均一に見える卵が大人の複雑な体制に発生するのを見て、昔のヒトはきっと卵か精子に小さな大人の体制がしまい込まれているのだろうと考えた。発生(development)というのは、それが表に現れてくることに違いないと思ったのである。Leeuwenhoekは、精子は種で、卵の畑に植え付けられると考え、精子の中に大人の入れ子を見いだそうとした。Hartsoekerは見えたらいいなと思って、実際に子供が精子の中に座っている図まで描いた。卵の方が重要だと考える人が多かった。受精という現象が、正しく理解されるようになったのは、19世紀の後半になってからである。その後、無脊椎動物を使って、発生中の胚に対してさまざまな実験的な操作を加えることによって、受精卵が発生の過程でだんだんと大人の体制になっていくことが確かめられていった。その過程で、動物の種類によって、早くから発生の運命が決まっている卵(モザイク卵)と、周囲の影響によってだんだんと決まっていく卵(調節卵)があることがわかった。遺伝子DNAが明らかになり、DNAの転写とタンパク質へ翻訳の過程が明らかになり、すべての細胞には、その生物のすべての情報がDNA分子に暗号の形でおさめられていることが明確になった。身体の各部の細胞の形や機能が異なるのは、全情報のうちの必要な部分からだけ転写・翻訳が行われている(発現、expression)からである。したがって、1個の受精卵から複雑な多細胞の個体になるのは、この発現が時間的、空間的に異なっている結果である。前回の講義で述べたように、発生の最初のスイッチが入ったあと、最初は卵細胞内に蓄えられたmRNAの翻訳がおこり、不活性だったタンパク質が活性化され、発生の過程が進んでいく。その後は、ある遺伝子が発現し、その遺伝情報によって作られたタンパク質が、次の遺伝子の発現を引き起こしていく、といった連鎖反応がおこるのだろうと考えられるようになった。(指定・決定)脊椎動物の眼のうち、水晶体(レンズ)、角膜は外胚葉のうち表皮から、、網膜は神経管から生じる。神経管の前端に膨らみができ、脳胞ができあがり、3つにくびれるころ、前脳胞の両側から袋状の眼胞がせり出し、やがて前端がややくぼんだ杯状の構造、眼杯となる。眼杯は、厚くなった表皮、水晶体板をくびり取り、表皮は水晶体になる。眼杯の凹みは大きくなり、外側が色素上皮層となり、内側が網膜となる。上に述べた眼の発生のとき、表皮外胚葉が水晶体板になり、やがて水晶体胞になるが、これは眼杯が表皮にはたらきかけているためで、このようなはたらきかけのことを誘導(induction)と呼んでいる。この時期に、眼杯を取り除いてしまうと、表皮から水晶体ができてこないことから、眼杯からの誘導があることがわかる。表皮の方もこの誘導を受け入れる能力があるから、誘導に反応して水晶体に変わる。眼杯を頭部ではない別の部域の表皮の下に移植しても、水晶体は誘導されない。このような受け手の能力のことを、反応能(competence)と呼んでいる。して反応能がある表皮は、眼杯の誘導によって水晶体に分化(dofferentiation)する。分化というのは、表現型として目に見える形で変化したことを言う。目に見える形で分化が起こる前に、目には見えないが、分化への方向付けが起こっていると考えられる。このような方向付けがおこったことを、拘束(コミットメント、commitment)と呼んでいる。拘束はさらに2つの段階に分けることができる。水晶体の分化を例に取れば、第一の段階は、水晶体に分化の拘束を受けた表皮を、中立的な環境におけば水晶体に分化するが、他の誘導のもとではその影響を受けてしまうような段階で、このような状態を指定(specification)を受けたと言う。第二の段階は、水晶体に分化の拘束を受けた表皮を、どんな条件、たとえば他の胚領域において他の組織への誘導の影響を受けても、水晶体に分化するような段階で、これを決定(determination)された言う。