Whole-Embryo 3D Quantification Reveals Conserved Topological Design and Scaling of Germ Layers in Xenopus

同じ家の設計図を2枚持っているところを想像してみてください。1枚は巨大な紙に描かれた設計図、もう1枚は小さなポストカードに詰め込まれた設計図です。巨大な設計図から建てられた家は巨大で、ポストカードの設計図から建てられた家はとても小さいと予想しますよね？でも、もし両方の設計図から建てられた家が、実は同じ大きさだったとしたらどうでしょう？あるいは、もっと奇妙なことに、「大きい」設計図は単に大きなレンガを使用し、「小さい」設計図は非常に小さく、きつく詰まったレンガを使用していたけれど、どちらの家も最終的に全く同じ数の部屋と、同じレイアウトを持っていたとしたら？

これこそが、科学者のウーゴ・サントス、レオニード・ペシュキン、ジョゼ・アブレウ、そして彼らのチームが解明しようとした、心を揺さぶるような謎です。彼らはカエル科の2つのいとこ、Xenopus laevis（アフリカツメガエル）とXenopus tropicalis（熱帯アフリカツメガエル）に注目しました。X. laevisは、巨大な卵（幅約1.2 mm）を持つ大きくがっしりとしたいとこであり、X. tropicalisは、小さな卵（幅約0.7 mm）を持つ小柄な兄弟です。

長い間、生物学者はこう疑問に思ってきました。大きなカエルの胚が成長するとき、単にサイズを大きくするために「より多くの」細胞を詰め込んでいるのでしょうか？それとも、中にどれだけの細胞が入っていようとも、体のデザインを完璧に維持する、秘密の、変更不可能なルールブックに従っているのでしょうか？

「目に見えない」カエルの問題
この答えを見つけるために、チームはこれらのカエルの胚の内部を3Dで見る必要がありました。しかし、ここには落とし穴があります。カエルの胚は、卵黄と暗い色素が入った小さな、密度の高い袋のようなものです。それらは非常に不透明で光が通り抜けることができないため、標準的な顕微鏡で内部を深く撮影することは不可能です。それはまるで、中身を開けることなく、黒くて重いスーツケースの中にある家具を見ようとするようなものです。

チームは、カエルを透明にするための特別な「手品」を編み出しました。化学的な漂白剤を使って暗い色素を洗い流し、すべての細胞内の核（制御センター）をTO-PRO-3と呼ばれる特別な赤外線染料で染色し、それから胚をエチルシンナメートという透明化剤に浸しました。突然、不透明で暗かった胚が、クリスタルのように透明なガラスのような球体へと変わりました。彼らはついに、上から下まで、あらゆる細胞を3Dで観察できるようになったのです。

「超・計数」ロボット
3Dの塊の中で細胞を数えることは、人間にとって悪夢のような作業です。混雑した部屋を見ているとき、誰かの後ろに立っている人を見逃してしまうかもしれません。チームは、細胞核を見つけ出すように訓練された、StarDist3Dと呼ばれる高度なコンピュータプログラム、すなわちディープラーニング・ロボットを使用しました。彼らは人間のカウンターと比較テストを行いましたが、ロボットの方が、深い、混み合った組織の中に隠れている細胞を見つける能力においてはるかに優れていました。人間はある特定の場所で約1,688個の細胞を数えましたが、ロボットは2,434個を見つけました。ロボットは間違いを犯したのではなく、単に人間の目が逃したものを見ていただけなのです。

大きな発見：同じ設計図、異なるレンガのサイズ
すべてを見通し、数えることができるようになったところで、彼らは大きなカエル（X. laevis）と小さなカエル（X. tropicalis）を、3つの重要な段階（原腸陥入期（ステージ11.5）、神経形成期（ステージ15）、および初期オタマジャクシ（ステージ23））で比較しました。

ここで彼らが発見したこと、そしてそれは私たちの「体の作り方」に対する考え方を変える部分です。

1. 大きなカエルは実際に大きい： オタマジャクシの段階（ステージ23）において、X. laevisの胚はX. tropicalisの胚よりも2.29倍大きな総体積を持っていました。
2. 細胞は多いが、それほど多くはない： 大きなカエルは、小さなカエルよりも1.66倍多くの細胞を持っていました。それはかなりの数ですが、大きなカエルがなぜ2倍以上の大きさであるのかを説明するには、それだけでは足りません。
3. 秘密はパッキングにある： その違いは何でしょうか？大きなカエルの細胞は、単に大きく、ゆったりとしているだけです。小さなカエルの細胞は、非常に小さく、超高密度に詰まっています。実際、小さなカエルは大きなカエルよりも1.38倍高い細胞充填密度を持っています。

「保存された設計図」
サイズ、細胞数、そして細胞がどれほどきつく押し込められているかという点において、これほど大きな違いがあるにもかかわらず、カエルの「デザイン」は同一であったことが、最もエキサイティングな部分です。

• 同じ比率： 皮膚（外胚葉）、筋肉や器官（中胚葉）、および腸（内胚葉）に割り当てられる細胞の割合は、両種において正確に同じでした。カエルが大きくても小さくても、体の設計図は細胞を全く同じ割合で割り当てていました。
• 同じ建築様式： チームは、すべての細胞の「近隣関係」――つまり、細胞同士がどれくらい近くにあるか、どのように配置されているか、そしてクラスターの形状――を測定しました。小さなカエルはより密に詰まっていましたが、そのパッキングの「パターン」は同じでした。それは2つの都市のようなものです。一方は巨大な摩天楼がまばらに配置され、もう一方は小さなコテージが肩を寄せ合うように密集して建てられています。ズームアウトしてみれば、通り、地区、そして全体的なレイアウトは全く同じに見えるのです。

これが意味すること
この論文は、初期の脊椎動物の胚が、共有された「スケール不変（尺度不変）」のデザイン原則に従っていることを示唆しています。これは、体の設計図が、それを作るために使用されるレンガのサイズに関わらず機能するマスター・ブループリントを持っていることを意味します。大きなカエルは単に「すべてがより多く」あるのではなく、異なる「種類の」すべて（より大きな細胞）を持っているのですが、それらの細胞が組織へと構成される方法は完璧に保存されています。

研究者たちは単に推測したのではなく、実際に測定しました。細胞の数が1.66倍に変わり、体積が2.29倍に変化しても、体の基本構造はしっかりと固定されていることを証明したのです。それはまるで、カエルの発生ソフトウェアには、画像の（体の設計図の）歪みを引き起こすことなく、ピクセル（細胞）のサイズを変更する「リサイズ」ボタンがあるかのようです。

ですから、次に小さなカエルと大きなカエルを見たときは、覚えておいてください。彼らは単にサイズが違うのではありません。彼らは、全く同じ傑作を作り上げるための、2つの異なる方法なのです。それは、自然界が、どのように体を作るかについて、非常に厳格で、非常に巧妙なルールブックを持っていることを証明しています。