Loading article…
ディクチオステリウム・ディスコイデウムは、アメーバ動物門、粘菌下門に属する土壌生息性アメーバの一種である。生活環の様々な段階で単細胞形態と多細胞形態の両方が見られることから、粘菌類と総称される、系統的に遠縁の胞子形成性種の一つである。
D. discoideumは、単細胞アメーバの集合体から多細胞の「ナメクジ」を経て子実体へと一生のうちに変化する真核生物です。その独特な無性生殖サイクルは、栄養期、集合期、移動期、成熟期の 4 つの段階から構成されています。D . discoideumのライフサイクルは比較的短いため、すべての段階をタイムリーに観察できます。ライフサイクルに関与する細胞は、移動、化学シグナル伝達、発生などの過程を経ており、これらはヒトの癌研究に応用可能です。ライフサイクルが単純であるため、D. discoideumは他の生物の遺伝的、細胞的、生化学的プロセスを研究するための貴重なモデル生物となっています。[ 2 ]
野生では、D. discoideum は土壌や湿った落ち葉の中に生息しています。主な餌は、土壌や腐敗した有機物中に存在する大腸菌などの細菌です。D . discoideumの単核アメーバは、落葉樹林の土壌や腐敗した葉など、自然の生息地に存在する細菌を摂取します。 [ 3 ]
D. discoideumの生活環は、成熟した子実体（胞子嚢果）から胞子が放出されることから始まります。粘菌アメーバは、暖かく湿った環境下で胞子から孵化します。栄養成長期には、粘菌アメーバは細菌を餌として有糸分裂を繰り返します。細菌は葉酸を分泌し、これが粘菌アメーバを引き寄せます。細菌の供給が枯渇すると、粘菌アメーバは集合期に入ります。
凝集中、飢餓によって糖タンパク質やアデニル酸シクラーゼなどのタンパク質化合物の産生が開始される。[ 4 ]糖タンパク質は細胞間の接着を可能にし、アデニル酸シクラーゼは環状AMPを生成する。環状AMPはアメーバによって分泌され、近隣の細胞を中央の場所に引き寄せる。細胞は信号に向かって移動する際に互いに衝突し、糖タンパク質接着分子を使用してくっつく。
アメーバが密な集合体を形成し、細長い細胞の塊が地面に平らに倒れると、移動段階が始まります。アメーバは、ナメクジとも呼ばれる運動性偽変形体として協力して働きます。ナメクジは約 2～4 mm の長さで、最大 10 万個の細胞から構成され、[ 5 ]前方の細胞にセルロース鞘を生成することで移動することができます。[ 6 ]この鞘の一部は、光、熱、湿度などの誘引物質に向かって前方にのみ移動する際に、粘液の跡として残されます。 [ 6 ]サイクリック AMP と分化誘導因子 と呼ばれる物質は、異なる細胞型を形成するのに役立ちます。[ 6 ] ナメクジは前柄細胞と前胞子細胞に分化し、それぞれ前方と後方に移動します。ナメクジが適切な環境を見つけると、ナメクジの前端が子実体の柄を形成し、後端が子実体の胞子を形成します。[ 6 ] 最近発見された前部様細胞も、ナメクジの後部全体に散在しています。これらの前部様細胞は、子実体の底部と胞子のキャップを形成します。[ 6 ] ナメクジが1か所に定着すると、後端が広がり、前端が空中に持ち上げられ、「メキシカンハット」と呼ばれる形になり、成熟段階が始まります。
成熟した子実体を形成するために、終末期には前柄細胞と前胞子細胞の位置が入れ替わります。[ 6 ] メキシカンハットの前端はセルロースチューブを形成し、これにより、より後方の細胞がチューブの外側を上方に移動するようになり、前柄細胞は下方に移動します。[ 6 ]この再配置により、ナメクジの前端の細胞からなる子実体の柄が形成され、ナメクジの後端の細胞は上部にあり、子実体の胞子を形成します。この8〜10時間のプロセスの終わりに、成熟した子実体が完全に形成されます。[ 6 ] この子実体は 高さ1〜2 mmで、成熟した胞子を放出して粘液アメーバになることで、サイクル全体を再び開始することができます。
