高校生物 発生と遺伝子発現—誘導と形成体の実験から分化の原因を考える｜武蔵野個別指導塾

原口背唇部の移植で生じた組織を目印から追跡し、誘導する側と応答する側の由来を切り分けます。

よくあるのは、胚の一部を別の胚に移植した図を見て、移植片の細胞が周囲の組織まで全部つくったと答える場面です。新しくできた構造の形だけを見ると、移植片の働きと、働きかけを受けた細胞の変化が混ざってしまいます。細胞に目印を付けたという条件を読み、どの細胞がどこへ移ったのかをたどると、同じ図からより確かな説明を組み立てられます。学校の範囲表と授業ノートで、母性因子、形成体、誘導の実験がどこまで扱われたかを先に確認してください。

答案で問われる3つの見方

まず、卵の中に置かれた物質が、初期の細胞ごとの違いにどう関係するかを問う型があります。母体でつくられ卵に蓄えられた物質を母性因子と呼びます。卵内で偏って分布するものは、卵割後の細胞に異なる量で受け継がれ、後の遺伝子発現の違いにつながります。どの細胞にも同じ物質が同量入るという前提で読むと、位置による違いを説明できません。

次に、ある組織の移植や除去と対照を比べ、周囲の組織の運命が変化したかを問う型があります。移植先に新しい構造が現れても、それが移植片自身からできたのか、移植先の細胞からできたのかを別に調べなければ、誘導の相手を特定できません。さらに、結果が得られなかった条件を読むときは、移植片が働かなかったのか、手術や観察の条件に問題があったのかを区別します。

もう1つは、同じ胚の細胞が異なる形や働きを持つ理由を説明する型です。細胞分化は、細胞が異なる性質を持つようになることです。形態形成は、細胞の移動や形の変化などによって組織や器官の形がつくられる過程です。誘導はその過程の中で、細胞間の働きかけが分化の方向に影響するしくみとして考えます。

卵の偏りから細胞同士の働きかけへ

両生類の卵には、母体由来のRNAやタンパク質などが蓄えられています。母性因子の分布に偏りがあれば、卵割で生じる細胞が受け取る因子の組合せや量にも差が生じます。それが胚自身の遺伝子の発現に影響し、胚の領域ごとの性質の違いにつながります。母性因子があることと、その後に胚の細胞で新たに遺伝子が発現することは別の段階です。

図1のように、最初の偏りから細胞の性質の違いが生まれ、次に細胞間の働きかけによって分化が進みます。矢印は説明の方向であり、図の全ての細胞が同じ物質を受け取ることを示すものではありません。昆虫でも、卵の位置によって異なる濃度で分布する母性因子が、胚の前後の位置に応じた遺伝子発現の違いを生む例があります。ある因子の濃度の違いを、細胞がどの位置にいるかという情報として読み取るわけです。

両生類の初期胚では、原口背唇部が形成体として働きます。形成体は周囲の組織に働きかけ、その分化の方向を変える能力を持つ領域です。形成体自身も胚の一部となり、周囲の細胞も別の組織となるため、形成体が新しい構造全体に変わるとは限りません。原口背唇部を別の胚に移植して生じる二次胚は、この働きを調べる題材です。

誘導では、働きかける側と受け取る側を区別します。受け取る側がその時期に応答できる性質を持つことも必要です。この性質を反応能と呼びます。同じ働きかけを加えても、対象の細胞や発生段階が異なれば同じ結果になるとは限りません。分化した細胞の性質の違いは、一般に発現する遺伝子の違いに関係しますが、その違いを形だけから直接測定したことにはなりません。

器官分化の始まりを考えるときにも、位置の関係が手掛かりです。例えば、ある組織の近くにある細胞が特定の器官の形成に参加するなら、近くの組織からの働きかけを候補にできます。ただし、近くにあるという観察だけでは因果関係を確定できません。組織を取り除く、移す、または接触させる条件を比較し、さらに細胞の由来を調べる必要があります。

基本例題：目印のある移植片を追う

次の条件と結果は、考え方を確かめるための自作の模式実験です。両生類の同じ発生段階の胚を用意し、提供胚の原口背唇部の細胞に目印を付けました。受け手の胚には目印がありません。移植操作の影響も調べるため、受け手の腹側に提供胚の原口背唇部を移す区と、同じ操作で提供胚の腹側の組織を移す区を設けました。移植片はどちらも生き残り、移植先と接していたものとします。移植以外の条件はそろえ、十分に発生させた後に調べました。

