第6章 脊椎動物の脳の誕生前夜︱ギボシムシ、ホヤ、ナメクジウオの脳

 本章では脊椎動物の脳の起源について考察を行なう。とは言うものの、読者の方々は「脊椎動物以前の動物」と言われて、どのようなものを想像するだろうか? 原始的とされている動物に考えをめぐらすかもしれないが、ほとんどが脊椎を持っていることに気づくのではないだろうか。
では図1を見ていただきたい。後口動物から脊椎動物が現れるまでに、いくつかの動物が分かれているのがわかるだろう。以下では、われわれヒトを含む脊椎動物の脳、複雑な機構を持つ臓器である脳がいかにしてできたかを考えていく。その進化の過程を調べる上で重要なヒントをもたらしてくれる、半索動物(ギボシムシなど)、頭索動物(ナメクジウオなど)、尾索動物(ホヤなど)の脳についても解説していこう。

図1.本章で扱う動物と脊椎動物の系統関係

由来の歴史は化石に残らず

 そもそも進化の議論の基本は形態学である。動物の化石が見つかった時に、現存の動物と似た形態かどうかを調べ、その系統関係を求める。ただ脳のような軟組織が化石に残るのは極めて稀である。起源について研究するには、現存していて、進化の過程で脊椎動物の起源と近いところで分岐した動物を調べ、そこから得られる情報から、それがどのような脳であったかを推測することになる。得られる情報は形態学的情報、生理学的情報といったものと、遺伝子解析といったものがある。現在では1種の動物の全ゲノム配列をおおよそ明らかにするのに技術的な困難がなくなり、短時間でどのような遺伝子セットを持っているかがわかるようになっている。
脳の場合はニューロンの機能に関わる遺伝子や脳の発生に関わる遺伝子が、どの程度脊椎動物と共通か、もしくはその動物に特有なものがあるか、などの情報は、実験的な解析が難しい動物の研究では特に有用である。
ニューロンの集合体である脳の雛形については刺胞動物、また左右相称動物の起源については扁形動物の研究が手がかりを与えてくれる。左右相称動物は後口(新口)動物と前口(旧口)動物に分かれるとするのが従来の考え方であるが、ここ数年で話題になっている珍無腸動物という一群の動物の左右相称動物の中での系統関係には議論がある。つまり珍無腸動物は後口動物に含まれるという考え方と、独立した姉妹分類群を形成し、珍無腸動物以外の動物をまとめてNephrozoaというグループとする考えがある(第3章の図1も参照)。
珍無腸動物の神経系は、卵割初期の小割球という段階から生じる。動物極側から外胚葉が生じるという意味では棘皮動物や脊索動物とも共通と言うことができる(ただしウニの小割球と呼ばれる細胞は植物極側にあり、内胚葉に分化する)。小割球がさらに分裂して生じた細胞のいくつかがバラバラに胚の表面から陥入して、ニューロンに分化する。これはのちに述べるように、まさに原始的な神経系の発生様式である。これらの動物の神経系を調べることで、放射相称動物から左右相称動物への神経系の進化や、後口動物と前口動物への神経系の構成の違いがいかにして進化したかといった知見の獲得を期待できる。
脊椎動物に共通な神経系の特徴が、無脊椎動物からどのように進化したかということは、古くから動物学者の関心の的であった。脊椎動物を含む「脊索動物」という分類群についての議論と脊椎動物の起源についての議論はお互いに深く関連し合っている。そこでここではまず、脊索動物について説明し、脊索動物に半索動物も加えた4つの動物群の脳の進化のモデルについて紹介する。

脊索動物グループの特徴

 脊索動物に共通な特徴は、まず体が左右相称であること、脊索を持つこと、鰓裂を持つこと、背側に中枢神経を持つこと、肛門よりも後方に伸びる尻尾を持つこと、甲状腺もしくはその類似器官を持つこと、腹側に心臓を持つことなどがある。脊椎動物では多くの場合、脊索は発生期にのみみられる。鰓裂も同様であり、これが複雑に形態変化しながら顔面を形成していく。
頭索動物ナメクジウオには心臓はみられないが、これは進化過程で二次的に失われたものと考えられている。同様に尾索動物ホヤの幼生に肛門はないが、幼生の期間は短く摂食しないので消化管を必要としない。尾索動物であるホヤは変態過程で入出水管を生じ、これによって濾過による摂食を行なう。出水管は肛門と同じ働きを持つが、肛門の相同器官と言えるかは難しい。そもそも成体には尻尾がなく、幼生期にのみみられ、幼生には消化管はない。これはホヤ独自の体制を進化させたことにともない移動のための尻尾を幼生期に、摂食のための消化管を(固定生活を行なう)成体が持つように特殊化したと解釈される。
脊索動物は脊椎動物と原索動物に便宜的に分けることができる。また脊索動物門は脊椎動物、尾索動物、頭索動物の3つのグループに分けられる(図1)。尾索動物と頭索動物は無脊椎動物であり、脊椎動物より原始的な形態やゲノム構成となる。例えば、体の形成に中心的な役割を果たすHox遺伝子群は(Hoxクラスターについては第5章、第7章を参照)、脊椎動物のゲノム中に4つあるが、尾索動物と頭索動物のゲノムにはひとつのみである。尾索動物ホヤのHox遺伝子はゲノム中に分散してしまい、群と呼べるような構造をしていない。
我々ヒトを含む脊椎動物は、脊索動物門のひとつの亜門を作る動物のグループである。ホヤやサルパやオタマボヤは尾索動物亜門に含まれ、ナメクジウオは頭索動物亜門である。この3つの亜門の動物はいずれも発生の途中(ナメクジウオの場合、成体になった後も)脊索を分化させるので、脊索動物という大きな分類学的グループを作るというわけである。なお佐藤(沖縄科学技術大学院大学)らは、これら3つのグループがそれぞれ「門」を構成することを提唱している。

ゲノム解析により示された脊椎動物への進化過程

 後口動物と前口動物との分岐が起きたあとの、脊椎動物への進化の過程をみてみよう。まず半索動物が分岐し、別の系統として脊索動物が進化するのは、図1に示した通りである。次に脊索動物の中から原索動物が分岐し、脊椎動物が進化した考えられる。ただし原索動物の中で、形態学的研究からは、尾索動物が先に分岐したという考えが長く一般的であった。ところがゲノム解析の結果は、頭索動物が先に分岐したことを示している。尾索動物はゲノム配列を比較すると、先に述べたHox遺伝子群のように頭索動物よりも固有な特徴が多く見られることから、尾索動物は脊椎動物への系統から分岐したのちに、より多くの変化がゲノムに起き、ホヤ成体が示すような独特の体制を持ったと考えられる。それに比べると頭索動物の形態は魚によく類似しており、初期脊索動物の原始的な形態をとどめている。つまり系統的にはホヤの方がナメクジウオよりも脊椎動物に近いが、形態的にはナメクジウオの方が脊椎動物との共通性が多い。脳・神経系についても同様のことが言えるか、以下で解説していこう。

脊椎動物に近縁な動物たちの多様性

 脊索動物であるホヤは幼生期にオタマジャクシのような形態をとり、尾部を使って泳ぐことができる。ガルスタング(1928)やベリル(1955)はホヤのオタマジャクシ幼生に、脊索、分節化した筋肉、背側の神経索(管状神経系もしくは脊髄)、平衡器、光受容器が頭部に存在することや、鰓裂といった脊椎動物と共通の器官を観察し、脊椎動物の起源はホヤであるとの仮説を論じた。つまり原始的脊索動物は岩などに付着して濾過摂食を行なう動物(まさにホヤ成体)であり、これが幼形成熟し、ホヤ幼生の形態が脊椎動物に受け継がれたと考えた。
現存のナメクジウオには心臓のような重要な臓器がみられないことから、ナメクジウオそのものも脊椎動物の祖先型動物からは独自の進化を遂げている。ホヤ幼生の中枢神経の前端は膨大しており脊椎動物の脳を思わせる。ナメクジウオの背側中枢神経系には、一見そのような目立った形態的特徴はなく、頭索動物と呼ぶわりには頭部らしい構造はない。ナメクジウオに極めてよく似た化石標本がいくつか発見されることからも頭索動物の体制と種分化には多様性がみられない。一方、尾索類には極めて魅力的な多様性がある。ホヤ網、タリア網、オタマボヤ網というそれぞれにユニークな3つの下位分類がある。ホヤは単体ボヤ、群体ボヤという異なった繁殖方法を示す2群にわけることができる。単体ボヤはもっぱら受精卵から幼生を経て成体へとなるが、群体ボヤは、それに加えて無性生殖で殖える。つまり再生能の高さで有名なプラナリアのように元々ひとつの個体だったものが複数以上の個体に分かれる繁殖様式である。このようにホヤには繁殖様式にも多様性がみられる。ただし繁殖様式の違いはホヤの種間の系統関係を反映していない。
系統学的に脊椎動物のひとつ手前で分岐したこれら動物群に共通する特徴がある。それは、変態によって外部形態のみならず神経系も大きく変化することである。ナメクジウオは比較的変化が少ないが、多くの原索動物、半索動物、棘皮動物は特徴的な形態をした幼生期を持ち、変態して全く異なる神経系を作る。脊椎動物との関係を考える上で問題なのは、これら動物群の幼生期と成体期、いずれの神経系を考察するべきかという点である。

脊索動物型の神経系への進化

 脊索動物は約5億年前のカンブリア大爆発のどこかのタイミングで現れたと思われ、その時に現れた様々な動物群と同様、海に起源を持つ。脊索動物には背中側に中枢神経系があるという共通性があり、これは他の動物群ではみられない体制である。後口動物と前口動物の共通の祖先である左右相称動物からの脊索動物型神経系への進化には、以下に述べる4つの仮説がある。
ひとつ目の仮説はオーリクラリア説と呼ばれている。棘皮動物、半索動物、また当時は近縁と考えられていた有鬚動物などとの類似性から、バリントン (1965)はこれらに共通の祖先動物について考察している。それによると、共通祖先は岩などに付着して暮らし、繊毛が生えた腕状の構造を持っており、その腕に付着した(カンブリア紀の海に豊富だった)プランクトンを摂取していたと考えた。このような生態は有鬚動物や半索動物の翼鰓類(フサカツギ類)にみられる。また、帯状に分布し運動や捕食に関わる繊毛は半索動物のトルナリア幼生や棘皮動物の多様な異なった形態を持つ幼生に共通にみられる。繊毛は頭索動物ナメクジウオの幼生期にもみられ、この時期の動物の運動を担っている。脊索動物よりも早くに脊椎動物にいたる系統から分岐したのは半索動物と棘皮動物であり、これらの動物群の幼生はまとめてディプリュールラ型と呼ばれる(図2)。ディプリュールラ型幼生は一列にならんだ繊毛によって遊泳する。繊毛の動きは連動していないと決まった方向に移動することはできないので、繊毛に沿って神経系が発達している。オーリクラリア説によると、後口動物祖先型動物はディプリュールラ幼生に類似した体制を持っていた。ディプリュールラ型幼生が持つ繊毛帯が幼生の口と反対側に集まり、初期の神経系となったと考えられる。

