97年度第2講

ゾウリムシの生命サイクル

    概要:

    @最も身近で「単純な」単細胞生物の一つであるゾウリムシでさえ、性的な多細胞生物とよく似た生命サイクルのパターンを示します。

    Aゾウリムシの生命サイクルのタイミングは、単なる物理的時間の経過によって決められているのではなく、生命活動の量(特に、細胞周期の回転数)によって決められています。

    Bただし、それが一日のうちのどの時刻におきるかは概日リズム(⇒概日リズムと発生・成熟時計)によって決められています。

(い)ゾウリムシの接合
(ろ)ゾウリムシの生活史のタイミング
(は)老化するのは小核か大核か?

ゾウリムシは繊毛虫(門、綱)に属するプロチストで、同じ繊毛虫テトラヒメナよりも大きく、顕微操作(核の移植や微小電極の挿入、顕微注射など)が容易なため細胞生物学のモデル的生物となっています。ゾウリムシには後生生物と同じような生活史があり、接合によって誕生してしばらくは接合能力のない未熟な状態ですが、細胞分裂を繰り返しているうちにやがて性的に成熟し、他の接合型のゾウリムシと接合する能力をもつようになります。接合したりオートガミーしたりすると新しい遺伝子組成を備えたゾウリムシが誕生します。

(い)ゾウリムシの接合

接合は、接合型の異なるゾウリムシ同士で行われます。この接合型はメンデル遺伝にしたがう遺伝的なものです。接合型を決めるのは繊毛に含まれる糖蛋白質の種類によっています。異なる接合型のゾウリムシ同士は互いの繊毛を接着させることを通じて接合を開始します。

小核と大核
後生動物のからだが生殖細胞系列体細胞系列の細胞群からなっているのに似て、ゾウリムシのひとつの細胞には大きさと機能の異なる二つの細胞核が備わっています。小核大核です。小核は有性生殖を行う時にのみ働く細胞核で生殖核ともいいます。これに対し、大核はゾウリムシの生命活動の大半を占める無性的な生活を行うための遺伝情報を提供しており、このため栄養核とも呼ばれています。

  • 無性的な生活とは、無性的な細胞周期の繰り返しのことです。細胞生命は細胞周期そのもののことでしたが(⇒時間、生命、生命リズムの統合)、細胞周期の位相進行を支えるのは細胞ホメオスタシスの維持です。位相進行にもホメオスタシスにも自由エネルギー消費が不可欠であることは言うまでもありません。

大核は接合後には崩壊してしまいますが、接合によって誕生した新しい小核によって作られます。崩壊する大核は接合前の小核のゲノムの複数コピーであり、新生した大核は接合によって生まれ変わった小核のゲノムの複数コピーです。こうして接合によってゾウリムシは生まれ変わることになります。

小核の減数分裂
接合開始とともに小核はまず減数分裂 meiosis を行います。2nゲノムが4nに複製され、引き続く二回の核分裂によってゲノムは半数体nに減数するのです(4n→2n→n)。生じた4つの小核のうち3つは退化します。この減数分裂は一つの細胞内で起こり細胞質分裂 cytokinesis は起こらないという特徴をもっています。このため、後生生物が配偶子をつくるときのように四つの配偶子細胞をつくるのではないことに注意してください:哺乳類の卵母細胞の減数分裂過程では一つだけ配偶子(つまり、この場合は卵子)になり、残る三つは極体として放出され退化します。

  • 減数分裂周期では減数第一分裂周期にのみ染色体複製が行われ、第二分裂周期では染色体複製が行われないために染色体数が半減します。ふつうの細胞周期では、染色体複製が終わってからしか細胞分裂しないのですが、減数第二分裂周期ではどのような仕組みで、この仕掛け(つまり細胞分裂に染色体複製を一つの条件にしていること)をはずしているのでしょうか?