原口背唇部を移した区では、元の胚軸に加えて二次胚が生じました。その二次胚の脊索には目印のある細胞が見られ、神経組織には目印のない細胞が見られました。腹側の組織を移した区では二次胚は生じませんでした。図2はこの模式結果を表します。原口背唇部が受け手の神経組織の形成にどう関係したかを、「移植片」「受け手」「誘導」を使って2文程度で説明してください。

まず、変えた条件は移植した組織の種類です。両区で移植操作を行い、生存と接触も確認したので、単に操作をしたことだけでは結果の差を説明しにくくなります。次に、二次胚の神経組織には目印がないため、問題の条件ではその細胞は受け手に由来します。一方、目印のある脊索の細胞は移植片に由来します。組織名を読む前に、目印と由来を結び付けることが肝心です。

答えは「移植片の原口背唇部が、受け手の細胞に働きかけ、神経組織への分化を誘導したと考えられます。移植片の細胞自身も脊索の一部となりました」です。受け手側の組織が変わったことが誘導の根拠であり、脊索に目印があることは移植片自身の行き先を示します。二次胚ができたという形の結果だけでなく、細胞の由来まで使って説明します。

答えを元の結果へ戻して点検します。神経組織が受け手由来という答えは、神経組織に目印がないという観察に合います。脊索の一部が移植片由来という答えは、目印のある細胞がそこに見られたという観察に合います。もし神経組織に両方の目印の状態の細胞があったなら、この答えのように神経組織全体を受け手由来とすることはできません。観察された範囲に合わせて表現を変えます。

腹側の組織を移す区は、移植という操作に伴って二次胚ができる可能性を比較する対照です。それでも、原口背唇部が出す特定の物質や、その物質の直接の作用機構まではこの結果だけでは特定できません。また、移植片がたまたま損傷していたなら、二次胚が生じなかったことをその組織に誘導する能力がない証拠とは直ちに言えません。生存や接触を調べる条件が、否定的な結果を読む際にも役立ちます。

少し難しい例題：応答できる時期を分ける

自作の模式実験として、同じ種類の誘導する組織を、受け手の外胚葉片と組み合わせます。外胚葉片の採取時期だけを変え、ほかの培養条件と接触の状態はそろえます。目印で由来を調べると、次の結果が得られました。組織は全区で生存しています。時期Aの外胚葉片は、誘導する組織と接したとき神経組織になり、単独では表皮になりました。時期Bの外胚葉片は、誘導する組織と接したときも単独のときも表皮になりました。神経組織は外胚葉片由来でした。

この結果から、時期Aと時期Bの外胚葉片について、誘導への応答をどう比較できますか。「反応能」「時期」を使い、2文程度で答えてください。また、時期Bで神経組織ができなかったことから、誘導する組織が死んでいたと結論できるでしょうか。理由を1文で示してください。

順に比べます。時期Aでは、外胚葉片を単独に置いた場合と誘導する組織に接した場合で、できた組織が違います。したがって、時期Aの外胚葉片には、この実験の働きかけに応答して神経組織になる反応能があったと考えられます。時期Bでは、接触の有無にかかわらず表皮になったため、この条件では神経組織になる応答は観察されません。時期Bにおける全ての誘導への反応能が失われた、とまでは言えません。

答えを戻すと、時期Aの接触区が神経組織、単独区が表皮という差に対応し、時期Bの両区が表皮という結果も説明できます。誘導する組織が死んでいたという結論は、生存が全区で確認された条件に反します。生存の情報がなければ、組織の損傷や接触不良も結果が出なかった候補になり、反応能の違いだけに原因を絞れません。逆に、両時期とも接触区で神経組織ができたなら、時期によって応答が違うという今回の結論は支えられません。

この比較は応答の有無を示しますが、時期Aの細胞内でどの遺伝子が発現したかは直接示しません。発現を確かめるには、対象遺伝子を決め、その発現を別に調べる必要があります。遺伝子発現の違いは分化を考える重要な手掛かりですが、観察した事実と、その事実から考えた説明を答案の中で分けます。

誤答の原因を図でほどく

図3のように、移植片から受け手への矢印は働きかけを示し、細胞が矢印の先へ移動したことを意味しません。「神経組織ができたので、神経組織は全部移植片由来です」という誤答は、誘導と細胞の移動を同じこととして読んだ結果です。基本例題では目印の有無に戻り、神経組織が受け手由来であることを確かめてから、「受け手の細胞が誘導された」と直します。

別の誤りは、「移植後に何もできなかったので、移植した組織には誘導する能力がありません」と決めることです。移植片が生存していない、受け手と接していない、観察に必要な発生が進んでいないなどの場合にも、結果は現れない可能性があります。まず操作後の状態と対照区を確認し、能力の有無を判断できる条件か点検します。実験が成立しなかった場合には、原因を断定せず、どの条件を確認し直すかを書きます。