D. discoideum は一般的に無性生殖を行うが、特定の条件が満たされれば有性生殖も可能である。D. discoideum には3 種類の交配型があり、研究によりこれら 3 種類の交配型を規定する性遺伝子座が特定されている。タイプ I 株は MatA と呼ばれる遺伝子によって規定され、タイプ III 株は MatS と MatT という 2 種類の遺伝子を持ち、タイプ II 株は MatB (MatA と相同)、MatC、MatD (MatS と MatT と相同) という 3 種類の遺伝子を持つ。[ 7 ]各性別は 2 種類の異なる性別とのみ交配でき、同性の性別とは交配できない。[ 7 ]これらの遺伝子を入れ替えることで、性遺伝子座にあるすべての遺伝子が交配成功に必要ではないことが示された。交配成功は、MatA を持つ株が MatC または MatS を持つ株とペアになった場合、または MatB を持つ株が MatS を持つ株とペアになった場合に起こる。 MatD/MatTは交配適合性には影響しないが、融合した接合子に存在すると、マクロシスト形成が成功する可能性が高くなる。[ 8 ]
細菌の餌とともに培養すると、異型接合または同型接合の有性生殖が起こり、二倍体の接合子が形成される。[ 9 ] [ 10 ]異型接合は、異なる接合型の2つのアメーバが暗く湿った環境に存在するときに起こり、凝集中に融合して巨大な接合子細胞を形成する。巨大細胞はcAMPを放出して他の細胞を引き寄せ、凝集体内の他の細胞を共食いする。消費された細胞は、凝集体全体を厚いセルロース壁で覆って保護する役割を果たす。これはマクロシストとして知られている。マクロシスト内では、巨大細胞はまず減数分裂によって分裂し、次に有糸分裂によって分裂して、通常のアメーバのように摂食するために放出される多数の半数体アメーバを生成する。有性生殖は可能であるが、実験室条件下でD. discoideumマクロシストの発芽が成功することは非常にまれである。それにもかかわらず、D. discoideumの自然集団内では組換えが広く見られ、性は彼らの生活環の重要な側面である可能性が高いことを示している。[ 10 ]
同株性のD. discoideum株 AC4 と ZA3A もマクロシストを生成できます。[ 11 ]これらの株はそれぞれタイプ III に似た接合型を示しますが、大きな違いがあります (MatS で 77%、MatT で 94%)。AC4 のD. discoideumとしての地位は疑問視されていますが、その SSU rRNA 配列は依然としてこの種の範囲内にあります。これら 2 つの株がどのようにして同株性になるのかはまだ不明です。[ 8 ]さらに、タイプ II 細胞は、少数のタイプ I 細胞または物理的に接触を妨げられた近くのタイプ I 細胞によってプライミングされた後に同株性のマクロシストを生成します。これはエチレンの影響による可能性があります。一部の変異体も嚢胞様の構造を自力で生成します。これらは不自然な条件を必要とするため、タイプ II は真の同株性とはみなされません。[ 8 ]
D. discoideum は、その遺伝子の多くがヒトの遺伝子と相同性があり、かつ生活環が単純であるため、モデル生物としてよく用いられています。細胞の種類と行動が限られており、成長が速いため、主に個体レベル、細胞レベル、分子レベルで観察することができます。[ 6 ]細胞分化、走化性、アポトーシスといった正常な細胞プロセスを研究するために用いられます。また、細胞選別、パターン形成、食作用、運動性、シグナル伝達など、発生の他の側面を研究するためにも用いられます。[ 12 ]これらのプロセスや発生の側面は、他のモデル生物では存在しないか、観察するのが非常に困難です。D . discoideumは高等後生動物と近縁です。同様の遺伝子と経路を持っているため、遺伝子ノックアウトの候補として適しています。[ 13 ] D. discoideum は、その独特な発生様式のため、単細胞生物から多細胞生活様式への進化を研究するためのモデル生物としても確立されています。[ 14 ]