減数分裂周期と細胞周期

この減数分裂の過程で相同染色体同士の遺伝的組み換えが起きます。そのため、このゾウリムシを生んだ「親」二匹に由来する相同染色体が混ぜ合わされて一本の染色体に乗ることになります。つまり、一方の親の小核に由来する染色体Aと他方の親の小核に由来する染色体A’が、減数分裂によってかき混ぜられて新しい染色体BとB’に変身することになります。異なる記号で表示しましたが、遺伝子の種類が変化するわけではなく、一つ一つの遺伝子がコードする情報(つまり塩基配列)が変化するのです。したがって、配偶子にせよ小核にせよ自己のゲノムとは異なるゲノムをもっていることに注意することが肝腎です。

この組み換えは組み換え酵素によって触媒されていますから、つまり「生物学的メカニズム」を用いて行われているという点から何らかの進化的価値があるものと思われます:性の究極要因の一つがここに隠されていると考えてよいでしょう。

  • 私たちの顔は人種や民族を超えてホモサピエンスとしての共通性をもっています。このため、チンパンジーやゴリラではなく人間として誰にでも識別できます。しかしまた同時に、日本人としての特徴、インド人としての特徴もあることは誰にでも理解できますし、日本人の中でも薩摩系、出雲系、、、などの地方的特徴も区別でき(る場合もあり)すし、何より個々人としての顔つきの個人差があります。相同染色体の組換えによってできる個々の遺伝子の「新しい組み合わせ」では遺伝子の「顔つき」の変化を生むわけです。

小核の交換と合体
減数分裂を終えてできた四つの小核のうち一つは複製して二つになり、片方を接合相手の小核(もちろん減数分裂を終了したもの)と交換します:互いの小核を一つずつ相手の細胞に送り込むのです。

相手の小核と融合して合体すると受精が成立し、新しい二倍体の小核が誕生します。接合に関与した自己自身は、自己の半分の遺伝子を引き継ぎますが、相手にも自己の半分を引き渡しますから、自己の遺伝子は新しい二匹のゾウリムシに完全に残されることになります。

接合によって誕生した(または生まれ変わった;変身した)ゾウリムシは二重の意味で親の(変身前の)ゾウリムシとは異なっています。第一は、すでに述べたように接合に関わる半数体(n)の小核は減数分裂による祖父母の相同染色体の組み換えによる新しいゲノムセットをもっていることです。第二に、これが異性の半数体(n)小核と合体することによって新しい二倍体(2n)の小核になるからなのです。

古い大核の崩壊と新しいゾウリムシの誕生
実戦部隊で不断の生命活動を直接的に指令するのは大核の方です。この大核は小核ゲノムの複数コピーからなります。そこで、新しいゾウリムシとなるためには大核もまた作り直さなければなりません。つまり、受精核(新しい小核)はその後、何回も複製と核分裂を繰り返して大核と小核に分化していくのですが、その過程で古い大核は崩壊し、新しいゾウリムシの誕生が完結することになります。

自家生殖
自家生殖は、接合を伴うことなく新生ゾウリムシを誕生させる過程です。接合相手との小核交換を行わない代わりに、自らの小核同士を融合させるのです。減数分裂を行いますから、遺伝的組み換えは起こります。このため、元のゾウリムシとは異なるゲノム組成のゾウリムシができることは、接合の場合と変わりありません。しかし、接合によるよりもその改変はずっと小さいものにとどまっています。

接合と老化と寿命死
性的に成熟した後、自家生殖も接合も行わう機会のなかったゾウリムシはやがて老化し、寿命によって死にます。ここで、ゾウリムシにとって老化するとは、寿命死するまでに残された分裂回数が限定されてくることですから、低温において細胞周期の回転を阻止してやれば老化することを免れます。

さて、若いうちに(老化する前に)接合すれば未熟なゾウリムシとして生まれ変わり、再び成熟に向かって無性的に増殖していくことができます。誕生してから接合するまで、もっぱら無性的に増殖しますから、新生するゾウリムシはすべて全く同一のゲノムをもっていることになります。こうした集団をクローンと呼びます。一匹の新生ゾウリムシが51回分裂すると250=1.1x1015, すなわち約1000兆個のゾウリムシ細胞からなるクローン集団になります。

このクローン集団は、後生生物の一個体と相似な(相当する)関係にあります。というのは、このクローン集団における個々のゾウリムシたちには(ゲノムを共有しているという特性のため)進化的な競合がありえないからです。むしろ、このクローン集団内で何がしかの「協力」があっても進化的には不思議ではありません:そのような協力があるかどうかは今のところ未知ですが。ただ、メカニズム的には後生生物の一個体とは明らかに異なっています。例えば、ふつう、後生生物の体細胞は異なった細胞型として体細胞間の分業が行われていますが、ゾウリムシのクローン集団において個々のゾウリムシが分業をしていると考えることはできません。また、後生生物では体細胞系列と生殖細胞系列の分離が認められますが、ゾウリムシのクローン集団内部でこのような分業は認められません。たまたま、接合する機会のあったゾウリムシが後代に子孫を伝えるだけなのです。

