プリンキピア

第27章動物の多様性への導入

The Role of Homeobox (Hox) Genes in Animal Development動物の発生におけるホメオボックス(Hox)遺伝子の役割

Since the early nineteenth century, scientists have observed that many animals, from the very simple to the complex, shared similar embryonic morphology and development. Surprisingly, a human embryo and a frog embryo, at a certain stage of embryonic development, look remarkably alike! For a long time, scientists did not understand why so many animal species looked similar during embryonic development but were very different as adults. They wondered what dictated the developmental direction that a fly, mouse, frog, or human embryo would take. Near the end of the twentieth century, a particular class of genes was discovered that had this very job. These genes that determine animal structure are called “homeotic genes,” and they contain DNA sequences called homeoboxes.
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19世紀初頭以来、科学者は単純なものから複雑なものまで、多くの動物が胚の形態と発生に類似点をもつと観察してきた。驚くことに、ヒトとカエルの胚は、ある発生段階でよく似ている。多くの動物が胚発生中は似ているのに、成体では大きく異なる理由は、長く不明だった。ハエ、マウス、カエル、ヒトの胚がたどる発生の方向を何が決めるのか、科学者は考えた。20世紀末に近づいた頃、まさにその仕事を担う特定の遺伝子群が発見された。動物の構造を決めるこれらをホメオティック遺伝子と呼び、ホメオボックスというDNA配列を含む。
The work to understand the role these genes play was novel and incredibly detailed. Over several years, Christiane Nüsslein-Volhard and Eric Wieschaus introduced mutated genes into fruit flies and observed changes to the flies' bodies under microscopes. Eventually they were able to identify specific changes, such as different numbers of body segments, based on mutations of specific genes, therefore showing which genes controlled aspects of development.
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これらの遺伝子の役割を解明する研究は、斬新で、きわめて緻密だった。クリスティアーネ・ニュスライン=フォルハルトとエリック・ヴィーシャウスは、数年にわたってショウジョウバエに変異遺伝子を導入し、顕微鏡で体の変化を観察した。やがて、特定の遺伝子の変異に対応する体節数の変化などを特定し、どの遺伝子が発生のどの側面を制御するかを示した。
Genes with homeoboxes encode protein transcription factors. One group of animal genes containing homeobox sequences is specifically referred to as Hox genes. This cluster of genes is responsible for determining the general body plan, such as the number of body segments of an animal, the number and placement of appendages, and animal head-tail directionality. The first Hox genes to be sequenced were those from the fruit fly (Drosophila melanogaster). A single Hox mutation in the fruit fly can result in an extra pair of wings or even legs growing from the head in place of antennae (this is because antennae and legs are embryologic homologous structures and their appearance as antennae or legs is dictated by their origination within specific body segments of the head and thorax during development). Now, Hox genes are known from virtually all other animals as well.
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ホメオボックスをもつ遺伝子は、タンパク質である転写因子をコードする。その配列を含む動物の遺伝子群の一つを、とくにHox遺伝子と呼ぶ。この遺伝子クラスターは、体節の数、付属肢の数と配置、頭尾方向など、基本的な体制を決める。最初に塩基配列が決定されたのは、キイロショウジョウバエDrosophila melanogasterのHox遺伝子だった。ショウジョウバエでは、Hox遺伝子一つの変異で余分な一対の翅が生じたり、触角の代わりに頭から脚が生えたりする。触角と脚は発生学的に相同な構造であり、どちらの姿になるかは、発生中の頭部と胸部の特定の体節のどこから生じるかによって決まるためである。現在では、ほぼすべての他の動物でもHox遺伝子が知られている。
While there are a great many genes that play roles in the morphological development of an animal, including other homeobox-containing genes, what makes Hox genes so powerful is that they serve as “master control genes” that can turn on or off large numbers of other genes. Hox genes do this by encoding transcription factors that control the expression of numerous other genes. Hox genes are homologous across the animal kingdom, that is, the genetic sequences of Hox genes and their positions on chromosomes are remarkably similar across most animals because of their presence in a common ancestor, from worms to flies, mice, and humans (Figure 27.5). In addition, the order of the genes reflects the anterior-posterior axis of the animal's body. One of the contributions to increased animal body complexity is that Hox genes have undergone at least two and perhaps as many as four duplication events during animal evolution, with the additional genes allowing for more complex body types to evolve. All vertebrates have four (or more) sets of Hox genes, while invertebrates have only one set.
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他のホメオボックスを含む遺伝子など、動物の形態形成に関わる遺伝子は非常に多い。その中でHox遺伝子が強い作用をもつのは、多数の他の遺伝子をオン・オフできる「主制御遺伝子」として働くからである。他の多数の遺伝子の発現を制御する転写因子をコードすることで、その働きを果たす。Hox遺伝子は動物界を通じて相同である。共通祖先に存在したため、虫からハエ、マウス、ヒトまで、大部分の動物で配列と染色体上の位置が非常によく似る(図27.5)。さらに、遺伝子の並び順は体の前後軸を反映する。動物の体が複雑化した要因の一つは、進化中にHox遺伝子が少なくとも二回、おそらく最大四回の重複を経たことである。遺伝子が増えることで、より複雑な体形が進化できた。すべての脊椎動物は四組以上のHox遺伝子群をもち、無脊椎動物は一組だけをもつ。