細胞分化プロセスは、細胞がより特殊化して多細胞生物へと発達する際に起こります。遺伝子発現の調整の結果として、大きさ、形状、代謝活動、応答性の変化が生じる可能性があります。この種における細胞の多様性と分化は、細胞間相互作用から生じる決定によって、柄細胞または胞子細胞のいずれかへと至る経路に関わっています。[ 15 ]これらの細胞の運命は、その環境とパターン形成に依存します。したがって、この生物は細胞分化を研究するための優れたモデルです。
走化性とは、生物が化学刺激に向かって、あるいは化学刺激から遠ざかるように、化学濃度勾配に沿って移動する現象と定義される。特定の生物は、栄養源に向かって移動する際に走化性を示す。D . discoideumでは、アメーバが細胞外にシグナル物質であるcAMPを分泌し、他のアメーバをその供給源に向かって移動させる。すべてのアメーバは、最も多くのcAMPを分泌する中心のアメーバに向かって移動する。その後、すべてのアメーバがcAMPを分泌し、それが凝集開始の合図となる。これらの化学物質の放出とアメーバの移動は6分ごとに起こる。アメーバは60秒間濃度勾配に向かって移動し、次の分泌物が放出されるまで停止する。個々の細胞のこの行動は、細胞群に振動を引き起こす傾向があり、様々なcAMP濃度の化学波が螺旋状に細胞群全体に伝播する。[ 16 ]： 174-175
数学生物学者のトーマス・ヘーファーとマーティン・ボエルリストは、 D. discoideumの螺旋と流動パターンを再現する洗練された一連の数式を発見した。数学生物学者のコルネリス・J・ウェイエルは、同様の方程式でその動きをモデル化できることを証明した。これらのパターンの数式は、主にアメーバの個体群密度、環状 AMP の生成速度、および個々のアメーバの環状 AMP に対する感受性によって影響を受ける。螺旋パターンは、環状 AMP の波を発信しながら回転するコロニーの中心のアメーバによって形成される。[ 17 ] [ 18 ]
cAMPを走化性因子として用いることは、他の生物では確立されていません。発生生物学において、これは走化性の理解しやすい例の一つであり、ヒトの炎症、関節炎、喘息、リンパ球の輸送、軸索誘導の理解に重要です。食作用は免疫監視や抗原提示に用いられ、細胞型の決定、細胞の選別、パターン形成は、これらの生物を用いて研究できる胚発生の基本的な特徴です。[ 6 ]
ただし、多細胞段階では集団的な細胞移動にcAMP振動は必ずしも必要ではないことに注意が必要です。ある研究では、 D. discoideumの多細胞段階ではcAMPを介したシグナル伝達が伝播波から定常状態に変化することがわかっています。[ 19 ]
走温性とは、温度勾配に沿った移動のことである。ナメクジはわずか0.05 ℃/cmという極めて緩やかな勾配に沿って移動することが示されているが、その移動方向は複雑である。 ナメクジは、順応した温度より約2℃低い温度から離れる方向に向かっているようだ。この複雑な行動は、行動のコンピューターモデリングと、日々の気温変化によって引き起こされる土壌の温度変化の周期的なパターンによって分析された。結論として、この行動はナメクジを土壌表面から数センチメートル下まで移動させ、表面まで引き上げる。これは、重力を感じない原始的な生物による、驚くほど洗練された行動である。[ 16 ]： 108-109
アポトーシス（プログラム細胞死）は、種の発達の正常な一部です。[ 4 ]アポトーシスは、複雑な器官の適切な間隔と形状形成に必要です。D . discoideumの細胞の約 20% は、成熟した子実体の形成において利他的に自己犠牲します。生活環の偽変形体（ナメクジまたはグレックス）段階では、生物は前柄、前胞子、前部様細胞の 3 つの主要なタイプの細胞を形成します。成熟期には、前柄細胞はセルロースコートを分泌し、グレックスを通ってチューブとして伸びます。[ 4 ] 分化するにつれて、液胞を形成して大きくなり、前胞子細胞を持ち上げます。前胞子細胞が基質から高く持ち上げられると、柄細胞はアポトーシスを起こして死にます。その後、前胞子細胞は胞子細胞になり、それぞれが分散すると新しい粘液アメーバになります。[ 6 ] これは、生殖器官である成熟した子実体の形成においてアポトーシスがどのように利用されるかの一例である。
