発生学 embryoology

動物: 誕生や孵化前
植物: 発芽段階にある組織

≈ 発生生物学 developmental biology

s.s. 個体発生(受精から成熟個体になる過程)を明らかとする
s.l. 老化や再生を含む
☛ 進化発生生物学 (evolutionary developmental biology, evo-devo)

ホメオボックス homeobox

体の一部が他の部分に変わる突然変異
Ex. アンテナペディア: 頭部触角が足に変わる ⇒ 突然変異遺伝子 = antp
Ex. バイソラックス: 腹部体節を胸部大切に変え足数を増やす

≈ 180塩基対
ホメオドメイン: タンパク質部位DNAに結合しうるタンパクをコード

多くの動物で共通

(個体)発生 ontogeny

新個体: 受精卵から分化が進み、自分で新個体として養分をとり生活を維持する

進化 phylogenetic development (= evolution) vs

個体発生ontogenetic development

配偶子(精子)形成期 spermatogenesis: 卵形成 oogenesis (2n → n) = 減数分裂 meiosis
増殖期 proliferation period

卵原細胞 oogonium(pl. -a) (2n): the female gametangium which produces an egg or eggs

成長期 growth period: 卵母細胞oocyte – 卵黄yolk 成熟期 maturation period: spermatozoon: spermioteleois (or spermiogenesis)

脊椎動物: 一生水中 – 呼吸器官。陸上 – 成体には無いか分からない
爬虫類・鳥類・哺乳類: 胚鰓embryo gill – 何の役にもたたない
→ functional gillを持つ動物と共通の起源種origin speciesがある
⇒ 成体の形態(= 環境じ応じた型)だけでは分類学上の位置は分からない – 系統発生を見ると分かる

発生: 幼生larva – 脳: 脊椎、脊索 = 脊椎動物に近縁
Sacculina: カニの♂について♀化する
Rhyzocephala: ヤドカリの♂を♀化する

形質的特徴に結びつく形で入っていない = 暗号の形で入っている
暗号解読過程 = 発生過程 – 様々な発達段階が一定の配列で並ぶ

精巣・精子 testis and sperm

精子 sperm

セリトリ細胞 seritoli cell – 脊椎動物には必ず存在(昆虫ではない)
減数分裂(RD)直後: spermatid (n) → [spermiogenesis] → spermatozoon
アクロゾーム acrosome: 卵膜egg membraneに穴を開ける
セントリオール centriole: 卵が細胞分裂するのに必要

基本片: 同じ太さ - 終片: 先に行くに連れ細くなる

→ H₂Oを失い核が小さくコンパクトになり運動性が増す
小さな液胞vacuole周囲に同心円的に並ぶ。液胞が突然大きくなり高電子密度の顆粒となる。PAS反応実験からは、爬虫類では多糖類である

卵 egg

リボゾーム: basophilic。卵子形成過程でよく染色される = RNA増加
ミトコンドリア: 卵形成過程でクリステ構造外の形状をなし内部にyolkに似た形状のものを持つ?
ゴルジ体: 若卵oocyteで観察可能だが、成長後は殆ど見られない = 成長過程で使われる
Vesicular: 着いているリボゾームが少ない → ERになる
卵核 yolk nuleus
第1卵細胞(2n) → [減数分裂] → 卵(1個) (n) + 極体(3個) = 退化

卵細胞質 organization of egg cytoplams

coritcal layer
cortical cytoplasmic layer
cortex: 卵黄、ミトコンドリア見えない。Pinocytotic vesicle見られる

一部の動物でcortical granuleの見られるものがある

cortical granule: 大きく、ウニ0.8 μm、カエル2 μm

膜に包まれた物質で、内部にmucopolysaccharidesが含まれる

極性 polarity (卵 egg)

経割: 動物極と植物極を結ぶ
面でわった所

極体polar bodyの出るところ
卵黄yolk・ピグメントpigmentの分布より判断
一般に、核と染色体を結ぶ線が極性を示す線となる
⇒ animal-vegetal axis, dorsal-ventral axis (背-腹), anteroposterial axis

卵核の変化 changes in the nucleus of oocytes

ランプブラシ – 染色体(遺伝子)活性に合う

ランプブラシの枝 = mRNA

人工的に精子侵入部位を固定変化させる Exp. 卵に2つの精子が入るとどうなるか
卵をprickingすると、その場所に陥入部位ができる
↔ 陥入部位はある程度決定している
- 陥入部位の反対側が精子を受け入れやすくなっている 魚類: 精子侵入部位決定 / ウニ: ランダム / ホヤ: 植物極近くから入る

ゼリーを外し卵の自由回転を可能にすると卵は斜上に立つ → dorsal side, ventral sideの比重が異なる
卵黄の分布を調べるとdorsal, ventral sidesでは差がない → 卵黄以外の物質の分布が違う

配偶子接近 → 不可逆的接触・凝集・細胞間接着 → 細胞膜部分的融解・再構成 → 核接近接触 → 核合体

受精に関する理論 theories on fertilization

受精時の卵にプロトンが発生することが分かっている

単為発生(単為生殖) parthenogenesis

(parthenogenetic, adj. 単為発生の production of a new individual from a single, unfertilized gamete, often the egg. Ex. 単為発生細胞parthenogenetic cells)

