[論文レビュー] The Origin, Evolution and Development of Bilateral Symmetry in Multicellular Organisms

Eric Werner|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2012

Protist diversity and phylogeny参考文献 35被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、単一の細胞から多細胞生物における左右対称性が、2つの創始娘細胞における反対の細胞方向性状態のエピジェネティックな継承によって生じる仕組みを説明する計算モデルを提案する。発生制御ネットワークと空間的方位を結びつけることで、対称性の破れ、左右対称な発生、および寒武紀大爆発期におけるインサイドアウト成長や断続的進化といった進化的革新を説明する。

ABSTRACT

A computational theory and model of the ontogeny and development of bilateral symmetry in multicellular organisms is presented. Understanding the origin and evolution of bilateral organisms requires an understanding of how bilateral symmetry develops, starting from a single cell. Bilateral symmetric growth of a multicellular organism from a single starter cell is explained as resulting from the opposite handedness and orientation along one axis in two daughter founder cells that are in equivalent developmental control network states. Several methods of establishing the initial orientation of the daughter cells (including oriented cell division and cell signaling) are discussed. The orientation states of the daughter cells are epigenetically inherited by their progeny. This results in mirror development with the two founding daughter cells generating complementary mirror image multicellular morphologies. The end product is a bilateral symmetric organism. The theory gives a unified explanation of diverse phenomena including symmetry breaking, situs inversus, gynandromorphs, inside-out growth, bilaterally symmetric cancers, and the rapid, punctuated evolution of bilaterally symmetric organisms in the Cambrian Explosion. The theory is supported by experimental results on early embryonic development. The theory makes precise testable predications.

研究の動機と目的

• 単一の受精卵からどのように左右対称性が生じるかという根本的な生物学的問題を解明すること。
• 左右軸異常症、ジニアンドロモーフ、左右対称性を示すがんといった多様な現象を、一つの発生メカニズムで統合すること。
• エピジェネティックな対称性変換を通じて、寒ぶき大爆発期における両側動物の急速な進化的放散を説明すること。
• 計算モデリングとマルチエージェントシステムを用いて、初期胚発生における対称性の破れを検証可能な枠組みとして提供すること。

提案手法

• 単一の細胞から派生する2つの創始娘細胞における鏡像的方位状態に基づく、左右発生の計算理論を提唱する。
• 発生制御ネットワークと空間座標系の関係をモデル化し、方位を主要なエピジェネティック変数として用いる。
• 外部要因（例：シアリア誘導性の流れ）による「方位スイッチ」の概念を導入し、発生ネットワーク状態を維持したまま細胞極性を反転させる。
• マルチエージェントシステムのシミュレーションを用いて、方向性を持つ細胞分裂とシグナル伝達が初期の非対称性を確立し、その非対称性を系統にわたって伝えるプロセスをモデル化する。
• 細胞の方位とネットワーク状態の世代を超えた継承を支配するエピジェネティック・コードとして「セノーム」と「セーンズ」を定義する。
• 対称性変換理論を応用し、インサイドアウト成長、対称性の反転、部分的対称性の形成といった現象を説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遺伝的差異ではなくエピジェネティックなメカニズムによって、対称な受精卵からどのように左右対称性が生じるのか。
• RQ2 方向性を持つ細胞分裂とシアリア誘導性の流れは、初期胚発生における対称性の破れにどのように寄与するのか。
• RQ3 対称性の反転がインサイドアウト発生を引き起こす仕組みは何か。このような変換に課される発生的制約とは何か。
• RQ4 なぜ両側動物は寒ぶき大爆発期に急速に多様化したのか。これはエピジェネティックな対称性変換によって説明可能か。
• RQ5 細胞の方位は系統にわたってどのように継承されるのか。右側と左側の体節を定義する分子マーカーは何か。

主な発見

• モデルは、発生制御ネットワークが同一であっても、2つの創始娘細胞にエピジェネティックに継承された反対の方位状態によって、鏡像的発生が生じることを示している。
• 初期着床前胚（例：ガーデナーの研究）の実験的データは、2細胞期における左右対称性の予測を支持している。
• 線虫（*C. elegans*）やショウジョウバエ（*Drosophila*）における方向性を持つ細胞分裂、および四肢発生における極性は、空間的方位が対称性の確立に果たす役割を実証的に裏付けている。
• マウスやヒトにおける左右軸逆転症（situs inversus）は、左-右軸における方向性の流れが適切に方位スイッチを起こさなかったことによって説明される。
• モデルは、方向性スイッチが可能になるのは、前処理された受容的状態にある細胞に限られることを予測しており、発生の整合性を保証する。
• 理論は、方向性制御が破綻した対称性破壊の失敗によって両側が同一に発生する両側対称性のがんを説明している。