【生物】発生のしくみを図解で総まとめ—誘導・形成体・母性因子・ホメオティック遺伝子・プログラム細胞死｜武蔵野個別指導塾

形成体の移植図や母性因子の濃度図を使い、誘導と遺伝子の働きを結びつけます。実験考察の例題から、アポトーシスや幹細胞まで因果関係をたどれます。

よくあるのは、駅前の本屋の参考書の棚で発生のページを開き、「同じ受精卵からできた細胞なのに、なぜ神経と皮膚に分かれるのだろう」と考えたところで、形成体や母性因子という言葉が次々に出てきて手が止まる場面です。胚の形の変化は図で追えても、その変化を起こす仕組みまで説明しようとすると、暗記した用語がつながらなくなることがあります。

この単元では、細胞がどのような情報を受け取り、どの遺伝子を働かせ、その結果としてどのような性質を持つのかを考えます。出発点は卵の中の物質の偏りであり、途中では細胞どうしの働きかけが加わります。さらに、体の場所ごとの特徴を決める遺伝子や、一部の細胞が失われる過程も体づくりに関係します。実験の図を読むときは、「働きかけた細胞」と「変化した細胞」を分けるだけで、答えの組み立て方が見えてきます。

この単元で身につけること

• 分化と遺伝子発現を結びつけます。細胞の種類が違う理由を、持っている遺伝子の違いだけで考えず、どの遺伝子が働くかの違いから説明します。
• 形成体の移植実験を読み取ります。移植片の行方と、移植を受けた胚の細胞の行方を別々に追い、誘導の証拠を見つけます。
• 母性因子と体軸の関係を整理します。卵にあらかじめ含まれる物質の偏りが、発生初期の細胞の違いにつながる流れをたどります。
• ホメオティック遺伝子の役割を説明します。体の区画をつくることと、その場所に特有の形をつくることを区別します。
• アポトーシスと幹細胞を体づくりに位置づけます。細胞の増殖や分化だけでは説明できない、形の調整や組織の維持を考えます。

生物基礎で学んだDNAと遺伝子の関係、および受精から胚葉ができるまでの発生過程が土台になります。原腸胚や外胚葉という名前があやふやなら、形の順番と胚葉の位置を先に確かめると、細胞間の関係を読みやすくなります。

基本の考え方

同じ遺伝情報から異なる細胞ができる理由

発生とは、受精卵から細胞分裂や形の変化を経て、個体の体ができていく過程です。その中で細胞が特有の形や働きを持つようになることを分化といいます。神経細胞と筋細胞では働きが異なりますが、同じ個体の体細胞は、原則として同じ遺伝情報を持っています。分化の基本は、細胞ごとに発現する遺伝子の組合せが異なることです。遺伝子の発現とは、遺伝情報に基づいてRNAやタンパク質がつくられ、その働きが現れることです。

すべての細胞が同じ遺伝子を同じ程度に発現しているわけではありません。筋細胞では収縮に関わるタンパク質をつくる遺伝子などが働き、神経細胞では情報の受け渡しに必要なタンパク質をつくる遺伝子などが働きます。同じ楽譜集を持っていても、演奏する曲が違えば聞こえる音は違う、という関係に似ています。ただし、細胞が自分の意思で曲を選ぶわけではなく、細胞内の物質や外から受け取る信号によって発現が調節されます。

分化に先立ち、将来どの細胞になるかという方向が安定することを決定といいます。見た目がまだ似ていても、別の場所へ移したときに元の方向へ分化する場合があります。このため、形が同じだから将来の性質も同じとは限りません。発生の実験では、観察した時点の形と、その後の分化の方向を区別して読む必要があります。

形成体は周囲の細胞の分化に働きかける

ある細胞群が別の細胞群に働きかけ、その分化の方向に影響を与える現象を誘導といいます。教科書で代表的に扱われるのが、シュペーマンとマンゴルトによるイモリの胚の移植実験です。初期原腸胚の原口背唇部を、別の胚の、本来は腹側になる領域へ移植すると、通常の体軸に加えて別の体軸が生じました。体軸とは、前後や背腹など、体の方向を表す基準です。ここで生じた別の体軸を二次胚の体軸と呼びます。

