Xenopus laevis: モデル生物の中のカエルの王子

Xenopus laevis: モデル生物の中のカエルの王子

□ 著者：マオ・ビンギュ

19 世紀後半から 20 世紀前半は、実験発生学の発展の黄金期でした。人々は、さまざまな胚手術や物理的および化学的方法を使用して動物の胚を処理し、その発生のさまざまな現象を観察および分析します。当時人気のあった動物モデルには、サンショウウオ、トカゲ、カエル、ウニなどが含まれていました。たとえば、ドイツの有名な発生学者シュペマンは、主にサンショウウオを実験材料として使用しました。 1924年に、彼はサンショウウオの原腸の原口背唇に強い誘導能力があることを発見した。組織のこの部分をレシピエント胚の腹側に移植すると、完全な二次胚の形成を誘導できます。この重要な発見により、スペマンは 1935 年にノーベル賞を受賞しました。

しかし当時、実験に使われる受精卵や胚は自然界から採取されたものでした。胚材料の不足は、発生学研究の発展を大きく制限します。研究者たちは春の間、野生のカエルやイモリの探索に費やし、受精卵や胚を収集し、急いで実験を実施し、残りは結果の分析に費やします。この恥ずかしい状況が変化したのは、1950 年代にアフリカツメガエルが出現してからであり、アフリカツメガエルは徐々に発生生物学研究の主役になりました。

ハンサムなアフリカツメガエル

アフリカツメガエルは比較的原始的なカエルです。学名はXenopus laevisです。なぜその名前がついたのでしょうか？これは、その典型的な外観の特徴と切り離すことができません。 「Xenopus」とはラテン語で「特別な足」を意味します。アフリカツメガエルの後足はよく発達しており、指が 5 本あり、水かきもよく発達しています。このうち、内側の3本の指の先には角質化した爪があるため、アフリカツメガエルと名付けられました。 「laevis」とは「滑らかな」という意味で、滑らかな肌を指します。また、アフリカツメガエルはアフリカのサハラ砂漠以南に広く分布しているためアフリカツメガエルと呼ばれ、通称はスムースゼノパス、アフリカスライドヒキガエルなどです。

私たちはこの研究室のことを「カエルの王子さま」とよく呼んでいます。実は、その姿は一般的なカエルとは少し異なり、一般的なヒキガエルとも異なります。体長は6～13センチメートル、体は平らで流線形をしています。オスの方が小さく、体長はメスの半分しかありません。体色は灰色から黒色です。体の両側には白い縞模様があり、側線は水中の状況を感知して食べ物を見つけたり、天敵から逃げるのに役立つ感覚システムです。

アフリカツメガエルは完全に水生ですが、呼吸のために主に発達した肺に依存しているため、長時間空気にさらされていないと「溺れて」しまいます。また、アフリカツメガエルは王子様とされていますが、その食べ物の姿は実はお世辞でもありません。前肢を使って水をかき回し、小動物や他の有機物を苦しめる様子が見られます。餌が大きすぎる場合は、後肢の爪を使って切り裂きます。このように四肢を揃えて食べる食べ方は、考えると笑ってしまいます。

アフリカツメガエルは約1歳になると交尾の準備が整います。通常、オスのヒキガエルは、春先から夏の終わりまでメスのヒキガエルに愛情を表現します。しかし、私たちの王子にはこの動物に共通する発声器官がないため、その愛の言葉は声嚢を通して発声されません。独自のユニークなトリックがあります。異性を好きになると、メスのヒキガエルがオスのヒキガエルの「甘い言葉」を聞くように、異性に向かって喉の筋肉を強制的に収縮させます。メスのヒキガエルは、交尾に同意した場合は速いペースで鳴き、そうでない場合はゆっくりとしたペースで鳴きます。この行動は動物界では非常にまれです。オスとメスが交尾した後、幸せな産卵プロセスはメスのヒキガエルの責任となり、一度に数百個の卵を産み、植物や海岸に付着します。受精卵は孵化してオタマジャクシになり、その後変態して若いカエルになります。このプロセスには 6 ～ 8 週間かかります。アフリカツメガエルは実験室条件下で約 15 年間生存でき、20 年も生きる個体もいます。しかし、それは通常、人間の科学研究のために、それがまだ全盛期にあるときに消滅します。

興味深いことに、王子の故郷であるアフリカにも「熱中」の習慣があります。夏に池が干上がると、アフリカツメガエルは泥に穴を掘って隠れ、雨季まで休眠します。

カエルから王子への変身

この種は、パリの自然史博物館に保存されている標本に基づいて、1802年にフランスの博物学者デュダンによって初めて記載されました。彼に敬意を表して、アフリカツメガエルの種名には彼の名前が付けられることがよくあります。その後、その解剖学と分類学についてさらなる研究が行われました。この時期、アフリカツメガエルを研究した研究者は主にイギリス・ロンドンの博物館や動物園の研究者であり、研究に使われた標本はすべてアフリカから輸入されたものでした。 1930年代以降、ヨーロッパと北アメリカのいくつかの研究所はアフリカツメガエルを自ら繁殖させ始めました。これはなぜでしょうか?この時期、アフリカツメガエルは病院で早期妊娠診断に広く使用され、アフリカツメガエルに対する人々の需要が大幅に増加したことがわかりました。これは主に英国の生物学者ホグバーン教授によるものです。

