脊椎動物の生活環および発生の概要
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すべての脊椎動物胚は、広い意味では類似した過程を経て発生する
受精後、接合体は卵割(cleavage)を経て発生する
これは迅速な細胞分割であり、胚がより小型の多くの細胞に分裂する
この過程の後に原腸形成(gastrulation)が行われ、3つの細胞層(三胚葉)に分化すべく一連の細胞移動が起こる
→BOX 1C 胚葉
原腸形成が終わるまでに外胚葉が胚を包み込み、中胚葉および内胚葉が胚内に移動する
内胚葉
腸管やそれに由来する肝臓および肺
中胚葉
骨格、筋肉、結合組織、腎臓、心臓、そして血液など
外胚葉
表皮および神経系
ファイロティピック段階(phylotypic stage)
門に特徴的なボディプランを示す時期
4つのモデル生物における初期胚の形態の差と、同時期のヒト胚
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原腸形成後、すべての脊椎動物胚は多かれ少なかれ相互に類似した発生段階を経ることになり、脊椎動物が属す脊索動物門に特異的な胚の特徴を示す
この時期には頭部が明瞭になり、さらに神経系の前駆体としての神経管(neural tube)が、胚背側において前後(つまり頭から尾の)軸に沿って発達する
神経管の直下には脊索(notochord)が走っているが、これらが脊索動物に特徴的な構造
脊索の両側にはブロック状の体節(somite)が形成され、ここから筋肉と骨格が発生する
各々の脊椎動物のグループに構造的な特徴、例えば嘴、翼、鰭などは、この後に形成される
棒状の脊索は、脊椎動物において最も初期に認識できる中胚葉構造
脊索は一過性の構造であり、その構成細胞はやがて脊柱に取り込まれ、脊椎を形成する
残りの脊柱および胴部の骨格や、胴部および四肢の筋肉は、体節から形成される
体節は脊索の両側で前後軸に沿って中胚葉から連続的に発生する細胞のブロック
原腸形成の終了に向けて、脊索を覆う外胚葉は神経組織として指定され、それらは屈曲して盛り上がりながら管状構造となり、神経管を形成する
神経管からは脳、脊髄、その他の神経系が形成される
脊椎動物のボディプランの全般的な類似性は、異なる生物種における重要な発生過程が全体として類似していることを示している
しかしながら、特に最も初期の発生過程においては、有意な相違点が多く認められる
モデル生物の発生様式の差は、いつどのようにして体軸が形成されるのか、そして胚葉がどのように確立されているのかを反映している
これらは主に各々の生殖様式の違いや、初期胚の形の違いに起因する
魚類、両生類、爬虫類、鳥類、そしてカモノハシのような卵生の哺乳類においては、卵黄が全ての栄養を提供する
これに対してはほとんどの哺乳類の卵は小型で卵黄を含んでおらず、胚は最初の数日にわたっては卵管、そしてそれ以降は子宮において栄養を提供される
子宮壁に着床後、哺乳類胚は特殊化した胚体外膜(extraembryonic membrane)を周囲に形成する
胚体外膜は胚を守り、それらを通して母体(胎盤(placenta))から栄養が提供される
鳥類胚もやはり胚体外膜を形成し、それらは卵黄からの栄養を胚に供給する
さらに、透過性のある卵殻(膜)を通じて酸素および二酸化炭素の交換を行い、老廃物の排泄も行う
羊膜類(amniote)
鳥類および哺乳類や爬虫類は、このように双方とも胚体外膜(羊膜)を形成する
無羊膜類(anamniote)
両生類や魚類ではそれらは形成されない
発生過程を解析するには、発生の特定の時期に対応する正確な定義やステージング(発生段階の記載)が必要
単に受精からの時間を計測するだけでは、ほとんど全ての生物種にとって、不十分かつ不正確
例えば両生類は異なる温度環境下において発生することができる
そこで発生生物学者は、生物種において正常な胚発生をいくつかの時期、すなわち生物学的に重要な胚の特徴によって分類(ステージング)を行う
例えばステージ10のアフリカツメガエル胚は原腸形成期の初期に対応し、一方でステージ54の胚は、すでに幼生(オタマジャクシ)として四肢を備えて十分に成熟している
このような数字による分類法は、ニワトリ胚においても利用され、卵が生まれてからの時間経過を計るよりも正確な情報を提供する
実際、マウス胚は母体内で上述の生物種に比べてはるかに一定な発生環境におかれているが、発生段階の時間的経過には相当な変動があり、同腹の胚(同腹仔)においても有意な発生の違いがある
したがって、マウス初期胚の交接後日数による確認法は、暫定的な基準に過ぎない
いったん体節が形成されると、体節数がより正確な発生段階の指標として用いられる