原口は原腸が形成される際の開口部で、その背側の縁が原口背唇部です。原口背唇部は、自身が主に脊索などへ分化する一方で、移植を受けた側の細胞にも働きかけ、神経組織などの形成を導きます。脊索は胚の背側にできる棒状の組織です。このように周囲の発生を組織立てる働きを持つ領域を形成体といいます。形成体は特定の薬品の名前でも、完成した器官の名前でもありません。

図1では、提供側の原口背唇部と、移植後にその細胞から生じる組織を赤で示しています。移植を受けた胚を宿主といい、宿主由来の組織は紺で示しています。下段は二次胚の組織の由来に注目した模式図で、胚全体の断面ではありません。赤い細胞だけが二次胚のすべてをつくるのではなく、紺の宿主細胞が神経組織などになることが重要です。移植片と宿主の細胞を見分けることで、「移植片が自分で育っただけ」という説明と、誘導が起きたという説明を区別できます。

誘導は1回で終わるとは限りません。教科書では、脊索などによって外胚葉に神経の形成が誘導され、さらに眼の発生では、間脳から突出した眼胞が表皮となる外胚葉に働きかけて水晶体の形成を誘導する、と説明されます。水晶体はその後の角膜形成にも関わります。こうして誘導が順に続くことを誘導の連鎖といいます。ただし、どの組織もいつでも同じ信号に反応するわけではありません。信号を受けて応答できる性質を反応能力といい、組織の種類や発生段階によって異なります。

卵の中の偏りから体の位置の違いへ

母性因子とは、卵がつくられる間に母体側から卵に供給され、初期発生に働くmRNAやタンパク質などです。受精した直後から、胚自身の遺伝子だけですべてが進むわけではありません。卵の中にある母性因子の量や分布の違いが、発生初期の細胞に異なる条件を与えます。前後軸や背腹軸の形成を理解するときには、受精前からあるこの偏りが出発点になります。

ショウジョウバエでは、母性効果遺伝子の1つであるビコイド遺伝子に由来するmRNAが卵の前端側に局在します。母性効果遺伝子とは、母親の遺伝子型によって、卵に蓄えられる産物を通じて子の初期発生の表現型が左右される遺伝子です。受精後、このmRNAからつくられるビコイドタンパク質は前端側で多く、後方ほど少ない濃度勾配をつくります。濃度勾配とは、位置によって濃度が連続的に変わる分布です。ビコイドタンパク質は転写を調節し、位置ごとの遺伝子発現の違いにつながります。

濃度に応じて細胞の分化などに異なる影響を与える物質をモルフォゲンといいます。細胞は定規で位置を測るのではなく、周囲や細胞内の物質の濃度を通じて、位置に対応した応答をします。ただし、実際の体づくりは1種類の物質だけで完結しません。複数の遺伝子の働きが段階的に組み合わさり、体の区画とその性質がつくられます。

その段階で重要なのがホメオティック遺伝子です。これは体の各部分が、その位置に応じてどのような構造になるかを決める働きに関わる遺伝子です。動物の前後軸に沿った領域の性質を指定する代表例がHox遺伝子群です。これらは転写を調節するタンパク質をつくり、多くの遺伝子の発現に影響します。関連する遺伝子の働きが変わると、ある場所の器官が別の場所の器官のようになることがあります。教科書では、ショウジョウバエの触角が脚に置き換わる例などが示されます。区画そのものが消える変化と、区画の性質が別のものになる変化は区別します。

例題で解き方を確かめる

例題1　移植片と宿主のどちらに注目するか

初期原腸胚Aの原口背唇部を、別の初期原腸胚Bの腹側予定域に移植しました。AとBの細胞は標識によって見分けられます。二次胚では、脊索の多くがA由来、神経組織の多くがB由来でした。この結果が誘導を示す理由を説明してください。

1. まず、移植した場所と組織を確認します。移植したのはAの原口背唇部であり、Bの腹側予定域は通常そこで神経組織を形成する場所ではないため、移植による変化を考えられます。
2. 次に、神経組織の由来を確認します。神経組織の多くがB由来なので、Aの細胞が分裂して神経組織のすべてをつくったとは説明できません。
3. 最後に、働きかける側と変化する側を入れて文章にします。細胞の由来だけでなく、移植前に予定されていた分化方向が変わったことを示すと、誘導という結論につながります。

