フェイルセーフ機構によりショウジョウバエの体の対称性が軌道に沿って保たれます

胚が受精卵から複雑な多細胞生物に成長する過程で、多くのことがうまくいかない可能性があります。 たとえばショウジョウバエでは、いくつかの異なる突然変異により胚が壊滅的にねじれ、らせん状になってしまう可能性があります。 コルク栓抜きの胚は必ず死ぬが、これらの突然変異がどのようにねじれた体形を引き起こすのか正確には明らかになっていない。

Current Biology誌に掲載された最近の論文では、通常は左右対称性を維持する遺伝子システムが崩れると、胚がねじれることが判明した。 このシステムがなければ、胚の組織は体の一方の側がもう一方の側よりも速く伸び、致命的なコルク栓抜きの形に歪んでしまいます。 「基本的に、ねじれ変異体と正常な胚で起こることの違いは、対称性の破れです」とニュージャージー州プリンストン大学の博士課程学生として研究を率いた生物学者のセリア・スミッツは言う。 この発見は、同様のシステムが他の動物でも働いている可能性があることを示唆しているとスミッツ氏は言う。ただし、人間はショウジョウバエのように卵の殻の中で成長しないこともあり、人間に飛びつくことには躊躇しているという。

コークスクリューの形質を理解するという使命を帯びたスミッツ氏は、ライトシート顕微鏡下で数十匹のショウジョウバエの卵の中での発育（コークスクリュー変異体と正常な胚の両方）を画像化した。 従来の共焦点とは異なり、ライトシート顕微鏡は「胚の両面を同時に画像化して、発生の様子を 3D で観察できる」とスミッツ氏は言う。 それぞれの卵はピンの頭よりわずかに大きく、ほぼジェリービーンの形をしており、スコープ内にある6,000個の細胞すべてを照らすように蛍光分子を遺伝子組み換えされていた。 顕微鏡内のカメラは、各胚の発生のまったく同じ段階、つまり腸形成の初期段階である原腸形成を約 1 時間記録しました。 これは、一部の突然変異体でねじれが始まるときです。

溶岩ランプの中で渦巻く粘液を連想させるビデオでは、卵内で細胞が再配置される様子が記録されています。 正常な胚では、原腸形成は、体後端の組織が狭くなって内側に押し込まれるときに始まります。 その後、胚は体の両側で対称的に伸び、腸の中空管の形成を助けます。 突然変異体では、対称的に伸長するのではなく、胚の一方の側がもう一方よりもはるかに速く伸長し、その結果、体は左右の対称性を失い、コルク栓抜きが発生しました。

次の疑問は、遺伝的に何が起こったのかということだった。 いくつかの異なる遺伝子システムがコルク栓抜きの形状に関連付けられています。 スミッツは、これらの遺伝子システムのそれぞれに変異を持つハエを画像化し、少なくとも原腸形成中に、1 つの変異システムだけがねじれを引き起こすことを発見しました。 このシステムには、細胞が胚の後端から体内に押し込まれて腸を形成するよう指示する、いわゆる「ターミナルパターニングシステム」に欠陥があった。 これらの変異体には、細胞から突き出た膜タンパク質をコードするscbと呼ばれる遺伝子も欠如していることがスミッツ氏によって判明した。 このタンパク質は、胚が卵殻に接着するのを助ける足場として機能することがわかっています。

遺伝学者が対称性の欠陥に気づくたびに、その誤りは「対称性を保っているはずのシステムが完全には機能しなかった」ことを示していると、主著者でプリンストン大学の発生生物学者スタニスラフ・シュヴァルツマン氏は言う。 末端パターニングシステムが正しく機能する正常な胚では、腸は左右対称に発達します。 これは、この遺伝経路の何かが対称性を維持しているが、変異体は対称性を維持していないことを示唆しています。

正常な胚において末端パターニングシステムがどの程度正確に対称性を維持しているのかは未解決の問題だが、Shvartsman と Smits は理論を持っている。 scb タンパク質は、細胞がショウジョウバエの卵殻に付着するのを助けることが示されています。 正常な胚では、scb のタンパク質が体の後ろ 3 分の 1 に矢じりの形で発現します。 そのため、おそらく、正常な胚が対称的な発育の正中線から外れると、scbタンパク質はまるでボーリング場のバンパーのように卵の殻を掴むことで、細胞を正しい軌道に戻すのに役立つのだとスミッツ氏は言う。