3.1 アフリカツメガエルは、発生生物学的研究において頻用されている両生類である
アフリカツメガエル(Xenopus laevis)
完全水生であり、水道水でも正常に発生することができる
四倍体の生物種であることから、二倍体のネッタイツメガエル(X. tropicalis)が近年では遺伝学的な解析材料として頻用されるようになってきている
実験系として便利な点は、受精卵が容易に利用できること
雌および雄にヒト由来ホルモンである絨毛性ゴナドトロピン(絨毛性性腺刺激ホルモン)を注射し、一晩交配させる
その結果、雌は数百の卵を産み、雄由来の精子によって受精す卵が得られる
また、ホルモン処理した雌から抱卵された卵を、ディッシュ上で精子によって受精させることもできる
このような人工的受精のメリットは、得られる胚が比較的同期化されており、多くの同じ発生段階の胚が得られる点にある
この卵は比較的大きく(直径1.2~1.4 mm)、容易に操作が可能
ツメガエル胚は比較的固く、微小外科的な操作後の感染や侵襲に対して抵抗性がある
また、発生初期のツメガエル胚の組織片は、組成の知られている単純培養液中で容易に培養可能
アフリカツメガエル胚の生活環と主な発生段階
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成熟したツメガエルの卵
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異なった極性をもつ
動物極領域(animal region)
色素沈着している領域
植物極領域(vegetal region)
色素が薄く卵黄に富んで重量がある
動物-植物極軸(animal-vegetal axis)
動物極から植物極に走る軸
卵黄膜(ビテリン膜, vitelline membrane)
受精以前の卵を覆うゼラチン状のコート
減数分裂はまだ終了しておらず、第一減数分裂によって比較的小型の細胞(極体(polar body))が動物極に形成される
第二減数分裂は受精後初めて終了し、ここでも二次極体側が動物極側に形成される
→Box 9A
受精では1つの精子が卵の動物極側に侵入する
受精卵は減数分裂を終了し、卵および精子由来の核が二倍体の胚体の核を形成する
アフリカツメガエルでは四倍体
受精卵の最初の卵割は、受精後約90分で起こり、卵割面は動物-植物極軸に沿っており、左右同等の割球を生ずる
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さらに卵割は続き、その間隔はおよそ20分
第二卵割も再び動物-植物極軸に沿って起こるが、最初の卵割面には直交する
第三卵割は赤道面において起こり、最初の2つの卵割面に直交する
よって分割の結果、4個の動物極側の細胞と、4個の大型の植物極側の細胞を生ずる
ツメガエル初期胚においては卵割の間には細胞の成長はなく、したがって卵割が続くにつれて細胞は小型になっていく
動物胚において卵割の結果生じた細胞群は、割球(blastomere)と称される
卵割は同調して起こり、また、卵黄に富んだ植物極側が動物極側よりも大型になるように分裂が行われる
この球状の細胞塊の内部では、組織液に満たされた空間(胞胚腔(blastocoel))が動物極領域に生じ、この時点で胚は胞胚(blastula)と称される
胞胚形成の最終時期のツメガエル胚は、12回の分裂の結果として数千の細胞によって構成されている
その後、内部構造を形成することになる中胚葉および内胚葉は、赤道部周辺、いわゆる帯域(marginal zone)と植物極側に各々位置する
一方で外胚葉は、最終的には胚の全体を包む形となるが、この時期にはまだ動物極側に限局している(図3.6左)
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次の段階は原腸形成であり、胞胚において指定された胚葉の大規模な移動と再配置を伴う
その結果、各々の胚葉は、胚体内で適切な場所に位置するようになる
原腸形成では構造が三次元的に変化するので、これを視覚化することは容易ではない
外部から最初に見える原腸形成の徴候は、スリットのような小さな陥入(原口(blastopore))で、これは胞胚の将来の背側表面に形成される(図3.6の2番目)
この領域は発生過程において特に重要であり、胚オーガナイザー(embryonic organizer)、特に両生類においてはシュペーマンオーガナイザー(Spemann organizer)と称されている
同領域を欠損すると、背腹および体軸形成が起こらない
いったん原腸形成が開始されると、胚は原腸胚(gastrula)と称される