ディクチオステリウム研究の最近の大きな貢献は、生細胞内で個々の遺伝子の活動を可視化できる新しい技術によるものです。[ 20 ]これにより、転写は単純な確率的または連続的な挙動に従うのではなく、「バースト」または「パルス」（転写バースト）で起こることが示されました。バースト転写は現在、細菌とヒトの間で保存されているようです。この生物のもう1つの注目すべき特徴は、ヒト細胞に見られるDNA修復酵素のセットを持っていることです。これは、他の多くの一般的な多細胞動物モデルシステムには欠けています。[ 21 ] DNA修復の欠陥は壊滅的なヒトの癌につながるため、単純で扱いやすいモデルでヒトの修復タンパク質を研究できる能力は非常に貴重であることが証明されるでしょう。
この生物は実験室で容易に分離・培養できるため[ 6 ] [ 22 ]、モデル生物としての魅力が増している。D . discoideumは液体培養でも増殖できるが、通常は栄養寒天培地を入れたペトリ皿で培養し、表面を湿らせておく。培養は22～24 ℃（室温）で最もよく増殖する。D . discoideumは主に大腸菌 を餌とし、これは生活環のすべての段階で十分である。餌が不足すると、粘液アメーバは集まって偽変形体を形成する。すぐに、皿は生活環のさまざまな段階で覆われる。頻繁に皿を観察することで、発達の詳細を観察できる。細胞はどの発達段階でも採取でき、すぐに増殖させることができる。
実験室でD. discoideumを培養する際には、その行動特性を考慮することが重要です。例えば、光、高温、高湿度、低イオン濃度、pH勾配の酸性側に親和性があります。これらのパラメーターを操作することで、発育が阻害、停止、または促進されるかどうかを調べる実験がよく行われます。これらのパラメーターの変化は、培養物の増殖速度と生存率に影響を与える可能性があります。また、子実体は発育段階の中で最も背が高くなるため、気流や物理的な刺激に非常に敏感です。胞子放出に関わる刺激があるかどうかは不明です。
ディクチオステリウムにおけるタンパク質発現の詳細な解析は、異なる発生段階間でのタンパク質発現プロファイルの大きな変化と、ディクチオステリウム抗原に対する市販の抗体の一般的な不足によって妨げられてきた。[ 23 ] 2013年、ビートソン・ウェスト・オブ・スコットランドがんセンターのグループは、ストレプトアビジン複合体を用いたMCCC1の検出に基づく、抗体を用いない免疫ブロッティング用のタンパク質可視化標準を報告した。[ 24 ]
レジオネラ属細菌には、ヒトに レジオネラ症を引き起こす種が含まれる。D . discoideumもレジオネラの宿主であり、感染過程の研究に適したモデルである。[ 25 ]具体的には、D. discoideumは、哺乳類の宿主細胞と類似した細胞骨格と、食作用、膜輸送、エンドサイトーシス、小胞選別、走化性など、レジオネラ感染に関連する細胞プロセスを共有している。
2011 年にNatureに掲載されたレポートでは、 D. discoideumコロニーに「原始的な農業行動」が見られることが示されました。[ 26 ] [ 27 ] D. discoideumと細菌の餌との間の「共生」と表現され、野生で採取されたD. discoideumコロニーの約 3 分の 1 は、粘菌の子実体内に細菌が含まれている場合に、細菌の「飼育」を行っていました。 [ 27 ]子実体内に細菌を取り込むことで、胞子散布場所に食料源を「播種」することが可能になり、新しい場所の食料資源が少ない場合に特に価値があります。[ 27 ]「農業」胞子から生成されたコロニーは、通常、胞子形成時にも同じ行動を示します。この取り込みにはコストが伴います。餌となる細菌をすべて消費しないコロニーは、より小さな胞子を生成し、広く散布することができません。さらに、食物が豊富な地域に着地した細菌を含む胞子には、はるかに少ない利益しか存在しない。この行動のコストと利益のバランスが、D. discoideumコロニーの少数派がこの行動をとるという事実に寄与している可能性がある。[ 26 ] [ 27 ]