図2.ディプリュールラ型幼生

 ふたつ目の仮説は半索動物ギボシムシの神経系にヒントを得たものである。ギボシムシの中体(襟部ともいう)には脊椎動物によく似た中空性の神経組織が背側にある。動物体の背側に中枢神経系があるという共通性からベイトソン(1886)は、半索動物の神経組織が脊索動物の中枢神経系の起源であると考え、まさにギボシムシ成体のような体制を持った動物が脊索動物の起源であると述べた。
3つ目の仮説はジョフロワ(1822)による。ジョフロワは左右相称動物がすでに頭尾軸に沿って伸びる中枢神経を持っていたと考えた。ただし、この動物の中枢神経は動物の腹側にあった。脊索動物に進化する系統ではこの背腹軸が反転し、中枢神経系が背側に位置するようになったと提唱した。脊椎動物と昆虫の胚発生で共通に分泌性タンパク質BMP4(昆虫の相同分子Dpp)の機能を抑制する因子(Chordin/Sog)が中枢神経系の分化に必要であり、これらが中枢神経系に分化する側(つまり脊椎動物では背側、昆虫では腹側)で発現しているという発見から、この背腹軸反転仮説はもっともらしく思われた。
最後の仮説によると、昆虫や脊索動物でみられる集中神経系は、それぞれ独自に進化したとされる。クラゲやウニは体軸に沿って一直線に伸びるような神経系を持たない。彼らの神経細胞は体表下にまばらに分布しており、ウニの周口神経環のように神経細胞の集合はみられるものの極めて単純な構成であり、そこから放射状の神経ネットワークが作られている。このような神経系は「散在神経」と呼ばれ、脳といえるような構造はない。そこで動物の体の背腹いずれかに集中した神経組織は前口動物と後口動物で、それぞれに散在神経系から進化してきたと考えられる。こういった「中枢神経系独立進化説」は支持が少ないものの、左右相称動物の起源から早期に分岐した現存の動物群の多くに散在神経系がみられることから、十分な説得力があるように思われる。
動物系統関係を考えると、左右相称動物から前口動物と後口動物が分かれ、後口動物の系統では棘皮動物、半索動物、脊索動物という順番で進化してきたという点で、上記の4つの神経系進化の仮説は同じ立場をとっており、この関係性は近年の遺伝子配列やゲノム構造全体の比較といった研究から得られた動物系統関係とも一致する。
神経のような軟組織の化石証拠が乏しく、もし残っていても、それが神経組織であるかどうかは常に議論となるので、情報として重要ではあるが、決定的な証拠にはならない。さらに言えば、これらの動物は基本的に小さく、変態前の脊椎動物に類似した体制を示す幼生はプランクトンであることから、化石に証拠を求めるのは困難極まりない。現存の動物と同じ系統関係に基づいても、複数の異なった仮説が出てくるとしたら、我々はどうすれば脊椎動物にいたる脳の進化の物語について知ることができるのだろうか。

鍵を握る役者たち

 脊椎動物型の脳は次章以降で解説されているので、ここでは概略のみを紹介しよう。我々ヒトの脳は神経管から発生する。この中空の管には、まず3つの膨らみが生じるが、この時期を三脳胞期といい、前脳、中脳、後脳(菱脳)という脳胞からなる(図3)。前脳は終脳、間脳に分かれ、後脳は後脳と髄脳に分かれる。終脳からは大脳皮質や大脳基底核が分化し、間脳からは視床と視床下部が分化する(視床上部も分化するが、ここでは扱わない)。このように中枢神経系の予定脳領域は徐々に細分化していく。哺乳類では終脳から大脳皮質が分化するが、鳥類では高外套と呼ばれる独特な脳構造を作る。魚類や両生類ではこの領域はあまり発達しない。ヒトの中脳は終脳や後脳に比べると、あまり発達しない。しかし爬虫類、両生類、魚類などの中脳は終脳よりも顕著な神経構造となり、実際に大きな中枢機能を担うとされている。このような脊椎動物の分類群ごとに多様性を示す前の発生段階である脳胞期までは、脊椎動物全体に共通する発生の仕組みを持つと考えられる。つまり、神経管形成から脳胞期にいたるまでの過程は脊椎動物に共通で、この時期に働く分子機構が脊椎動物型脳の起源を考える上で重要な情報を与えてくれる。各脳領域の特徴を持たせるために働く遺伝子の働きを実験発生学的に調べることや、遺伝子セットの進化と現存する動物のゲノムどうしで比較することによって、脳の進化を調べられる。特に脳の発生に関わる遺伝子の進化は脳の形態に直接関与するので、非常に重要な情報をもたらしてくれる。

図3.A:三脳胞期、B:五脳胞期、C:咽頭弓胚期の中枢神経系。

 以下では脊索動物の起源で分岐したと考えらえる動物のギボシムシ(半索動物)、ホヤ(尾索動物)、ナメクジウオ(頭索動物)の脳と神経系の発生についての遺伝子研究を中心に紹介し、最後に脊椎動物の起源となった生き物がどのような脳を持っていたかを解説する。

ミミズ似の祖先ギボシムシにみる3種類の神経構造

 ギボシムシ(図4)はあまり知られていない動物かもしれないが、世界中の海の潮間帯に生息している。ギボシムシを含む半索動物は世界中に70種ほどが報告されているが、そのうちのいくつかは直達発生する(幼生期を経ずに胚から直接に成体になる)。残りの種はトルナリア幼生期にプランクトンとして過ごし、変態して成体になる。ベイトソンが1880年代に半索動物を解剖して、脊椎動物と比較した議論をしている。彼は吻の中にある棒状の構造を脊索と考えた。今日ではこの構造をstomochordと呼んでいる。神経系が動物の背側にあることを観察し、これを脊椎動物の神経管と相同であると考えた。また半索動物には明らかな鰓がある。またグッドリッチ(1917)は半索動物の吻の中に下垂体に相同の構造を、咽頭に甲状腺の相同器官を見出している。これらは全て脊椎動物と共通の体制であり、半索動物は脊椎動物と無脊椎動物を進化的につなぐ系統位置にあると考えられた。

図4B.ギボシムシ中枢神経系の模式図

 近年の遺伝子配列比較による系統関係の研究によると、半索動物はウニやヒトデを含む棘皮動物と共にひとつの系統グループを作っており、脊索動物とは別のグループであることが示唆されている。というのも、半索動物と棘皮動物は繊毛で泳ぐデュプーリルラ幼生期があるのに対して、脊索動物は幼生期にオタマジャクシ型を示すためである。
ギボシムシの体は前体、中体、後体の3つの部位に分けられる(図4B)。前体は吻となっており、中体は襟と呼ばれる構造になっている。後体は胴部とも呼ばれ、咽頭、生殖腺、消化管、肛門よりも後方の尾部を含む。口は前体と中体の間で腹側に開いている。前体には表皮下神経叢(図4B)があるが、前後軸にそって集中化した神経構造はみられない。中体には背側神経索がある。ベイトソンが指摘したように中体背側神経索は脊椎動物の脳との相同性を想像させる。中体にも表皮下神経叢があるが、前体ほどは発達していない。後体の中体寄りの領域には表皮下神経叢がみられるが、やはり前体ほどは発達せず、むしろ後体では頭尾軸にそって背腹の両側を走っている神経索が顕著である。背側の神経索は脊索動物の中枢神経系(特に延髄と脊髄)との相同性を想起させるが、腹側の神経索は半索動物の特徴である。なお、半索動物で脳と呼ばれる神経構造は報告されていない。先に述べた神経系の機能もほとんど研究がなされていない。
バリントン(1965)は中体にあるニューロンが中体と後体の境界で軸索を体の左右反対側の筋肉に投射していることを示し、これを交差と呼んでいる(図5)。このような、運動情報を下位のニューロンに伝える伝導路の交差は、哺乳類の錐体交差やホヤ幼生での介在神経の軸索走行などに共通である。これら異なる動物群でみられる神経回路の交差は進化的に言って相同ではなく、似通った機能を持つことによってできた収斂の結果と考えられるが、運動を制御する神経にとって重要な特徴と考えらえる。

図5.ギボシムシにみられるニューロンの軸索投射(交差)

 この動物の神経系については、遺伝子発現に基づく重要な報告があり、これらから半索動物(ギボシムシ)の脳について考察することができる。ギボシムシでは前後軸に沿った中枢神経系がみられるが、その前端である前体の神経は神経叢と呼ばれ、いわば散在神経系となっている。脊椎動物の中枢神経系の前端である大脳皮質のような巨大な集中神経とギボシムシの表皮下神経叢は似ても似つかない。またギボシムシに特有な後体にみられる背側と腹側の両方にある神経索は単に神経線維から成る構造であり、中枢神経系とは呼べないのではないかという疑問も過去にはあったが、今日では背腹の神経索はいずれもニューロンによって構成されていることがElav遺伝子の発現によって示されている。昆虫の中枢神経系は腹側にあり、脊索動物では背側にあるが、その両方を持つことはギボシムシ神経系の極めて興味深い特徴となっている。
哺乳類とギボシムシに共通してみられるニューロンに、ゴナドトロピン放出ホルモン(GnRH)産生ニューロンがある。これはヒトでは視床下部にあるニューロンで卵巣・精巣といった性線を制御する最高中枢として働いている。一方、ギボシムシではGnRHが表皮下神経叢に散漫に検出されるので、表皮下神経叢の中にヒトの視床下部と共通した神経機能があると考えられる。
また光を感知するのは神経系の重要な機能であるが、ギボシムシでは組織学的・解剖学的に光受容器は報告されていない。しかし、ギボシムシが光センサーであるオプシンをコードする遺伝子を持っていることから、神経系のどこかに光受容細胞があると思われる。
脊椎動物において、前後軸に沿って発現する遺伝子群があるが、その相同遺伝子をギボシムシの発生段階で調べると、ほとんどの遺伝子が胚の外胚葉全体をぐるっと囲むリング状のストライプとして観察される。この遺伝子発現パターンはショウジョウバエで報告されている相同遺伝子の分節的な発現によく似ている(図6)。一方、脊椎動物ではHoxb1やOtxなどでよく知られた神経外胚葉に限定され海苔を貼ったような遺伝子発現パターンが検出される(図9)。

