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ヒトとプラナリア、脳の起源は同じか? 実験<逆>進化学の確立へ

阿形清和
基礎生物学研究所 / 所長
支援総額: 621,800 円
目標金額: 1,200,000 円
達成率
51 %
サポーター
48
残り時間
57
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academist スタッフからの一言
プラナリアの体にマウスのES細胞を入れると「逆進化」が起きる?

長年、プラナリアの再生研究に取り組んできた基礎生物学研究所の阿形所長。今回は「実験<逆>進化学」というこれまでにないアプローチで、脳の起源に迫ります。旧口動物である昆虫の脳と新口動物であるヒトの脳は違う進化経路を辿ってきたため、比較してはいけないものと考えられてきました。しかし、阿形所長は、プラナリアの脳の再生研究から、旧口動物と新口動物に分岐する前にすでに脳の基本構造は成立していたのではないか、という仮説を提唱しています。今回の研究では、プラナリアの体にマウスの幹細胞を入れて「逆進化」が起きるかどうかをみることによって、この仮説を検証します。教科書が書き換えられるかもしれない挑戦的な研究に、ぜひご注目を!

周藤瞳美

ヒトの脳とプラナリアの脳は相似器官? 相同器官?

蝶々の翅と鳥の羽は空を飛ぶという同じ機能を持っていますが、進化的な起源が違うので、学校では「相似器官(似て非なるもの)」と習います。一方、鳥の羽と人間の腕は機能は異なるものの同じ起源をもつので「相同器官」と習います。

ヒトの脳と昆虫の脳はどちらも高度な情報処理をすることができますが、起源が違うので教科書的には相似器官ということになります。ヒトの脳と昆虫の脳を同じ土俵で扱うと、それでも研究者か、と言われてしまいます。

しかし、近年の細胞や遺伝子レベルでの研究は、ヒトの脳も昆虫の脳も相同器官であることを示唆しています。しかし、ヒトの脳を崇高なものとして扱う研究者には、とても受け入れてもらえません。どうやったら脳の相同性が受け入れられ、教科書を書き換えられるようになるのでしょうか?

進化的に始原的な動物にヒト固有の遺伝子配列を入れてヒトの脳を実験的に進化させることができれば(「実験進化学」の考え方です)納得してもらえるに違いありません。が、それは言うほど簡単なことではありません。今回の研究ではプラナリアを使って「実験<逆>進化学」という逆転の発想で、脳の相同性を証明したいと考えています。

プラナリアの脳にヒトの脳の原型が見出される?

旧口動物である昆虫やイカ・タコの脳と、新口動物である霊長類の脳は違う進化経路を辿ってきた(相似器官)ので比較してはいけないと考えられてきました。しかし、旧口動物と新口動物に分岐する前にすでに脳の基本構造は成立していたのではないか、という仮説をわれわれはプラナリアの脳の再生研究から提唱しました。

具体的には、プラナリアの脳にすべての動物の脳の原型となる構造と機能を見出しました。下図は、左右1対の逆U字型をした脳の形と、眼の視神経(緑色)が視交叉を作って脳の内側部に投射し、一方エサやフェロモンを感じる感覚神経(赤色)が脳の外側部に投射していることを示しています。光から逃げ、エサに向かう、そして光のある所にエサがあることを学習すると光に向かうようになることもわかりました。

また、プラナリアが脳を再生するときに働く「脳を作る遺伝子プログラム」を調べたところ、マウスの脳が発生するときに見いだされる遺伝子プログラムと似たような時系列で駆動することを見出しました。特に、プラナリアから頭部に脳を作る遺伝子『脳だらけ(nou-darake)』を発見し(Nature 2002)、その『脳だらけ(nou-darake)』遺伝子が脳をもつすべての動物に保存されていることを見出し、ヒトの脳とプラナリアの脳が相同器官であることを示唆しました。

プラナリアの「ECM-body」にマウスの幹細胞を入れると何が起きるか

マウスの脳はES細胞と呼ばれる胚性の多能性幹細胞から作ることができます。また、プラナリアの脳の再生を可能にしているのが成体の多能性幹細胞(新生細胞と呼ばれます)です。多能性幹細胞とはすべての種類の分化細胞を作り出せる能力をもった無限増殖能のある細胞です。

マウスのES細胞とプラナリアの新生細胞は非常に良く似た性質を有していますので、新生細胞の代わりにマウスのES細胞をプラナリアの体に入れたらどうなるの? という素朴な疑問が生じます。どちらの細胞も脳に分化できて、共通の脳を作る遺伝子プログラムを持っているなら、マウスのES細胞もプラナリアの体の中でプラナリアと似たような脳を再生できるのではないでしょうか?
 