  • すでに説明しましたが、ゾウリムシは一匹のゾウリムシが「個体」で、大核と小核は後生生物における体細胞系列と生殖細胞系列に相当します。しかし、クローン集団はお互いに進化的には自他の区別がないのです。

後生生物において最も重要な機能は増殖です。生殖細胞系列を後代に伝えた後は体細胞系列の方はどうなっても(進化的には)かまわないのです。これに対し、ゾウリムシの場合にはこの分業がありません。クローン内のゾウリムシは互いに無関係に生存している(ようにみえる)ため、どれが不滅のゾウリムシとなるかは全くの偶然に委ねられています。ゾウリムシはこの協力関係の欠如と偶然性のために、無性的な細胞分裂を繰り返すことによって成熟ゾウリムシの数を増やし、接合チャンスの増大をはかっているとみることもできます。遺伝的には全く同一なのであるから、そのうちの一匹のゾウリムシが接合に成功すれば、その遺伝子が半分ずつ新しい二匹のゾウリムシに受け継がれることになって(進化的には)割が合うのです。下手な鉄砲も数打てば当たるという戦略なのでしょう。

 

(ろ)ゾウリムシの生活史のタイミング

寿命死のタイミング
ゾウリムシにも寿命があるかどうかを確認することは実はなかなか難しいことです。一匹のゾウリムシをフラスコの中に培養するとどんどん増えていきます。ゾウリムシの密度が高くなったら、一匹を新しい培地に移してやります。これを繰り返していくと永久にゾウリムシを絶やすことはないでしょう。

なぜ寿命があるのに↑のような方法だと不滅なのでしょうか?
それは、たった一匹のゾウリムシから出発したとしても、ゾウリムシには接合型変換という現象もありますし、上述のように自家生殖も行うからです。つまり、増殖していく過程で接合なり自家生殖を行って新生ゾウリムシが誕生しているからです。

ゾウリムシは接合や自家生殖をする限り寿命死を避けられるということが今はわかっているので、上述のように、不滅性を簡単に説明することができます。ところが、このことが明らかでない時代には寿命死を証明することには特別の工夫が必要なのです。1950年代前半、ソンネボーンがゾウリムシの寿命を証明するために用いた工夫は毎日継代培養法という方法です。すなわち、ゾウリムシが毎日一回分裂するごとに一匹ずつ別の培養皿に移植するのです。これによって、一匹ずつの運命が明らかとなったわけです:自家生殖を行わなかったものはやがて死んだ、ということです。

ソンネボーンはこの実験によってゾウリムシ(より正確にはその仲間のヒメゾウリムシParamecium aureliaの寿命死を証明しただけでなく、そのタイミングに関しても面白いことを発見しました。つまり、ヒメゾウリムシの寿命は種ごとに異なっていて、そのタイミングは細胞分裂の回数によって決まるというのです。シンジェン1では約350回、シンジェン2では約300回、そしてシンジェン3では約180回で寿命死が訪れます。この回数は接合によって新生ゾウリムシが誕生してからの細胞分裂の回数のことです。

細胞分裂の回数とは、つまり細胞周期の回転数です。細胞周期が回転する間にゾウリムシは何を数えて寿命のタイミングを決定しているのでしょうか?今のところ、そのメカニズムは全くの謎といってよいでしょう。ただ重要なことは、寿命死を決めるタイミングが物理的時間ではないという点です。ゾウリムシの増殖にとって快適な環境条件にあれば、シンジェン1の細胞周期350回転というのは、例えば4ヶ月に相当しても、この物理的時間は条件が悪ければ12ヶ月にも、2年にも、50年にものびることになるからです。

性成熟と自家生殖のタイミング
ゾウリムシの生活史のその他の事象も基本的には細胞周期の回転数によって決められているようです。日本におけるゾウリムシ研究のメッカはかつての東北大学生物学科樋渡研究室で、現在はその弟子たちが全国に散らばっています。三輪(現茨城大学)は1974年に、普通のゾウリムシ(Paramecium caudatum )の性成熟が約50回の細胞分裂で訪れることを突き止めました。最適な栄養条件ではこれは約1ヶ月であり、貧栄養にしたり低温で培養したりすると約2ヶ月に延びることも明らかとなりました。生きてはいるが増殖はできない条件にすれば永久に成熟しないはずです。因みにこのゾウリムシ(caudatum)の場合、約600回の細胞分裂で老化して接合能力を失い、その後寿命死まで約100回ほどの細胞分裂しか許されないことがわかっています。三輪たちは更に(1975)、未熟なゾウリムシの細胞質を成熟したゾウリムシに顕微注射することによって性的に未熟化させることを示しました。また老化して接合能力を失ったゾウリムシに顕微注射した場合には接合能力を回復させる働きがあることを発見したのです。この効果を持つ物質はイマチュリンと命名されました。その後、芳賀と樋渡によってイマチュリン(蛋白質)は単離・精製されました(1981)。