答え：Aの原口背唇部がBの細胞に働きかけ、本来の分化方向を変えて神経組織などの形成を誘導したためです。

図1の下段で、赤い組織の近くに紺の神経組織があることを確認します。実験結果を述べる文と、結果から考えた仕組みを述べる文は分けると整理しやすくなります。「二次胚ができた」は観察結果ですが、それだけでは細胞の由来までわかりません。由来の情報を添えることが、結論を支えています。

例題2　濃度勾配から発現領域を読む

ある発生モデルで、卵の前端からの相対位置をx、母性因子の相対濃度をCとします。xは前端で0、後端で100であり、濃度はC＝100−xに従うものとします。遺伝子PはCが60以上の領域で、遺伝子QはCが20以上60未満の領域で発現します。PとQが発現するxの範囲を求めてください。この式と境界値は問題を解くための条件であり、実際のビコイドの濃度分布をそのまま表すものではありません。

図2では、横軸が前端からの相対位置、縦軸が相対濃度です。緑の帯はP、橙の帯はQの発現領域に対応します。後方に向かうほど濃度が低くなるため、濃度の大きい領域は図の左側にあります。どちらの値にも単位はなく、長さや物質量の実測値ではありません。

1. Pの条件に濃度の式を代入します。100−xが60以上なので、xは40以下です。卵内の位置は0以上100以下という条件も必要なため、Pの範囲は0以上40以下になります。
2. Qの2つの条件を別々に処理します。100−xが20以上ならxは80以下、100−xが60未満ならxは40より大きくなります。両方を満たす部分を取るのは、Qには下限と上限の両方があるためです。
3. 境界で確認します。x＝40ではC＝60なのでPに含まれ、Qには含まれません。x＝80ではC＝20なのでQに含まれます。「以上」と「未満」の違いをここで確かめます。

答え：Pは0≦x≦40、Qは40＜x≦80で発現します。

図の色の帯だけでは境界の1点がどちらに含まれるかは読み切れないため、条件式に戻って判断します。また、Cが20未満の領域でも、すべての遺伝子が働かないという意味ではありません。この問題で発現しないのはPとQであり、ほかの遺伝子については条件が与えられていません。

例題3　母親の遺伝子型と子の遺伝子型を分ける

母性効果遺伝子Mについて、正常な対立遺伝子をM、機能を失った対立遺伝子をmとします。母親がMMまたはMmなら正常な母性因子が卵に十分供給され、mmなら供給されないものとします。mmの雌とMMの雄の交配、およびMMの雌とmmの雄の交配で、子の遺伝子型と初期発生の違いを答えてください。子自身による発現が始まる前の、母性因子に依存する時期を対象とします。

1. 子の遺伝子型を先に求めます。どちらの交配でも、一方の親の配偶子はMだけ、もう一方はmだけを持つので、子はすべてMmになります。これは通常の対立遺伝子の受け継がれ方です。
2. 卵に母性因子を供給する母親の遺伝子型を調べます。初期の卵内の条件は母親によって決まるため、父親由来のMを子が持つことと、受精時に母性因子がすでにあることを混同しません。
3. 2つの交配を比較します。mmの母親の卵では因子が不足し、MMの母親の卵では十分に供給されます。子の遺伝子型が同じでも、初期発生の状態は異なり得ます。

答え：子はいずれもすべてMmですが、母親がmmなら因子不足による初期発生の異常が生じ、母親がMMならこの因子については正常に進みます。

ここでいう正常とは、問題で扱った因子に関する範囲です。1つの遺伝子の情報から発生のすべてを保証することはできません。また、母性効果は「母親の遺伝子だけを子が受け継ぐ」という意味ではありません。遺伝情報を受け継ぐ仕組みと、卵内に産物が用意される時期を切り分ける問題です。

例題4　形ができることと細胞が増えること

ある動物の指が形成される途中で、指の間の細胞にアポトーシスが見られました。実験条件下でその過程を抑えると、指の間に組織が残りました。指が分かれる理由を、「増殖」「アポトーシス」を用いて説明してください。

1. まず、残った組織の場所を確認します。指そのものではなく指の間なので、変化を指全体の成長不足と決めつけないことが大切です。
2. 通常の発生で失われる細胞を考えます。アポトーシスは細胞内の仕組みによって進む細胞死であり、その抑制で組織が残るなら、通常はその細胞の除去が形づくりに関与すると読めます。
3. 細胞が増える過程と減る過程を組み合わせます。器官の形は増殖だけで決まらず、決まった領域の細胞が除かれることによっても調整されるためです。

