目に見えない力が人生を始める

科学者たちは、摩擦力が海洋生物の進化をどのように推進するかを研究しています。

陶芸家が糸車を使って作業するとき、手と柔らかい粘土の間の摩擦によって、粘土をあらゆる種類の形や作品に形作ることができます。 興味深い類似点として、海洋の卵母細胞 (未熟な卵細胞) は、受胎後に内部のさまざまな区画内の摩擦を利用して、発育上の変化を起こします。 オーストリア科学技術研究所（ISTA）のハイゼンベルクのグループが実施した研究が、 自然物理学では、これがどのように機能するかを説明します。

サンゴ礁に付着しているホヤ。 海洋生物は、脊椎動物の発生過程を研究するための優れたモデルです。

多様な海洋生物 ホヤの世界

海には素晴らしい生き物がいっぱいです。 藻類や色とりどりの魚、カタツムリやホヤに至るまで、水中にはまったく異なる世界が現れます。 ホヤ、特にボウルは非常に珍しいものです。幼虫は自由に移動した後、岩やサンゴなどの硬い表面に定着して付着し、管 (サイフォン) を発達させます。これがホヤの特徴です。 大人になるとゴムの塊のように見えますが、人間に最も近い無脊椎動物です。 特に幼生期のホヤは私たちと驚くほど似ています。

したがって、腹水は初期胚の発生を研究するためのモデル生物としてよく使用されます。 脊椎動物 人間が属するもの。 「ホヤは脊椎動物の基本的な発生および形態学的特徴を示しますが、脊椎動物に特有の細胞およびゲノムの単純性も備えています。」 無脊椎動物「特にホヤの幼生は、脊椎動物の初期発生を理解するための理想的なモデルです」とオーストリア科学技術研究所（ISTA）のカール・フィリップ・ハイゼンベルク教授は説明する。

研究者らは、卵が受精した後の動きを視覚化するために、アクトミオシン皮質（左、緑色の染色）と筋質（右、青色の染色）のアクチンタンパク質を標識した。 卵の下部領域にあるアクトミオシンの殻が動くと、筋原形質と機械的に相互作用し、筋原形質を座屈させます。 バックルは最終的に収縮ポールに溶けます。 クレジット: © Caballero-Mancebo et al./Nature Physics

彼の研究グループの最新の研究は、 自然物理学は、その開発に関する新たな洞察を提供します。 この結果は、禁欲的な卵が受精する際、摩擦力が卵の内部の再構築と再組織化に重要な役割を果たし、発育カスケードの次のステップを予告することを示している。

卵の変態を解読する

胚珠は生殖に関与する女性の生殖細胞です。 男性の精子による受精に成功した後、動物の卵子は通常、細胞質の再構成を受け、細胞の内容物や成分が変化します。 このプロセスは、胎児のその後の発達の青写真を築きます。 たとえば、腹水の場合、この変化により、収縮極（CP）として知られる鐘状の突起（小さな突起または鼻の形）が形成され、そこに胎児の成熟を促進する必須物質が蓄積します。 しかし、このプロセスを駆動する根本的なメカニズムは不明です。

収縮極の形成。 受精後の異種移植卵母細胞の細胞形状変化の顕微鏡的経時的観察：未受精卵から収縮極の開始、収縮極の形成、収縮極の再吸収まで。 クレジット: ©Caballero-Mancebo et al./Nature Physics

ISTA、パリ市立大学、CNRS、キングス・カレッジ・ロンドン、ソルボンヌ大学の科学者グループは、この謎の解明に着手しました。 この取り組みのために、ハイゼンベルグ グループはフランスのロスコフ マリン ターミナルから成体のホヤを輸入しました。 ホヤは雄と雌の両方の生殖細胞を生成するため、ほとんどすべてのホヤは雌雄同体です。 「研究室では、塩水タンクに入れて保管しています。 分類する「初期の胚発生を研究するために卵子と精子を入手する便利な方法です」と、この研究の筆頭著者でハイゼンベルク研究室の元博士課程の学生であるシルビア・カバレロ・マンセボ氏は言う。

