四肢の再生の研究は古くからイモリやアホロートルなど両生類で行われ、発生学の一大分野として多くの研究者を擁してきた。例えば我が国では京大や基礎生物学研究所を経て熊本大学学長をされた江口先生がパイオニアだった。この研究の面白さは、四肢を切断して再生を誘導するだけでなく、組織を移植して新しい手を形成させたり、移植の代わりに分泌因子を局所的に発現させて手を形成させたり、あるいは指の数を変化させたり、様々な操作が可能な点にあった。ただ論文を読んでいると、おそらく研究者の数が減ってきているように思う。その最大の理由は、クリスパーが開発されたあとも遺伝子操作が簡単でないことだと思う。

ただこの問題は妥協せずにやる気になれば解決できることを、今日紹介するウィーンにあるバイオセンターの Elly Tanaka さんの研究室からの論文が見事に示してくれた。タイトルは「Molecular basis of positional memory in limb regeneration（四肢再生時の位置情報の記憶の分子基盤）」で、５月２１日 Nature にオンライン掲載された。

Tanaka さんは四肢再生で形成される再生芽が分化細胞のリプログラムにより起こることをアホロートルを用いて見事に証明した研究者で、ドレスデンから今はオーストリアに移って研究を続けているようだ。この論文の question は手を切断した場所に形成される再生芽に、腕のプログラムに従った前と後ろの記憶をどう伝えるかだ。

これまでも様々な操作実験を通して、FGF、shh という分化因子がこれに関わることはわかっていたが、これを実現する細胞動態についてはほとんどわかっていなかった。この問題を解くため、Tanakaさんは遺伝子ノックアウトは言うに及ばす、遺伝的な分子マーカー発現による細胞の追跡、標識による細胞ソーティングなど、遺伝的な仕掛けを駆使して妥協のない実験を行っている。書くのは簡単だが、人口の少ない非モデル動物でこれらの遺伝操作を利用できようにするのは大変な努力が必要だと思う。

さて答えだが、shh を発生時に発現した細胞を遺伝的に標識すると、この細胞が腕から手にかけて後ろ側に分布していること、成熟後は shh の発現はほとんど無くなるが、切断されると、発生時に shh を発現していた細胞だけが shh を強く発現するようになることを示している。すなわち、発生時の shh陽性細胞が腕と手の後ろ側に分布して、この細胞だけが再生誘導時に shh を発現することが、再生時の位置情報になっていることを示している。このように、遺伝的細胞追跡を可能にしたことがこの発見に繋がった。

次に、発生時や再生時に shh を誘導する分子を探索し、shh の発現が Hand2転写因子により量的に調節されていることを発見している。Hand2 は腕や手の後ろ側でだけ発現し、成熟後も低いレベルで発現が維持される。この低いレベルの Hand2 発現が、腕や手の前後を決めている。そして、手が切断されると、局所的に Hand2 の発現が上昇し、その結果それまで抑えられていた shh が発現することで、新たに形成された再生芽に後ろ側がどちらかという情報を提供している。

四肢再生の面白さの象徴と言える実験に、正常の腕に後ろ側の組織を移植すると、手が新たに形成されるが、前側の組織を後ろに移植しても何も起こらないという現象がある。Tanaka さんは、腕の前側と後ろ側の細胞を遺伝的に標識し、それをソーティング後移植する実験を行い、前側に後ろ側の細胞を移植したときだけ新しい手が形成されることを示したあと、移植した細胞が新たに shh を発現できることがこの現象の鍵になっていることを示している。即ち、発生時 shh を発現し、その結果 Hand2 を低いレベルで発現した細胞だけが新しく shh を分泌できる記憶を持っており、これが再生時に前と後ろの区別が正確に伝えられる理由であることを示している。

さらに、前と後ろを分子マーカーで標識したあと、前と後ろに移植する実験を行い、前側の細胞はプログラムを後ろ側にスイッチできるが、後ろ側は前側に移植しても記憶が維持されることを示している。

他にも重要な実験が示されているが、割愛してもいいだろう。職人技に支えられた再生研究はこれまでどこかでモデル動物とは違うことを理由に妥協が行われていた。これにたいし Tanaka さんはモデル動物と同じレベルの遺伝子操作法を導入し、妥協しない研究とは何かを見事に示したと思う。是非若い研究者には読んでほしい論文だ。彼女に最後に会ったのは、彼女がドレスデン大学にいるときに研究室のリトリートに参加したときだ。そのあと１０年以上かけてこれだけの系を完成させたことに深い感銘を受けた。