蛋白質核酸酵素:消化管の進化的起源

特集 内胚葉 分化 の分子 メカニ ズム
消化管の進化的起源
刺胞 動物 ヒ ドラにお ける基 本構 造 と機 能
Evolutionary
origin
of digestive
tract:
basic
structure
and
function
in cnidarian
hydra
清 水 裕 ・岡 部 正隆
哺乳類 の消化 管 と同様 な構造 ・機能 をもつ消化 管が,多 細胞体 制進化 の どの段 階で 出現 したのか,そ して,消 化 管
形成 の分子機 構が進 化的 に保 存 されているのか ど うかは,興 味深 い問題で ある.刺 胞動物 ヒ ドラ は,神 経系 をもつ
多細胞 動物 のなかで もっとも原始 的な動物 と 目される.筆 者 らは,ヒ ドラ消化管 が構造 ・運 動機能 の両面 で ヒ ト消
化管 と多 くの類似 点 をもつこ とを示 し,消 化運 動 の基 本が多 細胞体 制進化 の ごく初 期 に確立 した可能 性を提示 する
一方 で ,ぜ ん動機 能 に散在神経 系が はたす役割 を考察 する.最 後 に,ぜ ん動 が進化 的 に消化 以外 の 目的 か らは じま
った可 能性 に言 及す る.
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Key
words
●消化 管 ●ぜん動 ●腸 管神 経系
は じめに―
考 え られ て い る.筆 者 ら は,ヒ
背景説明
ヒ ト消 化 管 と基 本 的 に同 様 な構 造 ・機 能 を もつ消 化 管 の発
哺 乳 類 の消 化 管 は,お お まか にい う と,口 腔 につ づ く咽
頭 には じま り,食 道,胃,小
ドラ消 化 過 程 の 観 察 か ら,
腸,大 腸 をへ て直 腸 にお わ る,
祥 が,先
カ ンブ リア 代 に地 球 上 に 出現 した刺 胞 動 物
(Cnidaria)ま
で さか の ぼ る 可 能 性 を考 え る よ うに な った.
基 本 的 にチ ュー ブ状 の構造 で あ る.そ の機 能 は器 官 に よっ
刺 胞 動 物 は神 経 系 を もつ動 物 の なか で もっ と も原 始 的 だが,
て まち まち だ が,共 通 す る運 動 ・構 造 基 盤 が あ る.そ れ は,
こ の結 果 は,神 経 系 を もつ 消 化 管 が 形 成 され た ご く初 期 の
食 物 を さ きへ と押 し出 すぜ ん動 運 動 で あ り,そ れ を可 能 に
時点 で,す で に ヒ ト消 化 管 と同様 な構 造 ・機 能 が獲 得 され
す る筋 層 ・神 経 系 で あ る.ヒ
て い た可 能 性 を示 す もの で あ り,進 化 のパ ラ ダ イム の再 考
ト消 化 管 の筋 層 は,外 側(外
胚 葉)に 縦 走 筋,内 側(内 胚 葉)に 輪 走 筋 を配 し,そ の 中 間
につ なが る可 能性 が あ る と考 え られ る.本 稿 で は,筆 者 ら
部 に 運 動 や 吸 収 機 能 制 御 に か か わ る2つ
の観 察 結 果 の概 略 を述 べ る と と もに,ぜ ん動 運 動 の進 化 的
(Auerbach's plexusとMeissner's の腸 管 神経 叢
plexus)が 分 布 す る1).
この よ うな体 制 が,多 細 胞 動 物 進 化 の過 程 にお いて い つ ご
ろ確 立 し,ど の よ うに発 展 して きたか,そ
して,器 官 形 成
な起 源 につ い て私 感 を述 べ た い.
ヒ トあ るい は哺 乳 類 消 化 管 と比 べ て,そ の祖 先 にあ た る
脊 索 動 物 ホ ヤ2)や,前
口動 物 の線 虫 の 消化 管3)で は筋 層,
を担 う分 子 的 基 盤 が どの よ う に進化 して きた か は未 解 明 で
神 経 叢 の いず れ も認 め られ な い.そ
あ り,哺 乳 類 消 化 管 形 成 機 構 の解 明 に も関 連 す る魅 力 的 な
収 縮 が原 動 力 に な って 食 物 が 移 動 す る,受 動 的 な動 きが み
研 究 対 象 で あ る.
