「内なる魚。古代から現代までの人体の歴史」

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Anonim

すべての生き物は多かれ少なかれ互いに似ています。非常に古い種を含むいくつかの種の解剖学を研究することで、他の生物、たとえば人間の構造のより完全な全体像を得ることができます。本「インナーフィッシュ」の復刻版。古生物学者ニール・シュービンが語る古生物学者ニール・シュービンは、古代から現在までの人体の歴史「(出版社「コーパス」)、魚と陸の動物の中間的なつながりであるティクターリクの発見者の一人であるピーター・ペトロフによってロシア語に翻訳されました。地球上にまだ生きている、またはずっと前に絶滅した他の種についての科学的知識に基づく人体解剖学。 N + 1は、最初の科学者である発生学者の実験と、すべての多細胞生物の体の比率を決定するHox遺伝子の発見について説明している一節を読むように読者を招待しています。

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胚実験

20世紀の初めに、生物学者は生物の構造と発達について基本的な質問をしました。胚のどこに、それらの発達の経路に関する情報が保存されていますか?それは胚のすべての細胞に含まれていますか、それとも一部の細胞にのみ含まれていますか?そして、この情報はどのような形で記録されていますか?おそらく何らかの化学物質の形で記録されていますか?

1903年以降、ドイツの発生学者ハンスシュペーマンは、発生中に胚細胞が成体の細胞や組織に変化するメカニズムを調査しました。彼が設定した主なタスクは、胚の各細胞に生物全体を形成するのに十分な情報が含まれているかどうか、またはこの情報の一部が一部の細胞に記録されているかどうか、一部は他の細胞に記録されているかどうかを調べることでした。

入手が容易で、実験室での操作が非常に簡単なイモリの卵を使って、シュペーマンは独創的な実験を思いつきました。彼は幼い娘の髪の毛の束を切り落とし、それからミニチュアのタイバックループを作りました。赤ちゃんの髪は素晴らしい素材です。柔らかく、細く、柔軟性があり、ループを描いてイモリの卵の小さなボールを半分に分割できるツールを作成するのに最適です。これはまさにシュペーマンが卵を使って行ったことであり、卵に囲まれた発生中の胚とともに卵を半分に引っ張っています。細胞の核を使っていくつかの操作を行った後、彼は結果として生じた卵の半分をさらに発達させ、それがどうなるかを見守った。そして、これが判明しました:2つに分割された両方の半分から、胚は完全に正常な体の構造を持つ双子のイモリに従って発達しました。両方の双子はかなり実行可能でした。これから明らかな結論が続きました:複数の個体が1つの受精卵から発生する可能性があります。これは、ほぼ同一の(または一卵性、つまり同じ卵に由来する)双子が発生する方法です。これらの実験により、シュペーマンは、胚の発生の初期段階で、一部の細胞がそれ自体で本格的な成体に成長できることを証明しました。

しかし、それはほんの始まりに過ぎませんでした。この実験の後に新しい実験が続き、新しい発見がもたらされました。

1920年代に、彼の研究室で働いていたシュペーマンの大学院生であるヒルダマンゴルドは、小さな胚の研究を始めました。彼女は驚くべき手先の早業によって際立っていました、そしてこの能力は彼女が多くの非常に難しい実験を実行することを可能にしました。ヒルダが働いた発達段階では、イモリの胚は直径約1.5ミリメートルの球体です。ヒルダは、ある胚からピンヘッドよりも小さい組織片を取り除き、それを別の種の発生中の胚に移植しました。同時に、彼女は移植のためにどこからでもではなく、細胞が移動して折り目を形成し、そこから胚葉が形成される領域からのみ断片を取りました。研究者はそれを非常に巧妙に行ったので、別の胚の一部が移植された胚は安全に成長し続けました。この実験の結果は嬉しい驚きをもたらしました。移植された組織部位は、背中、背骨、腹、さらには頭さえも備えた、まったく新しい体の形成をもたらしました。

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組織の一部を別の胚から1つの胚に移植するだけで、ヒルデ・マンゴルドは双子のイモリを受け取りました。

なぜこれがとても重要なのですか?ヒルデ・マンゴルドは、他の細胞が通常の建築計画で全身を形成することを余儀なくされた組織の小さな領域を発見しました。この発達パターンの原因となる小さな、しかし非常に重要な組織片は、オーガナイザーと呼ばれています。