ただ、マウスのES細胞をプラナリアの体にダイレクト入れても細胞の栄養環境は違いますし、免疫機能によって排除されることが予想されます。そこで、本研究ではプラナリアの「ECM-body」にマウスのES細胞を入れることを行います。

ECM-bodyというのは、プラナリアの個体を固定液に漬けた後に脱細胞化処理をして、コラーゲンなどの細胞外基質(ECM)だけになったものです。プラナリアの体の形はそのまま残り、体の中の腸管の分布や咽頭の形が透けて見える半透明なプラナリアができます。プラナリアのECM-bodyではプラナリアの脳を包んでいるラミニンなどのECMも残ったままなので、その環境に入ったマウスES細胞が脳に分化することが期待できます。

研究費サポートのお願い

この研究は、プラナリアの細胞にマウスの遺伝子を順次入れていって実験的に進化過程を再現するという一般的なアプローチではなく、マウスもプラナリアと共通の脳を作る遺伝子プログラムがあるならば、マウスの細胞でプラナリアの脳に似たものを作れるのではないかという逆転の発想に基づいたものです。

すなわち、脳を作るシステムの基本が一緒であれば、マウスの細胞でもプラナリアになる「進化の方向とは逆の現象」が起きると考えたわけです。この逆進化学的発想によって、脳の基本構造はヒトの脳とプラナリアの脳へ分岐する以前に成立していたという仮説の証拠を提供したいと思います。

クラウドファンディングでご支援いただいた研究費は、プラナリアのECM-bodyを調整する試薬や、プラナリア新生細胞やマウスES細胞を培養するための培養液などの消耗品の費用に充てるとともに、プラナリアのECM-body内に移植した細胞を蛍光で追跡するための装置システムの整備にも活用したいと考えています。

実験進化学では進化を実験室で再現することを目標に行われています。しかし、この研究では「逆進化学」という新たな発想によって、多様な生物のどこまでが共通の原理なのかを明らかにする方法論を確立し、進化の共通部分と多様化した部分とを切り分ける手法を編み出そうというアイデアの実現を目指します。この大胆な発想にぜひともご支援をいただければと思います。

挑戦者の自己紹介

東京の高校に通っているときに岡田節人著の本『細胞の社会』で生きものの再生能力の凄さに感銘を受け、再生の研究でめしを食おうと決意し、上洛。京都大学理学部の岡田節人研究室に大学1回生のときから出入りして、生きた学問としては発生生物学を学ぶ。1979年に大学院に進学すると制限酵素の精製から始め再生研究を分子生物学的にアプローチすることを開始。1983年、基礎生物学研究所で助手、1991年に新設の姫路工業大学の生命科学科の助教授に異動とともにプラナリアの再生研究を開始。2000年に岡山大学理学部教授、理研CDBを経て、古巣の京大・生物物理学教室の教授へ就任。2016年に学習院大学の生命科学科へ異動。2019年に基礎生物学研究所の所長へと指名され現在に至る。日本発生生物学会と日本動物学会の会長を歴任。現在は日本分子生物学会の会長。サッカー命。

阿形清和

研究計画

時期 計画
2020年10月〜2021年9月 パイロット実験期間
  1. プラナリアのECM-bodyを調整する。
  2. マウスES細胞(神経細胞になると緑色蛍光を発するようにしたもの)やプラナリア新生細胞を移植して、細胞の挙動を蛍光実体顕微鏡のタイムラプス動画として取得する。
  3. 移植後に、マウスES細胞から脳を発生させるFGF、Wnt、Nodal antagonistを培養液に添加して細胞挙動をタイプラプス動画として取得する。
  4. マウスES細胞を単にECM-bodyに移植した場合の挙動と脳への器官分化を促した場合で細胞挙動を比較するとともに、頭部の神経細胞クラスターの構造について形態・遺伝子発現などを詳細に解析し、プラナリアの脳と比較する。ランドマークとなる眼が、どのような形態の眼で、どの部分にできるかが当面の焦点になる。
2021年10月〜 学会発表・論文発表
  1. 面白い結果が得られた場合は学会発表・論文発表へ持ち込み、次のステージに進みます。