られ るだ け で あ る.こ の ため,ヒ
こで は,咽 頭 の 自動 的
ト消 化 管 の高 次 構 造 や機
ヒ ト消 化 管 は高 度 に領 域 化 し構造 的 に も複 雑 化 して い る
能 は無 脊 椎 動 物 で は未 発 達 で,脊 椎 動 物 の 出現 に と もな い
こ とか ら,一 般 的 に,進 化 的 に もっ と も発 達 した消 化 管 と
最 近 に な り確 立 した と い う認 識 が 生 じて もお か し くな い.
筆 者(清 水)は,こ
の研 究 をは じめ る以 前 はそ の よう に考 え
て い た.実 際 は,扁 形 動 物 プ ラナ リア で も筋 層 ・ぜ ん動 運
Hiroshi 動 が み られ る し4),ホ ヤ に 筋 層,神 経 叢 が 存 在 しない の は
Shimizu
国 立 遺伝 学研 究 所 個 体 遺伝 研 究系 発生 遺伝 研 究部 門
E-maiｌ:[email protected]
Masataka よ うな認 識 はあ や ま りで あ る.そ
Okabe
東 京 慈 恵 会 医 科 大 学DNA医
咽 頭 機 能 の増 大 に よっ て退 化 した もの と考 え られ,上 記 の
して,本 稿 に述 べ る観 察
結 果 は,原 始 的 な散 在 神 経 系 しか もた ない と考 え られ て き
学研 究所 器 官発 生研 究 室
E-mail:[email protected]
た ヒ ドラ に,ヒ
ト消 化 管 の 高 次 構造 や 機 能 の原 型 が す で に
存 在 す る こ とを示 す もの と考 え られ る.
112
蛋白質 核酸 酵素
Vol.52 No.2 (2007)
特集 内胚 葉分 化 の分 子 メカニ ズ ム
刺胞 動物 ヒ ドラの構造
図1
(a)ヒ ドラの体 制,チ
ク ビ ヒ ドラ野 生 系統105.
ス ケ ール は1mm.
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(b)組 織 の 断面 模 式 図.
ヒ ドラの消 化 管 の サ イ ズ は ヒ トの もの と比 較 す る と大 き
I
ヒ ドラ概説
な差 が あ り,太 さ は1/100(1mm以
cm以
ヒ ドラは刺 胞 動 物(Cnidaria)の
ヒ ドロ虫 網 に属 す る原
下)ほ ど しか な い.こ
下),長
さは1/1000(1
の よ うな ミリ単 位 の 空 間 で は,
拡 散 が 物 質 輸 送 に と って 重 要 な 手段 と な りうる.分 子 量 が
始 的 な多 細 胞 動 物 で あ る.刺 胞 動 物 はポ リプ,ク ラゲ,プ
数百 程 度 であ れ ば,拡 散 だ けで も胃体 腔 内 を移 動 で きる7).
ラ ヌ ラ な ど さま ざ ま な外 部 形 態 を示 す が,そ の うち ポ リプ
このた め,古
形 が一 般 的 で あ る.そ の形 態 は,円 筒 状 の体 幹 と,そ の一
始 的多 細 胞 動 物 の体 内 での 主 要 な物 質 輸 送 手段,す なわ ち,
方 の端 に あ る頭 部,も
循 環 や消 化 の基 本 機構 は拡 散 で あ る と考 え られ て きた.拡
う一 端 の足 部 で 特 徴 づ け られ る(図
くか ら,ヒ
ドラ を は じめ とす る刺 胞 動 物 や 原
1a).頭 部 の 口 は餌 を採 り入 れ るだ けで な く糞 を排 泄 す る肛
散 が本 来 は物 理 現 象 で エ ネル ギ ー を必 要 と しない こ とか ら,
門 の役 割 を もは たす.足 部 の端 に は足 盤 を形 成 し,粘 着 物
原 始 的 な動 物 には ぴ っ た りだ ろ う との思 い こみ もあ っ た も
質 を分 泌 し水 中 の 枯 葉 な ど につ い て付 着 性 の 生 活 を営 む.
の と思 われ る.し か し,胃 体 腔 液 の循 環 は拡 散 で な くポ ン
体 を構 成 す る上 皮 組 織 は3層 構 造 か ら な り,外 側 に1層 の
ピ ング運 動 に よっ て行 な わ れ て い る こ とが,最 近,筆 者 ら
外 胚 葉 上 皮細 胞,内
が行 な っ た観 察 か ら明 らか にな った(コ ラム1).そ
側 に 内胚 葉 上 皮 細 胞,中
トリックス(メ ソグ リア)を もつ(図1b).刺
間 に細 胞 外 マ
胞 動物 は無 体 腔
して,消
化 につ い て も拡 散 が基 本機 構 で は ない こ とを,つ ぎに示 す.