図6.ギボシムシ胚におけるOtx(左)とHox1(右)の発現パターン模式図

 ショウジョウバエなど昆虫の神経系の発生は、外胚葉細胞層からの散漫なニューロンの分化による。ニューロン分化へと向かう細胞は、隣接した細胞がニューロンにならないように(非神経細胞になるように)する。この仕組みによってニューロンは満遍なく外胚葉全体から孤発的に分化し、その後に個々のニューロンが神経線維を伸ばし、場合によっては細胞体の移動をともない神経ネットワークを作っていく。ギボシムシの表皮下神経叢を作るニューロンは、この昆虫で詳細に調べられている様式によって分化してくると考えられる。頭尾軸に沿ったパターニングによる各領域に特有なニューロンの形態や機能の分化は外胚葉に全体の遺伝子発現パターンを形成する。それに対して、神経索は脊索動物の神経管と同様な形態形成によって生じる。つまりギボシムシの神経系は系統樹的により原始的体制をもった動物がもつ散在神経系と、より進化した体制を持つ脊索動物の集中神経系の両方を持っていることになる。

ホヤには脳がある?

 「ホヤっていうのはですね。一番最初に脳を持った生物なんです。まぁ、正確に言うと、一番簡単な神経回路を持った生物なんですけど。」
「MR.BRAIN」というドラマで木村拓哉氏が演じる主人公が研究室の水槽で飼っているホヤについて説明するセリフである。我々は研究に使うために水槽にびっしりと詰め込めるだけ詰め込んでマボヤを飼っていたが、このドラマでは水槽の底にマボヤが1匹だけポツンと転がっている。東北地方の鮮魚店などで普通に売っているホヤの成体だ(図7)。

マボヤ成体のカラー画像[提供:東北大学 沼宮内隆晴博士・熊野岳博士]

 ホヤ成体に脳があるかどうかは少し議論がある。ホヤ成体の脳と呼ばれている構造はほぼ内分泌器官になっており、光を感じてホルモンなどを分泌しているものと考えられる。ホヤ成体の入出水管の間にある特徴的なこの神経構造が、ヒトの脳とは随分と異なる臓器であることは間違いないが、そもそもどのような臓器をもって脳と定義するかコンセンサスはない。話はそれるが、本書では「脳」という言葉を比較的広義で使っている。各章の筆者それぞれの考える脳の定義は、それぞれの章を読むことでうかがい知ることができる。よって「一番最初に脳を持った」という言葉は科学的な意味を持っていない。ヒトの脳と類似した特徴を持ち、最も原始的な神経構造という意味ととらえるとしても、ホヤ成体の脳は随分と特殊化している。むしろヒトの脳に形態的な共通性がみられるのは幼生の中枢神経系である。そのため、以下では幼生の中枢神経系を中心的に解説していこう。
ユウレイボヤ(図8)では胴部の中枢神経構造はしばしば「脳」と呼ばれ、300個ほどの細胞がみられる。ヒトの脳は100億以上のニューロンからできているといわれていることを考えると、ホヤ幼生脳は極めて単純な神経構造である。

図8a.ユウレイボヤ幼生[提供:長浜バイオ大学 和田修一博士]

図8b.ニューロンをGFPで標識したトランスジェニックホヤ

 時間をさかのぼるが、筆者は大学院生の時に、ホヤ幼生の中枢神経系が脳といえるか疑問に思った。当時は電子顕微鏡による観察から、幼生の胴部の中枢神経を前方から、感覚胞、頸部、臓性神経節といった領域分けがされていた。脊椎動物の脳では、脳の形成に重要な役割を持つOtx2遺伝子が中脳よりも前方の中枢神経で発現しており、ノックアウトマウスでは、まさにこの領域の中枢神経構造が失われる。つまりOtx2遺伝子は脊椎動物脳で中脳よりも前の構造が発生するのに必要な遺伝子であり、ホヤのOtx相同遺伝子が発現している領域がホヤ幼生の中脳から前方の構造、つまり脳(の一部)であると考えた。同研究室の和田(現・長浜バイオ大学准教授)と遺伝子のクローニングを行ない、ヒトやマウスが持つOtx1、Otx2に相同な遺伝子をホヤはひとつだけ持っていることがわかった。このことは脊椎動物で遺伝子重複が起こっていることから予想される結果である。ホヤOtx遺伝子は幼生中枢神経系の前端の感覚胞と呼ばれる広い領域で発現していた(図9)。

図9.ホヤとマウスの発生におけるOtxとHox1の発現の比較

[Katsuyama et al., 1996 Zoolog Sci. 13 (3): 479-482.]

 哺乳類の初期胚において、将来、大脳皮質になる領域(背側脳外套)はEmx1遺伝子を発現する。ホヤはEmx1相同遺伝子を持っていたが、この遺伝子は神経組織では発現せず、もっぱら前方表皮で発現していた。よって、ホヤ幼生の中枢神経系は大脳皮質に相同な領域を持っていないと考えられる。しかし、発生過程の脊椎動物の脳で中脳領域を示すDmbx遺伝子発現はホヤ幼生ではみられない。となるとホヤ幼生でOtx遺伝子を発現する中枢神経系領域はいったい脊椎動物脳のどこに相同なのだろうか?
脊椎動物において視床下部を含む間脳はOtx発現領域から分化する。他にもOtxを発現する神経組織がある。それは眼である。Otxを欠損したマウスでは、中脳領域の一部が突出して生じる眼杯(眼の発生途上において現れる器官)の形成異常がみられる。脊椎動物胚で間脳の一部が両側へと外側に膨らみ眼胞となる。眼胞は近傍の表皮に働きかけ、水晶体を誘導する。さらに神経堤細胞を誘導し脈絡膜などに分化させる。眼胞は網膜へ分化する。ホヤ幼生のOtx発現領域からは、まさに光受容感覚細胞が分化する。ただし、Otx発現細胞の全てが光受容細胞になるわけではない。Otx、Dmbx、Emx遺伝子発現の比較から、ホヤ幼生には(哺乳類で大脳皮質などが生じる)終脳も中脳もなく、間脳の相同領域があることが示唆される。
また筆者らはホヤのHox1遺伝子が臓性神経節と呼ばれている領域で発現していることを見出した(図8)。哺乳類のゲノムには3つのHox1遺伝子(Hoxa1、Hoxb1、Hoxd1)がある。これらHox1遺伝子は、神経管の延髄になる領域(後脳)をもって発現の前方境界となっている(図14)。またHoxb1は顔面神経の運動ニューロン核が分化するロンボメア4に特異的に発現する(図9、図14、第7章も参照)。ホヤHox1は臓性神経節領域に限定して発現しており、脊椎動物のHoxb1発現を彷彿とさせる。Hox1遺伝子発現領域には交差性に軸索投射する介在ニューロンがあり、左右交互に尻尾を振る運動に関わっているとされる。
ホヤ幼生でHox1発現領域とOtx発現領域の間にはスペースがあり、ここはそれまでの研究で定義されていた頸部に相当する(図9A)。後に頸部にはPax遺伝子(脊椎動物のPax2、Pax5、Pax8に共通のホヤ相同遺伝子)が発現することがわかった。ホヤの胚と幼生ではHox1が発現する領域よりも後方(尾部の神経管)にはCdxの相同遺伝子が発現している。脊椎動物でCdxは脊髄に発現している。
よってホヤ幼生の神経管は脊椎動物の中枢神経系発生過程の三脳胞期との相同性を示すと考えることができる。Otxを発現する感覚胞には、色素をもつ細胞群がふたつあり、これらは平衡受容器と光受容器を構成している(図10)。感覚胞は、その名の通り、細胞に包まれた空所を持っていて、「耳石」と呼ばれる黒く色素沈着した細胞が杯にのるようにして存在している。一見この細胞はホヤ幼生の眼の様だが、実際には平衡感覚を司る感覚受容細胞である。ホヤ幼生の「眼」はその少し後ろ上方に眉毛のように位置している。

