発生を記録する生物学的記録媒体
研究チームは、発生中のマウス胚自身のDNAを履歴の記録に変えることで、胚の細胞の系譜を再構築した。この研究ではDNA Typewriterと呼ばれる追跡技術を使用した。この技術は、細胞が分裂し、発生の過程で専門的な役割を獲得する間も細胞内に残る。
記録は受精卵が2つの細胞に分裂した時点から始まり、13.5日間の発生過程まで続く。この時点で、マウスの体と器官は形を成していた。マウスの妊娠期間は約19～21日間であり、この実験は胚発生の形成期に位置づけられる。
Scienceに報告されたこの研究は、発生生物学の中心的な問いに取り組んでいる。それは、細胞の初期の祖先関係が、後に担う役割とどのように関係するのかという問題だ。すべての器官や組織は共通の起源を持つ細胞から始まるが、それらの細胞は次第に分裂し、移動し、分化する。こうした関係を大規模に再構築することは、長年にわたる技術的課題だった。
DNA Typewriterの仕組み
研究チームは、改良した記録用「テープ」を受精したマウス卵子のゲノムに組み込んだ。胚が発生するにつれて、このシステムは子孫細胞の遺伝物質に情報を保存した。研究者が示したたとえは、紙ではなく細胞自身のDNAに書き込むタイプライターというものだ。
記録装置は各細胞の遺伝物質内にとどまるため、後から個々の細胞から記録を読み取ることができる。これにより、発生が初期の分裂段階をはるかに過ぎた後でも、細胞間の関係を推定できる。
この方法の最新版は、個々の細胞から記録を回収しやすくするよう設計された。この実用的な改良は重要だ。系譜記録システムは、胚全体の細胞を比較するために、保存された履歴を十分かつ確実に読み取れる場合にのみ有用だからだ。
今回の研究では、受精卵の最初の分裂から胚の体の設計と器官が形成されるまで、細胞の発生履歴を追跡した。この研究は、非常に初期の胚発生イベントと、発生のずっと後になって見える結果を結びつけるものだ。
細胞系譜マップが重要な理由
細胞系譜は単なる系図作りではない。初期の祖先の違いが、後の細胞運命と関連しているかを調べる手段となる。発生の結果は、細胞が特定の時点で受け取るシグナルだけでなく、より長い分裂の連鎖の中でその細胞がどこに位置するかにも左右される可能性がある。
研究の共同上級著者で、University of Washington School of MedicineのJay Shendure博士は、細胞の初期の祖先関係が後の運命にどう影響するかに研究者は関心を持っていると述べた。同氏は系譜研究を、正常な発生を解読する道筋だと説明した。
その潜在的な意義は基礎的な発生学を超える。研究者らによれば、発生系譜をより深く理解することで、先天性奇形、神経発達上の状態、遺伝性疾患、がんに関する知識が進展する可能性がある。ただし、この研究自体はマウス胚を使った実験であり、こうした応用の可能性は、実証済みの臨床利用ではなく、将来の研究課題にとどまる。
それでも、根底にある前提は重要だ。科学者が成熟した細胞種を、その祖先の詳細な記録と結びつけられれば、発生経路がいつ分岐するのか、またどの初期イベントが後の異常と関連するのかを、より正確に特定できる可能性がある。
発生を研究するためのプラットフォーム
DNA TypewriterはShendureとJunhong Choiによって発明され、Choiは現在Sloan Kettering Cancer Centerに所属している。今回の研究には、改良型のゲノムテープと、ShendureおよびDartmouth Collegeの分子・システム生物学者であるChengxiang Qiuが率いる共同研究が含まれていた。
この技術の重要な成果は、単にある時点で細胞に印を付けることではない。細胞が増殖し、分化する間も歴史的記録を保持することにある。この違いにより、過程の最後に存在する細胞種を一覧化するだけでなく、順序と関係を理解する必要がある実験で、この手法が有用になる可能性がある。
今回の実験に使われた胚は、厳しい試験対象だった。発生では、1つの受精卵から多くの多様な子孫細胞が生まれる一方、関係を確立する初期の分裂と、その後の器官や組織の出現との間には数日間の隔たりがある。再構築された細胞系譜は、その時間的な隔たりをつないだ。
現時点では、この成果はマウスモデルにおける研究上の進展だ。しかし今回の研究は、DNAが発生履歴を細胞単位で持続的に記録する媒体として機能し得ることを、より明確に示した。この能力は、生命システムが単一の細胞からどのように自らを構築するのかについて、より精密な問いを研究者が立てるのに役立つ可能性がある。
この記事はPhys.orgの報道に基づいている。原記事を読む。
Originally published on phys.org