類 であ り,循 環 のた め のス ペ ー ス(体 腔)を もた な い.こ の
ため,ポ
リプ の内 部 空 間 は消 化 管 と体 腔 の機 能 を兼 ね る も
II ヒ ドラが示す消化運動
の と考 え られ,胃 体 腔 とよ ばれ る.上 皮 細 胞 は その 基 部 に
筋 繊 維 を もっ てお り,高 等 動 物 の上 皮 細 胞 と筋 細 胞 が 融 合
ヒ ドラ消 化 管 は,そ の 内 部 表 面 が 襞 状 の 構 造 をつ くって
した状 態 に相 当 す る.筋 繊維 の走 方 向 は,外 胚 葉 で は縦 方 向,
い るが,こ れ は ヒ ト消 化 管 の場 合 と同様 に表 面 積 を増 大 さ
内 胚 葉 で は横 方 向(円 周 方 向)で,哺
せ るの に役 立 って い る.ま た,そ の 表 面 に高 い ア ル カ リホ
乳 類 の消 化 管 と同一 で
あ る5).外 胚 葉 と内胚 葉 の あ いだ,メ
した形 で,網
ソ グ リアの外 側 に接
目状 の散 在 神 経 系 が 分 布 す る.ク ラ ゲや 一 部
の ヒ ドラ な どで は神 経 環 と よぶ バ ン ドル構 造 が 認 め られ6),
ス フ ァターゼ活 性 が 認 め られ る(野 呂 ら:未 発 表)が,こ
れは
ヒ ト小 腸 と共 通 な性 質 で あ る.
給 餌 す る と,ヒ
ドラ は餌 をつ ぎつ ぎに捕 獲 し口 に運 ん で
神 経 系 集 中 化 の 端 緒 で は ない か と の観 点 か ら注 目 され る.
飲 み 込 む.こ の く り返 しで消 化 管 は伸 展 し満 腹 状 態 に なる
体 長 は1cmほ
(図3a)が,こ
ど.頭 部 直 下 か ら出芽 域 の 下 まで の部 分 が
吸 収 機 能 を もち,こ の部 分 が 消 化 管 に相 当す る.
の過 程 は,こ れ まで嚥 下 運 動 に と もな う受動
的 現 象 だ と考 え られ て きた.こ れ に対 し,少 量 の給餌 を行
蛋 白質 核酸 酵素
Vol.52 No.2 (2007)
113
な う と,食 物 塊 が消 化 管 内 を奥 にむ か っ て移 動 す る運 動 が
を欠 失 させ た 個 体 で は起 こ らな い こ とか ら,神 経 系 が 関与
認 め られ た13)(図3b).こ
す る能 動 的現 象 だ と考 え られ る.
の移 動 は,厳 密 には,食 物 塊 の
後 方(足 側)の 輪 走 筋 が伸 展 す る一 方 で,前 方(口 側)の 輪
給 餌 の の ち 数 時 間 ころ に,2番
目の 収 縮 運 動 が認 め られ
走筋 が収 縮 す る こ とに よっ て 可 能 にな る.こ れ は,哺 乳 類
た.こ の 運 動 で は,消 化 管 上 部 と下 部 組 織 が交 互 に収 縮 し
の食 道 が行 な う運 動 で,食 道 反 射 と よばれ る,食 物 塊 を咽
内 容物 は 胃体 腔 内 を往 復 運 動 す る(図3c)が,非
頭 か ら胃 に運 ぶ 運 動14)と 非 常 に よ く似 て い る こ とか ら,筆
りな の で リア ル タイ ムだ と気 が つ か な い.こ の 運 動 は,神
者 らは,"食 道 反 射 様 運 動"と 名 づ け た.こ の運 動 は神 経 系
経 系 を完 全 に 除 く と*1非 常 に微 弱 に な る こ と*2(図3d),
常 にゆ っ く
分 離 して切 り出 した消 化 管 内で も起 こ る こ と(図3e),な
ど
か ら,消 化 管 に分 布 す る神 経 系 に よ る反 射 運 動 と考 え られ
た.そ
して,哺 乳 類 の小 腸 が示 す 運 動16-18)(ぜん動 反 射)に
よ く似 て い る こ とか ら,"ぜ ん動 反 射 様 運 動"と 名 づ け た.