答え：細胞の増殖でできた組織のうち、指の間の細胞がアポトーシスによって除かれることで、指が分かれます。

アポトーシスでは細胞が小さくまとまり、断片が周囲の細胞などに取り込まれます。外から強い損傷を受けて細胞が壊れる場合とは過程が異なります。発生の中で進行が調節された細胞死をプログラム細胞死といい、その代表的な仕組みがアポトーシスです。細胞が失われる現象でも、個体の形が整うことに結びつく点に注目します。

つまずきやすいところと直し方

誘導する側がすべての器官をつくると思ってしまう

誤った書き方は「形成体を移植すると、形成体の細胞が神経や筋肉など二次胚のすべてに分化する」です。どこが違うかというと、移植片由来の細胞と、働きかけを受けた宿主由来の細胞を一緒にしている点です。正しい書き方は「形成体は自身も脊索などへ分化し、周囲の宿主細胞の分化にも働きかける」です。

直すときには、図の色ごとに「どこから来た細胞か」を書き込みます。その後で、組織間の働きかけを矢印で加えます。細胞が移動してきたことを示す矢印と、誘導を示す矢印は意味が違うので、同じものとして読まないようにします。ある組織を取り除いて次の器官ができなかった場合も、直ちにその組織だけが唯一の原因とは決められません。操作による損傷などを除くための比較条件が必要です。

体の区画をつくる遺伝子と区画の性質を決める遺伝子を混ぜる

誤った書き方は「ホメオティック遺伝子は、体節の数を増やすためだけの遺伝子である」です。どこが違うかというと、体節という繰り返しの区画の形成と、その場所がどのような構造になるかという指定を混同している点です。正しい書き方は「ホメオティック遺伝子は、体の各領域に位置に応じた特徴を与える働きに関わる」です。

図3は役割の違いを見分けるため、体の並びを4つの箱で表しています。上段ではA、B、C、Dの性質が並び、下段では2番目の区画がCの性質を持ちます。箱は実際の動物の体節数や特定の遺伝子の発現範囲を示すものではありません。図3のように、区画が4つあることを保ったまま、そのうち1つの性質が変わる、と考えるとホメオティックな変化の特徴をつかめます。

遺伝子名の暗記だけで迷う場合は、「場所を区切る」「場所の性質を指定する」「組織を実際につくる」という段階を整理します。ただし、実際の発生では遺伝子間の相互作用があるため、各段階が完全に独立した作業として進むわけではありません。模式図を使う目的は、遺伝子の役割を比較しやすくすることです。

幹細胞なら何にでもなり、すぐに器官ができると思ってしまう

誤った書き方は「幹細胞はすべて、どんな細胞にもなれるので、そのまま器官として使える」です。どこが違うかというと、幹細胞の種類による分化能力の違いと、細胞から機能する組織をつくるための条件を省いている点です。正しい書き方は「幹細胞は自己複製能力と分化能力を持ち、その分化できる範囲は種類によって異なる」です。自己複製とは、分裂後も幹細胞としての性質を保つ細胞を生み出すことです。

組織幹細胞は、体内の組織の維持や修復に関わり、分化先は一般に一定の範囲に限られます。例えば造血幹細胞は、赤血球や白血球などさまざまな血液細胞を生み出しますが、通常、体をつくるすべての種類の細胞になるわけではありません。一方、ES細胞は胚盤胞の内部細胞塊に由来し、iPS細胞は体細胞に特定の遺伝子などを働かせて、多様な細胞へ分化できる状態にした細胞です。どちらも多能性を持ち、体を構成する多くの種類の細胞へ分化できます。

多能性と、個体全体をつくる能力である全能性は同じではありません。受精卵が持つ全能性とES細胞やiPS細胞の多能性を、言葉が似ているからと一括りにしないことが大切です。また、成熟した細胞の核にも多くの遺伝情報が残っていることは、分化を「不要な遺伝子がすべて失われた状態」と考えない根拠になります。iPS細胞の成立も、遺伝子発現の状態を変えることの重要さにつながります。

再生医療は、失われた組織や機能の回復を目指して、細胞や組織を利用する考え方です。発生の学習との接点は、望む細胞へ分化させる条件を理解し、増殖や配置も調節する必要があることです。必要な細胞ができても、周囲の組織とのつながりや働きが整わなければ、器官としての機能は完成しません。ES細胞では胚の利用に伴う倫理的な検討が必要であり、iPS細胞も含めて、分化の確実さや増殖の制御などを確かめる必要があります。「多能性がある」と「治療として使える」は別の段階の説明です。

