Meiosis I and II share chromosome segregation dynamics distinct from mitosis in the firebug Pyrrhocoris apterus
ヒメマルカメムシ（*Pyrrhocoris apterus*）を用いた定量的ライブセルイメージングにより、減数第一分裂と第二分裂は、有糸分裂とは異なる極めて類似した染色体分離ダイナミクスを共有している一方で、これら二つの減数分裂はより速い速度と極方向への染色体移動への依存を特徴とするのに対し、有糸分裂はより緩やかに進行し、主に紡錘体の伸長に依存していることが本研究によって明らかになった。
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あらゆる生命の細胞内には、生命の最も重要な任務の一つである、新しい細胞が形成されるために遺伝物質を分割することに専念する微小な機械が存在します。細胞分裂として知られるこのプロセスは、染色体を引き離すための目に見えない紐のような役割を果たす「紡錘体」と呼ばれる構造体に依存しています。この任務のための基本的な仕組みは異なる種類の分裂間で共有されていますが、具体的な目的は異なります。生物の日常的な成長や修復においては、細胞は自分自身の正確なコピーを作成するために分裂します。これは有糸分裂（ミトーシス）と呼ばれるプロセスです。精子や卵子の作成においては、細胞は遺伝的含有量を半分にするために、二回連続で分裂しなければなりません。これは減数分裂（メイオーシス）と呼ばれるプロセスです。数十年にわたり、科学者たちは、これらの異なる目的が、仕組みを根本的に異なる方法で機能させる必要があるのか、それとも同じ道具が単に異なる設定で使用されているだけなのかという疑問を抱いてきました。これに答えるために、研究者たちは、物理的な動きが真にどのように比較できるかを確認するため、同じ生物の中で起こっているこれら3種類すべての分裂を、同じ測定ツールを用いて観察する必要がありました。
ある科学者チームは、この疑問を解決するために、ヨーロッパ全土で見られる一般的な昆虫であるヒメハアリガメ（firebug）に注目しました。彼らは、初期の精細胞の日常的な有糸分裂に続く、成熟した精子を生み出すための連続する2回の減数分裂を含む、すべての種類の分裂が行われている雄の生殖器官に焦点を当てました。高倍率の顕微鏡を使用してこれらの生きた細胞をリアルタイムで撮影することで、研究者たちは染色体の動きと紡錘体の伸びを極めて精密に追跡しました。彼らは、染色体が移動した距離、移動速度、そして分離中に紡錘体自体がどれだけ伸びたかを測定しました。その目的は、2回の減数分裂が互いに区別されるのか、そしてそれらが標準的な有糸分裂とどのように異なるのかを、同一の生物学的システム内で明らかにすることでした。
結果は、2回の減数分裂の間の驚くべき一貫性を明らかにしました。精子の発達における異なる段階で発生しているにもかかわらず、第1段階と第2段階の減数分裂は、ほぼ同一の方法で染色体を移動させました。どちらの場合も、染色体は約毎分1.6マイクロメートルの速度で分離し、合計で約13から15マイクロメートルの距離を移動しました。研究者たちは、これらの染色体の動きが2つの力の混合物によって行われていることを見出しました。すなわち、染色体が両極に向かって引かれる力と、それらを押し離すために紡錘体自体が伸びる力です。両方の減数分裂において、この「引き寄せる力」が主要な役割を果たしており、全体の移動の約3分の2を占めていました。一方で、紡錘体の伸びが貢献したのは約4分の1に過ぎませんでした。
これとは対照的に、初期精細胞の日常的な有糸分裂は、全く異なる論理で機能していました。これらの細胞ははるかに小さく、染色体は移動距離が非常に短く、わずか約7マイクロメートルで分離しました。より重要なことに、力のバランスは逆転していました。有糸分裂では、紡錘体の伸びが支配的な力となり、染色体分離の約61パーセントを担い、染色体を引き寄せる力の役割は小さくなっていました。この違いは速度の変化によるものではありませんでした。有糸分裂細胞における紡錘体は、減数分裂細胞とほぼ同じ速度で伸びていました。違いは、その伸びが最終的な分離にどの程度貢献するかという点にのみありました。有糸分裂の染色体は移動する必要性が低かったため、紡錘体の伸びがその行程のより大きな割合をカバーすることになったのです。
この研究は、細胞のサイズが紡錘体のサイズや分裂の速度を決定するのかについても検討しました。研究者たちは、減数分裂を行う細胞は有糸分裂を行う細胞よりも著しく大きく、大きな細胞における紡錘体も確かに長くなっていることを観察しました。すべての細胞をまとめて見たとき、明確なパターンが現れました。大きな細胞は長い紡錘体と大きな分離距離を持つということです。しかし、一つの種類の分裂に限定して見た場合、細胞のサイズは紡錘体のサイズを予測しませんでした。やや大きな有糸分裂細胞が、必ずしもやや小さな細胞よりも長い紡錘体を持つわけではありませんでした。このことは、分裂の寸法が、利用可能な空間の量に対する連続的な調整によってではなく、細胞が実行している特定のプログラム（有糸分裂、減数分裂I、または減数分裂II）によって設定されていることを示唆しています。
最も興味深い観察の一つは、X染色体として知られる特定の染色体に関するものでした。減数分裂の第2段階において、この染色体はしばしば他の染色体よりも遅れ、極に向かう動きが緩やかになります。この挙動は1世紀以上前に科学者によって指摘されていましたが、今回の新しい研究により、この遅れが分裂の全体的なリズムを乱さないことが確認されました。X染色体による遅延に関わらず、他の染色体は同じ一定のペースで動き続け、紡明体も同じ速度で伸びていました。この発見は、個々の構成要素が異なる振る舞いをしたとしても、分裂を支配する機械的な規則がいかに堅牢で一貫しているかという考えを補強するものです。
同一の種の中で3種類の分裂すべてを観察することにより、研究者たちは、細胞分裂がいかにその特定の目的に合わせて調整されているかという明確な全体像を提示しました。2回の減数分裂は、引き寄せる力が染色体の分離を支配するという戦略を共有しており、互いに驚くほど似ています。しかし、有糸分裂は、その目的を達成するために紡錘体の伸びに大きく依存しています。これらの違いは、速度やサイズの些細な変化ではなく、遺伝物質がどのように分配されるかというメカニズムにおける根本的な転換を表しています。こうして、ヒメハアリガメは、細胞分裂の分子的な道具は共有されているものの、それらがどのように編成されるかは、完全に生物学的な任務次第であることを明らかにしたのです。
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