単一の細胞はどのようにして目の作られる場所を知るのか

受精卵には目も心臓も左右もない。それでも数週間のうちに、すべての器官が正しい位置に収まった体を作り上げる。一度も体を見たことのない細胞が、目がどこに属するかをどうやって知るのか？　中国のQ&AプラットフォームZhihuで話題になったこの問いは、一世紀以上にわたって発生生物学者を悩ませてきた。

最初の手がかりは、色に関する一見単純な観察から得られた。二色の毛皮や皮膚を持つ動物のほとんどは、背中が暗く腹部が明るい。このパターンはあまりに一般的で——マウス、シカ、魚、鳥——学習されたものではなく、発生のルールに書き込まれているに違いない。理由は化学にある。背中の細胞と腹部の細胞は異なる環境に置かれ、それぞれが異なるシグナル分子を放出する。それらの分子は広がって勾配を形成し、細胞は局所的な濃度を読み取って何になるかを決める。色は単に最も見えやすい勾配にすぎない。

この考えには有名な起源がある。1920年代、ドイツの発生学者ハンス・シュペーマンとその弟子ヒルデ・マンゴールドは、一方の両生類胚から他方へ小さな組織片を移植した。移植された組織は単に生き残っただけではなかった。それは周囲の細胞に完全な第二の体軸を作るよう指示し、双頭のオタマジャクシを生み出した。この組織片はオーガナイザーとして知られるようになり、この実験はノーベル賞を受賞した。胚は固定された設計図から作られるのではなく、細胞間の対話から作られることを証明したのだ。

現代の遺伝学は語彙を埋めた。Hox、Pax6、Sonic hedgehog と名付けられた少数の遺伝子群が、体に沿った座標として機能する。たとえばPax6は目の形成を開始させるのに役立つ。驚くべきことに、同じ遺伝子がショウジョウバエ、マウス、そしてヒトでもその役割を果たす。ハエの間違った場所でそれをオンにすると、脚に目が生える。進化は同じ道具箱を何度も再利用し、各遺伝子がいつどこで発火するかだけを変えてきた。

勾配は色以上のものを説明する。発生中の肢はどちらの端が肩でどちらが指先かを知る必要がある。神経管はどちら側が脳になりどちらが脊髄になるかを知る必要がある。いずれの場合も、少数の細胞群がシグナルを放出し、シグナルが拡散し、隣接する細胞はどれだけ届いたかに応じて応答する。それは設計図というより天気に近い——局所的なルールからパターンが生まれるのだ。

中国やその他の国の科学者たちは現在、蛍光マーカーと単一細胞シーケンシングを用いてこれらのシグナルを細胞ごとにマッピングし、胚の発生をリアルタイムで観察している。この研究には実用的な重みがある。器官がどのように配置されるかを理解することは、研究者が幹細胞から代替組織を育てるのに役立ち、勾配が弱すぎたり強すぎたりずれたりしたときに一部の先天性欠損症が起こる理由を説明するのにも役立つ。

古い問い——細胞は目がどこに行くかをどうやって知るのか——には、今や部分的な答えがある。正確には知らないのだ。それは隣人を感じ取り、周囲の化学を読み取り、進化が何億年もかけて洗練してきたルールに従う。体は計画ではない。それは合意なのだ。