ヒルデ・マンゴルドが論文の執筆中に行った発見に対して、最終的にノーベル賞が授与されましたが、彼女自身には授与されませんでした。彼女の結果が発表される前に、彼女は悲劇的に(台所の灯油ストーブの爆発で)亡くなりました。 「胚発生におけるオーガナイザー効果の発見」であるノーベル医学賞は、1935年にそのリーダーであるハンス・シュペーマンによって授与されました。

今日、多くの科学者は、ヒルデ・マンゴルドの研究が発生学の歴史の中で最も重要な実験であると考えています。

ヒルデ・マンゴルドがシュペーマンの研究室でこの実験を行っていたのとほぼ同時に、別のドイツの発生学者であるウォルター・フォークトは、細胞または細胞のグループを標識するための独創的な方法を開発しました。これらの方法により、彼は胚が発達するにつれて特定の細胞に何が起こるかを直接観察することができました。それらを使用して、Vogtは、発達の初期段階で胚のどの部分から各器官がその後形成されるかを示すマップを編集しました。これらの地図は、その中に定められた構造計画が明らかになるにつれて、若い胚のさらなる発達の過程でどのような運命が若い胚の特定の細胞に降りかかったかを示しました。

Pander、Baer、Spemann、Mangoldなどの最初の発生学者のおかげで、単純な3つの段階で胚細胞の別々のセクションから成人生物のすべての部分の発達経路を追跡できることを学びました-層ディスク、そしてそれに加えて、体の構造の一般的なスキームの形成は、マンゴールドとシュペーマンによって発見されたオーガナイザー細胞部位の作用のために起こります。

胚を1つずつ分解して収集することで、すべての哺乳類、鳥、両生類、爬虫類、魚に独自の組織化サイトがあることを確認できます。場合によっては、胚のオーガナイザーを、まったく異なる種の胚から採取した別のオーガナイザーに置き換えることもできます。たとえば、宿主部位をニワトリ胚からイモリ胚に移すと、その胚から双子のイモリが発生します。

しかし、この主催者は何ですか?そして、それに含まれているものは何ですか、彼らが発達中の体を構築する必要がある計画に従って細胞に何を伝えますか?もちろん、それはDNAです。そして、このDNAには、私たちと他のすべての動物に共通する内部レシピがあります。

ハエと人について

Karl Baerは、胚の発達を追跡し、ある種を別の種と比較し、生物の構造の基本的な特徴を明らかにしました。マンゴールドとスペマンは、成体の組織や器官が胚の組織からどのように形成されているかを知るために、胚を切断し、細胞の一部を移植しました。今、DNAの時代に、私たちは新しい質問をすることができます-私たちの構造の遺伝的基礎について。遺伝子はどのように私たちの組織や体の発達を制御していますか?以前にハエを過小評価する傾向があった場合は、これらの昆虫の突然変異の研究が、人間が人間の胚のボディプランの原因となる遺伝子を発見する道を開いたと考えてください。指や足の指の発達を制御する遺伝子の発見について話したときに、このアプローチについてはすでに説明しました。それでは、私たちの将来の体の全体的なデザインを決定する遺伝子の研究で彼が何を与えることができるかを見てみましょう。

ハエの体にも独自の構造計画があります。フロントエンドとバックエンド、トップとボトム、右側と左側があります。触角、翼および他の付属肢は、それらが成長するはずの場所からハエで成長します。そこから全く成長しない時を除いて!たとえば、頭から脚が伸びている突然変異体のハエがいます。そして、2対の翼と本来よりも多くの体の部分を持っている人がいます。これらの種類の変異体は、例えば、人間の場合、椎骨の形状が頭から体の反対側の端に変化する理由を理解することを可能にしました。