給餌7∼9時
間後 に起 こるの が"排 便 反 射様 運動"で あ る.
ヒ ドラ個 体 は,通 常,体 軸 方 向 に短 縮 して も,そ のぶ ん胴
体 が 太 くな って消 化 管 の 内容 積 は 一 定 に保 た れ,口 か ら内
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容 物 を は き出 した りす る こ とは ない.と
ころが,こ
の運 動
で は外 胚 葉 の 縦 走 筋 と内胚 葉 の輪 走 筋 が 同位 相 で収 縮 し,
結 果 的 に,内 容 物(こ の 時 点 で は,あ
る程 度 まで 固形 化 し
た糞 に な って い る)は 口 か ら強 制 的 に排 出 さ れ る(図3f).
この過 程 は,哺 乳 類 の 直腸 が排 便 の際 に行 な う排 便 反射19)
と非 常 に よ く似 て い る こ とか ら,こ の 名 をつ け た.こ の運
動 は,頭 部 を除 い て も もとの頭 部 端 で起 こ る こ と(図3g)か
ら,運 動 の方 向 が ほ か の2つ とは逆 で あ る もの と考 え られ
る.ま た,神 経 が 欠 失 した系 で は起 こ らな い こ とか ら,消
化 管 の神 経 自体 に この運 動 制 御 機 能 が 備 わ っ て い る こ とが
示 唆 され る.
以 上 の3種 類 の運 動 は,基 本 的 に神 経 支 配 であ る.そ れ
を担 う と考 え られ る,ヒ
ドラ消 化 管 部 分 にあ る網 目状 の散
在 神 経 系 は,こ れ まで,進 化 上,最 初 に現 わ れた神 経系 で
コ ラ ム
1
胃体腔液の循環過程
胃 体 腔 は た えず 空 洞 を形 成 し,常 時,拡
の と考 え られ て い るが,実
散 が 起 こ って い る も
際 に調 べ て み る と,相 当 の 時 間,
胃 体 腔 は閉 じてお り,胃 体 腔 液 は足 部 付 近 の柄 部 に滞 留 して
い る8).ヒ
ドラ個 体 が非 周 期 的 に 収 縮 す る こ と に よ り,胃 体
腔 液 はポ ン ピング運 動 を行 ない,胃 体 腔 内 を移動 する(図2a).
つ ま り,胃 体 腔 内 の 物 質 移 動 は静 的 な拡 散 に は依 存 しな い.
図2
ヒ ドラ胃体腔液 の循環 過程
(a)墨 液 でラベ ル した 胃体 腔 液 は,個
体 が伸 長 した状 態 で は柄 部 に集 中 し,個
体 の 収 縮 によ って 胃 体腔 全 体 に分 散 する
伸 張 す ると また.液
長 時 間 で は,こ のパ タ ー ンを く り返 す.横
の数 字 は相 対 時 刻(秒)を 表 わす.
(b)心 臓 中 胚 葉 マー カー 相 同 遺 伝 子CnNk-2の
[文献8よ
り許 可 を得 て転 載]
114
蛋 白質 核酸 酵素
Vol.52 発 現.
No.2 (2007)
は柄 部 に戻 る.
この ポ ン ピ ン グ運 動 は,そ の 中 枢 で あ る柄 部 で心 臓 中胚 葉 マ
ー カ ー遺 伝 子 で あ るNkx-2 .59)の 相 同遺 伝 子CnNk-2の
発現
が 認 め られ10)(図2b),心
RFamide11,12)が
拍 増 強 神 経 ペ プチ ドと して知 られ る
こ のポ ン ピン グ運 動 を活性 化 す る な ど8),心
臓 が 行 な うポ ン ピ ング運 動 との 共 通 点 が 認 め られ る.
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特集 内胚 葉 分 化 の分 子 メ カニズ ム
図3
ヒ ドラの消 化運動
(a),(b)食
道 反 射 様 運 動.通
常 の給 餌 後(a)と,少
(c)∼(e)ぜ ん動 反 射 様 運 動.正
(f),(g)排 便 反射 様 運 動.正
常 個 体(c),無
常 個 体(f)と,頭
量 の給 餌 後(b).
神 経個 体(d)と,頭
部.足
部.足
数 字 は相 対 時 刻(秒)を 示 す.ぜ ん 動 反 射様 運 動 の 周 期 は最 短 で80秒
[文献13よ
部 除 去 個 体(e).白
色 の 矢 頭 は,主 要 な 内容 物 の 位 置 を表 わ す
部 除 去 個 体(g).