図10.ホヤの光受容細胞

 脊椎動物でも平衡感覚受容器には「石」があり、これが動物の運動や外部からの力によって空所の中を動き、その動きを「石」を支える細胞が感知して、平衡感覚として中枢に伝える。哺乳類では三半規管および卵形嚢、球型囊によって、正確に平衡感覚が感知され、情報は中枢に送られる。卵形嚢、球型囊には平衡石(もしくは耳石)と呼ばれるカルシウムの粒がある。これがリンパ液の中で動き、その動きが「石」の下にある有毛細胞に伝わり、脳幹にある前庭神経核へと伝えられる。
ホヤ幼生の平衡器が分化する領域はOtxを発現している。一方、マウスでは内耳の発生にOtx2が働いている。内耳は末梢神経の感覚受容器ではあるが遺伝子発現、機能、形態からホヤ幼生平衡器と哺乳類の内耳(前庭感覚器)には共通性が高い。
ホヤの幼生は平衡感覚と光感覚に支配されて運動する。幼生になって初期に、ホヤ幼生は重力に逆らうように移動する。幼生期後期には、こんどはより暗いところへ向かうようになる。ホヤ幼生初期にみられるこの運動は、より海水の流れがある浅いところに移動し、生息場所を放散し、その後、幼生期後期になると、付着する場所を探して、光が射さない岩場に向かうという目的があると考えられている。感覚胞に存在する2種類の感覚受容細胞は、これらの運動に重要な役割を持っている。ほ乳類の場合には光受容器は眼球という脳本体から飛び出た構造となっているが、そもそも眼球にある光を受容する網膜は、発生期に神経管の間脳領域が左右に突出して生じる眼杯に由来する。つまり眼球で光を受容する網膜細胞は脳の一部である。両生類では実際に光を受容できる細胞が脳の中にあり、第三の眼と呼ばれている。光受容器は必ずしも脳の外に存在する必要はない。ホヤ幼生は透明なので、光受容器は脳の中にあっても問題ない。このような機能的な保存性を考えるとホヤの感覚胞は間脳に相同であろう。
Otx発現領域にはGnRHを発現する細胞もある。GnRHは脊椎動物では生殖をもっとも上位で制御する視床下部で合成されるペプチドホルモンである。視床下部も間脳から分化してくる。以上はホヤ幼生の感覚胞と呼ばれていた領域が脊椎動物の間脳に相同であることを強く示唆している。
Hox1を発現する神経領域を「臓性」神経節とよぶのは解剖学的に不正確である。ここには尾部の筋肉に投射する運動神経があるので体性運動神経核である。Hoxb1が運動性顔面神経ニューロンの分化に関与していることから、これらのホヤ幼生運動神経は顔面神経ニューロンに相同といいたいところであるが、そうするとホヤの尾部の筋肉は表情筋に相同であるといえるであろうか。Hoxc4、Hoxa5、Hoxc5、Hoxc6、Hoxc8といったマウスの遺伝子は前肢の筋肉へ投射する脊髄前角運動ニューロンの分化に関わっていることを考えると、原始的Hox遺伝子は神経管において単に運動ニューロンの分化に関わると考えてよいのかも知れない。マボヤでは、この領域には三対の運動ニューロンが観察される。3種類の運動ニューロンはLIMホメオボックス遺伝子の発現が異なる。それぞれ軸索投射パターンも異なっており、LIMホメオボックスが運動ニューロンの筋肉への投射パターンを決定するというマウスでの遺伝子機能がホヤにおいても保存されていることが示唆される。
ユウレイボヤ幼生でニューロン特異的にGFPを発現させ、ホヤ脳の各ニューロンの形態を可視化すると、頸部に3個前後(同じ研究グループが最近5個としている)のニューロンが現れる。ImaiとMeinertzhagen(2007)は、この細胞をcontrapelo細胞と名付けている。これらのニューロンは感覚胞へ神経線維を伸ばしている唯一の求心性ニューロンである。contrapelo細胞を除くと、頸部は感覚胞からの遠心性線維が通過する領域である。脊髄に相同と考えられるホヤ幼生の尾部神経管にはニューロンは生じず、先に述べた後脳相同領域の運動ニューロンからの神経伝達によって尻尾の運動が制御されている。
ホヤ幼生の体表には機械刺激を受容すると考えられる感覚ニューロンが点在する。これらは神経胚期に神経外胚葉と表皮外胚葉の境界から分化してくるため、脊椎動物の神経堤細胞と進化的に関連があることが考えられる。これら体表感覚ニューロン、感覚胞の光受容器、平衡感覚受容器からの情報が臓性神経節(運動神経核)に情報を送り、ホヤの運動を制御している、というのがホヤ幼生脳の役割である。また感覚胞にはGnRHを産生する細胞がある。これは内分泌系の働きを有しており、生殖能を持たない幼生では変態の誘導に関与するのではないかと考えられる。なお感覚胞の細胞は変態を経て成体の神経節へと移行することから、この成体神経組織も脳と呼んで良さそうである。ただし成体のニューロンの多くは幼生感覚胞の上衣細胞ependymal cellから新しく生じる。

ナメクジウオの眼の謎と中枢神経

 脊椎動物の体で口や眼がある部分はすぐに頭部であることがわかる。ナメクジウオは頭索動物と呼ばれるわりには、そのような意味で明瞭に頭部と呼べる構造はない。むしろホヤの幼生には明瞭な頭部がある(ただし、この部分は胴体と呼ばれている)。現存のナメクジウオに極めてよく似た形態を示すCathaymyrusやPikaiaといった化石(Yunnanozoonについては半索動物であるという考えがある)がカンブリア紀の地層から発見されている。頭索動物は5億年以上もの間、あまり形態的変化をせずにきた動物群であり、現存の頭索動物も種の間で形態的多様性に乏しい。このことは近縁の(ギボシムシとフサカツギが同じ分類群に入る)半索動物、尾索動物(尾索動物がみせる種の多様性をぜひ知っていただきたい)、脊椎動物(知っての通り)がみせる驚くほどの多様性とは対照的である。この進化的に保守的な形態は、現存の頭索動物が脊椎動物の祖先の形をとどめていることを意味しているのであろうか?
ナメクジウオの中枢神経系は基本的に中空な管であり、神経索と呼ばれ、体の背側をほぼ全長にわたって存在し、その腹側は脊索によって裏打ちされている。このような管状の神経の前端が膨大すると、しばしば脳と呼ばれる構造になる。しかしナメクジウオの神経索の前端に目立った膨らみはない。

図11.上:ナメクジウオ幼生、下:ナメクジウオ成体[提供:広島大学 荻野肇博士]

 Islet相同遺伝子はナメクジウオ胚の神経管の頭尾軸に沿って、等間隔に7つの群を作り発現する。脊椎動物の脳幹ではIslet-1発現細胞は中脳領域にひとつ、後脳領域に7つの群を形成することから、このIsletを発現する領域がナメクジウオの後脳であり、ここのIslet発現細胞の群は、延髄で発生初期にみられる構造であるロンボメアに対応すると考えられている。ナメクジウオではHox1とHox3の発現前方境界の間のギャップ(Hox1陽性、Hox3陰性領域)は脊椎動物のロンボメア4を想起させる。実際、脳で領域的に発現していることが知られている遺伝子をナメクジウオの発生過程で比較した結果、神経管の後方領域をRhombencephalo-Spinal primordiumと呼んでいる。
ナメクジウオには、明瞭に眼やその他の感覚器とわかる構造も見当たらない。詳細な組織学的観察により光受容器があるのがわかる。これをナメクジウオの眼と呼ぶ場合がある。様々な動物の光受容細胞は繊毛型細胞と感桿型細胞に分かれる。昆虫の複眼や軟体動物のカメラ眼などの光受容細胞は感桿型である。感桿型では細胞の表面積を増やすために絨毛を作っている。一方、脊椎動物の網膜にある桿体と錘体と呼ばれる光受容細胞は繊毛型であり、脊椎動物は感桿型の光受容細胞を持たない。繊毛型と感桿型では光刺激の受容を神経伝達シグナルに変換する際の細胞内で起こる生化学的変化が異なる。
ナメクジウオには4つの光受容系があり、ふたつが感桿型、ふたつが繊毛型である(図12)。つまりナメクジウオには昆虫などと共通な光受容系と脊椎動物と共通の光受容系がひとつの動物体の中に共存している。感桿型の光受容細胞であるジョセフ細胞はナメクジウオの体のより前方で神経索の背側に並んで分布する。一方、背側単眼は神経索のより後方に数百個が分布する感桿型細胞である。前脳胞の先端にある正中眼は繊毛型であり、相同遺伝子が発現することから、脊椎動物が持つ対をなして、顔面にある眼(網膜)に相同である。

図12.ナメクジウオの光受容器[Lacalli (2004) Brain Behav Evol 64, 148-162.]

 脳胞の後方背側の層状体は、より複雑な形態を持った繊毛型光受容細胞でできており、脊椎動物の松果体に相同と考えられる。正中眼と層状体が同時に存在する幼生期には層状体の機能が、よりナメクジウオの行動に影響を与えている。ナメクジウオは幼生期に光を感知し垂直方向に動く。層状体は幼生期に発達するが、成体になると退縮することから幼生に特有なこの運動に関わっていると思われる。このふたつの繊毛型光受容器が中枢神経系の中に存在することは、後に考察する脳の相同性を考えるのに重要である。
ナメクジウオの動物体の前方から前脳、中脳を通過していく神経線維は、後脳域の一次運動中枢へ神経ペプチドを分泌していると考えられている(図13)。三対の大きな介在ニューロンは運動時のペースメーカーの役割をしていると考えられている。ペースメーカー細胞や他の一次運動中枢細胞の樹状突起は、前方の感覚ニューロンや尻尾からやってくる軸索から重複した多くの入力を受ける(図13)。

図13.ナメクジウオの中枢神経系形態。[Feinberg, Mallatt (2013) Front Psychol.4:667. doi: 10.3389/fpsyg.2013.00667. eCollection 2013. ]

 ラカリ(2008)はナメクジウオの研究から脊索動物祖先の脳について考察を行っている。ナメクジウオの運動は多くの場合に機械刺激よって開始される逃避行動である。一方で、ナメクジウオは摂食のためには砂に突き刺さってじっとしていなくてはならない。つまり運動と摂食はナメクジウオの場合に相容れない。このじっとして食べるか動いて生き延びるかの二者択一のための神経回路がナメクジウオの脳にはある。先に述べたように、一次運動中枢には前方からの分泌されるペプチドを介した入力がある。ここの細胞が神経ペプチドを傍分泌して運動に影響を与えているとすれば、遺伝子発現が示唆するように、この領域が脊椎動物における視床下部の働きをしていると言うことができる(遺伝子発現による相同性の議論は本章の終わりで述べる)。脊椎動物では視床下部は内分泌系の最高中枢であり、摂食行動も制御する。ナメクジウオの脳は光受容と内分泌の機能によって運動を支配しており、なにやらホヤ幼生の脳とよく似た状況である。
これまで述べてきたようにホヤやナメクジウオの光受容器は繊毛型であり、遺伝子発現からも脊椎動物の網膜と相同であると言って異論はないが、ホヤやナメクジウオの光受容器を眼と呼ぶかどうかは議論があって良い。眼には周囲の景色など映像を捉えて、二次元的もしくは三次元的に詳細な情報を中枢に伝える機能をもっている器官という一般的な考えがある。そのような意味での眼をホヤやナメクジウオはもっていない。
彼らの光受容器は光の有無や光量の違いを感知することで光が来る向きや暗所を認識する程度の働きを持つのみである。昆虫は脊椎動物と同様にイメージを捉えることができ、色なども認識できる。しかし昆虫と脊椎動物の間をつなぐホヤやナメクジウオのような系統学的位置にある動物の眼にそのような機能がないことやギボシムシに明瞭な光受容器がないことは、脊椎動物の眼と昆虫がもつ同様の機能は別々に進化してきたものであることを示している。脊椎動物の脳の重要な特徴のひとつは神経管を由来として網膜を分化させることである。ナメクジウオの正中眼は繊毛型光受容器であり、Otx遺伝子を発現する領域(間脳)から分化してくることから、ホヤの眼点と同じく脊椎動物の網膜の相同器官である。この構造は、神経管の中に埋まったままで、動物体の表面を覆う非神経性上皮に働きかけ水晶体などの分化を誘導し、眼球を作ることはない。また像を結ぶような「眼」となることもなく、シンプルな光受容器としての働きを持つにとどまる。眼が像を結ぶことがなければ、そのような感覚情報を統合させる脳機能も進化しない。複雑な視覚情報に対応する運動制御や記憶学習機能を進化させることもない。
脳の高次機能は像を結ぶ眼が進化した脊椎動物や昆虫やタコなどにおいて独立に進化した。外部環境に関する情報を詳細に捉える感覚受容機能を進化させることなく脳高次機能は進化しないし、脳が高次機能を持たなければ運動・行動が複雑化することもない。ナメクジウオは魚類によく似た形態を持っており、この外部形態は脊索動物の起源型と考えて良さそうではある。しかし、砂に半身を埋めて濾過捕食をしている限りは感覚受容や運動機能を高度に発達させなくても種を維持することができ、脳の機能も限られたもので十分である。半索動物と脊索動物の共通祖先には蠕虫がみせるような、もう少し高度な運動がみられたかも知れない。しかしナメクジウオが選んだ生態は、そこまでの運動機能を必要とはしない。