ホグベンは比較内分泌学を専門とし、下垂体切除術と外因性下垂体抽出物によるカエルの皮膚色の調節を研究しています。1927 年から 1930 年まで、ホグベン教授は南アフリカのケープタウン大学で働き、地元のアフリカツメガエルを使って実験を行おうとしました。この期間中に、彼は雌のアフリカツメガエルに牛の下垂体前葉の抽出物を注射すると排卵が誘発されることを発見しました。 1930 年にホグバーン教授は英国に戻り、アフリカツメガエルのバッチも輸入し、研究室の地下室に保管しました。彼は生殖生理学の研究を続け、アフリカツメガエルの排卵を誘発する下垂体抽出物の条件を最適化しました。 1934年、「ネイチャー」誌は彼らと別の南アフリカの研究室による2つの論文を同時に掲載し、早期妊娠検出にアフリカツメガエルを使用する方法、つまり妊婦の尿（有効成分は絨毛性ゴナドトロピン）を注射することでアフリカツメガエルの排卵を引き起こすことができることを詳細に説明した。この方法はシンプルで実施が容易であり、病院の妊娠検査で広く使用されています。多くの病院がアフリカツメガエルの飼育を始めている。この利用により、アフリカツメガエルもこの時期に原産地のアフリカ南東部から世界各地に輸出され、ヨーロッパやアメリカなどでアフリカツメガエルの繁殖グループが設立されました。この方法が免疫学的方法に置き換えられたのは 1960 年代になってからです。

妊娠検査により、アフリカツメガエルの排卵は、ホルモンを注射することで季節に関係なくいつでも誘発できることがわかりました。この発見は、物質に悩まされている発生学者にとって、長い日照りの後に降った雨のようなものだ。アフリカツメガエルの卵と胚は直径が最大 1.4 mm と大きいため、マイクロインジェクション、胚の切断、移植などの実験的発生学の研究に便利です。また、アフリカツメガエルは非常に攻撃的で育てやすいです。 1950 年代以来、アフリカツメガエルは発生生物学研究のモデル動物として徐々に注目されるようになりました。オランダの発生生物学者 Neukup は、このモデルの普及に重要な貢献をしました。彼とファーバーによって 1956 年に出版されたアフリカツメガエルの発生アトラスと病期分類基準は、今日でも広く使用されています。 1980 年代に分子生物学が発展した後、発生生物学の研究はモデル動物にさらに依存するようになりました。研究者は、研究方法や試薬を標準化し、研究結果を要約して共有しやすくするために、動物モデルを統一する必要があります。この期間中、アフリカツメガエルは間違いなく両生類の発生生物学の研究における主要なモデルであり続けました。

王子のさまざまな英雄的行為

アフリカツメガエルの研究は、脊椎動物の発生メカニズムの理解に重要な貢献をしています。シュペマンは 1924 年にオーガナイザーを発見しましたが、オーガナイザーの作用の分子機構の研究には長い間画期的な進歩が見られませんでした。英国のシュレック教授とスミス教授が線維芽細胞成長因子とアクチビンに誘導能があることを発見したのは1980年代半ばになってからでした。彼らが使用した胚材料はアフリカツメガエルでした。人々は 1990 年代になって初めて、オーガナイザーの本当の役割を担う分子、つまり BMP シグナル伝達阻害剤と Wnt シグナル伝達阻害剤を発見しました。この一連の作業もアフリカツメガエルをモデルとして行われました。アフリカツメガエルの胚も、微小重力条件下での胚の発生を研究するために、宇宙船で何度も宇宙に旅行しました。

1997年、クローン羊ドリーの誕生は世界中にセンセーションを巻き起こしました。彼は世界初のクローン哺乳類でした。実際、動物のクローン作成に初めて成功したのはアフリカツメガエルでした。 1962年、イギリスのオックスフォード大学の生物学者ゴードンはアフリカツメガエルを使った一連の核移植実験を実施した。当時の主な目的は、さまざまな発生段階における胚核の発生能力を研究することでした。まずアフリカツメガエルの卵細胞に紫外線を照射して核を破壊し、次にアフリカツメガエルのオタマジャクシから腸上皮細胞、肝細胞、腎臓細胞などの核を取り出し、上記処理を施した卵細胞に移植した。少数の卵が分裂を開始し、特定の段階まで発達します。ゴードン氏は、オタマジャクシの腸上皮細胞を核ドナーとして使用し、連続核移植によって少数のオタマジャクシを取得することに成功し、そのうちのいくつかはアフリカツメガエルの成体に成長することに成功しました。これはおそらく世界初のクローン動物となるでしょう。この結果は科学界に衝撃を与え、細胞核の全能性を完全に証明し、動物クローン作成の時代の到来を告げました。