程 度 で ある.ス ケ ール は すべ て1mm.
り許可 を得 て 転 載]
あ り,刺 激 の等 方 向 伝 達 以 外 に明確 な機 能 を もた ない,い
異 な り,ヒ
わ ば"原 初 の神 経 系"と して あ らゆ る教 科 書 に記 載 され てい
系23,24)のヒ ドラバ ー ジ ョ ン と して 機 能 して い る こ とを示 す
る20).実 際,全 体 的 な形 態 ば か りで な く単 一 の 神 経 細 胞 の
もの と解 釈 で き る*4(図4,表1).た
構 造 も,細 胞 核 か ら同 じ よ うな形 の神 経 繊 維 が2本 か そ れ
は,形 態 的 には似 て い る もの の,そ の 成 り立 ち や維 持 の し
以 上,周 囲 に伸 びて対 称性 を示 し,こ の 点 も,双 方 向 の 情
くみ は大 き く異 な るこ とに注 意 す る必 要 が あ る(コ ラム2).
報伝 達 しか で きな い だ ろ う とい う予 測 を生 ん だ 原 因 で あ っ
た*3.ヒ
ドラ消 化 管 に 分 布 す る散 在 神 経 系 が 腸 管 神 経
そ こで興 味 深 い の は,表1に
だ し,両 方 の神 経 系
み る よ う に,ヒ
ドラの 消 化
ドラ消 化 管 の 運 動 が神 経 支 配 で あ る とい う結 果,
管 が,構 造 的 に は究 極 まで 単 純 で 関 与 す る神 経 の 数 もは る
お よ び,哺 乳 類 消 化 管 との形 態 比 較 は,こ の よ うな予 想 と
か に少 ない 条 件 で あ りな が ら,運 動 面 で は3種 類 の 反 射 運
*1
ヒ ドラ の神 経 細 胞 は幹 細 胞 か ら分 化 す る.幹 細 胞 を薬 理 学 的 手 法 な ど を用 い て除 去 す る と,神 経 系 を完全 に失 っ た ヒ ドラ(上 皮 ヒ ドラ)が で きる15).上 皮
*2
神 経 が な い状 態 で 観 察 で きる弱 いぜ ん動 の 原 因 と して,腺 細 胞 の関 与 が 明 白 だが,ど の よ うな因 子 と機構 が 関与 す るの か,い まだ不 明 で あ る.
Westfallら は,透 過 型 電 子 顕微 鏡 を用 い て,神 経 間 の シ ナプ ス結 合 にお け るシ ナプ ス小 胞 の 分布 に非 対 称 性 が み られ る こ とを明 らか に し,一 方 向 の情 報 伝
ヒ ドラ は人 工 的 給 餌 に よ り増 殖 も可 能 で,さ
*3
まざ まな 実験 に用 い られ てい る.
達 が 可 能 で あ る可 能 性 を指 摘 して い たが21),こ れ まで注 目され て こ なか っ た.ヒ
ドラの 触 手 の刺 激 応 答 が 等 方 向 的 で ない こ と は,清 水 が報 告 して い る22).
蛋 白質 核酸 酵素
Vol.52 No.2 (2007)
115
表1
ヒ ドラ消化 管 とヒ ト消化 管の構造 的特徴
解 析 は今 後 の 課 題 で あ る.藤 澤 らが,ヒ
ヒ ドラの散在 神経系 と哺乳 類の腸 管神経 系 との形態比 較
図4
(b)モ ル モ ッ トの 直 腸 部 分 の腸 管 神 経 系(Auerbach's plexus).ス
献21よ
プチ ドを用 い て活 性 検 定 を行 な っ てい るが,ま だ 消 化 運 動
を ひ き起 こす 活 性 を もつ もの は同 定 で きて い な い.高 等 動
(a)ヒ ドラ の散 在 神 経 系.ス ケ ー ル は50μm.
2mm.[文
ドラ 由来 の神 経 ペ
ケールは
り転 載]
物 で関 与 が 認 め られ る セロ トニ ンや アセ チ ル コ リンな どは効
果 が認 め られ ず,未 知 の新 規 要 因(神 経 ペ プチ ド)が 関与 し
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ヒ ドラの 神 経 ネ ッ トワー クは1本 の 繊維 で 構 成 され て いる が,モ ル モ ッ トの 神
経 系 は数 本 か ら数十 本 の バ ン ドル で 構成 され る
この た め,散 在 神 経 網 に対
て い る もの と考 え られ る.
し神 経 叢 と よ ばれ る.