イマチュリンを老化ゾウリムシに注射してやると、そのゾウリムシは成熟段階に戻ります。イマチュリンを成熟ゾウリムシに注射してやると未熟段階に戻ります。こうして、イマチュリンこそ加齢を計測する時計物質ではないかと期待されたのです。しかし、接合を経験しないときのその後に許される細胞周期回転数は、イマチュリン注射を受けないときより多くはならず(全く変わらないし)、イマチュリンの含量は、ゾウリムシの加齢に応じて次第に減少するというようなパターンを示しません:未熟期に一過的に増量し、その後はずっと低いレベルに維持されるというような変化パターンなのです。こうしたことから、残念ながら、イマチュリンはゾウリムシの齢を決める機能を持った物質ではないことが明らかとなったのです。イマチュリンは接合能力に関する「回春」効果物質または強精剤といってよいでしょう。

一方、自家生殖のタイミング決定については、細胞周期のうちDNAの複製の回数が決め手であること、細胞分裂の回数は関係ないことを示唆する証拠が得られています。正常な条件では細胞周期の一回転の間にDNA複製と細胞分裂はこの順序で一度ずつ生じますが、実験的に大核の一部を除去してやりますと、ゾウリムシには正常な大核量を保持するホメオスタティックな機構が働いて、細胞周期が一回転する間に細胞分裂を伴わないDNA複製を行うのです。このようにして、DNA複製回数と細胞分裂回数に食い違いができるような条件にして、どちらがタイミング決定と連動しているかを探った訳です。さて、大核の4分の3を除去した場合には、2回ほどこのようなDNA複製が行われます(4→1→2→4:最初の矢印は4分の3切除による減少、2、3番目の矢印は核の複製による倍加)。非処理コントロールの自家生殖がn回転の細胞周期で生じたとします。大核除去のゾウリムシで自家生殖が生じたのは、n回のDNA複製、つまり(n−2)回の細胞分裂、n回の細胞周期のときです。こうしてDNA複製がn回行われることが必要であることが推論されたのです。

DNA複製以外の細胞周期過程もDNA複製回数と同じ回数だけ生じます:今の場合は細胞分裂だけが二回省略されています。したがって、この実験から直ちにDNA複製回数が決め手であると結論するわけにはいかないことに注意してください。なお、ゾウリムシでは染色体末端のテロメアと呼ばれる配列は、動物の場合とは違って、DNA複製ごとに少しずつ短縮していくということはない、ということが明らかになっています。

(は)老化するのは小核か大核か?

後生生物の生殖系列の不滅性を勘案すれば、ゾウリムシの小核も老化しないことが示唆されます。また、日々の実戦部隊で働く大核こそ活性酸素の傷害を受けるはずで、老化の「すり切れ説」によれば大核こそ老化するものとと示唆されるわけです。後生生物個体で老化して死ぬのは、からだであって生殖細胞系列ではないことを思い出しましょう。

樋渡のグループはこれを実験的に証明しました。性成熟直前の若い細胞から小核を除去し、この若いゾウリムシの細胞質に、老化したゾウリムシから抜き取った小核を移植してやるのです。すると、若いゾウリムシは老化ゾウリムシの小核になっているににもかかわらず、非処理コントロール(若い細胞質+若い小核)と同じ生存率(残された細胞周期回転数)を示したのです。こうして、老化という側面に関する限り、老化したゾウリムシの小核は若いゾウリムシの小核と全く変わることはないことがわかりました。逆にみると、小核を除去した老化ゾウリムシに若いゾウリムシの小核を移植しても若返らせることはできません。

これに対し、大核を除去した老化ゾウリムシに若いゾウリムシの大核を移植すれば若返らせることができるでしょう。また、逆に、大核を除去した若いゾウリムシに老化ゾウリムシの大核を移植すると直ちに老化させることができるでしょう。

以上、ゾウリムシの性と老化については、主に「性の源を探る」(樋渡、1986、岩波新書)を参照しました。 ⇒樋渡グループの研究要約集