科学者たちは1世紀以上にわたってミバエの異常を調査してきました。これらの研究が始まってすぐに、特別なタイプの突然変異体が科学者の注目を集めました。これらの変異体では、臓器が間違った場所に配置されていました。アンテナがあるべき場所に脚が成長したか、通常の翼のペアに加えて、もう1つ、余分な、またはいくつかの体の部分が欠けていました。明らかに、ここでの何かが、通常の建築計画に従って体が発達するのを妨げていました。他の突然変異体と同様に、これらのハエは、DNAに記録された情報のある種のエラーに起因していました。遺伝子はDNAの断片であり、その長い分子は染色体と呼ばれていることを思い出させてください。遺伝子と染色体上のそれらの位置を研究することを可能にする多くの方法を使用して、特定の突然変異の原因となる染色体の部分を見つけることができます。これは一般的に次のように行われます。まず、突然変異体を繁殖させます。ハエの集団全体を取得します。すべての個体で同じ遺伝的エラーが発生します。次に、特定の分子マーカーを使用して、この突然変異を持つ個人の遺伝子を、そのような突然変異を持たない個人の遺伝子と比較します。この方法では、突然変異遺伝子を含む染色体上で突然変異が発生した部位の位置を特定できます。これらの実験により、ミバエには8つの遺伝子があり、その損傷がそのような突然変異を引き起こすことが明らかになりました。これらの遺伝子は、ショウジョウバエの大きな染色体の1つで互いに続きます。さらに、頭の構造に障害を引き起こす突然変異である遺伝子は、突然変異が体の中央部分、たとえば翼を運ぶ部分に障害を引き起こす遺伝子の前にあります。この列の最後には、体の後端の発達に関与する遺伝子があります。驚いたことに、これらの遺伝子は、関連する体の構造が頭から尾への方向にあるのと同じ順序で染色体上にあることがわかりました。

現在、研究者たちは、DNA要素(ヌクレオチド)のどの特定の配列が各突然変異の原因であるかを見つけるという課題に直面していました。スイスのウォルター・ゲーリングの研究室で働いていたマイク・レビンとビル・マクギニス、およびインディアナのトム・カウフマンの研究室で働いていたマット・スコットは、これらの遺伝子のそれぞれの真ん中に短い配列があることを発見しました。研究された種。この小さな配列はホメオボックスと呼ばれ、ホメオボックスを含む8つのショウジョウバエ遺伝子はHox遺伝子と呼ばれていました。このシーケンスは他のさまざまな動物種で検索され始めました、そしてこれらの検索は本当の驚きとして来た一般的な結論をもたらしました。すべての多細胞動物はHox遺伝子の変異体を持っていることが判明しました。

ハエやマウスのように多様な生物では、頭から尾までの軸に沿った体の組織化は、同じ遺伝子の変異体によって調節されています。ホメオティック遺伝子の働きを何らかの形で妨害する場合、私たちは特定の予測可能な方法で体の構造の計画に介入します。中央のセグメントの遺伝子の1つが機能しないか欠落しているハエを取得した場合、その体の中央のセグメントは発達しないか、変形します。真ん中のHox遺伝子の1つを欠いているマウスを手に入れたら、そのようなマウスでは脊椎の真ん中の部分の構造が変更されます。

遺伝子はまた、私たちの体の比率、つまり頭、胸、背中のさまざまな部分のサイズを決定します。これらの遺伝子は、個々の臓器、手足、生殖器、消化管の発達に関与しています。これらの遺伝子の変化は私たちの体の構造を変えます。

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ミバエとヒトのHox遺伝子。さまざまなHox遺伝子が、頭から尾まで体の組織を支配しています。ハエにはそのような遺伝子が8つ1セットあり、それぞれが図では小さな長方形として表されています。人間はこれらの遺伝子の4つのセットを持っています。ハエと人間の両方で、これらの遺伝子がオンになる順序は、それらがDNAにある順序に対応します。頭で機能する遺伝子はDNA分子の一端にあり、尾で機能する遺伝子はもう一方は、臓器の発達を制御するもので、中央にあり、DNAは中央にあります。

種が異なれば、Hox遺伝子の数も異なります。ハエや他の昆虫は8匹、マウスや他の哺乳類は39匹です。さらに、39個のマウスHox遺伝子はすべて、ハエHox遺伝子の変異体です。これは、哺乳類のHox遺伝子の多くが、昆虫などのHox遺伝子のより小さなセットの重複から生じたように見えるためです。これらの遺伝子の数の違いにもかかわらず、マウスの発達中、ハエの発達中と同じように、それらは非常に明確な順序で活性化されます。

さらに進んで家系図を研究し、私たちの体の構造のさらに基本的な特徴の形成に関与する同様のDNAの広がりを見つけることができますか?驚いたことに、私たちはできます。そしてこれにより、ハエよりもはるかに簡単に生物とのつながりを見ることができます。

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