明らかにされた遺伝子とその発現パターン

 1980年代後半から1990年代前半にかけ、ショウジョウバエの体節の形態的特徴を与える分子として、様々なホメオボックス遺伝子が次々と同定された。これらはショウジョウバエ胚の前後軸に沿って分節に境界を持つような発現パターンを示し、それらホメオボックス遺伝子は遺伝子発現カスケードの上流に位置して多くの遺伝子群を制御することで、各分節に特徴的な細胞分化や形態形成が行なわれると考えられる。同様な発生機構が期待されて、脊椎動物の相同な遺伝子のクローニングが行なわれた。それら相同遺伝子も胚前後軸に沿ってよく似た発現パターンを示すことは広く知られている。
OtxやHoxといった体制を作る上で重要な遺伝子の発現は、脊椎動物神経管とショウジョウバエなどの昆虫の体節で共通している。一方で少なくない数の遺伝子が脊椎動物神経管でも前後軸に沿った発現をみせるものの、ショウジョウバエとは異なった発現をし、異なった発生学的役割を持っている。つまり胚の前後軸に沿った遺伝子発現パターンには「ショウジョウバエ型」と「脊椎動物型」がある。このことは、あまり言及されないが、脳の進化を考える時に極めて重要な事実である。Otx、Hox遺伝子の発現パターンやその機能は、ショウジョウバエと脊椎動物、また系統学的にその中間に位置する動物で共通性がみられるが、それ以外の多くの遺伝子では無視できない大きな違いがある。
昆虫、ギボシムシ、ナメクジウオ、ホヤ、脊椎動物で共通して前後軸に沿う領域的な発現をみせるのはOtxとHox遺伝子群である。これらの遺伝子が中枢神経系の進化の最も初期に領域的発現を獲得し、どの動物の中枢神経系の発生と機能にとっても不可欠な働きを持つ遺伝子となっている(図14)。

図14.半索動物、尾索動物、頭索動物、脊椎動物の発生途中の中枢神経系における前後軸にそった遺伝子発現の類似性。[Holland et al. EvoDevo 2013, 4:27]

 Hox1をはじめとする前方Hox遺伝子(Hox3など)は、脊椎動物では延髄を領域化することに働いている。後方神経管から運動ニューロンが分化しないホヤやナメクジウオでは、前方のHox遺伝子が発現することによって分化する運動ニューロンが尾部の筋肉に軸索を伸ばして(投射して)、運動を制御するようになる。
一方Otxの重要な点は、光受容器の発生と関わっていることである。脊椎動物の神経管ではOtxは中脳、間脳、終脳で発現している(図14)。
よって、神経系の発生過程では、Otxと前方Hox遺伝子の発現が脳の進化を特徴付けており、このことは左右相称動物に共通な遺伝子発現と遺伝子機能であるように思われる。
もうひとつ重要な点は、これらパターニング遺伝子の発現は、脊椎動物の場合、各器官・臓器ごとに前後軸に沿った発現をみせることである。特に神経管における遺伝子発現パターンは、周辺組織の影響と、その後の発生過程で起こる神経管内のオーガナイザーという領域による誘導作用によって形成される。一方でショウジョウバエでは、胚期において分節単位でパターニング遺伝子は発現しており、各分節からはニューロンも表皮細胞と共通の外胚葉の細胞系譜から分化してくる。
ショウジョウバエのような胚体でのリング状の遺伝子発現様式がギボシムシ胚でみられることは先に述べた。またホヤにおいても神経管でみられる前後軸に沿ったパターニング遺伝子の発現は表皮外胚葉でもみられる。よって、ショウジョウバエと脊椎動物で共通にみられるOtxやHox遺伝子による前後軸パターニングは、外胚葉全体で獲得され、進化的に保存された発生機構であると考えられる。前口動物と後口動物の分岐が起こると、前後軸遺伝子発現パターンに、さらに多くの遺伝子が参入して脊椎動物の脳のような複雑な構造を持った臓器が生じた。また、神経系が背側に集中(背側中枢神経系)するのにともない、このパターニング機構も背側の神経外胚葉に受け継がれた。現存のギボシムシ、ホヤ、ナメクジウオの神経系遺伝子発現は脊椎動物型にいたるまでの途中段階を(全てではないものの)示しているようである。
ヒトでは解剖学的に錐体交差よりも前方(上方)の中枢神経が脳である。それよりも後方(下方)は脊髄である。後方Hox遺伝子(Hox6やHox9など番号が多いHox遺伝子)は脊髄で発現するが、その発現制御にはCdx遺伝子が関与することが、マウス胚、両生類胚、魚類胚を用いた実験で示されている。しかし、脊椎動物の神経管におけるCdx遺伝子群が発現する前方先端は、発生段階によって変化する。そのためCdxの発現の前方境界を比較することで、異なった動物の神経領域の相同性を論じることはできない。
ホヤのCdxは脊髄領域で発現するが、前方はHox1発現域とオーバーラップすることから、延髄の相同領域を含んでいないとはいえない。。ただし、ホヤ、ナメクジウオの後方神経管からはニューロンは分化してこない。これを脊髄と呼ぶには違和感があるが、脳とは区別される神経構造という点については異論がない。
一方でHox1遺伝子をはじめとする遺伝子の前方発現領域に運動ニューロンがみられることは、ギボシムシ、ホヤ、ナメクジウオで共通している。脊椎動物で前方Hox遺伝子発現域は後脳であり、後脳からは三叉神経、顔面神経、舌下神経といった脳神経の運動ニューロンが分化する。つまり前方Hox遺伝子の発現領域はギボシムシ、ホヤ、ナメクジウオでも「脳」と呼んで解剖学的にも批判がなさそうである。
ショウジョウバエで先行して報告されたHoxやOtx遺伝子の発現パターンが脊椎動物型の中枢神経系発生においても保存されていることは、当初驚きをもって受けとめられた。しかしショウジョウバエでのこのような遺伝子発現パターンは体節単位での分化決定機構であり、それに対して脊椎動物でのパターニングは器官・臓器ごとに起こる。脳の遺伝子発現パターニングは局面で周辺の非神経組織の分化と関連するものの、発生中の神経管内で内在的にパターニング機構は進行する。この内在的なパターニング機構は脊椎動物へいたる進化の系譜にユニークなものであり、脊椎動物型の脳が生じるための本質的な分子機構の進化である。
脊椎動物の神経管のパターニングには分泌性因子(FGF, Shh, Wnt, Sfrp)を発現するANR(anterior neural ridge:前方神経領)、ZLI(zona limitance intrathalamica:視床内境界領域)、IsO(isthmic organizer:峡部形成体)といったオーガナイザーの機能を持つ領域の関与がある(図15、第7章の図8も参照)。ホヤとナメクジウオではこれら3領域は失われているが、ギボシムシでは初期胚神経外胚葉での分泌性オーガナイザー分子の発現が保存されている。ギボシムシで遺伝子のオーガナイザー機能について実験的証明はないものの、これら分泌性因子の領域的発現は、脊椎動物神経管パターニングに関わるオーガナイザーの存在を示唆している。これらオーガナイザーは前口動物の中枢神経発生にはみられないことを考えると、脊椎動物型神経発生におけるパターニング機構はギボシムシの段階(もしくはそれより少し前の後口動物)に進化しており、尾索動物、頭索動物では二次的に失われたと考えるのが妥当である。つまり原始的脊索動物はANR、ZLI、IsOオーガナイザーによってパターニングされた脳を持っていた可能性が高い。この祖先動物はANRによって誘導される終脳と間脳前方領域、ZLIによって領域わけされた間脳、IsOによる中脳と後脳の間の明確な領域区分を持っていたと考えられる。

図15.4つの動物胚におけるオーガナイザーの有無。[Pani et al., (2012)より改変 ]

 ホヤにおいてはOtx発現域とHox1の発現域の間には、どちらの遺伝子も発現しない領域(頚部)があり、ここには動物の発生期に重要な働きを持つPax遺伝子(脊椎動物のPax2、Pax5、Pax8に共通な祖先遺伝子)が発現している。Hox遺伝子の発現の前方境界にPax遺伝子が発現するのは昆虫や環形動物でも共通であり、前口動物と後口動物の共通祖先の左右相称動物で、すでにこのような領域化が起きていたことを示している。ギボシムシの後脳相同領域でのFGFの発現(IsO オーガナイザー)が進化的に保存されたものと考えると、Hox遺伝子発現領域よりも前方の帯状の領域であるIsOとしての働きは半索動物と脊索動物の共通祖先に備わっていたものではあるが、原索動物(ホヤやナメクジウオ)に進化する過程で失われているといえる。前脳、中脳、後脳といった三脳胞期に相同する領域分けは、前口動物と後口動物の共通祖先である左右相称動物で獲得されている(これはホヤにおいても保存されている)。脊椎動物型の脳を作るために半索動物との共通祖先で、このPax遺伝子発現領域にFGFによる誘導活性が獲得された。FGFによる誘導活性は、この領域周辺に将来的に小脳と視蓋が進化するのを可能にした。

