側の端に向かっていることを見ました。ヒトや他の両生類の頭部の異なる部分を示す遺伝子はヒトデで発現していましたが、動物の胴体に通常関連付けられる遺伝子のうち1つのみが、ヒトデの腕の非常に端において発現していました。
「これらの結果は、棘皮動物、特にヒトデが、私たちが今日知っている中で頭部と胴部の領域の最も劇的な分離の例を持っていることを示唆しています」とフォルメリー博士は付け加えました。彼は、化石記録に保存されているいくつかの奇妙な外見のヒトデの祖先が胴部を持っていたように見えると述べています。「これは私たちが今探求し始めることができる新たな多くの質問を開くことになります。」
新たな発見への扉
この研究チームが次に取り組みたい課題は、ヒトデで見られる遺伝的パターンがウニやナマコにも現れるかどうかを調査することです。フォルメリー博士は、ヒトデが神経系の進化について何を教えてくれるかを調べたいと考えています。彼によると、棘皮動物の神経系はまだ完全には理解されていないとのことです。
ヒトデやその近縁種についてのさらなる研究は、動物の進化における重要な謎を解明するだけでなく、医学における革新にも影響を与える可能性があると研究者たちは述べています。ヒトデは数千の管足を通じて水を動かすことで歩行し、獲物を消化するために体外に胃を膨らませます。これらの珍しい生物が、健康を維持するためにまったく予想外の戦略を進化させているのは理にかなっています。これを理解する時間を取れば、ヒトの病気との戦いにおけるアプローチを広げることができるでしょう。
「普段あまり研究されていない生物での作業は確かに難しいです」とロックサー博士は述べています。「しかし、通常とは異なる方法で動作する珍しい動物を探求する機会を利用することで、生物学の視点を広げることができ、それが最終的には生態学的および生物医学的な問題を解決する助けになるでしょう。」
Chan Zuckerberg Biohub San Franciscoについて
CZ Biohub San Franciscoは、Chan Zuckerberg Biohub Networkの一部であり、2016年に設立された非営利の生物医学研究センターです。CZ Biohub SFの研究者、エンジニア、データサイエンティストは、パートナー大学であるスタンフォード大学、カリフォルニア大学バークレー校、カリフォルニア大学サンフランシスコ校の同僚と協力し、疾患の基本的なメカニズムを理解し、実行可能な診断と効果的な治療法につながる新しい技術の開発を目指しています。
[News release] [Nature abstract]