さらに、「同じDNAを持つ細胞は同じ形になる」という答えでは、遺伝子が存在することと発現することが混ざっています。多くの体細胞は同じ遺伝情報を持ちますが、働く遺伝子の組合せは細胞ごとに異なり得ます。誘導の有無や位置に応じて発現が変化することを加えれば、細胞の性質の違いへ説明がつながります。DNAの違いを測っていない実験から、配列が変化したと書く必要もありません。

自分で確かめる4問

以下は全て自作の条件です。問題を先に解き、指定された語と長さを意識して答案を書いてから、後の解答と照らし合わせてください。

1. 昆虫の卵で、母体由来の因子Pが前方に多く後方に少なく分布します。初期の細胞は、受け取ったPの量によって異なる遺伝子を発現します。Pが卵内に均一に存在すると仮定したとき、Pの分布だけから前後の位置の違いを生み出せるか。「濃度」「遺伝子」を使い、2文程度で答えてください。
2. 両生類の胚で、目印付きの組織Xを目印のない胚へ移植すると、追加の構造が生じました。追加の構造の組織Yは目印のない細胞でできていました。移植操作の対照では追加の構造は生じず、両方の移植片は生存していました。組織Yの由来と、組織Xの働きを「受け手」「誘導」を使い、2文程度で答えてください。
3. 同じ発生段階の組織Zを、受け手の細胞と接触させる区と、接触させない区で比べました。接触区では受け手の細胞が器官の一部に分化し、非接触区では分化しませんでした。両区の細胞は生存し、接触以外の条件は同じです。結果から言えることと、特定できないことを「働きかけ」「物質」を使い、2文程度で答えてください。
4. 胚の領域Wを取り除いたところ、特定の組織ができませんでした。ただし手術後に周囲の細胞が多数損傷したことがわかりました。Wがその組織の形成に必要だと、この結果だけで断定できますか。「損傷」「対照」を使い、2文程度で理由と次に確かめることを答えてください。

解答と根拠

1. Pの濃度が均一なら、Pの濃度差を手掛かりにして前後で異なる遺伝子の発現を生み出すことはできません。問題の仕組みでは量の差が位置の情報だからです。答えを条件に戻すと、前後でPの量が同じなので、Pの差による区別は生じません。別の因子まで均一だという条件はないため、胚の前後の違いが一切できないとは断定しません。

2. 組織Yは目印のない受け手の細胞に由来します。組織Xが受け手に働きかけ、組織Yへの分化を誘導したと考えられます。目印のないYという観察に答えを戻せば、Xの細胞そのものがYをつくったという説明とは区別できます。対照と生存の条件があるため、単に移植操作をしたことや移植片の死亡を、区の違いの説明にすることはできません。

3. 組織Zとの接触に伴う働きかけが、受け手の細胞の分化に関係すると考えられます。ただし、どの物質が働いたかはこの結果だけでは特定できません。接触以外をそろえた2区へ答えを戻すと、分化の有無の差は接触の有無に対応します。接触に伴う何が作用したかを示す観察は与えられていないため、物質名や細胞内の経路を付け足しません。

4. 断定できません。周囲の細胞の損傷が組織の形成を妨げた可能性があるため、Wを除かず同様の手術をする対照などを設け、損傷の程度と発生を確認します。答えを元の条件に戻すと、Wの除去と周囲の損傷が同時に起きており、どちらが結果に関係したか分けられません。対照でも同程度の損傷が生じれば、手術の影響を考える手掛かりになります。

最後に押さえる筋道

母性因子の偏りは、初期の位置ごとの違いにつながります。
形成体は周囲の細胞に働きかけ、分化を誘導します。
目印で移植片と受け手の細胞の由来を分けます。
対照、生存、接触を確認して結果の意味を絞ります。
反応能と遺伝子発現は、観察した条件の範囲で考えます。

答案が止まった場所を見つける

図を描いても手が止まるときは、移植前の提供胚と受け手を別々に描き、目印を引き継いだ細胞を移植後にも同じ印で示してみてください。新しい組織の名前はその後に書き入れます。印の行き先が正しいのに説明がずれる場合は、細胞そのものの移動と、他の細胞への働きかけを別の矢印で示すと原因を見つけやすくなります。

個別指導で答案を確かめるなら、まず「操作」「対照」「観察」「結論」の4箇所に線を引き、観察にない物質名や細胞の由来を結論に加えていないかを見ます。結果が出なかった区についても、生存や接触の記載があるかを調べ、実験の失敗と応答しなかった結果を区別します。細胞の由来を追う一手間が、誘導の因果関係を読む土台になります。