脳の起源と脊椎動物の原型を再考する

 さて、これまで述べてきた半索動物、頭索動物、尾索動物、脊椎動物の遺伝子的な特徴の比較から、次章で述べる円口類より進化的にひとつ手前の原始的・起源的な脳はどのようなものであったかを考えよう。脳神経系の機能はその動物の運動・行動を観察すると、よく知ることができる。例えばネズミを単純な迷路の中に置いて動く様を観察し、記憶力という脳機能を調べるような実験が一般的に行なわれている。そこで、まず、この脊椎動物になる直前の動物の行動について考えてみよう。
尾索類、頭索動物と半索動物のうち、フサカツギなどの翼鰓類は濾過捕食者である。これらはそもそも岩などに付着する付着性生活者であり、基本的に移動することはない。半索動物の腸鰓類は砂泥の中に潜って暮らしており、吻部で取り込んだ砂泥の中の有機物を栄養源とするほか、吻部や鰓裂にある繊毛に付着する海水中の小さな餌を食べている。このような生態では捕食のために素早い運動は必要ない。また付着性や砂泥に潜っての生活では捕食者から逃げるために運動する必要もない。頭索動物であるナメクジウオも砂泥の中に潜ってくらしている。遊泳するが、その時間は数秒であり、すぐに動きを止める。そもそもナメクジウオは濾過捕食であるから、餌を追うために動くことはなく、運動には物理的刺激に対して若干逃避するくらいの意義があるのみである。
我々脊椎動物は外部からの刺激に反応して、もしくは内部から起こってくる動機のようなものに衝き動かされて動く。その動きは単発的なものではない。外部からの刺激と内部からの動機が統合され、体に動的変化をもたらす。運動と呼べるような反応の場合には単発の部分的な動きではなく、一連の意味ある動きが生じるであろう。ここで単発の動きというのは膝蓋腱反射や大脳皮質一次運動野の一点を電気刺激して得られるような分断された体の一部(例えば親指)が、周り(例えばほかの指)と関連せずに一瞬ピクっとするような動きを考えてもらえると良い。ナメクジウオやホヤの幼生でみられる動きは、そのような単純な動きを数回連続で行い短時間で終わってしまうような運動である。終生泳ぐオタマボヤでも急に向きを変えるような複雑な運動は示さない。少なくとも体を構成するいくつかの部分が連動するような多様性をもった動きの制御を、半索動物、頭索動物、尾索動物は示さない。運動に関して言えば、これらの動物の脳は刺激に反応して、身体の後方を左右交互に数回動かす指示を出すことができれば良い。
次に、これら動物群に共通しているのは、変態を行なうことである。そのためには外的な刺激に反応してホルモンを分泌する必要がある。また生殖のためにもホルモン分泌は重要である。GnRHを発現する細胞はホヤ幼生の胴部感覚胞の背側に位置し、同時に環状ヌクレオチド感受性イオンチャネルも発現している。環状ヌクレオチドを外部からの刺激物質とするこの細胞は、化学受容と内分泌を兼ねるニューロンという働きを持つ。つまり脊椎動物の視床下部と同様の働きを持っている。実際にホヤ幼生をGnRHで処理すると尾部が吸収され、成体器官が成長し始める。またホヤには甲状腺ホルモンが幼生の変態に関与しているという報告もある。GnRHニューロンの存在は、その領域が脊椎動物の視床下部に対応することをニューロンの機能と遺伝子発現から示唆している。
前後軸に沿ったパターニングで考えると、この領域には脊椎動物の間脳で発現するOtxの相同遺伝子が発現している。間脳には視床も含まれるが、視床は大脳皮質への中継核もしくは大脳皮質へのフィードバック回路を形成するので、大脳皮質がないホヤには視床がない。脊椎動物において視床下部は間脳の腹側にあるが、その上にあるべき視床がないのであれば、ホヤ幼生でこのGnRHニューロンを含む領域は、機能的にも発生学的にも脊椎動物の視床下部と相同と考えてよい。

 以上述べてきたことから、いよいよ脊索動物の祖先の脳について考えてみる。脊索動物ではZLIによって間脳領域の分化が起き、視床下部の相同領域が定義されていた。視床下部にはGnRHニューロンがあり、これが性腺機能制御の中枢として働いていた。生殖は種の維持に必須な機能であり、これを外的刺激に応じて制御する脊椎動物の脳機能に相同な仕組みがすでに獲得されていた。また繊毛性光受容器による視覚器官、平衡器官、GnRHニューロンのような内分泌細胞が、間脳に相同な領域にあったと考えられる。FGFの発現がIsO相同領域に獲得されていたことから、視蓋を分化させる領域から小脳を分化する領域を区別する機構が獲得されていたといえる。ギボシムシ、ナメクジウオ、ホヤに前庭感覚に相同な感覚がある。
一方で、深部感覚、聴覚があるとは思えない。視覚情報はGnRHニューロンを含む視床下部相同領域と視蓋相同領域に入力され、前者の神経回路は内分泌系の調節に関わり、後者は運動の制御に働いていた。光受容器官を分化させ、頭側の神経構造からの触覚や化学的刺激は前方の感覚受容細胞から間脳相同領域に入力する。これらの感覚情報は統合され運動や内分泌に反映される。運動に関しては視蓋相同領域やHox遺伝子発現を示す領域の前端部にある延髄に相同な、運動をより直接に制御する領域に間脳相同領域から神経情報が入力していたと考えられる。延髄相同領域からの出力は後方中枢神経系をたどり、筋肉を動かす。contrapelo細胞はホヤでのみ報告されているが、運動中枢のもつ情報が上位中枢に戻る神経回路は目標に向かって進むような運動には必ず必要であろうから、先祖動物の脳にも、このようなニューロンがあったと考える方が妥当である。以上の考察から考えられる脊椎動物の脳の元となった神経構造のモデルを図16に示す。

図16.本章での考察から推定される脊椎動物になる直前の祖先動物とその脳の模式図[c: contrapelo細胞、G: GnRHニューロン、oc: 光受容細胞、ot:耳石(平衡覚受容細胞)、pm: 一次運動神経核、S:表在感覚受容細胞、Tec: 視蓋]

 このような脳を持った動物は記憶や学習といった機能が発達していたとは考えにくい。脳は外部刺激がどの方向から来たかを感知して、それに対応した運動を起こす働きと、光や化学刺激に反応した視床下部相同領域による内分泌制御によって性腺機能の制御(加えて変態の誘導)を行なっていたと考えるのが妥当である。この動物は視覚情報が像をむすぶことはないので、詳細な外部情報を得ることはなく、漠然とした刺激の方向性に対して一過的な運動を行なうのみで、持続的な遊泳活動をしていたとは考えられない。半索動物と脊索動物の共通祖先の段階では蠕虫型(ミミズ型)であり、そこから一段階進化が進むとナメクジウオのような形をした濾過捕食をする動物になったと考えられる。ギボシムシ、ナメクジウオはそれぞれに、その祖先動物の体制を受け継いでいるが、ホヤはその一生を遊泳性の時期と捕食する時期に二分することで、より効率良く種を維持し、多様性も獲得した。また尾索類で最も早く分岐したオタマボヤは生活環が極めて速いという特徴のため、付着生活の時期を持つことができなかったのではないだろうかと思われる。
原始的脊椎動物は中脳領域に視蓋を発達させ様々な感覚情報を統合させることができるようになり、その後方にFGFの働きによって小脳を生じ、より高度な運動をすることが可能となった。同じころに間脳から網膜が進化したことによって、光刺激は詳細な視覚情報を脳の中に投影させ、餌を追う行動と捕食者から逃げる行動を発達させた。これらを効率良く行なうためには空間情報を脳の中に維持する必要があり、これが記憶や学習といった脳高次機能を進化させたと考えられる。脊椎動物脳が持つ高次機能は、昆虫やタコが持つそれとは独立に進化した似て非なる脳機能である。

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ミエリン鞘はとも呼ばれ、軸索に巻き付いて絶縁体として働く構造である。これにより神経パルスはミエリン鞘の間隙を跳躍的に伝わる(跳躍伝導)ことで神経伝達が高速になる。ミエリン鞘は末梢神経系の神経ではシュワン細胞、中枢神経系ではオリゴデンドロサイトから構成される。

脳の中にある空洞のこと。脳脊髄液で満たされている。脊髄にあるものは中心管と呼ばれる。

神経堤細胞は脊椎動物の発生時に見られる神経管に隣接した組織。頭部では神経、骨、軟骨、甲状腺、眼、結合組織などの一部に分化する。

細胞の生体膜(細胞膜や内膜など)にある膜貫通タンパク質の一種で、特定のイオンを選択的に通過させる孔をつくるものを総称してチャネルと呼ぶ。筒状の構造をしていて、イオンチャネルタンパク質が刺激を受けると筒の孔が開き、ナトリウムやカルシウムなどのイオンを通過させることで、細胞膜で厳密に区切られた細胞の内外のイオンの行き来を制御している。刺激の受け方は種類によって多様で、cGMPが結合すると筒の穴が開くものをcGMP依存性イオンチャネルと呼ぶ。TRPチャネルも複数のファミリーからなるイオンチャネルの一群であり、非選択性の陽イオンチャネルである。発見された際に用いられた活性化因子の頭文字や構造的特徴から、A (Ankyrin), C (canonical), M (melastatin), ML (mucolipin), N (no mechanoreceptor), P (polycystin), V(vanilloid)の7つのサブファミリーに分類されている。TRPは、細胞内や細胞外の様々な刺激によって活性化してセンサーとして働いたり、シグナルを変換したり増幅したりするトランスデューサーとしての機能も併せ持つ。温度センサーやトウガラシに含まれるカプサイシンのセンサーとしても機能していることが知られている。

任意の遺伝子の転写産物(mRNA)の相同な2本鎖RNAを人工的に合成し生物体内に導入することで、2本鎖RNAが相同部分を切断して遺伝子の発現を抑制する手法。2006年には、この手法の功績者がノーベル生理・医学賞を受賞している。

様々な動物種間で塩基配列やアミノ酸配列を比較することによって、類似性や相違を明らかにする手法。この解析によって動物種間の近縁関係や進化の過程を予測することが可能になる。

発生過程で神経管を裏打ちする中胚葉組織であり、頭索類・尾索類では背骨のような支持組織としての役割を持つ。脊椎動物では運動ニューロンの分化を誘導するなど発生学的役割を持つ

魚類に顕著にみられる鰓のスリットで、哺乳類では発生の初期にはみられる。発生が進むと複雑な形態形成変化が起き、消失するが、外耳孔などは鰓裂の名残ということができる。

動物の初期発生において最初の形態形成運動として原腸陥入が起こる。原腸は消化管に分化する。この原腸陥入によって生じる「孔」を原口と呼ぶが、これが将来の動物の体の口になるのが前口動物であり、肛門になるのが後口動物である。半索動物、脊索動物は後口動物である。