アフリカツメガエルにおいては帯域にある将来の内胚葉および中胚葉は、密着した細胞シートとして背唇部の下部に潜り込みながら、原口を通って原腸胚の内側に移動していく
このような内部への細胞移動は巻き込み(involution)と呼ばれる
いったん内側に入ると、組織は正中線のほうに集まり、さらに背側外胚葉の下において前後軸に沿って伸展していく
その結果として、胚は前後軸方向に伸長する
同時に外胚葉は下部に広がって胚全体を覆うが、この過程はエピボリー(epiboly)と呼ばれる
巻き込みによって内部に移動していく背側内胚葉層は中胚葉に接しており、この層と卵黄に富んだ植物極側細胞層との間隙は、原腸(archenteron)と呼ばれる(図3.6の3番目)
このような内胚葉や中胚葉の内側への動きは背側から開始して、原口の周辺に細胞の環を形成する
原腸形成の終わりまでに、原口はほとんど閉塞し、残存したスリットは将来の肛門部を形成する
さらに、側方および腹側中胚葉はボディプランに沿った場所に位置し、外胚葉が胚全体を覆う
この時期に置いてはまだ多くの卵黄が存在し、胚がオタマジャクシ(幼生)になり自活的に摂餌行動をとるまで、胚に養分を供給する
さらに原腸形成過程においては、背側の中胚葉は脊索や体節に発生し始め、一方でより側方の中胚葉(側板中胚葉(lateral plate mesoderm))は、中胚葉由来の腎臓などの内臓器官を形成する
さらに前方側板中胚葉は、心臓を形成する
原腸形成には、神経管形成(neurulation)が続くことになる
中枢神経系の前駆構造となる神経管を形成する段階
したがって、これらの胚は、神経胚(neurula)と称される
最も初期の神経管形成の徴候は、神経褶(neural fold)の形成であり、それらは神経板(neural plate)の端に形成される
神経板とは、脊索の上を覆う円柱状の細胞からなる外胚葉領域
神経褶が次第に持ち上がりながら中央部に向かって屈曲し、融合して神経管を形成する
神経管はその結果、表皮直下に位置する
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神経堤細胞(neural crest cell)は融合している部分の両側の神経管の末端を離れ、からだ全体に広がって多くの構造をつくる
前方神経管は脳をつくり、それより後方の脊索上方の神経管は脊髄を形成する
この時期の胚はオタマジャクシ様の構造をとり始め、脊椎動物の主要な特徴が識別できるようになる
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前端において脳はいくつかの領域に分化しつつあり、眼や耳が発達し始めている
さらに3つの主要な鰓弓(branchial arch)が各々両側から観察でき、最も前方側の鰓弓からは顎が形成される
後方では、体節や脊索が十分に発達している
およそステージ40(受精後およそ2.5日)において口部が開口する
そして最後に、肛門のさらに後部側にあるオタマジャクシの尾部が、尾芽(tailbud)から形成される
この尾芽からは、胴部から連続した形でつくられる、尾の中の脊索や体節、神経管が形成される
さらに発生が進むと、血液、心臓、腎臓、肺、および肝臓など多くの器官群が形成される
このような器官形成(organogenesis)が完了するとオタマジャクシは孵化し、ゼリー状のコートから外部に出て、
泳ぎ始めて自発的に餌を採る
さらにその後、オタマジャクシ型幼生は変態を経て成体のカエルとなり、尾部は退縮し、四肢が発生する
3.2 ゼブラフィッシュ胚は大きな卵黄の周囲に発生する
ゼブラフィッシュ胚
脊椎動物発生を研究する便利なモデルである2つの面
その生活環が約12週間と比較的短い点
大規模な遺伝的スクリーニングを含む、遺伝学的解析を比較的容易なものとしている
→Box 3C
胚が透明であること
発生期の個々の細胞の運命や移動の観察に適している
このような遺伝学的な操作の容易さから、ヒトのいくつかの疾患、特に遺伝的な異常によって血液や心血管系で引き起こされる疾患を研究するためのモデル生物として、ゼブラフィッシュが適していることが判明した
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ゼブラフィッシュ胚は直径が約0.7 mmであり、明確な動物-植物極軸を有している
細胞質および核は、大型の卵黄の上の動物極において観察される
受精後、受精卵は卵割に入るが、卵黄そのものは分割されない
その結果、大型の卵黄上に円形の割球が形成される
最初の5回の卵割面はすべて垂直方向であり、最初の水平面の卵割により受精後2時間で64細胞期に到達する