♀ [倍数体] = 女王バチ(1個体) + 働きバチ(大部分)
♂ [半数体] = 雄バチ
卵(n) + 精子(n) → 受精卵(2n) → [特別養分] → 女王バチ(♀)
________________________ ↳ [普通養分] → 働きバチ(♀)
未受精卵(n) → [単為生殖] → 雄バチ(♂)

- 遺伝子は女王バチ(♀)のみからくる

母(女王バチ) ♀ A B ┳ 父(雄バチ) ♂ C
                          |  |   | 交尾
            息子 ♂  A B  AC BC 娘 ♀

♀(2n)→夏卵(2n)→♀→夏卵(2n)→…→♀(2n)→大型卵(2n)→卵(n)──┐
  ↑                                  └─→小型卵(2n)→精子(2n) ┴┐
  └─────────冬卵(2n) ──────────────────┘

ウニ未受精卵をラク酸処理後、正常海水へ戻し高張海水につけ、正常海水に戻すとnで発生
その後、カイコ、脊椎動物でも成功

交雑受精 species hybrid

ウニ♀ × ウミユリ♂(= foregin) / ウニ♀ × イガイ♂ Cp. perthogenesis

卵子(♀)
                          
エゾアカガエル



ヤマアカガエル


ニホンアカガエル

ニホンヒキガエル



ニホンアマガエル
                          

精子(♂)
                          
ヤマアカガエル
ニホンアカガエル
トノサマガエル
ニホンヒキガエル
エゾアカガエル
ニホンヒキガエル

エゾアカガエル
ニホンヒキガエル
エゾアカガエル
ニホンアカガエル
トノサマガエル
ニホンアマガエル
ニホンヒキガエル
エゾアカガエル    

受精
成否
  +
  +
  +*
  +*
  +
  -

  +
  +
  -
  -
  -
  +
  +
  -  

到達発
生段階
遊泳胚
成体
胞胚
嚢胚
遊泳胚


成体
胞胚



胞胚
嚢胚
          

精子の行動
                               


|ゼリーに多数侵入
|卵黄膜表面まで到達

|ゼリーに多数侵入
|卵黄膜表面まで到達


|ゼリーに全く入らぬ
|
|


|ゼリーに全く入らぬ   

a, bは厳密にはspecies hybridではない

エゾアカガエル♀ × ヒキガエル♂ →

stop development at gastrula stage

トノサマガエル♀ × ヒキガエル♂ →

成体まで進む(perthogenesis)

交雑受精の利点

生活の場と生殖法

卵の種類と卵割

Ex. 哺乳類(ヒト)、ナメクジウオ(原索動物)、棘皮動物

Ex. 両生類(カエル、イモリ)、軟体動物、環形動物

Ex. 鳥類(ニワトリ)、爬虫類、魚類(メダカ)

Ex. 節足動物(昆虫類、甲殻類)

割球blastmere: 細胞数 1 → 2 → 4 → 8 → 16 → 32 → 64 (仮定) …
16細胞まで: 分裂の同時性
Ex. ウニ: 16まで同時性ある。32細胞になると植物極側細胞分裂遅れる。カエルでは8細胞まで同時

→ 圧力を加えるのは卵割を思う方向に行なわせるのによい方法
Exp. ウニ16細胞まえ核質は等配分 (イモリでも同様なことが確認される)

核移植 nuclear trasplantation

栄養液: Ringer (核実験に適)、Steinberg、de Boer、Holfreter
→ 全て有効性なし(成功率低い)
Nieu & Twittyが有効: Mg⁺⁺, SO₄^2-が入る – 浸透圧の問題ではない

染色体欠損・核異常
成体の核が無核卵に入ると30倍位に大きくなる → ゆっくりした分裂だがRNA合成は活発
受精卵: 仁がない = 卵割中rRNA合成がない → 核は発生中ある程度可逆的変化をしている

卵核除去 + 精核除去 = 無核 (anucleated) → 部分割 parted cleavage

非対称性 (asymmetric property)

第一卵割前に毛髪で卵を束ね、16細胞期以前に片方有核、もう片方は無核のものを作る → 各々正常発生

アヒル卵黄の胚盤葉を様々に切断し双生児を作る – 内蔵の位置はほとんど全てで正常

= 遺伝子情報ではなく、細胞質の情報によると考える
Ex マキガイ殻の回転方向の非対称性 – 卵割初期に認められる

極葉 polar lobe of dentalium

第一次極葉(核含まない細胞質、頂毛をコントロール)
第一次卵割時: 第一次極葉除去
2細胞期: 2つの割球に分離 → C, Dは正常幼生、A, Bは頂繊毛、体後端部欠損
第二次極葉除去 → 頂繊毛欠損幼生
4細胞期 → Dのみ正常繊毛形成
8細胞期 → 1dのみ正常繊毛形成
⇒ 頂繊毛に関する因子は極葉にある: 頂繊毛形成関与物質 = 卵の表層に存在 - 遠心分離