リターンの説明

1,000 円 (税抜)
注目のリターン: プラナリアポスター(PDF版)+ 研究報告レポート(PDF版)
プラナリアポスター(PDF版)+ 研究報告レポート(PDF版)

プラナリアを紹介するポスター、および本プロジェクトの研究報告をレポートにまとめてお送りします。

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16人のサポーターが支援しています (数量制限なし)

5,000 円 (税抜)
注目のリターン: 基礎生物学研究所オンラインツアー参加権
基礎生物学研究所オンラインツアー 参加権 / プラナリアポスター(PDF版)+ 研究報告レポート(PDF版)

基礎生物学研究所のプラナリア研究現場+αを紹介するオンラインツアーを開催します。是非ご参加ください!

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8人のサポーターが支援しています (数量制限なし)

10,000 円 (税抜)
注目のリターン: オンラインセミナー参加権
オンラインセミナー参加権 / 基礎生物学研究所オンラインツアー 参加権 / プラナリアポスター(PDF版)+ 研究報告レポート(PDF版)

プラナリア研究と再生生物学研究について熱く語ります。(A)小・中学生向けと(B)高校生・大学生・一般向けのオンラインセミナーを開催。どちらにもご参加いただけます。

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11人のサポーターが支援しています (数量制限なし)

30,000 円 (税抜)
注目のリターン: 日本語総説の謝辞にお名前掲載
日本語総説の謝辞にお名前掲載 / オンラインセミナー 参加権 / 基礎生物学研究所オンラインツアー 参加権 / プラナリアポスター(PDF版)+ 研究報告レポート(PDF版)

阿形が執筆する、本プロジェクトに関する日本語総説の謝辞にお名前を掲載させていただきます。

10人のサポーターが支援しています (限定 10 個)

50,000 円 (税抜)
注目のリターン: サイン入り著書+缶バッチ
サイン入り著書+缶バッチ / 日本語総説の謝辞にお名前掲載 / オンラインセミナー 参加権 / 基礎生物学研究所オンラインツアー 参加権 / プラナリアポスター(PDF版)+ 研究報告レポート(PDF版)

阿形の著書鍵『切っても切ってもプラナリア』にサインを印してお贈りさせていただきます。プラナリア缶バッチ付き。

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3人のサポーターが支援しています (限定 5 個)

100,000 円 (税抜)
注目のリターン: 特別オンライン講座&交流会
特別オンライン講座&交流会 / サイン入り著書+缶バッチ / 日本語総説の謝辞にお名前掲載 / オンラインセミナー 参加権 / 基礎生物学研究所オンラインツアー 参加権 / プラナリアポスター(PDF版)+ 研究報告レポート(PDF版)

プラナリアの研究によって、すでに教科書が書き換えられた内容、また、これから書き換えられるようになる内容について熱く解説します。その他、いろいろな生物に関する疑問に目からウロコが落ちる答えをしたいと思います。

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0人のサポーターが支援しています (限定 3 個)

このプロジェクトは、 2020年07月22日 10時00分 から 2020年10月01日 17時00分 までの間に目標金額1,200,000円を達成した場合のみ、決済が確定します。
お支払について
お支払にはクレジットカード(VISA, Mastercard)をご利用頂けます。
銀行振込について

銀行振込をご希望の方は下記のフォームよりご連絡ください。 フォームへ

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1,000 円(税抜)

プラナリアポスター(PDF版)+ 研究報告レポート(PDF版)

16 人 が支援しています。
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基礎生物学研究所オンラインツアー 参加権 / プラナリアポスター(PDF版)+ 研究報告レポート(PDF版)

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11 人 が支援しています。
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30,000 円(税抜)

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10 人 が支援しています。
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3 人 が支援しています。
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100,000 円(税抜)

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(限定 3 個)

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