小さな線虫がどうして美しいと言われ、ノーベル賞を受賞できるのでしょうか?

さて、今日の主人公を知る前に

虫の恐怖にご注意を_(:з」∠)_

10月7日、ノーベル生理学・医学賞が発表されました。今年は、マイクロRNA分野への貢献が認められ、Victor Ambros氏とGary Ruvkun氏に栄誉が与えられました。

両研究者は今年初めてノーベル賞を受賞するが、彼らが研究する線虫「Caenorhabditis elegans」はすでにノーベル賞の常連となっている。これまでに、この目立たない小さな昆虫に関連したノーベル賞が合計 4 つ授与されています。

えっと？線虫とは何ですか?どうしたら美しくなれるのでしょうか？彼はどうやってノーベル賞を受賞したのでしょうか？

顕微鏡下の Caenorhabditis elegans | kdfj / ウィキメディア

彼らはどこにでもいる

C. elegans は、25,000 種以上の無脊椎動物を含む線虫門に属します。適切な環境では、1平方メートルあたり数千万匹の線虫が生息している可能性があります。個体数で計算すると、地球上の動物の 80% は線虫です。世界中の動物を一列に並べると、あなたと次の「非線虫」との間には平均 4 匹の線虫がいることになります。

トマトの根に潜り込もうとするネコブセンチュウ。ウィリアム・ワージン＆リチャード・セイヤー / ウィキメディア

普段はあまり注目されないこの種の生物は、地球の生物圏で最も広く分布しているグループです。極地、山岳、砂漠、海底などで見つかります。アメリカの線虫分類学の先駆者であるネイサン・コブはかつて、もし宇宙の線虫以外のすべての物質が一瞬にして消え去ったとしたら、その空間に漂う線虫は地球の表面のレプリカとなり、山、湖、町、村、さらには木や動物の輪郭も、そこに分布する特定の線虫種を通じて復元できるだろう、と述べました。

しかし、線虫は単に「地球上で最も強い」だけではありません。 2011年、科学者たちは南アフリカの地下数キロの金鉱の表面で細菌を食べる線虫を発見した。さらに、私たちが最もよく知っている回虫など、かなりの数の線虫が寄生性です。

線虫門の多様性。a は線虫、b は Caenorhabditis elegans です。 |ブルーメンソール＆デイビス / ネイチャージェネティクス（2004）

体長が30センチメートルにもなる麺線虫に比べると、Caenorhabditis elegansは小型で、成虫でも体長はわずか1ミリメートルで、尖った頭と尾を持ち、中央には自由に曲がる円筒形がある。属名 Caenorhabditis には「棒状の」という語源 (rhabditis) が含まれており、種小名 elegans は「美しい、上品な」という意味です。 Caenorhabditis elegansの正弦波のような動きを見ると、この無色透明の「小さな虫」がなぜその名前を得たのかがわかるでしょう。また、線虫とは異なり、C. elegans は非寄生性の線虫です。

線虫 Caenorhabditis elegans の「優雅な」前進方法 |ボブ・ゴールドスタイン / ウィキメディア

線虫はただ横になって歩くだけ

線虫は小さいですが、あらゆる器官を持っています。人間と同様に、発達の過程で3つの胚葉を持つ動物である線虫Caenorhabditis elegansの外胚葉は、複数の細胞が融合した「合胞体」に発達します。全身を覆う「皮膚」を構成するコラーゲンを分泌するのはこの構造層です。これは、虫が成長するにつれて脱落し、再生される「外骨格」です。これは線虫門の特徴の 1 つでもあり、線虫門が、同じく脱皮する節足動物門と近縁であることを示しています。

矢印は、線虫の体のさまざまな部分が融合して形成された「外骨格」を示しています。丨wormatlas.com

皮質の下には、中胚葉から形成された 4 つの筋帯があり、これらは体に沿って縦に走り、相互接続された一連の神経細胞によって制御されています。筋肉の収縮の仕方により、アニメーション画像で見られるのは実際には背側と腹側の方向への「曲がり」であり、通常の C. elegans は常に横向きで歩きます。

免疫蛍光染色法で線虫Caenorhabditis elegansの筋束を描写丨wormbook.org

筋肉の内側には液体で満たされた擬似体腔があり、さらに内側にはまっすぐな消化管があります。口の後ろには食べ物を砕くことができる筋肉細胞のある咽頭があり、さらに奥には腸があります。腸の前後には小さな輪状の細胞があり、開閉できる 2 つの「弁」を形成しています。これは、人間の噴門 (食道が胃に入る入り口) と肛門に相当します。長い生殖腺は消化管の隣にあります。

「本物の男」は千人に一人

人間の観点から見ると、Caenorhabditis elegans の生殖方法は、「両性具有者」と「雄」という 2 つの性別を持つという点でかなり特異です。通常成長する集団の個体の大多数は両性具有者です。発育の未熟な段階では、両性具有者は精子を生成し、生殖腺にそれを貯蔵します。成熟した個体は卵子を産み、準備された精子と結合して受精卵を形成します。

両性具有者の内部構造丨wormatlas.org

両性具有者は技術的には女性であり、ゲノムは 5 対の常染色体と 2 つの X 性染色体で構成されています。結果として生じる精子と卵子には 5 つの常染色体と 1 つの X 染色体が含まれるため、結合後に生成される胚は自然にほとんどが両性具有 (5*2+2X) になります。

しかし、受精卵がランダムにX染色体を失い、数千人のうちの「本物の男性」と言える男性個体に成長する確率はごくわずかです（5*2+X）。両性具有の個体が自家受精すると約 300 個の受精卵が生産されるが、雄個体が両性具有の個体を受精させると子孫の数は 1,000 個を超えることもある。