ナマコの幼生のことをオーリクラリア幼生と呼ぶが、ウニのプルテウス幼生、ヒトデのビピンナリア幼生、ギボシムシのトルナリア幼生など、形態的共通性をもつ幼生全体をまとめてオーリクラリア(型)幼生と呼ぶ。今日ではディプルールラ型幼生という呼び方が広く使われている。この説はガルスタングが1928年に提唱した。その時代にはオーリクラリアという用語が使われたため(ディプリュールラ説ではなく)オーリクラリア説と呼ばれている。

Hox遺伝子はショウジョウバエで発見されたホメオティック遺伝子の相同遺伝子である。無脊椎動物のゲノムには基本的に1つのHoxクラスターがあり、脊椎動物のゲノムには4つのHoxクラスターがある。Hoxb1は4つあるクラスターのうちのBクラスターに属する1番目のHox遺伝子という意味である。

脊椎動物胚の後脳領域には頭尾軸にそった分節性(等間隔の仕切り)がみられる。この各分節をロンボメアと呼び、図14に示すように7番目までは形態的に明瞭に観察できる。

脊椎動物のゲノムにはふたつか3つのIsletが存在する。Isletは脳幹(延髄、橋、中脳)の運動性脳神経核に発現して、運動ニューロンの分化に関与している。

感桿型では光刺激はホスホリパーゼCとイノシトールリン酸経路を活性化させる。繊毛型ではホスホジエステラーゼによる環状GMPの代謝が関与している。

気嚢による換気システムは獣脚類と呼ばれる恐竜から鳥類に至る系統で段階的に進化していったと考えられる。

このような特異な形態は胚発生期には見られず、生後に発達する。その過程は頭骨に見られる「テレスコーピング現象」と並行して進む。

1. Sato, T. (1986) A brood parasitic catfish of mouthbrooding cichlid fishes in Lake Tanganyika. Nature 323: 58-59.

2. Taborsky, M. et al. (1981) Helpers in fish. Behav. Ecol. Sociobiol. 8: 143–145.

3. Hori, M. (1993) Frequency-dependent natural selection in the handedness of scale-eating cichlid fish. Science 260: 216-219.

4. Meyer, A. et al. (1990) Monophyletic origin of Lake Victoria cichlid fishes suggested by mitochondrial DNA sequences. Nature 347: 550-553.

5. Salzburger, W. et al. (2005) Out of Tanganyika: genesis, explosive speciation, key-innovations and phylogeography of the haplochromine cichlid fishes. BMC Evol. Biol. 5: 17.

6. Verheyen, E. et al. (2003) Origin of the superflock of cichlid fishes from Lake Victoria, East Africa. Science 300: 325-329.

7. Seehausen, O. et al. (2003) Nuclear markers reveal unexpected genetic variation and a Congolese-Nilotic origin of the Lake Victoria cichlid species flock. Proc. Biol. Sci. 270: 129-137.

8. Meier, J.I. et al. (2017) Ancient hybridization fuels rapid cichlid fish adaptive radiations. Nat. Commun. 8: 14363.

9. Joyce, D. A. et al. (2005) An extant cichlid fish radiation emerged in an extinct Pleistocene lake. Nature 435: 90-95.

10. Kocher, T. D. et al. (1993) Similar morphologies of cichlid fish in Lakes Tanganyika and Malawi are due to convergence. Mol. Phylogenet. Evol. 2:158-165.

31. Janvier, P. (2015) Facts and fancies about early fossil chordates and vertebrates. Nature, 520(7548), 483.

卵や精子、その元となる始原生殖細胞などを指し、子孫に遺伝情報が引き継がれる細胞そのものである。

卵や精子を作る減数分裂において、母由来の染色体と父由来の染色体が対合したときに、同じ領域がランダムに入れ替わる(組み換えられる)。つまり、我々の”配偶子の”染色体は、父親と母親由来の染色体がモザイク状に入り交じったものなのである(体細胞の染色体は免疫グロブリンなどの一部の領域を除いて基本的には均一なものと考えられている)。

 タンパク質にコードされる遺伝情報をもつ塩基配列。狭義にはゲノムDNAのうち、mRNAに転写され、タンパク質になる部分。近年は、タンパク質に翻訳されないものの、機能をもつtRNA、rRNAやノンコーディングRNAなども遺伝子の中に含められるようになっている。本書では、特に注意書きのない限り、タンパク質の元となるmRNAになる部分を遺伝子、と呼ぶ。

 では、その転写因子はなにが発現させるのか、というと、やはり別の転写因子である。卵の段階から、母親からmRNAとして最初期に発現する遺伝子は受け取っているので(母性RNA)、発生の最初期に使う転写因子を含む遺伝子群に関しては、転写の必要がないのである。その後、発生、分化が進んでいくと、それぞれの細胞集団に必要な転写因子が発現し、実際に機能をもつ遺伝子の転写を促す。

遺伝子は、核酸配列の連続した3塩基(コドンと呼ばれる)が1アミノ酸に対応し、順々にペプチド結合で繋げられてタンパク質となる。3つの塩基は43=64通りになるが、アミノ酸の数は20個、stopコドンを含めても21種類しかない。したがって、同じアミノ酸をコードするコドンは複数あり、たとえ変異が入ってもアミノ酸は変わらないことがある。これを同義置換と呼ぶ。一方で、変異によってコードするアミノ酸が変わってしまう置換を非同義置換と呼ぶ。

 ふたつの系統が祖先を共通にした最後の年代。本章では、近年の分岐年代推定を利用して作成された系統樹(当該文献[9]のFig.1を参照)からおよその年代を読み取り、記入している。

 アフリカツメガエルや、コイ科、サケ目など、進化上の随所でも全ゲノム重複が起こっている。

 最もよく知られている放射性同位元素による年代測定は、放射性炭素年代測定である。炭素12Cは紫外線や宇宙線によって、空気中では一部(1/1012)が常に14Cに変換されている。つまり、大気中ではいつの時代も1兆個の炭素原子のうちひとつが14C、残りが12Cという割合なのである(太陽活動の変化などにより若干のブレはある)。しかし一旦生物の体内に炭素が取り込まれ、そしてその生物が死に、地中に埋まってしまえば、もう宇宙線も紫外線も当たらないので、14Cへの変換は起こらない。ここで14Cは放射性同位元素であることに注目したい。14Cは約5730年で半分が崩壊し12Cに変換される。したがって、14Cの比率でいつその物質が地中に埋まったのかがわかるのである(文献7)。

 ただし、この放射性炭素年代測定では、14Cの検出限界の関係で、せいぜい6万年が限界である。それより昔は火山岩に含まれる物質の、やはり放射性崩壊の半減期を元に推定される。例えば、K-Ar法では、40Kが40Arに13億年の半減期で放射性崩壊することを利用する。溶岩からできたての火山岩か、あるいは何億年も経ったものかを調べることができる。40Kは岩石中に元々大量に存在するため、差異を検出することは不可能だが、40Ar(常温で気体)は大気中には微量しか含まれないため、岩石中に封入された気体の中の40Arの含有率を計測することにより、その岩石の古さがわかる。当然、40Arの率が高い物が古い岩石である。このように、複数の放射性元素の崩壊の半減期から地質年代というのは推定される。

 南米にもごく少数ながら有袋類が現存しており、これらのゲノム解析・比較から、オーストラリア・南米で現生の有袋類の共通祖先は、実は南米で生まれ、当時陸続きだった南極大陸を経て、オーストラリアにいたったと考えられている。

 世界で最も臭いといわれているシュールストレミングをネットで取り寄せて購入したとき、人々は逃げるどころか、わざわざ悶絶するために集まってきた。いい匂いの物を取り寄せても20人もの人数は集まるとは思えず、怖い物見たさという悪趣味な好奇心はたいしたものである。無論、取り寄せた私も例外ではない。ちなみに、シュールストレミングはひとかけらをクラッカーの上に載せるくらいの食べ方なら悪くない気もする。

このふたつの硬骨の作られ方について、第3章に詳述があるので参照。

 ガノイン鱗には我々の歯のエナメル質を作る遺伝子と相同な遺伝子が発現しており(文献18)、イメージとしては歯で身体を覆われているようなもので、当然極めて強固である。

 遺伝子にはその由来によっていくつかの異なる呼び名がある。オーソログとは、共通祖先がもつある遺伝子Aが、種分化によって2種以上の生物に受け継がれた時、受け継がれた遺伝子たちをオーソログと呼ぶ。パラログとは、遺伝子重複によって生じたふたつ以上の遺伝子を指す。最近では大野乾氏の功績をたたえ、ゲノム重複によって生じたパラログで現存するものを特にオオノログOhnologと呼ぶ。

 異化と同化……この2種類の化学反応によって生命活動は維持されている。異化は物質を分解してエネルギーを取り出す代謝経路、同化はエネルギーを使って必要な物質を体の中で作り出す代謝経路。

 アデノシン三リン酸の略。生体内のエネルギー通貨として、様々な化学反応に用いられている。

 組織中の核酸分子(ここでは特定の遺伝子から転写されたmRNAを指す)の分布を検出する手法。調べたい遺伝子の塩基配列を元に、そのmRNAに特異的に結合する分子を設計・合成することで特異度の高い検出が可能となっている。

 通常の生物の核ゲノムはそれぞれの両親に由来する染色体が2本1セット存在し(ディプロイド)、その染色体間で組み替えが起こるため遺伝的な由来を辿る作業がしばしば煩雑になる。しかしミトコンドリアは母親由来であるため(ハプロイド)、そのゲノムを利用することで比較的簡便に遺伝的な類縁関係を遡ることが可能となる。

 増幅断片長多型:制限酵素で切断したゲノムDNA断片をPCRにより増幅し、断片の長さの違いを網羅的に検出比較する方法。この断片長の違いを種間の類縁関係の推定に使用することが多い。

 sexual conflict。ある形質が片方の性にとっては有利だが、もう片方の性にとっては不利な場合にオスメス間で生じる対立。

 次世代シーケンサーを利用して、各組織に発現する遺伝子の種類や量を網羅的かつ定量的に推定する解析方法。

 真核生物のゲノムに散在する反復配列のうち、一度DNAからRNAに転写され、その後に逆転写酵素の働きでcDNAとなってからゲノム中の別の座位に組み込まれるものを指す。数多くのレトロポゾンが存在しており、例えばヒトゲノムは約40%がレトロポゾンによって占められている。

