左右非対称性の胎生発達における早期起源
学術背景
動物界において、双方向対称性（bilateral symmetry）は広く存在する身体構造の特徴です。しかし、脊椎動物は外見上双方向対称性を示す一方で、内部器官では左右（left-right, LR）非対称性を示します。この非対称性は、特に鳥類や哺乳類などの羊膜動物の胎生発達において重要な役割を果たし、胚が発達する過程で双方向対称性から左右非対称性に変化します。近年、科学者たちはこの変化のメカニズムについて深く研究してきましたが、特にHensen’s node（Hensenノード）が左右非対称性形成に果たす役割についてです。しかし、左右非対称性が最初にいつ現れるのか、その背後の物理的メカニズムについては未解明な点が多くあります。
本研究では、鶏胚をモデルシステムとして用いて、左右対称性破壊（LR symmetry breaking）の早期起源を明らかにしました。研究者は生物物理学的手法を用いて、胚発達初期の細胞流動を量化し、Hensen’sノード形成以前に左右非対称性が既に存在することを見出しました。この発見は既存のモデルに挑戦し、物理的メカニズムがこの重要な生物パターン形成プロセスにおいて重要な役割を果たす可能性を示しています。
論文の出典
本研究の著者には、リエコ・アサイ、シュブハム・シンハー、ヴィヴェク・N・プラカッシュ、高橋貴志が含まれており、それぞれカリフォルニア大学サンフランシスコ校、日本熊本大学国際医科学研究センター、およびマイアミ大学の物理学科、生物学科、海洋生物学と生態学部門に所属しています。本研究は2025年2月3日に『アメリカ国家科学院紀要』（PNAS）に掲載され、題名は「Bilateral cellular flows display asymmetry prior to left–right organizer formation in amniote gastrulation」です。
研究流程与結果
1. 研究流程
a) 細胞流動の量化分析
研究者は、原条（primitive streak, PS）形成前の段階からHamburger-Hamilton分期（HH3段階）までの細胞流動を追跡するために、早期鶏胚でリアルタイムイメージング実験を行いました。細胞流動を量化するために、粒子画像速度測定技術（Particle Image Velocimetry, PIV）を使用しました。これは、時間系列画像中の粒子運動を解析することで流速場を量化する流体力学に基づく計算方法です。
b) 左右非対称性の検出
研究者は、細胞流動中の左右非対称性を検出するために、流動速度、渦度（vorticity）などの生物物理学的パラメータの時間平均分析を行いました。彼らは、細胞流動が胚発達初期に顕著な非対称性を示し、特に右側（right side）の流動速度が早く、渦度も大きいことを発見しました。
c) 有丝分裂抑制实验
研究者たちは、細胞分裂が左右非対称性に及ぼす影響を調査するために、有絲分裂を阻害する薬物aphidicolinを用いて胚を処理し、原条が形成されない場合の細胞流動の変化を観察しました。結果は、原条の形成が阻害されたにもかかわらず、右主導の細胞流動パターンが依然として存在することを示しました。
2. 主要結果
a) 細胞流動の左右非対称性
研究は、細胞流動が胚発達の初期段階で既に左右非対称性を示していることを発見しました。特に、原条形成後約6時間、右側の流動速度と渦度が左側よりも著しく高いことがわかりました。この結果は、左右非対称性がHensen’sノードの形成以前に現れることを示し、物理的メカニズムが早期胚発達において重要な役割を果たしていることを示唆しています。
b) 有丝分裂抑制的影响
有丝分裂抑制的胚胎中，尽管原条的形成被显著抑制，但细胞流动仍然表现出右主导的模式。这表明，右主导的细胞流动模式并不依赖于细胞分裂，而是可能由其他机制（如细胞固有的手性）所驱动。
c) 生物物理参数的量化
通过对流动速度、涡度等参数的量化分析，研究人员发现，左右不对称性在胚胎发育的早期阶段就已经建立。这一发现挑战了现有的模型，表明左右不对称性的起源可能比预期的更早，并且可能与细胞流动的物理特性密切相关。
結論と意義
本研究は、鶏胚の発達における左右非対称性の早期起源を明らかにし、細胞流動の物理的メカニズムが左右対称性破壊において重要な役割を果たしていることを示しました。この発見は、胚発達の早期メカニズムを理解する新しい視点を提供するとともに、他の種での左右非対称性の起源に関する重要な手がかりを提供します。
研究のハイライト
- 早期非対称性の発見：本研究は、左右非対称性がHensen’sノード形成前に既に存在することを発見し、既存の発生生物学モデルに挑戦しました。
- 物理的メカニズムの解明：生物物理学的手法により、細胞流動の物理的特性が左右非対称性形成において重要な役割を果たしていることが示されました。
- 有丝分裂抑制实验：实验表明，尽管细胞分裂被抑制，右主导的细胞流动模式仍然存在，提示了左右不对称性可能由细胞固有的手性所驱动。
その他の有用な情報
研究者たちは、未来の研究では、細胞流動の左右非対称性が他の種での左右非対称性メカニズムと関連しているかどうかをさらに探討できると述べています。また、より高感度のRNA検出技術（例：Hybridization Chain Reaction, HCR）や空間転写体omics（spatial transcriptomics）などの技術を用いることで、遺伝子発現の空間パターンをより正確に明らかにし、左右非対称性の分子メカニズムをさらに理解することができます。
本研究は、発生生物学分野に新たな洞察を提供するだけでなく、将来の胚発達における物理的メカニズムの研究に新しい道を開きます。