私たちはアフリカツメガエルがゴードンの親友であることを認めなければなりません。 1970年代初頭、ゴードン教授は、外因性ヘモグロビンメッセンジャーRNAをアフリカツメガエルの卵母細胞に注入すると、卵母細胞内でヘモグロビンが発現できることを発見しました。それ以来、卵母細胞の発現システムは細胞生物学の研究において重要な役割を果たしてきました。例えば、外因性イオンチャネルまたは他の受容体遺伝子を発現させるためのアフリカツメガエル卵母細胞の使用は、現在、イオンチャネルまたは受容体の構造および機能の研究において重要な方法であり、イオンチャネルおよび神経伝達物質受容体の構造、機能および薬理学的効果の研究において重要な役割を果たしている。

アフリカツメガエルの卵母細胞は、生物学の実験に非常に優れた材料です。卵母細胞発現系の構築に加えて、細胞分裂や細胞周期制御の研究にもよく使用されます。 1971年という早い時期に、研究者らは成熟した卵母細胞にある物質があることをヒョウガエルで初めて発見した。この物質を未熟な卵母細胞に注入すると、減数分裂と成熟が促進されます。そこで彼らはこの物質を「成熟促進因子」（MPF）と​​呼びました。この結果はその後アフリカツメガエルでも確認されました。それ以来、アフリカツメガエルは関連研究の重要な素材となっています。 MPF は卵母細胞の減数分裂を促進するだけでなく、正常な体細胞の有糸分裂も促進できることが判明しました。さらに興味深いのは、卵母細胞における MPF の活性が細胞周期とともに変化することです。卵母細胞が減数分裂を起こす前に最も活性が高まります。そして卵母細胞が分裂するとMPFの活性も消失します。次に研究者らはアフリカツメガエルの未受精卵からMPFを精製することを試みた。しかし、MPF の活性テストは非常に煩雑であり、非常に不安定であるため、この作業はスムーズに進みませんでした。MPF が精製され、2 つのタンパク質から構成されていることが判明したのは 1988 年で、1 つはサイクリン (細胞分裂中に周期的に発現するタンパク質)、もう 1 つはサイクリン依存性プロテインキナーゼです。これは細胞周期制御の研究における大きな進歩であり、細胞周期研究を大きく推進します。今日に至るまで、アフリカツメガエルの卵母細胞系は細胞周期研究の重要な材料であり続けています。

プリンスの近親者

アフリカツメガエルは動物モデルとして多くの利点を持っていますが、遺伝的研究を行うのが難しいという重大な欠点もあります。これは主に、受精から成熟して生殖を行う成体のカエルまでに 1 年かかるという、その長いライフサイクルによるものです。同時に、アフリカツメガエルは異質四倍体であり、ほとんどの遺伝子のコピーが 4 つあるため、遺伝子変異検査の実施が困難です。近年、アフリカツメガエルの近縁種であるアフリカツメガエル（Xenopus Tropicis）が人々の視界に入り始めている。アフリカツメガエルに比べて、アフリカツメガエルは小型で、世代周期（約4か月）が短く、二倍体種であるため、遺伝子実験に適しています。また、ホルモン誘導による産卵や大量の卵の生産など、アフリカツメガエルの実験発生学研究の利点もあります。アフリカツメガエルの卵の直径は約 0.6 ～ 0.7 mm であり、マイクロマニピュレーション実験には十分です。Xenopus laevisで確立された実験方法は、Xenopus Tropicisに直接適用できます。現在、アフリカツメガエルのゲノム解読はほぼ完了しており、発生遺伝学研究の重要なモデルとなることが期待されている。しかし、アフリカツメガエルの卵と胚はサイズが大きく、より機動性があり、依然として熱帯アフリカツメガエルにとって代わることができません。

研究室の外には、黄色の成体と赤い目をした「黄金のカエル」と呼ばれるアフリカツメガエルのアルビノ系統もあります。人々はそれを富と平和の象徴としており、水族館では次第に手放すことができないペットになりました。 ■

著者について

マオ・ビンギュは、中国科学院昆明動物研究所の研究者であり、中国とドイツのマックス・プランク若手科学者グループのリーダーです。彼の研究は、脊椎動物の神経系発達の分子機構に焦点を当てています。

(担当編集者: 尚新華)

[画像のキャプション]

Dudin (1802) によって記述された Xenopus laevis は、アフリカツメガエルの目と側線を正確に描いていますが、後肢の特徴的な爪と水かきは描いていません。

実験条件下で生成された双頭のオタマジャクシ

アフリカツメガエルの胚 (20 倍に拡大)

アルビノアフリカツメガエル