D. discoideum はグラム陽性菌とグラム陰性菌の両方を食べることで知られていますが、ヒト病原菌を含む一部の貪食された細菌[ 28 ]はアメーバ内で生存し、細胞を死滅させることなく細胞外に出ることができます。それらがいつ細胞に入り、どこに生息し、いつ細胞から出るかは不明です。研究はまだ決定的なものではありませんが、この共生プロセスをよりよく理解するために、農家のクローンに合わせて調整されたD. discoideumの一般的な生活環を描くことは可能です。
図では、さまざまな段階が確認できます。まず、飢餓段階では、細菌はD. discoideum内に閉じ込められ、[ 28 ]アメーバに侵入した後、ファゴソーム内でリソソームとの融合が阻害され、これらの未成熟なファゴソームは、ミトコンドリア、小胞、およびアメーバの粗面小胞体 (RER) 由来の多層膜などの宿主細胞オルガネラに囲まれます。細胞内感染における RER の役割は不明ですが、RER は細菌のタンパク質源として必要ではありません。[ 29 ]細菌は、凝集段階と多細胞発達段階の間、これらのファゴソーム内に存在します。アメーバは個性を保持し、各アメーバは独自の細菌を持っています。胞子が形成される最終段階では、細菌は宿主細胞の破壊を防ぐ細胞骨格構造の助けを借りて細胞から胞子嚢へと移動する。[ 30 ]いくつかの研究結果は、細菌が細胞を殺さずにエキソサイトーシスを利用していることを示唆している。[ 30 ]
自由生活性アメーバは、環境中の病原体の存続と拡散に重要な役割を果たしているようです。レジオネラ・ニューモフィラ、多くのマイコバクテリウム属、フランシセラ・ツラレンシス、大腸菌など、さまざまな細菌でアメーバとの一時的な共生が報告されています。[ 29 ]農業は、病原体がD. discoideumの内部で生存および複製できるため、病原体の生存に重要な役割を果たしているようです。
D. discoideumによって飼育されるPseudomonas fluorescensの株は 2 つあります。一方の株は食料源として機能し、もう一方の株は、菌類の増殖を抑制し、「飼育者」個体の繁殖力を高める有益な二次代謝産物を生成します。これら 2 つの株の主な遺伝的差異は、gacAと呼ばれるグローバル活性化遺伝子の変異です。この遺伝子は遺伝子制御において重要な役割を果たしており、非食料株でこの遺伝子がノックアウトされると、特別な二次代謝産物を失い、独立して食料株に変化します。[ 31 ]
ディクチオステリウム・ディスコイデウムのセンチネル細胞は、社会性サイクルの幼生期から毒性物質を除去する役割を担う貪食細胞です。一般的に球形をしたこれらの細胞は、幼生の鞘の中に存在し、自由に循環しています。解毒プロセスは、これらの細胞が貪食作用によって幼生内の毒素や病原体を貪食することで起こります。その後、細胞は5～10個の塊となって集まり、幼生の鞘に付着します。幼生が餌となる細菌を求めて新たな場所へ移動する際に、鞘は剥がれ落ちます。
センチネル細胞はナメクジ細胞全体の約1%を占め、放出されてもセンチネル細胞の数は一定に保たれる。これは、毒素や病原体とともに除去されるにつれて、センチネル細胞がナメクジ内で絶えず再生されていることを示している。除去すべき毒素や病原体が存在しない場合でも、センチネル細胞はナメクジ内に存在している。センチネル細胞は他の5種のディクチオステリア属にも存在しており、センチネル細胞は社会性アメーバの自然免疫系の一般的な特徴として説明できることを示唆している。[ 32 ]