III ぜん動の進化的起源
動 を状 況 に応 じて 制御 す る な ど,む
しろ,多 様 な機 能 を も
消 化 運 動 と して のぜ ん動 が認 め られ た ヒ ドラは ヒ ドロ虫
つ 点 で あ る.哺 乳 類 で はそ れ ぞ れ の運 動 が 食 道,小 腸,直
網(Hydrozoa)に
腸 に器 官 特 異 的 にみ られ,そ れ ぞれ の 器 官 の構 造 も,消 化
祖 先 形 で あ る花 虫 網(Anthozoa,サ
管 領 域 化 修 飾 プ ロ グ ラム に したが っ て特 殊 化 して い る.こ
ネマ トス テ ラ)の ポ リプ では消 化 運 動 は認 め られ ない*5.そ
れ に 対 し,ヒ ドラで は明 確 な空 間 的領 域 化 は み られず,単
一 の 組 織 が 早 変 わ りで 一 人 三 役 を こ なす .ど の よ うな機 構
の 一 方 で,こ
rowing peristalsis(穴 掘 りぜ ん 動)と よぶ運 動 だ け が観 察
が この よ うな フ レキ シ ブル さ を可 能 にす るの か,不
され る29)(図5).ネ
明のま
属 す るが,実
は,刺 胞 動 物 門で も っ と も
ンゴ,イ ソギ ンチ ャ ク,
れ ら に は,砂 地 に も ぐる た め に 行 な うbur-
マ トス テ ラ は汽 水 域 の砂 地 に体 の下 半
まで あ る.単 一 の 神 経 ネ ッ トワ ー ク に複 数 の運 動 を制 御 す
分 を も ぐ り込 ませ て 生 息 し頭 部 にあ る触 手 で餌 を捕 獲 す る
る機 能 が 備 わ って い る,あ る い は,そ れ ぞ れ の運 動 を制 御
が,穴
す る個 別 の神 経 ネ ッ トワー クに分 かれ てい る,の2つ
の可 能
生 じる顕 著 な くびれ が進 行 波 的 に頭 部側 か ら足 部側 へ 移 動
性 が 考 え られ るが,お の お の の 運 動 制 御 にか か わ って い る
す る.こ れ に よ り足 部 端 が ふ くらん で周 囲 の砂 を押 しの け
神 経 伝 達 物 質 が何 か まだ わか って い な い た め,そ れ以 上 の
る はた ら き をす る.こ れ を く り返 す こ とで,先 端 が 少 しず
コ ラ ム
116
2
を掘 る た め に体 幹 が 行 な うのが この 運 動 で,体 幹 に
ヒ ドラの腸管神経 系 は再生 する
ヒ ドラの散 在 神 経 系 と哺 乳 類 の腸 管 神 経 系 は,外 見 上,似 て お
分 化 して形 成 され る が,神 経 細 胞 の寿 命 が3∼4週
り,機 能 的 な共 通 点 もあ るが,形 成 機 構 ・維 持 機 構 は大 き く異
短 い ため,神 経 細 胞 の 自然 減 を新 たに分 化 した細 胞 で補 う こ と
な る.哺 乳 類 の 腸管 神 経 叢 は,発 生 過 程 で神 経 幹 細 胞 が消 化 管
で恒 常 的 に維 持 され て い る.こ の た め,仮 に神 経 系 が完 全 に 失
間 くらい と
上 部 か ら下 部 方 向 へ移 動 しな が ら,順 次,神 経 に分 化 して形 成
わ れ て も,幹 細 胞 が あ れ ばす み や か に再 生 で き る,こ の よ う な
され る26).大 腸 か ら直 腸 部 分 の神 経 叢 は最 後 に形 成 され る が,
2つ の 神 経 系 の構 造 の 類 似 は収 斂 進化 の 一例 とな ろ う.将 来 的
幹 細 胞 の移 動 が不 活 発 だ と この部 分 の神 経 が欠 失 した ま ま生 ま
に は,ヒ
れ,重 篤 な便 秘 症 状 をひ き起 こ す(ヒ ル シ ュ ス プル ング病27)).
経 叢 を失 っ た哺 乳 類 の 消 化 管組 織 に 多数 の幹 細 胞 を導 入 し,新
こ の よ うに,腸 管 神 経 叢 はい ち どつ く られ る と再 生 しな い.一
規 神 経 細 胞 に 分化 させ腸 管 神 経 系 を再 生 す る,と い う再 生 医 学
方,ヒ
新 分 野 の 開拓 も可 能 で あ ろ う.