雌雄同体の個体に遭遇すると、雄は相手と「親密な接触」を持ち、尾の扇形構造を利用して受精のための生殖腺の開口部を見つける丨Kbrugman / wikimedia

ノーベル賞4冠はいかにして達成されたか

Caenorhabditis elegans の最も重要な特徴は、科学研究のためのモデル生物としての存在です。 1950 年代、生物遺伝学の研究が盛んになり始めた頃、南アフリカの生物学者シドニー・ブレナーは分子生物学の発展に多大な貢献を果たしましたが、その後、生物の神経発達のメカニズムに興味を移しました。しかし、人間の神経系は1000億個のニューロンで構成されています。どうやって勉強すればいいのでしょうか？ブレンナー氏は「特別な能力」を持つ線虫「Caenorhabditis elegans」を発見した。

まず、Caenorhabditis elegansはサイズが小さく、食べるものが単純で、成長が早く、生命力が強いです。実験室でよく使われる寒天培地に大腸菌を一層培養し、その上に線虫を置くと、線虫は喜んで食べながら繁殖し、室温で3～4日で一世代繁殖し、寿命は約3週間です。実験者は休暇を望んでいますか?問題ない。プレートをそのまま-80℃の冷蔵庫に入れて冷凍します。旅行から戻ったら解凍すると、線虫はまだ元気に生きています。雌雄同体は自家受粉が可能で簡単に繁殖できるが、雄の存在により異なる遺伝子型の交雑が促進される。

ペトリ皿の中央には大腸菌のコロニーがあり、その周りの黒い円は線虫（Caenorhabditis elegans）を含む土壌サンプルです（A）。細菌を餌とする線虫は餌に引き寄せられて土から出てきます。これらの活発な線虫の個体は、次の世代の繁殖のために選ばれます (B)丨Antoine Barrière & Marie-Anne Félix / wormbook.org

第二に、線虫のシンプルで完全な体の構造は、研究の良い出発点となります。 1983年、イギリスの科学者ジョン・サルストンは線虫Caenorhabditis elegansの発生を研究しました。高度な機器がなかった時代に、サルストンは光学顕微鏡で透明な虫の体を肉眼で観察し、線虫のすべての細胞の発生地図を描きました。受精卵の最初の分裂から始まり、線虫のすべての細胞分裂では、各細胞の機能と運命が完全に決定されています。これは世界初の多細胞生物の細胞発生系統です。

神経細胞の細胞体を点、神経細胞の樹状突起と軸索を線で表し、科学者たちは線虫の神経細胞の地図を描きました。 |オープンワーム

現在、ほぼすべての発生生物学の教科書には、雌雄同体線虫は発生中に 1090 個の細胞を生成し、そのうち 131 個が通常のアポトーシス プログラムを開始して生成後に死滅し、959 個のみが残ると記載されています。2002 年、器官発生の制御とプログラムされた細胞アポトーシスの研究への貢献が認められ、ブレナー、サルストン、ハワード ロバート ホロヴィッツの 3 人の科学者にノーベル生理学・医学賞が授与されました。線虫がノーベル賞リストの第1位を獲得しました。

左から右へ：ブレナー、ホロウィッツ、サルストン。残念ながら、サルストンは2018年3月に亡くなりました。Nobelprize.org

わずか4年後、線虫におけるRNA干渉のメカニズムを解明したアンドリュー・ファイアーとクレイグ・メロにノーベル生理学・医学賞が授与されました。 2人は、この生物が期待通りの結果が得られなかったブランクの対照群から病原体の二本鎖RNAを検出し、それを病原体のゲノムを攻撃するための「ガイド」として使用できることを発見した。今日、RNA干渉は生物学研究において一般的なツールとなっています。線虫は当然のことながら、両方のノーベル賞を受賞しました。

2008年のノーベル化学賞の受賞者3人のうちの1人であるマーティン・チャルフィーは、線虫の研究に緑色蛍光タンパク質を使用しました。線虫はノーベル賞のトリプルキルを完成させる。

緑色蛍光タンパク質をコードする遺伝子が挿入された Caenorhabditis elegans 線虫丨Dan Dickinson、ゴールドスタイン研究室、UNC チャペルヒル

それから、今年のノーベル賞もあります。受賞者のアンブローズ氏とラフクン氏は、それぞれ、発達中の遺伝子活性化のタイミングに異常を示す線虫の変異株2種を研究した。こうして彼らは、これまで知られていなかったタイプのRNAであるマイクロRNAによって実行される、遺伝子制御のまったく新しい原理を発見した。

現在、ヒトゲノムには 1,000 を超えるマイクロ RNA がコードされていることがわかっています。マイクロRNAがなければ、細胞や組織は正常に発達できません。この重要な発見は、有用なモデル生物である線虫と切り離せないものです。

人生はまるで別の宇宙のように謎に満ちています。写真は、細胞核を蛍光染色した後のCaenorhabditis elegansを示しています丨queensu.ca

実際、線虫は生物学研究において幅広い用途に使用されています。 1998年、ヒトゲノム計画の「予備実験」を通じて、線虫はゲノム全体の配列が決定された世界初の多細胞生物となった。 2012 年時点では、302 個の細胞接続からなる線虫の神経ネットワークも「コネクトーム」測定を完了していました。

優雅な線虫「Caenorhabditis elegans」は、これからも人類に生命のメカニズムの不思議を明らかにし続けるでしょう。

著者: ルパン

この記事はGuokrNature (ID: GuokrNature)から引用したものです。