野生のD. discoideumの飼育状況によって、センチネル細胞の数は変化する。臭化エチジウムの使用によって作られた毒性環境に曝露された場合、センチネル細胞数は非農家よりも農家の方が少ないことが示された。これは、ナメクジが移動した際に残された痕跡を観察し、1 ミリメートル中に存在するセンチネル細胞の数を数えることによって結論付けられた。しかし、センチネル細胞の数は農家の胞子生産と生存率には影響しない。毒性環境に曝露された農家は、非毒性環境の農家と同じ数の胞子を生産し、胞子の生存率は農家と非農家で同じであった。クレード 2 Burkholderia、つまり農家関連細菌を農家から除去すると、胞子生産と生存率は非農家と同様になった。したがって、農民が保有する細菌は、毒素や病原体による潜在的な害から農民を保護する追加的な役割を果たしていると考えられる。[ 33 ]
古い分類では、ディクチオステリウムは廃止された多系統群であるアクラシオミケス綱に分類されていました。これは細胞性粘菌の綱で、個々のアメーバが集合して多細胞の子実体を形成することが特徴であり、アクラシド類とディクチオステリウム類を関連付ける重要な要素でした。[ 34 ]
最近のゲノム研究では、ディクチオステリウムは植物や動物よりも祖先のゲノム多様性をより多く維持していることが示されていますが、プロテオームに基づく系統発生は、アメーバ類が植物と動物の分岐後に動物と菌類の系統から分岐したことを確認しています。[ 35 ]ディクチオステリウム亜綱、ディクチオステリウム目は、プロトステリウム類、ディクチオステリウム類、およびミクソガストリッド類粘菌を含むグループである粘菌類内の単系統群です。伸長因子-1α（EF-1α）データ解析は、粘菌類が単系統群であることを支持していますが、rRNAツリーはそれを多系統群として位置付けています。さらに、これらのデータは、ディクチオステリウム類とミクソガストリッド類がプロトステリウム類よりも互いに近縁であるという考えを支持しています。 EF-1α 解析では、動物-真菌クレードの直近の外群としてミセトゾアも位置づけられた。[ 36 ]最新の系統発生データでは、ディクチオステリドは粘菌類とともにアメーボゾアのスーパーグループにしっかりと位置づけられている。一方、プロトステリドは多系統であることが判明しており、柄のある子実体は複数の無関係な系統の収斂形質である。[ 37 ]
D. discoideumゲノム配列決定プロジェクトは、国際的な研究機関の協力により 2005 年に完了し、発表されました。これは、完全に配列決定された最初の自由生活性原生動物のゲノムでした。D . discoideumは、塩基組成が 77% [A+T] の 34 Mb の半数体ゲノムで構成され、約 12,500 個のタンパク質をコードする 6 つの染色体を含んでいます。[ 3 ] D. discoideumゲノムの配列決定により、その細胞生物学および発生生物学のより詳細な研究が可能になりました。
このゲノムにはトリヌクレオチドのタンデムリピートが非常に豊富に存在し、ゲノムの1クラスがクラスター化しているため、研究者らはそれがセントロメアとして機能していると考えている。リピートはアミノ酸の繰り返し配列に対応しており、ヌクレオチドの伸長によって拡大すると考えられている。[ 3 ]トリヌクレオチドリピートの伸長はヒトでも起こり、一般的に多くの疾患につながる。D . discoideum細胞がこれらのアミノ酸リピートにどのように耐えているかを解明することで、ヒトがそれらに耐えられるようにするための洞察が得られるかもしれない。
配列決定されたすべてのゲノムは、時間の経過とともに獲得または失われた遺伝子を特定する上で重要な役割を果たします。比較ゲノム研究により、真核生物のゲノムを比較することができます。プロテオームに基づく系統発生は、アメーバ類が植物と動物の分岐後に動物と真菌の系統から逸脱したことを示しました。[ 3 ] D. discoideum のゲノム は、そのコードする多くのタンパク質が真菌、植物、動物に共通して見られるため注目に値します。[ 3 ]
{{cite book}}: CS1メンテナンス: 場所の発行元が見つかりません (リンク){{cite journal}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)