収縮極の形成。 受精後の禁欲卵母細胞の細胞形状変化の顕微鏡タイムラプス。未受精卵（左から 1 番目の画像）から収縮極の開始（左から 2 番目と 3 番目の画像）、収縮極形成（左から 4 番目の画像）まで。 クレジット: © Caballero-Mancebo 他/自然物理学

研究者らは、受精卵を顕微鏡で分析したところ、収縮極の形成につながる細胞形状の変化が再現性よく続いていることが判明した。 研究者らの最初の研究は、動物細胞の細胞膜の下に見られる動的構造であるアクトミオシン（細胞）皮質に焦点を当てた。 それはアクチンフィラメントとモータータンパク質で構成されており、一般に細胞の形状変化のモーターとして機能します。

「細胞が受精すると、アクトミオシン皮質の緊張が高まることで細胞が収縮し、細胞の動き（流れ）が引き起こされ、細胞の形状に最初の変化が起こることがわかりました」とカバレロ＝マンセボ氏は続ける。 しかし、アクトミオシンの流れは収縮極の拡張中に止まり、突出に関与する役割が他にもあることを示唆しています。

シルビア・カバレロ・マンセボ。 ISTA の卒業生は、自然の謎を解き明かし、それを小説にすることに大きな喜びを感じています。 画像クレジット: © Nadine Boncioni/ISTA

摩擦力は細胞のリモデリングに影響を与える

科学者らは、収縮極の拡張に役割を果たす可能性のある他の細胞成分を詳しく調べた。 その際、彼らは、禁欲卵細胞の下部領域の中心にある細胞小器官と細胞内分子（関連する形態が多くの脊椎動物および無脊椎動物の卵に見られる）で構成される層である筋質に遭遇した。 「この特定の層は、固体で伸縮性のある素材のように動作し、受精中に卵に合わせて形状が変化します」とカバレロ・マンセボ氏は説明します。

オーストリア科学技術研究所 (ISTA) のカール・フィリップ・ハイゼンベルク氏。 ISTA の細胞生物学者の研究グループは、ホヤとゼブラフィッシュを研究し、組織化されていない細胞の集団が成長の過程でどのようにして精巧な形状に変化するのかを理解しようとしています。 画像クレジット: © Nadine Boncioni/ISTA

アクトミオシンの殻が流れる際、筋原形質は折り畳まれ、2 つの構成要素間に存在する摩擦力により多数のバックルを形成します。 アクトミオシンの動きが止まると、摩擦力も消えます。 「この停止は、複数の筋原性バックルが溶解して明確なベル型の突起になるため、最終的には収縮極の拡大につながります」とカバレロ・マンセボ氏は付け加えた。

この研究は、機械的な力が細胞や生物の形状をどのように決定するかについて新たな洞察を提供します。 これは、摩擦力が発達中の生物の形成と形成において極めて重要な役割を果たしているということを示しています。 しかし、科学者たちは、胚の発生における摩擦の具体的な役割を理解し始めたばかりです。 「筋原形質も興味深い。なぜなら、筋原形質は腹水の他の胚形成過程にも関与しているからである。その異常な物理的特性を調査し、それがホヤの形成にどのような役割を果たしているかを理解することは、非常に興味深いだろう。」とハイゼンベルク教授は付け加えた。

参考文献：「摩擦力は受精時の細胞質再構成と卵母細胞の形状変化を決定する」シルビア・カバレロ・マンセボ、ルシケシュ・シンデ、マディソン・ボルジャー・マンロー、マチルダ・ペロッツォ、グレゴリー・ジップ、アイリーン・スティカリ、デヴィッド・ラブロス・アリアス、ヴァネッサ・ザイデン、ジャック・ミレン、アンドリュー・カラン・ジョーンズ、ラファエル・ヴォイトリス、カール・フィリップ・ハイゼンベルク、2024年1月9日、 自然物理学。
土井: 10.1038/s41567-023-02302-1