胚は、組織の折りたたみに関する決まったパターンに従って発達するため、同じ種の個体は、ほぼ同一の形の臓器と非常によく似た体形を持つようになります。
MITの科学者たちは、このプロセスが毎回これほど正確に実行される仕組みを説明する、胚組織の重要な特徴を発見しました。ショウジョウバエを対象とした研究では、組織の折りたたみの再現性は、魚網のようにつながるタンパク質のネットワークによって生み出されており、組織が正しい方向に折りたたむために利用できる多くの代替経路が生まれていることがわかりました。
「わかったのは、このネットワークには大きな冗長性があるということです」と、MIT生物学准教授で本研究の責任著者であるアダム・マーティンは述べています。「細胞は互いに機械的に相互作用し、結びついていますが、決定的に重要な役割を担っている個々の細胞は見当たりません。つまり、一つの細胞が損傷しても、他の細胞は組織の離れた部分と結びつくことができるのです。」
これらのネットワークの特徴を明らかにするため、マーティンは、MIT応用数理物理学准教授であり本論文の著者の一人でもあるヨルン・ドゥンケルと協力し、通常は天文学者が銀河の構造を研究するために用いるアルゴリズムを応用しました。
MITのポスドクであるハンナ・イェビックが本研究の筆頭著者であり、研究成果は本日、Developmental Cell誌に掲載されています。大学院生のピアソン・ミラーも本論文の著者の一人です。
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胚発生の過程では、組織は形態形成と呼ばれるプロセスを通じて形を変えます。組織が形を変える重要な方法の一つが折りたたみです。これにより、平らな胚細胞のシートが管状や、臓器や他の身体部位にとって重要なその他の形へと変わることができます。これまでのショウジョウバエを対象とした研究では、これらの胚細胞の一部が損傷していても、シートが正しい形に折りたたまれられることが示されています。
「これは比較的再現性の高いプロセスなので、なぜこれほど頑健なのかを知りたいと考えました」とマーティンは述べています。
本研究で研究者たちは原腸形成のプロセスに注目しました。このプロセスでは、胚が単層の球体から、複数の層を持つより複雑な構造へと再編成されます。このプロセスや、ショウジョウバエの組織の折りたたみに類似する他の形態形成プロセスは、ヒトの胚でも起こります。原腸形成に関わる胚細胞は、細胞質内にミオシンとアクチンと呼ばれるタンパク質を含んでおり、これらがケーブル状の構造を形成し、細胞間の接合部で結びついて組織全体にネットワークを形成します。マーティンとイェビックは、細胞の連結ネットワークが組織の折りたたみの頑健性に役割を果たしているのではないかと仮説を立てていましたが、これまでこのネットワークの連結を追跡する適切な方法はありませんでした。
これを実現するため、マーティンの研究室はドゥンケルと協力しました。ドゥンケルは、柔らかい表面や流動物質の物理学を研究しており、例えば、しわの形成や、細菌の流動パターンなどを対象としています。本研究では、ドゥンケルが、三次元構造の位相的特徴を特定できる数学的手法を応用するアイデアを思いつきました。これは、地形における尾根や谷に類似するものです。天文学者はこのアルゴリズムを用いて銀河を特定しますが、本研究では、研究者たちがこれを用いて、組織シートの細胞間および細胞全体にわたるアクトミオシン・ネットワークを追跡しました。
「ネットワークが得られれば、ネットワーク解析の標準的な手法を適用できます。これは、道路や他の交通網、血液循環ネットワーク、あるいはその他のあらゆる種類のネットワークに適用するのと同じ種類の解析です」とドゥンケルは述べています。
この種の解析によって、ネットワークの構造や、それに沿って情報がどれほど効率的に流れるかなどが明らかになります。重要な問題の一つは、ネットワークの一部が損傷または遮断された場合に、ネットワークがどの程度適応できるかということです。MITのチームは、アクトミオシン・ネットワークには大きな冗長性が含まれていることを発見しました。つまり、ネットワークの「ノード」の大半は、多くの他のノードと接続されているということです。
この組み込みの冗長性は、優れた公共交通システムに似ています。一つのバスや電車の路線が運休になっても、目的地に到達できるのと同じです。細胞は多くの異なる経路に沿って機械的張力を生み出せるため、ネットワーク内の多くの細胞が損傷していても、正しい方向に折りたたむことができます。
「もし私とあなたが一本のロープを持っていて、それを途中で切ったら、ロープはばらばらになってしまいます。しかし、網を持っていて、いくつかの箇所で切ったとしても、全体がつながったままで力を伝えることができます。全部を切らない限りは」とドゥンケルは述べています。
折りたたみの枠組み
研究者たちはまた、細胞間の連結が、折りたたみの初期段階で形成される溝と同じ方向に優先的に並ぶことも発見しました。
「これは、組織がその形を取る際の枠組みを設定しているのだと考えています」とマーティンは述べています。「連結の方向性を妨げると、折りたたみ自体は起こるものの、誤った軸に沿って折りたたまれてしまいます。」
本研究はショウジョウバエを対象に行われましたが、脊椎動物（ヒトを含む）においても、脳と脊髄の前駆体である神経管の形成時に同様の折りたたみが起こります。マーティンは現在、ショウジョウバエで用いた手法を応用し、マウスの神経管においてもアクトミオシン・ネットワークが同様に組織されているかどうかを調べる計画です。神経管の閉鎖に異常があると、二分脊椎などの先天性欠損症につながる可能性があります。
「どのように異常が生じるのかを理解したいと考えています」とマーティンは述べています。「管を閉じる過程に問題があるのか、それとも折りたたみの過程に欠陥があるのか、まだはっきりしていません。」
本研究は、国立一般医科学研究所およびジェームズ・S・マクドネル財団の助成を受けています。