ドラの 神 経 網 は消 化 管 部 分 に 多数 が散 在 す る幹 細 胞 か ら
蛋白質 核酸 酵素
Vol.52 No.2 (2007)
ドラの 散 在 神 経 系 の 更 新機 構 を調 べ る こ とで,腸 管 神
特集 内胚 葉分 化 の分 子 メ カニ ズム
つ砂 地 に も ぐり込 ん でい く.
この 運 動 で特 徴 的 なの は,ぜ ん 動 でで き る くび れが 非 常
に 局所 的 かつ 顕 著 な点 だが*6,そ
因 と考 え られ るのが,ギ
れ を可 能 にす る重 要 な要
ャ ップ結 合 の 欠 如 で あ る.ギ
ャッ
プ結 合 は,上 皮細 胞 間,神 経 細 胞 間 で の電 気 刺 激 伝 達 や 比
較 的小 さな分 子 量 の物 質輸 送 な どに重 要 な役 割 をは た して
い る.心 筋 が 同期 して収 縮 で きる の は ギ ャ ップ結 合 を通 し
た相 互 作 用 に よ り各 細 胞 の 収 縮 が 同調 す る ため だ が,興 味
深 い こ と に,ネ マ トス テ ラ で は解 剖 学 的 に も遺伝 子 的 に も
ギ ャ ッ プ結合 が みつ か っ て い な い.ち な み に,ギ
ャ ップ 結
合 は海 綿 動 物,有 櫛 動 物 で もみ つ か らず,刺 胞 動 物 後期 型
の ヒ ドロ虫 網 にい た っ て は じめ て,電 子 顕 微 鏡 レベ ル,イ
ネキ シ ンな ど分 子 レベ ル で観 察 され る.
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厳 密 な証 明 は今 後 の 課 題 だ が,筆 者 らは,ギ ャ ップ結 合
図5
ネマ トステラの穴掘 りぜん動 運動
に よる情 報 伝 達 が 存在 しない 環境 下 で,輪 走 筋 の収 縮 が神
順 に,30秒
経 興 奮 の低 速 度 の伝 達 にあ わ せ て ゆ っ く り と進 行 波 的 に近
そ ってみ え る白 い線 は,隔
ご との 変 化 を示 す.3つ
の くび れが 観 察 され る.横
壁 を表 わ す.ス
方向に体表に
ケー ル は1mm.
隣組 織 に伝 搬 して い る状 態 が 穴 掘 りぜ ん 動 で あ る と考 え て
い る.仮 に,ギ ャ ップ結 合 を通 した相 互 作 用 が あ る と,局
所 的 な興 奮 が 周 辺 組 織 に伝 搬 して よ り広 範 な収 縮 とな っ て
グ リア よ り も外 胚 葉 側 に分 布 す る神 経 系 とは別 に,メ
しまい,図5の
リアの 内胚 葉側 に も神 経 集 団 が あ る.こ の集 団が 機 能 的 に
よ うな,極 端 な くび れ は期 待 で き ない.つ
ソグ
ま り,ネ マ トス テ ラの体 幹 が単 独 で 砂 地 に も ぐる現 象 に限
吸収 機 能 に関与 す る とす れ ば,Meissner's plexusに 対 応 す
定 す る と,ギ ャ ップ結 合 を もた ない こ とが 機 能 的 に プ ラス
る機 能 を もつ こ と に な る.ヒ
に はた ら く もの と考 え られ る.筆 者 らは,穴 掘 りぜ ん動 が
こ まで の類 似 点 が あ る のか,明 確 に した い.第2は,遺
は じまっ た の は消 化 の た め のぜ ん動 よ り も古 く,そ こに ギ
子 レベ ル ・分 子 レベ ルで の 解 析 で あ る.誌 面 の 関 係 で 省 略
ャ ップ結 合 が加 わ って よ り広 範 な運 動 に変 化 した結 果,消
した が,ヒ
化 運 動 へ と発 展 した可 能性 が 考 え られ な いか,検 討 を行 な
る こ とが,最 近 の筆 者 らの解 析 か ら示 唆 され てい る.つ ま
っ て い る.