 太陽光には連続したことなる波長成分の光が含まれているが、その波長によってエネルギーが異なるため、水中に到達する波長成分の割合が深さによって異なることがわかっている。特に濁ったビクトリア湖のような水環境では浅場の方が短波長である青色光の成分が多く、深場では長波長の黄色〜赤色の成分が多いことがわかっている。

 タンパク質をコードするDNA配列上の塩基置換にはアミノ酸の置換を伴う非同義置換と、伴わない同義置換がある。一般に、同義置換は生体に影響を及ぼさないため中立であるが、非同義置換は生体にとって不利であることが多い。ただしタンパク質の機能変化が個体にとって有利な場合は非同義置換の割合が上昇することが知られており、それを正の自然選択と呼ぶ。同義置換と非同義置換の割合を統計学的に比較する方法がある。詳細については第7章およびコラム「適応進化に関わる候補遺伝子や候補領域を絞り込むアプローチ」を参照。

   発生初期の胚の一部の細胞群から作られ、生殖細胞を含む様々な組織に分化可能な性質(多能性)を有する細胞株。英語名(embryonic stem cells)の頭文字をとって、ES細胞と呼ばれることも多い。

 変異体を元になった親系統と交配すること。TILLING変異体に関しては変異以外の部分を親系統由来のゲノムに置換するために行う。1回の交配で全体の50%の領域が置換されるため、90%以上を置換するためには最低4回の、99%以上を置換するためには最低7回の戻し交配が必要である。

 タンパク質の二次構造のうち代表的なモチーフのひとつ。水素結合により形成されたらせん状の形である。

 Francis Crickが1958年に提唱した、遺伝情報がDNA→(転写)→mRNA→(翻訳)→タンパク質、という流れで伝わるという概念のこと。分子生物学の基本となる極めて重要な概念である。

 ヒメダカの原因遺伝子としてだけでなく、ヒトの先天性白皮症(つまりアルビノ)やホワイトタイガーの原因遺伝子としても知られる。水素イオンを運ぶトランスポーターをコードすることがわかっているが、その黒色素産生(メラニン合成)における機能は未解明な点が多い。

 相同組換えの鋳型となる外来DNA断片のこと。通常、導入したい配列(GFP遺伝子や特定の塩基置換など)の上流・下流それぞれに、導入したいゲノム領域と相同な配列(相同アームと呼ばれる)を持ったDNA断片である。

 RNAポリメラーゼが結合し、RNAを転写するのに必要最小限の遺伝子上流配列。通常、単独では下流の遺伝子は転写されないが、周辺に転写活性化領域(エンハンサーなど)が存在すると、その影響を受けて下流に存在する遺伝子が転写される。

 オオシモフリエダシャクの「工業暗化」の例を考えるとわかりやすい。これは、産業革命以降のイギリスで、暗化型と呼ばれるより黒い個体の割合が多くなったとされる例である。この蛾は、自然が多い地域では淡色型が目立ちにくく、鳥に捕食されづらかったが、すすで黒くなった木が多い工業地帯では、より黒い暗化型のほうが目立ちにくく、生き残りやすかった。この場合、仮に蛾の色をより黒くするアミノ酸変異が生じたとすると、そのアミノ酸変異は工業地帯で生存に有利で、固定されやすいだろう。ちなみに、近年、具体的にどんな遺伝的変異がこの工業暗化に関わっていたのかが詳細に解析されつつある。

 SWS = short wave sensitive opsin、つまり短波長の光に感受性をもつオプシンのサブタイプ。

 第4章にも記載されているように、深いところには波長の長い赤い光のみが届く傾向がある。つまり、水深の深いところに棲む集団では、青い光を感受するSWSの機能は重要ではなくなってしまう。

 Gタンパク質はGTP結合タンパク質ともよばれ、GTPと結合することで活性化される。GTPを加水分解する性質をもっており、結合しているGTPがGDPに加水分解されると自身が不活性化される。受容体からの信号を中継するものは三量体(α、β、γサブユニット)として存在している。

 神経伝達物質は、放出された後、即座に分解されなければ迅速な伝達を成し得ない。したがって、こういった分解酵素の存在は、ATPが実際にその部位で神経伝達物質として働いていることの傍証となる。

 セロトニンは生体内に存在するモノアミンの一種であり、神経系では神経伝達物質として機能する。生体内のセロトニンの大部分(〜95%)は腸管に存在しており、神経系に存在するものは割合としては小さい。神経系では中脳の縫線核という部位のニューロンで産生され、情動機能等に関係しており、セロトニンの再取り込み阻害剤には抗鬱薬の作用がある。味蕾に存在するセロトニンはそれらとは別の働きをもっていると考えられる。

 迷走神経には感覚性の線維と運動性の線維の両方が含まれており、ここでの迷走感覚神経とはその中の感覚性の要素のみを指す。

 神経細胞(ニューロン)で、突起状の構造(軸索や樹状突起)以外の、核の周辺部の構造を細胞体という。

 ある細胞が放出するリガンドが、その細胞自身の受容体に働くことを自己分泌という。近傍の細胞の場合は傍分泌と呼ぶ。近隣の同じ性質をもった細胞に作用する場合と、自分自身に働く場合を合わせて、自己・傍分泌と呼ぶことが多い。哺乳類のキスペプチンニューロンは、キスペプチン以外に放出するニューロキニンB、ダイノルフィンと呼ばれるペプチドが、キスペプチンニューロン自身に作用することで、アクセルとブレーキのように働き、そのタイムラグでキスペプチンの放出を間歇的に引き起こす。これが前述のGnRHパルスを生み出しているとされている。

 市場に出ている子持ち昆布の中には、ニシン以外の魚(タラの仲間など)を用いて加工されているものもある。また、本物のニシンの卵の場合も、自然に海藻に産みつけられた卵はもっとまばらなので、あのようにびっしりと卵が並んで食べ応えのある子持ち昆布は人為的に作られているようだ。

 タンパク質の一次構造を形成する際にアミノ酸間に形成されるペプチド結合ではなく、側鎖にあるアミノ基とカルボキシル基の間に形成されるペプチド結合のこと。

 2-⑴で述べたように魚類の卵膜の別名は“コリオン”である。将来コリオンになるタンパク質のため、“材料”の意味をもつ“-genin”をつけて、コリオジェニンと呼ばれている。

 遺伝子のうち、半数体ゲノムにつき1コピー(体細胞では2コピー)しかない遺伝子以外のもの。

 共通祖先から生じたいくつかの遺伝子のうち、異なる生物種において類似または相同な機能をもつ遺伝子同士のこと。たとえば、ヘモグロビン、ミオグロビン、サイトグロビンなどは共通祖先から由来するグロビン遺伝子ファミリーであり、ヒトもマウスもこれらの遺伝子をもつが、このうちヒトのヘモグロビン遺伝子とマウスのヘモグロビン遺伝子はオーソログの関係にあるといえる。

 遺伝子ファミリーの中には、突然変異などによって機能を失ってしまうものがある。例えば、変異によって翻訳の途中にストップコドンが入ったり、プロモーターの欠損による転写不能や、転写後のプロセッシングに関与する配列の欠如による成熟mRNAの形成不全などがある。このように、配列の痕跡は残っており、どの遺伝子ファミリーに属するかは明らかだが、機能的でない遺伝子を偽遺伝子(Pseudogene)という。

 魚類では毎年数百の新種記載があり、2018年現在において硬骨魚類の現生種の記載数は3万をこえる。

 栄養リボンという邦訳は、山岸宏『比較生殖学』(東海大学出版会、1995年)による。

 第8章で触れられているデンキウナギなどは、長い身体の大部分が発電器官になっており、肛門の位置が同じように著しく前方に位置する。

 酵素活性は同じであるが、アミノ酸配列の違いによって性質の異なる酵素タンパク質。タンパク質の電気泳動度の差異から、その支配遺伝子座における遺伝子型の差異を検出できる。

 生物相の分布境界線で、この線を挟んで動植物相が大きく変化する。この線の西側が東洋区、東側がオーストラリア区とされる。ウォーレスとウェーバーがそれぞれ異なる境界線を提唱した。スラウェシ島やティモール島は両者の境界線の間に位置する。

 個体や系統を識別する上で目印となるDNA配列のこと。系統間で塩基配列が異なる領域があれば、そこをDNAマーカーとして利用できる。

 ゲノムDNAを制限酵素で切断し、100〜200kbの断片を細菌人工染色体(BAC)ベクターに組み込んでクローン化したもの。大きな領域の物理地図や塩基配列決定に必要とされてきた。

 DNAマーカーや既知のクローンを用いて、配列が一部重なり合うクローンを同定する作業を繰り返し、目的遺伝子近傍のクローンコンティグを作成する方法。

 ミュラー管とは哺乳類の発生過程で将来卵管になる管で、オスではこのホルモンの働きによって退縮する。しかし、真骨魚類にミュラー管はなく、別の機能をもつと考えられる。

 メダカ博士こと山本時男博士は、1953年d-rR系統(オスが緋色、メスが白色の限定遺伝をもとに育成作出された系統、X染色体上に潜性(劣性)のr遺伝子、Y染色体状に顕性(優性)のR遺伝子をもつ、体色により遺伝的な性の判別が可能)の孵化直後から性ホルモンを経口投与して性の人為的転換に成功した。すなわちXrXrでもアンドロゲン投与によりオスとなり、正常メスXrXrと交配して、メスメダカばかりを生んだ。XrYRもエストロゲン投与によりメスに性転換し、正常のオスXrYRと交配した。性ホルモンによる性転換が多くの研究者から示されていたが、山本博士によって初めて遺伝的な性と性ホルモンによる性転換の関連が明らかにされた。コラム⑧も参照。

 コ・オプション(co-option)、遺伝子の使い回し。既存の遺伝子が新たな機能を担うようになること。

 非同義置換よりも大きな影響を与えるのがフレームシフトである。3の単位で塩基は読まれていくが、もし、3の倍数以外の挿入/欠失が起こった場合は、その後の配列が全て読み枠がズレてしまい、その挿入/欠失より後(C末端側)ではまったく異なるタンパク質ができてしまう。

008年9月15日に、アメリカ合衆国の投資銀行であるリーマン・ブラザーズ・ホールディングス(Lehman Brothers Holdings Inc.)が経営破綻したことに端を発して、連鎖的に世界規模の金融危機が発生した事象を総括的によぶ通称

通称ブレグジット(英語: Brexit)とは、イギリスが欧州連合(EU)から離脱すること