3)種によって異なる卵での指定の時期モザイク卵と調節卵という語を上に書いたが、動物の種によってその卵の各部分が指定を受ける時期は異なっている。次の3つの型に分類することができる。初めは核だけが分裂して移動するが、移動した先の細胞質によって指定がおこるしかしながら、この差は本質的なものではない。誘導や指定、決定をおこなうのは何らかの因子があると考え、これらの因子のことを、誘導物質(inducer)とかモルフォゲン(morphogen)と言い習わしてきた。これらの因子は、当然何らかの物質的な基盤があると考えることができる。したがって、誘導や決定の時期の違いは、これらの物質が、最初から用意されているか、後から発現して作用するかの違いだからである。どのようなメカニズムによっておこるのだろうか。発生を考える上で、軸という概念は極めて重要である。我々の体にはいくつかの軸がある。axis)何にも無いように見える卵に、どうして体の前後軸や背腹軸が決まるのだろうか。melanogaster)は1世代の長さが短い(9日、受精してから幼虫として孵化するまでは1日)ので、遺伝の実験には好都合である。染色体の数が少ない(2n=8)のも都合が良い。染色体地図ができているし、多数の突然変異体が維持されている。そこで発生の実験にも盛んに使われるようになった。関連するサイトとリンク、ショウジョウバエの遺伝情報(このページへ戻るときはブラウザーの戻るを選んでください)http://flybase.bio.indiana.edu:82/http://www.pluto.dti.ne.jp/~sohtsuki/http://dept.biol.metro-u.ac.jp/fly/www/index.htmlhttp://www.dgrc.kit.ac.jp/chromosome/index.htmlすでに述べたように、ショウジョウバエの卵割は表割と呼ばれる形式で、最初は核だけが分裂し、それが表面に並び、やがて細胞膜が区画をつくって胞胚ができ上がる。このとき、すでに述べたように極細胞が生じたほうが後部になるので、体の前後軸ができていることになる。腹側の正中線をなす細胞群が陥入し、内側に入り込んで管状の中胚葉を作る(下図ステージ7、195-200分後)。内胚葉は腹溝の前後の端の細胞群が袋状に陥入して形成される(下図上ステージ6、185-195分後)。極細胞はこのとき体内にとり込まれる(下図下ステージ7、195-200分後)。band)を形成する(下図ステージ8、200-230分後)。胚帯の細胞はついで後方へ伸張し、さらに後方から回り込んで背側を前方に伸びる(下図ステージ11、320-440分後)。胚帯に体節構造が現れ始める(下図ステージ12、440-580分後)。次に胚体は短縮し始め、背部にあった予定後方体節は体の後方に位置するようになる(下図ステージ13、560-620分後)。して頭部、胸部3節、腹部8節が明瞭になる。それぞれの体節は、体節ごとに発生の運命が異なる。胸部第1節は腹側に肢のみ、第2節は背側に羽根と腹側に肢、第3節は背側に平均棍と腹側に肢が生じる。繰り返し構造であって、しかも運命が異なる体節がどのようにして分化するかについて、分子遺伝学的な手法を駆使してそのメカニズムが明らかになってきた。2)母親由来のmRNA関連するサイトとリンク(このページへ戻るときはブラウザーの戻るを選んでください)http://www.ucalgary.ca/UofC/eduweb/virtualembryo/D_m_segment_I.html最初の前後軸形成には母親の影響が大きい。卵が形成されるとき、生殖細胞が4回、分裂して16個の細胞になるが、お互いに細胞質の橋でつながっている。そのうちの1個が卵母細胞に、残りは哺育細胞になる。哺育細胞は多くの成分を合成して卵母細胞に送り込む。卵母細胞を取り囲む濾胞細胞が末端シグナルを卵母細胞に送る。mRNAが後側に局在させる。これらのmRNAは、タンパク質でその場所に係留されていて、拡散しないようになっている。