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さらに卵割が起こると球体期(sphere stage)となり、同時期においては卵黄上に、約1000個の細胞から成る胚盤が形成される
半球体の胚盤は、平坦な1細胞の厚さの外層細胞からなる被覆層(outer enveloping layer)を持ち、その内側により円形の細胞であるディープレイヤー(深層細胞, deep layer)を有している
この深層細胞より胚は形成される
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初期の胚盤期においては、胚盤周縁部で割球は卵黄細胞に向かって次第に融合しながら崩壊し、その結果、多核で非卵黄性の細胞質を含む層が胚盤下で形成される
それら領域は、卵黄多核層(yolk syncytial layer)と称される
胚盤は卵黄多核層と共に植物極側にエピボリー(覆いかぶせ運動)によって広がり、最終的に卵黄細胞を包み込む
魚類胚の胚盤と両生類の胞胚は形態において異なるが、これらは発生においては対応する段階
魚類胚において内胚葉は、胚盤周縁部のすぐ近くの深部の細胞に由来する
この狭い周縁部領域に含まれる細胞は、内胚葉および中胚葉双方に寄与できるので、しばしば中内胚葉(mesendoderm)と呼ばれる
この周縁部からおよそ4~6個の細胞相当分離れた深部の細胞は、中胚葉にのみ寄与する
このようなゼブラフィッシュ杯の予定内胚葉および中胚葉のある種の重複性は、アフリカツメガエルの様式と比較して異なっている
実際、アフリカツメガエルにおいては中胚葉と内胚葉は、より離れた位置を占めている
魚類胚における外胚葉は、アフリカツメガエル同様に、胚盤の動物極側の細胞に由来する
受精後5.5時間を経ると、胚盤は植物極側におよそ半分ほど広がり、深部の細胞は胚盤の末端において肥厚部を形成する
この領域は、胚環(germ ring)と称される(図3.11の2番目)
同時期に、胚環に含まれる深層細胞は胚の背腹に向かって収斂し、最終的にはコンパクトなシールド状の構造を、背側の胚環中に形成する(シールド, 胚盾)
このような構造は受精後およそ6時間で観察されるようになり、この時期をシールド期(shield stage)と称する
シールドは、アフリカツメガエルにおけるシュペーマンオーガナイザーに対応している
原腸形成においては、中内胚葉や中胚葉細胞が胚盤の周縁部の下部において巻き込まれ、外胚葉の下を内部に入り込む
最も初期に巻き込まれる細胞は、内胚葉となる
中内胚葉細胞が内部に移動するに伴って、エピボリーを継続した外胚葉は、卵黄を含む胚体全体を覆うまで植物極側に広がる
ゼブラフィッシュとアフリカツメガエルにおける原腸形成の違い
魚類胚においては細胞の内部移動が胚盤の周縁部全域にほぼ同時に起こること
内胚葉が主に胚盤背側および側方周縁部に由来する点
原腸形成胚においていったん内部に移動すると、中内胚葉細胞は外胚葉の下を動物極側に向かって移動する
このような組織収斂は最終的に胚の主な体軸を形成し、胚を前後方向に沿って伸長させる
この過程はアフリカツメガエル胚と基本的に同様である
将来の中胚葉および内胚葉の細胞は、この時期には双方とも外胚葉下に位置し、胚盤が植物極側に向かっておよそ3/4程度まで広がる
また、1層の内胚葉細胞が卵黄に近接して発生し、より表層の細胞は中胚葉となる
9時間後までには脊索が胚の背側中央部において形成され、胚盤の周縁部での細胞の巻き込みは10時間後までに完了する
体節の形成や神経管形成、さらに神経堤細胞の移動がこの後に引き続いて起こる
次の12時間で胚はさらに伸長し、種々の主要な器官系の原基が次第に形成される
体節はおよそ10.5時間後、前方の末端で最初に形成され、最初は約20分間隔、その後は30分間隔で新しい体節が形成される
18時間後までには18の体節が形成される
ゼブラフィッシュ胚において腸管が形成される様式は、アフリカツメガエル胚やニワトリ胚、およびマウス胚といくつかの点で異なっている
ゼブラフィッシュ胚おいては、腸管は原腸形成の比較的後期(18体節期)で発生し始める
その形成は、内部に入った内胚葉の塊が再編成され、管状構造となることで起こる
ゼブラフィッシュの神経管形成は、アフリカツメガエルと同様に、原腸形成の終わりにかけて始まり、神経板が円柱状の外胚葉として脊索の上に形成される
しかしアフリカツメガエルと異なって、ゼブラフィッシュの神経板では最初に棒状の細胞構造が形成され、その内部が空洞化することにより神経管を形成する
神経系はその後急速に発達する
最終的に眼になる眼胞は、12時間後には脳から突出した膨らんだ構造として認められる
さらに18時間後には胚全体がぴくぴくと動き始める
さらに48時間後となると胚は孵化し、稚魚は自発的に遊泳し、摂餌行動を取ることができる