ドラの 口 は,ヒ
ドラ消 化 管 とヒ ト消 化 管 に ど
伝
トでい えば 肛 門 と共 通 祖 先 で あ
り,個 体 の前 後 軸 と消 化 管 の前 後軸 が,互 い に逆 な ので あ
る.両 者 の前 後 軸 決 定 遺 伝 子 が どの よ うに発 現 し,相 互 に
お わ りに
関 連 す る の か,ヒ
以 上,運 動 面,構 造 面,機 能 面 な ど,ヒ
ドラ消 化 管 とヒ
ドラ独 自 の問 題 と して 興 味 深 い.ほ か に
も多 々 あ るが省 略 す る.近 年,ヒ
ドラで も遺 伝 子 発 現 解 析
ト消 化 管 との類 似 点 を述 べ た が,未 解 決 の 諸 問 題 を提 起 し
は さかん だが,消 化 管 お よび その機 能 とい う観 点 か らの解 析
て本 稿 を終 わ りた い.第
は行 な われて い ない.ヒ
１に,さ
きに も述 べ た が,複 数 の
ドラで もゲノ ム プロ ジェ ク ト,EST
運 動 制 御 が 可 能 な神 経 系 の実 体 を神 経 伝 達 物 質 レベ ルで 明
プ ロジェ ク トが進 行 中 であ り,今 後 の展 望 は明 るいが,研 究
らか に したい.ま た,子 細 な点 だ が,こ
人 口が 少 ない の は大 問題 で あ る.現 に,ヒ
*4
こで 示 した,メ
ソ
ドラ を消 化 管 研
ネ ッ ト状 の 神 経 集 団 は,消 化 管 や ク ラゲの 傘 な ど,協 調 的 に運 動 す る組 織 に分 布 す る傾 向 が あ るが,そ こで は分 散 構 造 が 運 動制 御 に とっ て重 要 で あ る.太
古 の 神 経系 が この よ うな運 動 制御 の ため の シ ステ ム か らは じまっ た可 能 性 は 考 え られる が,現 存 す る原 始 的 多 細 胞 動 物 の ネ ッ ト状 神 経 系 を"原 初 の 神 経 系"
の 名 残 と とらえ るの は早 計 で あ ろ う.一 方 で,図4の
例 で 明 らか な よ うに,神 経 細 胞が 集 中 してい る こ と,数 が 多 い こ と,が す な わ ち機 能 的 に 高 等 だ と も
か ぎ らない.ヒ
ト脳 神 経 系 の脳 幹 網 様 体25)の よ うに,散
な構 造 で あっ たか,原
在 的構 造 を とるが 意 識 の維 持 な ど高 等 な機 能 を もつ 場 合 もあ るか らだ.原 初 の 神 経 系 が どの よ う
点 に立 ち返 っ て考 えて み た い.
*5
ネマ トステ ラの 消化 は,胃 体 腔 内 を区 切 る隔壁(septum)の
み 込 み,食 作 用 に よ り細 胞 内 に取 り込 ん で消 化 す る28).
*6
消 化 運 動 の権 威 で あ る高 木 都 博 士(奈 良 県 立 医 科 大 学)に この 穴掘 りぜ ん動 運 動 をみ せ た と ころ,哺 乳 類 消 化 管 で は この よ うな顕 著 な くび れ はみ られず ,
仮 に こ の よう な運 動 を行 な え ば,粘 膜 組 織 が ひ ど く傷 つ い て しま う との こ とだっ た.ネ マ トス テ ラの 場 合,内 側 に は消 化 吸 収 にか か わる 粘膜 は存 在 しな い
の で,そ の心 配 はな い.
端 に発 達 した襞 状 のtrilobed filamentで 行 な われ る.刺 細 胞 で 捕 獲 した餌 を襞 の あい だ には さ
蛋 白質 核酸 酵素
Vol.52 No.2 (2007)
117
究 の 材 料 と して 扱 っ て い る の は,世
状 況 で あ る.よ
界 で も筆 者 らだ け と い う
り多 くの 研 究 者 の 新 規 参 入 を 期 待 し た い.
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執 筆 にあた り,首 都 大学 東 京の福 田公子 博士 にご協力 をいた だ きま し
た.感 謝 いた します.ま た,研 究 グルー プの諸氏 に深 く感 謝 いた します.
文
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蛋 白質 核酸 酵素
員,帰 国 後,国 立遺 伝学 研 究所 に復 帰.
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略歴:1985年
東北 大 学 大学 院 工 学研 究 科博 士 後 期 課程 修 了,
同年 国立 遺伝 学研 究 所発 生遺 伝研 究部 門 助手,1991∼1993年
Vol.52 No.2 (2007)
関心 事:超 巨大 噴火 に よる地球 環 境 の激変 と絶 滅現 象.
趣 味:テ ニス.