アホロートルは、研究者が生物学のさまざまなトピックを研究するために使用するモデル生物です。
[公開日: 2022 年 9 月 2 日午前 4 時 4 分 AEST]
[著作者] Ashley Maynard
Ms. アシュリー・メイナード
スイス連邦工科大学 チューリッヒ校、量的発生生物学の博士号候補
アホロートル (axolotl) (学名：Ambystoma mexicanum) は、脊髄、心臓、手足を再生する能力で有名な水生サンショウウオです。これらの両生類はまた、一生を通じて新しいニューロンを容易に作ります。 1964年、研究者たちは、大きな部分が完全に取り除かれたとしても、成体のアホロートルが脳の一部を再生できることを観察しました。しかし、ある研究では、アホロートルの脳再生には、元の組織構造を再構築する能力が限られていることがわかりました。
では、アホロートルは損傷後に脳をどの程度完全に再生できるのでしょうか?
細胞レベルでの再生を研究している研究者として、私と スイス連邦工科大学 チューリッヒ校の Treutlein 研究室 およびウィーンの分子病理学研究所のTanaka 研究室の同僚は、ある脳領域を別の脳領域につなぐ接続を含めて、アホロートルが脳内のすべての異なる細胞タイプを再生できるかどうか疑問に思いました。最近発表された私たちの研究では、アホロートルの脳の一部を構成する細胞の地図を作成し、それが再生する方法と種を超えた脳の進化の両方に光を当てました。
なぜ細胞を見るのか？
細胞の種類が異なれば、機能も異なります。それぞれが異なる遺伝子を発現するため、特定の役割に特化することができます。脳内の細胞の種類とその働きを理解することは、脳の働きの全体像を明らかにするのに役立ちます。また、研究者は進化全体を比較し、種を超えた生物学的傾向を見つけようとすることもできます。
どの細胞がどの遺伝子を発現しているかを理解する 1 つの方法は、単一細胞 RNA 配列決定 (scRNA-seq) と呼ばれる手法を使用することです。このツールにより、研究者は特定のサンプルの各細胞内のアクティブな遺伝子の数を数えることができます。これにより、各細胞が収集されたときに行っていた活動の「スナップショット」が提供されます。
単一細胞 RNA シーケンシングは、サンプル内の各細胞の特定の機能に関する情報を提供できます。
このツールは、動物の脳に存在する細胞の種類を理解するのに役立ちました。科学者たちは、魚、爬虫類、マウス、さらには人間でも scRNA-seq を使用してきました。しかし、脳の進化というパズルの主要なピースの 1 つが欠けていました。それは両生類 (amphibians) です。
アホロートルの脳のマッピング
私たちのチームは、アホロートルの終脳 (telencephalon) に焦点を当てることにしました。人間では、終脳は脳の最大の区画であり、動物の行動と認知において重要な役割を果たしている新皮質 (neocortex) と呼ばれる領域を含んでいます。最近の進化を通じて、新皮質は他の脳領域と比較して大幅にサイズが大きくなっています。同様に、終脳全体を構成する細胞の種類は、時間の経過とともに高度に多様化し、複雑化してきたため、この領域は興味深い研究分野となっています。
scRNA-seq を使用して、さまざまな種類のニューロン (neurons) や前駆細胞 (progenitor cells)、より多くの細胞に分裂できる細胞、または他の細胞型に変化できる細胞など、アホロートルの終脳を構成するさまざまな種類の細胞を特定しました。前駆細胞がニューロンになるときにどの遺伝子が活性化するかを特定し、その多くが成熟ニューロンになる前に、神経芽細胞 (neuroblasts) と呼ばれる (今までアホロートルに存在することが知られていなかった) 中間細胞タイプを通過することを発見しました。
アホロートルの再生能力は、科学者にとって魅力の源です。
次に、終脳の一部を取り除いて、アホロートルの再生をテストしました。 scRNA-seqの特殊な方法を使用して、損傷後1週間から12週間までの再生のさまざまな段階ですべての新しい細胞をキャプチャしてシーケンスすることができました。最終的に、除去されたすべての細胞タイプが完全に復元されていることがわかりました。
私たちは、脳の再生が 3 つの主な段階で起こることを観察しました。最初の段階は、前駆細胞 (progenitor cells) の数の急速な増加から始まり、これらの細胞のごく一部が創傷治癒プロセスを活性化します。第 2 段階 では、前駆細胞が神経芽細胞 (neuroblasts) に分化し始めます。最後に、第 3 段階では、神経芽細胞は、最初に失われた同じタイプのニューロンに分化します。
驚くべきことに、脳の除去された領域と他の領域との間の切断されたニューロン接続 (neuronal connections) が再接続されていることも観察されました。この再配線は、再生された領域も元の機能を取り戻したことを示しています。
両生類と人間の脳
両生類を進化のパズルに加えると、研究者は脳とその細胞型が時間の経過とともにどのように変化したかはもちろん、再生の背後にあるメカニズムも推測することができます。
私たちの得たアホロートルのデータを他の種と比較したところ、アホロートルの終脳の細胞は、記憶形成に関与する脳の領域である哺乳類の海馬 (hippocampus) と、臭覚に関与する脳の領域である嗅皮質 (olfactory cortex) に強い類似性を示すことがわかりました。更に私たちは、人間の知覚、思考、空間的推論で知られている脳の領域である新皮質 (neocortex) と、アホロートルの1つの細胞タイプにいくつかの類似点を発見しました。これらの類似性は、脳のこれらの領域が進化的に保存されているか、進化の過程で同等のままである可能性があること、および哺乳類の新皮質が両生類の終脳に祖先細胞型 (ancestor cell type) を持っている可能性があることを示しています。
アホロートル再生の謎を解き明かせば、重傷治療の改善につながるかもしれません。
私たちの研究は、どの遺伝子が関与しているか、細胞が最終的にどのようにニューロンになるかなど、脳の再生プロセスに光を当てていますが、どの外部信号 (external signals) がこのプロセスを開始するかはまだわかっていません。さらに、私たちが特定したプロセスが、マウスや人間など、後に進化した動物にまだアクセス可能かどうかはわかりません。
しかし、私たちは脳の進化のパズルを単独で解決しているわけではありません。コロンビア大学の Tosches 研究室は、サンショウウオの別の種である イベリアトゲイモリ(Pleurodeles waltl) の細胞型の多様性を調査し、中国の広東医科学アカデミーの Fei 研究室とライフ サイエンス企業 BGI の共同研究者は、アホロートルの前脳 (forebrain) において細胞型がどのように空間的に配置されているかを調査しました。
アホロートルの脳のすべての細胞タイプを特定することは、再生医療における革新的な研究への道を開くのにも役立ちます。マウスと人間の脳は、自らを修復または再生する能力を大幅に失っています。重度の脳損傷に対する医学的介入は、現在、修復を後押しまたは促進するための薬物療法と幹細胞療法 (stem cell therapies) に焦点を当てています。アホロートルがほぼ完全な再生を達成することを可能にする遺伝子と細胞型を調べることは、重傷の治療を改善し、ヒトの再生の可能性を解き放つための鍵となる可能性があります。
この記事は、クリエイティブコモンズライセンス(CCL)の下で The Conversation と各著作者からの承認に基づき再発行されています。日本語訳は archive4ones(Koichi Ikenoue) の文責で行われています。オリジナルの記事を読めます。original article.