練習問題

練習1

細胞を見分けられる原口背唇部を別の胚へ移植し、二次胚の神経組織が主に宿主由来であることを確かめました。次の説明のうち適切なものを選び、その理由を述べてください。アは「移植片が神経組織のすべてになった」、イは「移植片が宿主の分化に働きかけた」です。

練習2

例題2と同じC＝100−xの条件で、遺伝子Rが30≦C＜70のときだけ発現するとします。Rが発現するxの範囲を求めてください。また、x＝30、50、70の3点で、Rが発現するかどうかをそれぞれ答えてください。

練習3

例題3と同じ母性効果遺伝子Mの条件で、Mmの雌とmmの雄を交配します。子の遺伝子型の比を求め、初期発生が母性因子の不足によって異常になる子の割合を答えてください。母親がMmなら、すべての卵に正常な因子が十分に供給される条件です。

練習4

次の3つの説明に対応する用語を答えてください。アは「体の領域に位置に応じた特徴を与える遺伝子」、イは「指の間の細胞の除去にも関わる、調節された細胞死の代表的な仕組み」、ウは「自己複製能力と分化能力を持つ細胞」です。さらに、ウがすべて全能性を持つかどうかも答えてください。

答えと解説

練習1の答えはイです。神経組織の主な由来が宿主であることから、移植片が自分自身で全組織をつくったという説明ではなく、宿主細胞の分化に影響したという説明が適切です。移植片も自分の分化を進めるので、「移植片は何にもならない」とするのも誤りです。

練習2の答えは30＜x≦70です。30≦100−xからx≦70、100−x＜70から30＜xが得られます。x＝30ではC＝70で発現せず、x＝50ではC＝50で発現し、x＝70ではC＝30で発現します。濃度の大小と位置の大小の関係が逆になることに注意します。

練習3の答えはMm：mm＝1：1、因子不足による異常の割合は0％です。母親の配偶子はMとmを等しい確率で持ち、父親の配偶子はmだけを持ちます。子の半分はmmですが、卵への母性因子の供給は母親のMmという遺伝子型によって確保されます。子の遺伝子型の比を、そのまま初期発生の異常の比に置き換えてはいけません。

練習4の答えは、アがホメオティック遺伝子、イがアポトーシス、ウが幹細胞です。幹細胞がすべて全能性を持つわけではなく、組織幹細胞と多能性を持つ細胞では分化できる範囲が異なります。「分化できる」という性質だけでなく、どの範囲に分化できるかまで説明できれば、用語の区別ができています。

次の単元へのつながりと家庭での確かめ方

動物の発生で学んだ「情報を受け取る」「遺伝子発現が変わる」「形や働きが変わる」という流れは、植物の成長や環境応答にもつながります。同じ遺伝情報を持つ細胞でも、受け取る信号や細胞内の状態によって異なる働きをするという見方は、ホルモンや神経の単元でも役立ちます。

家での1つ目の確かめ方は、5分で図1を見ずに描き、移植片と宿主を2色に分けることです。その図に「どちらが働きかけ、どちらが変化したか」を1文で添えます。2つ目は、別の5分で例題3の雌雄を入れ替えた交配を書き、子の遺伝子型と卵内の因子の有無を別の行に記すことです。お子さまと確かめる場合も、用語を先に言わせるより、図の色や母親の欄を指して説明してもらうと、混同している場所が見えます。

個別指導では、誘導の説明に迷うときは胚葉と組織の由来まで、母性効果に迷うときは配偶子に入る対立遺伝子まで戻って確かめます。どちらも、覚える語を増やす前に、矢印の出発点と到着点をそろえることが役立ちます。

まとめ

発生の実験で問われるのは、完成した形の名前だけではありません。移植した細胞の由来、母親が卵に用意した因子、遺伝子が働く場所、細胞が除かれる場所を区別すると、観察結果から原因を考えられます。答えを書く前に、どの細胞が、どの時期に、何を受けて変わったかを一続きに説明してみましょう。

形成体という名前を覚えた先にある理解は、移植片の色ではなく、働きかけを受けて変わった宿主の色を根拠に語れることです。