これらのmRNAが、発生の開始に伴って翻訳されてタンパク質が作られ、これらの濃度の勾配が、前後軸の形成に大きな影響を与える。bicoidタンパク質は前端が一番濃度が高く後ろに行くにしたがってしだいに薄くなるように、反対にnanosタンパク質は後端が一番濃くて前に行くにしたがって薄くなるような勾配ができる。母親のbicoid遺伝子が突然変異で機能しなくなると、卵にmRNAが供給されず、したがってbicoidタンパク質の濃度勾配ができないので、この母親から生まれた卵からかえった胚には頭が無く、両端に尾部があるようになる。このように、胚の大まかな前後軸を形成に関係する遺伝子は、およそ20ほどが知られている。bicoidタンパク質はどのように働いて頭部を形成するようにはたらくのだろうか。bicoidタンパク質は転写調節タンパク質として、核の中に入り別のタンパク質の転写を活性化したり抑制したりする。次の遺伝子の産物であるタンパク質が、また次の遺伝子の転写を調節する、という連鎖が始まるのである。genes)関連するサイトとリンク(このページへ戻るときはブラウザーの戻るを選んでください)http://www.ucalgary.ca/UofC/eduweb/virtualembryo/D_m_segment_II.html大まかに前後軸(触れなかったが、実際は背腹軸も)が決まると、次にこれを基にして体節構造を形成する遺伝子が働く。胚に体節構造を作らせる遺伝子群を分節遺伝子と呼び、これには3つのグループがある。これらの遺伝子は突然変異を詳細に分析することにより、明らかになった。ギャップ遺伝子は、胚を大まかに区分けする働きがある。Kruppel遺伝子は胸部第1節から腹部第5節までの8節の形成に関与している。hunchback遺伝子は下唇と胸部3節の形成に関与している。これらの突然変異体では、該当する体節を欠いた胚が生じる。hunchback遺伝子は、母親由来のmRNAで卵全体に分布しているが、後部のnanosタンパク質などによって翻訳が抑制される。そのため、hunchbackタンパク質は、卵の前半だけに局限することになる(上の図参照)。ギャップ遺伝子群のはたらきによって、卵は前、中、後部に分けられる。ペアルール遺伝子は、ギャップ遺伝子群のはたらきによって大まかに分けられた各部域に体節構造を作り上げることに関与している。tarazu)の突然変異によって奇数番の体節を欠いた胚が生じ、eve(even-skipped)遺伝子の突然変異によっては偶数番の体節を欠いた胚が生じる。下の図で、AからDはftzの発現がしだいに限局され、7本のバンドになるようすを示している。Eは青いeveタンパク質と茶色のftzタンパク質がバンド状に隣り合って発現しているようすを示す。して卵に体節構造ができあがる。セグメントポラリティー遺伝子は、体節の数は正常だが、それぞれの体節の一部が欠失したり、ミラーイメージのものに置き代わったりする。gooseberry突然変異体では、それぞれの体節の後半がすぐ直前の体節のミラーイメージになる。それぞれの遺伝子のmRNAの発現場所や、発現したタンパク質の局在を調べてみると、1)から3)の順に発現して、母親由来のmRNAの局在によってギャップ遺伝子が発現しておおまかな区画割りがつくられ、ついでペアルール遺伝子が発現して体節をつくり、さらにセグメントポラリティー遺伝子が発現して、生じた体節構造を細かく規定して行くことが分る。関連するサイトとリンク(このページへ戻るときはブラウザーの戻るを選んでください)http://www.ucalgary.ca/UofC/eduweb/virtualembryo/homeotics.htmlノーベル賞受賞講演(1955)pdfファイルホメオーシス(homeosis、相同異質形成)という現象が知られていた。ザリガニの眼柄を除去すると普通は眼柄が再生するが、まれに触角が再生することがある。ショウジョウバエの突然変異で、触角の位置に肢が生えることがある。眼柄、触角、肢はいずれもそれぞれ本来生ずる体節に固有の付属構造である。