2024-04-22 沖縄科学技術大学
メダカ、CRISPR、新しいイメージング技術の助けを借りて、研究者は生命の非常に初期の段階での細胞分裂を研究するための新しい標準を確立しました。
生命の始まりは謎に包まれています。有糸分裂の複雑な動態は、皮膚や筋肉細胞などの特殊な機能を持つ細胞、いわゆる体細胞ではよく研究されていますが、私たちの体の最初の細胞である胚細胞ではまだ解明されていません。実験胚の生きた機能解析やイメージングが技術的に制限されており、胚形成中の細胞を追跡することが困難であるため、脊椎動物における胚の有糸分裂の研究は難しいことで知られています。
しかし、沖縄科学技術大学(OIST)の細胞分裂ダイナミクスユニットの研究者らは、北海道大学(元名古屋大学)の西村俊哉教授、名古屋大学の田中実教授らとともに、最近Nature Communications誌に論文を発表した。東北大学の安斎聡氏(現・京都大学)と国立遺伝学研究所の鐘巻正人氏。この研究は、新しいイメージング技術、CRISPR/Cas9ゲノム編集技術、最新のタンパク質ノックダウンシステム、およびメダカ(Oryzias latipes)の組み合わせのおかげで、胚の有糸分裂に関する疑問の答えに向けて大きな第一歩を踏み出した。彼らが作成したタイムラプスは、胎児の有糸分裂中に染色体が均等に分割される複雑なプロセスに関する基本的な疑問に答えるのに役立ち、同時に科学的探求の次のフロンティアを示すものでもあります。この研究の上級著者である清光友美教授は、タイムラプス撮影について次のように説明している。「それ自体が美しいだけでなく、胚の有糸分裂を解明するための新たな基礎を築くという点でも美しい」。
遺伝子編集されたメダカの胚の有糸分裂のタイムラプス。有糸分裂紡錘体(細胞の中央にある緑色の鎖)は、マゼンタで示され、重複した染色体を整列させて分離しているのがわかります。
沖縄科学技術大学(OIST)細胞分裂ダイナミクスユニットの清光愛氏。
胚の有糸分裂の謎の中心となるのは、細胞のすべての遺伝情報を含む染色体が整列して娘細胞に均等に分離されるときの重要なステップです。このプロセスで重要な役割を担うのは有糸分裂紡錘体で、微小管(細胞内の構造と輸送に使用される長いタンパク質繊維)でできており、紡錘体の反対極から放射状に伸び、中央で染色体に結合します。紡錘体は複製された染色体を適切に捕捉し、分裂中にそれらを娘細胞に均等に分離します。紡錘体形成を決定する要因は数多くありますが、そのうちの 1 つは Ran-GTP タンパク質です。Ran-GTP は女性の生殖細胞の細胞分裂に重要な役割を果たします。このタンパク質は中心体 (微小管の組み立てを担う細胞小器官) を欠いていますが、小さな体細胞には存在しません。中心体を持っています。しかし、Ran-GTPが脊椎動物の初期胚における紡錘体形成に必要であるかどうかは、長い間不明であった。初期胚には中心体が含まれるが、より大きな細胞サイズなどの独特の特徴がある。
哺乳類の初期胚とは対照的に、魚類の胚細胞は透明であり、均一な単細胞層シート内で同時に発生するため、追跡が非常に容易になります。メダカは幅広い温度に耐え、毎日卵を産み、ゲノムが比較的小さいため、研究者らにとって特に適していることが判明した。温度耐性があるということは、メダカの胚細胞が室温でも生存できることを意味し、長時間のライブタイムラプス撮影に特に適しています。
遺伝子編集されたメダカの胚において、染色体 (マゼンタ) をコピー、整列させ、2 つの娘細胞に分離するメカニズムをスローモーションで拡大した映像。紡錘体を構成する微小管は緑色で示されています。
沖縄科学技術大学(OIST)細胞分裂ダイナミクスユニットの清光愛氏。
メダカは頻繁に卵を産み、ゲノムサイズが比較的小さいという事実により、メダカは CRISPR/Cas9 を介したゲノム編集の良い候補となります。この技術を使用して、研究者らは遺伝子組み換えメダカ、またはトランスジェニックメダカを作成し、その胚細胞は有糸分裂に関与する特定のタンパク質の動態を文字通り強調しています。
左:研究で使用された卵を運ぶメダカ。右: CRISPR/Cas9 を介したゲノム編集プロセスの一環としてメダカの胚に RNA を注入する、論文の筆頭著者である細胞分裂ダイナミクスユニットの清光愛博士。写真:清光友美(OIST)
研究者らは、生きたトランスジェニックメダカ胚の有糸分裂紡錘体の発達を微速度撮影して研究し、大きな初期胚が体細胞紡錘体とは異なる独特の紡錘体を組み立てていることを発見した。さらに、Ran-GTP は初期胚分裂における紡錘体の形成に決定的な役割を果たしますが、後期胚ではその重要性が減少します。これはおそらく、発生中に細胞が小さくなるにつれて紡錘体の構造が再構築されるためであると考えられますが、正確な理由は今後の研究課題です。
研究者らはまた、初期胚細胞には、ほとんどの体細胞の特徴であり、染色体が分離前に適切に整列していることを確認する役割を果たす専用の紡錘体集合チェックポイントを持たないことも発見した。清光教授が推測するように、「チェックポイントはアクティブではありませんが、染色体の分離は依然として非常に正確です。これは、胚細胞が非常に速く分裂する必要があるという事実によって説明される可能性がありますが、それについてはさらに研究したいと考えています。」
遺伝子編集されたメダカの胚の有糸分裂のタイムラプス。この少し後の段階の映像は、微小管で構成される紡錘体 (緑色) を使用して、細胞が染色体 (マゼンタ) をどのように急速に複製、整列、分離するかを示しています。
沖縄科学技術大学(OIST)細胞分裂ダイナミクスユニットの清光愛氏。
メダカの遺伝子組み換えと初期胚の研究は、胚の有糸分裂に関する新たな重要な洞察につながったが、これは清光教授とチームにとって単なる始まりにすぎない。後期段階での Ran-GTP の役割の減少や紡錘体集合チェックポイントの欠落に関する疑問に加えて、彼はタイムラプスでの細胞分裂の満足のいく対称性を指摘しています。「紡錘体の形成は、高度な対称性によって特徴付けられます。細胞は一定のサイズと定義された方向に分裂しているように見え、紡錘体は常に細胞の中心にあります。紡錘体はどのようにして細胞全体にわたってこれほど規則的に方向を向くことができるのでしょうか、またどのようにして毎回中心を見つけることができるのでしょうか?」
研究チームはタイムラプスを超えて、胚細胞研究のモデルとして機能する追加のメダカ遺伝子株でこの新しい基盤をさらに強固にし、同時にゲノム編集プロセスを最適化したいと考えている。研究チームは最終的には、他の生物の胚有糸分裂を研究することで発見の一般化可能性をテストしたいと考えており、その後の段階では、紡錘体の集合と胚分裂の進化を調査したいと考えており、これはヒトの胚形成のより深い理解にも貢献するだろう。そして人間の不妊症の診断と治療の開発へ。
「この論文によって、私たちは強固な基盤を築きました」と清光教授は総括します。胚の有糸分裂は美しく、神秘的であり、研究が難しいものであり、私たちの研究を通じて、最終的には生命の始まりの複雑なプロセスの理解に少しでも近づくことができることを願っています。」
