ヒトと大型類人猿の脳発生の違い

 ヒトと(ヒト以外の)大型類人猿の脳発生の違いに関する研究(Kanton et al., 2019)が公表されました。ヒトがチンパンジー系統と分岐して以来、その脳は劇的に変化しました。しかし、この分岐に関与した遺伝的過程と発生過程は充分に解明されていません。この手がかりとなりそうなのが誘導多能性幹細胞から成長させた脳オルガノイド(脳様組織)で、実験室内で脳発生の進化を研究する可能性を生み出しています。この研究はヒト特異的な遺伝子調節の変化を探索するため、幹細胞から作製した脳オルガノイドを解析し、ヒトに特異的な遺伝子調節の変化を調べた。

 この研究はまず、細胞構成を解析し、ヒト脳オルガノイド発生の全過程(多能性段階から神経外胚葉段階と神経上皮段階を経て、その後、前脳の背側と腹側・中脳・後脳の領域内のニューロン運命へと分岐します)にわたる分化の経路を再構築しました。異なるiPSC株から作製したオルガノイドでは、脳領域の構成は多様でしたが、脳領域の遺伝子発現パターンは、どのオルガノイドでも、おおむね再現性が高い、と明らかになりました。次にチンパンジーとマカクの脳オルガノイド解析では、これら2属の霊長類と比較して、ヒトのニューロンの発生はゆっくり起こる、と明らかになりました。発生過程上の同じ時点での比較では、チンパンジーとマカクザルの脳オルガノイドの皮質ニューロンへの種分化の方が、ヒトの脳オルガノイドよりも顕著です。

 分化経路を偽時系列的に整列させると、ヒト特異的な遺伝子発現は、大脳皮質における前駆細胞からニューロンへの細胞系譜に沿った、異なる細胞状態に起因する、と分かりました。クロマチン接近可能性は皮質発生中に動的に変化し、ヒトとチンパンジーの間には、ヒト特異的な遺伝子発現や遺伝的変化と相関した接近可能性の分岐がある、と明らかになりました。最後に、単一核RNA塩基配列解読解析により、成体の前頭前皮質におけるヒト特異的な発現がマッピングされ、成体期まで持続する発生生物学的相違と、成体の脳だけで起こる細胞状態特異的な変化が特定されました。

 この研究は、大型類人猿の前脳発生の時間的な細胞アトラスを提供し、ヒトに固有の動的な遺伝子調節の特徴を明らかにし、これらのデータが、ヒトとチンパンジーの発生中の脳で異なっている遺伝子調節機構に関する、さらなる研究の指針になると結論づけています。脳はヒトの派生的進化の中でもとくに注目されますから、近縁の霊長類との比較を通じて、その遺伝的過程と発生過程、さらには選択圧についての研究が進展することを期待しています。以下は『ネイチャー』の日本語サイトからの引用(引用1および引用2)です。


【神経科学】ヒトと大型類人猿の脳発生の違いはどのように生じたのか

 ヒトの脳の発生に関する新知見とヒトとその他の大型類人猿の脳発生過程との違いを示した研究論文が、今週掲載される。この論文は、ヒト特有の脳発生の特徴を明らかにし、ヒトと他の霊長類の脳発生過程の違いがどのように生じたのかを概説している。

 ヒトがチンパンジーや他の大型類人猿から分岐して以来、ヒトの脳は劇的に変化した。しかし、この分岐に関与した遺伝的過程と発生過程は十分に解明されていない。誘導多能性幹細胞から成長させた脳オルガノイド(脳様組織)は、実験室内で脳発生の進化を研究する可能性を生み出している。

 今回、Barbara Treutleinたちの研究グループは、ヒト特異的な遺伝子調節の変化を探索するため、ヒト幹細胞由来の脳オルガノイドの分析を4か月にわたる多能性細胞からの発生過程において実施した。次に、Treutleinたちは、チンパンジーとマカクザルの脳オルガノイドを比較して、ヒトの脳オルガノイドの発生との違いを調べた。そして、発生過程上の同じ時点で比較したところ、チンパンジーとマカクザルの脳オルガノイドの皮質ニューロンへの種分化の方が、ヒトの脳オルガノイドよりも顕著なことが分わかった。この結果は、ヒトの神経発生がチンパンジーとマカクザルの場合よりも遅いことを示唆していると考えられる。

 Treutleinたちは、今回の研究で得たデータが、ヒトとチンパンジーの発生中の脳で異なっている遺伝子調節機構に関するさらなる研究の指針になると結論付けている。


発生生物学:オルガノイドの単一細胞ゲノムアトラスから明らかになったヒト特異的な脳発生の特性

発生生物学:ヒトの脳発生は他の大型類人猿からどのように分岐したか

 ヒトの脳発生に独特な遺伝的プログラムや発生プログラムを調べるために、B Treutleinたちは今回、ヒトや他の大型類人猿の幹細胞から脳オルガノイドを作製した。単一細胞トランスクリプトミクス、細胞構成解析、およびゲノムプロファイリングから、ヒトの分化経路が明らかになり、この分化経路はオルガノイドの全発生段階を通じてヒトに独特なものであることが明らかになった。加えて、ヒトのニューロン発生は他の大型類人猿に比べて、ゆっくりと進行することが分かった。



参考文献:
Kanton S. et al.(2019): Organoid single-cell genomic atlas uncovers human-specific features of brain development. Nature, 574, 7778, 418–422.
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1654-9

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