生物学で最も長く続いている質問のXNUMXつは、均一な細胞の胚の塊として始まる生物が、時間の経過とともに、それぞれが独自のパターンと特性を持つ多様な組織を持つ生物にどのように変化するかです。 答えは、ヒョウがどのようにそのスポットを取得し、シマウマがその縞を取得し、木がそれらの枝を取得し、生物学におけるパターン開発のより多くの謎を取得するかを説明します。 半世紀以上の間、好まれた説明は エレガントなモデル 数学者アランチューリングによって提案された化学的シグナル伝達に基づいて 多くの成功.
しかし、ますます多くの科学者が、チューリングの理論は物語の一部にすぎないと疑っています。 「私の意見では、単にその美しさのために、それがどれほど広く適用されるべきかについては知らされていません」と述べました。 エイミーシャイアー、ロックフェラー大学の発達生物学者。 彼女の見解では、細胞が成長して分裂するときに細胞に作用する収縮と圧縮の物理的な力も中心的な役割を果たす可能性があります。
そして今、彼女はそれの証拠を持っています。 で に掲載された論文 セル XNUMX月、彼女の共同主執筆者であり、発達生物学者の仲間であるShyer アランロドリゲス そして彼らの同僚は、機械的な力が鶏の初期の皮膚に羽毛を成長させるための卵胞を作るように誘導する可能性があることを示しました。 表面張力が水をガラス表面の球状ビーズに引き込むことができるのと同じように、胚内の物理的張力も、発達中の組織の成長と遺伝子活性を導くパターンを設定することができます。
生物が成長し発達するにつれて、その組織内の細胞は互いに引っ張ったり押したりし、それらが複雑につながっている支持タンパク質の足場（細胞外マトリックス）を押します。 一部の研究者は、これらの力が変化と相まって、 セルの圧力と剛性、複雑なパターンの形成を指示する可能性があります。 しかし、これまで、これらの物理的な力の影響を、それらが煮る化学シチューから切り離すことができた研究はありませんでした。
パターンを引き出す
彼らが共同で率いるロックフェラー大学の形態形成の研究室で、ShyerとRodriguesはニワトリの胚から皮膚を取り除き、組織を崩壊させて細胞を引き離しました。 次に、細胞溶液をペトリ皿に一滴入れ、培養で増殖させました。 彼らは、皮膚細胞が皿の床のリングに自己組織化するのを見ました—胚が通常なる細胞のボールの2Dバージョンのように。 脈動して収縮し、細胞は細胞外マトリックスのコラーゲン繊維を引っ張って、それらが自分たちの周りに集まった。 48時間以上かけて、繊維は徐々に回転し、束になってから互いに押し合い、羽毛の濾胞となる細胞の束を形成しました。
「これはとてもクリーンでシンプルな実験セットアップで、美しいパターンが出てきてそれを定量的に制御できるのを見ることができました」と述べています。 ブライアン・カムリー、ジョンズホプキンス大学の生物物理学者で、研究には関与していませんでした。
その後、細胞の収縮率やその他の変数を調整することにより、研究者らは、胚塊の物理的張力がパターンに直接影響することを示しました。 「最大の驚きは、これらのパターンを作成するために、細胞がこの非常に動的な方法で細胞外マトリックスと相互作用する方法だったと思います」とロドリゲスは言いました。 「私たちは、それがXNUMXつの間の相互のダンスであることに気づきました。」
「これは、収縮性がパターン形成を促進するのに十分である可能性があることを示唆しています」とカムリーは言いました。 「それは本当に新しい不可欠な部分です。」
最初に力学、後で遺伝子？
数学者のダーシー・ウェントワース・トンプソンは、1917年に物理的な力が開発を指揮する可能性があると提案しました。彼の本の中で 成長と形態について、トンプソンは、ねじれ力が角と歯の形成をどのように支配するか、卵と他の中空構造がどのように現れるか、そしてクラゲと液体の滴の間の類似点さえ説明しました。
しかし、トンプソンのアイデアは、後にチューリングの説明によって覆い隠されました。これは、遺伝子の新たな理解とより簡単に結びついています。 死の1952年前に発表されたXNUMX年の論文「TheChemicalBasisof Morphogenesis」で、Turingは、骨格の斑点、縞模様、さらには骨の彫刻された形状などのパターンは、モルフォゲンと呼ばれる化学物質の渦巻く勾配の結果であると示唆しました。それらが細胞全体に不均一に拡散するにつれて、互いに相互作用した。 モルフォゲンは、分子の青写真として機能し、指、歯の列、またはその他の部分を発達させる遺伝子プログラムを開始します。
チューリングの理論は、その単純さのために生物学者の間で愛され、すぐに発生生物学の中心的な信条になりました。 「生物学のほとんどのメカニズムについては、依然として強力な分子的および遺伝的見解があります」とロドリゲスは述べています。
しかし、そのソリューションには何かが欠けていました。 化学モルフォゲンが発達を促進する場合、科学者は一方が他方に先行することを示すことができるはずです—最初に化学物質、次にパターンが来ます。
彼女とロドリゲスは、ラボでこれを示すことができませんでした。 2017年に、彼らは鶏の胚の皮膚の小さなスライスを取り、卵胞を形成する準備として組織が集まっているのを注意深く観察しました。 その間、彼らは卵胞形成に関与する遺伝子の活性化を追跡しました。 彼らが見つけたのは、遺伝子発現が細胞が集まったのとほぼ同時に起こったということでしたが、以前はそうではありませんでした。
「最初に遺伝子発現を行い、次に力学を行う代わりに、力学がこれらの形状を生成しているようなものでした」とShyer氏は述べています。 後で、彼らは、遺伝子調節化学物質のいくつかを取り除いてもプロセスを妨害しないことを示しました。 「それは、 『ねえ、ここで何か他のことが起こっているかもしれない』と言う扉を開いた」と彼女は言った。
生物学のアクティブソフトマター
ShyerとRodriguesは、彼らの研究と将来の調査が、物理学の役割と、開発中の化学物質や遺伝子との相互作用の解明に役立つことを期待しています。
「私たちは、分子遺伝子の発現、シグナル伝達、および細胞運動における力の生成のすべてが、互いに密接に関連していることを認識しています」と述べています。 エドウィン・マンロ、研究に関与していなかったシカゴ大学の分子生物学者。
マンローは、細胞外マトリックスの役割は科学者が現在認識しているよりも重要であると考えていますが、開発におけるそのより中心的な役割の認識は構築されています。 最近の研究は、例えば、細胞外マトリックスの力をミバエの卵の発達に結びつけています。
ロドリゲスは同意した。 「それは、細胞と細胞外マトリックスがそれ自体で物質を形成しているようなものです」と彼は言いました。 彼は、この収縮性細胞と細胞外マトリックスの結合を「活性ソフトマター」と表現し、細胞外力によって起こる胚発生の調節についての新しい考え方を示していると考えています。 将来の仕事で、彼とShyerは、開発中の物理的な力の詳細を解明し、それらを分子の視点と統合することを望んでいます。
「私たちは、ゲノムをますます深く厳密に研究すれば、これらすべてが明らかになるだろうと考えていました」とShyer氏は述べましたが、「重要な質問に対する答えはゲノムのレベルではないかもしれません。」 かつては細胞内の遺伝子とその産物の相互作用によって発達上の決定がなされたように見えましたが、新たな真実は「細胞間の物理的相互作用を通じて、細胞外で意思決定が行われる可能性がある」ということです。