Regulated gene → [inhibition] → Structure gene

1dではこれが働き阻害解除され頂繊毛が形成される

外胚葉  ┬体表の外胚葉─┬─┬─────────眼レンズ、耳胞
ectoderm│              │  └───────表皮、毛、爪、汗腺
        │              └────口腔上皮、臭上皮、表皮、内耳
        ├神経管─────眼胞───────眼盃─網膜、水晶体
        └神経冠(神経管背側外胚葉)───┬─感覚神経、交換神経
                                        └──────色素細胞
中胚葉  ┬頭部の中胚葉──────────骨格、循環系、排出器
mesoderm├脊索─────────────────────(退化)
        │          ┌────硬節───────────脊椎骨
        ├体節───┼────筋節───筋肉(横紋筋)、手足骨格
        │          └────皮節────────────真皮
        │          ┌──────────────────腎臓
        ├腎管───┼────ウオルフ管────輸尿管、輸精管
        │          └────ミューラー管───────輸卵管
        └側板───┬─外側板───────腹膜、腸間膜、脾臓
                    └─内側板──┬─────平滑筋、結合組織
                                  └─────心臓、血管、血球
内胚葉  ┬腸管前部─┬────鰓穴────────────中耳
endoderm│          ├───────────肺、気管(呼吸器系)
        │          └──┬───食道、胃、十二指腸(消化器系)
        │                └────────────肝臓、膵臓
        ├腸管中部────────────────────小腸
        └腸管後部───┬────────────────大腸
                        └────────────────膀胱

生殖腺発達 development of gonad

1. 始原生殖細胞の起源 origin of primordial germ cell (gamete)

germinal cellとかなり離れたところから移動をしてくる - 切片観察するとよく分からない

これを破壊してみる(熱した針により焼く)
→ 胚発生は維持するがprimordial germ cellが見られなくなる = やはりoriginである

発生機構
presumbtive primordial germ cell (PPGC): 卵割前に確認される
PPGCにはミトコンドリアが非常に多くRNAも多
– 卵の植物極側のsubcortical layerに固まってこれらのcytoplasm存在

260 nmのUV(RNA阻害)を様々な角度から照射 → 植物極からあてた時、gonad中にgerm cellがなくなる

♂: 卵は黒, ♀: 卵は白 ⇒ germplasmの形質が出現する

[ 動物細胞遺伝学 ]

2. 性分化 (sex differentiation)

primary germ cellの位置が、卵、精子の決定因子となっている

肢対の発生 development of paried limb

mesodermと表皮がlimbになる
発達過程で途中が消え残り(= 肢芽limb bud)がlimbとなる
limb bud: 表皮の肥厚したことろ – 先の方の部分は更に厚く区別可能

limb budの部分には、かなり早い時期からoriginがある – 移植実験等により証明された

⇒ 神経管が閉じた時点で足の決定(中胚葉による)はされているが、表皮はまだ決定されていない

(ectodermal) apical ridge – RNA-rich, glycogen-rich, alkaline phosphatase (optimal pH = アルカリ)
鳥: aprical ridgeを中胚葉を傷つけないように剥がし、そこに変わりに別な表皮を移植する

→ 足の発生は起こるが先端ができない

ニワトリのlimb bud (= 翼芽wing bud)をトリプシン処理するとectoderm(健全)とmesoderm(変性)を分離できる
同様にEDTA処理をすると変性したectodermと健全なmesodermを分離できる

Ectoderm: W, L / Mesoderm: L, W → 必ずmesodermによって決定される = 中胚葉依存
では、中胚葉から足には何が誘導しているのか

Amphibian: 前足/後足は、その部位がどちらに近いかで決定される - かなり離れた所でも形成される
過剰肢は、肢の近くよりやや離れたところが作られやすい
mesodermの有する足形成能が神経組織によって誘導される
前後が逆になって形成: 足形成部の中胚葉および外胚葉を前後を逆にしてやると普通に生える
= "antero-posterior axis"
少なくとも足は前足と後足で形成差がある – 形成差要因は不明
足を作る能力は常に中胚葉にあるが、足形成域以外は不活性inactiveな状態となっている

初期胚 (pre-embryo)

16細胞期 中割球 → 外胚葉
大割球 → 外胚葉/(微)内胚葉
小割球 → 間充織 → 骨格 Paracentrotus lividus
2, 4細胞期 = 小さいが完全なプルテウス幼生
8細胞期

卵軸に沿って2分 → 小さいが完全なプルテウス幼生
卵軸に直角に2分 → 動物極側 = 永久胞胚permanent blastula / 植物極 = 腸と口のない長卵形胚

桑実胚(morula) – ここまでは縦分裂では正常発生、横分裂では異常発生

赤道下部で直角に2分 → 植物極側 = 巨大exoderm and gut = extogastrula

⇒ 全てがend, meso, extodermを有するのか?

両生類の生殖質 germplasm in amphibians

→ 胞胚: GP欠如 33.3%
→ オタマジャクシ: PGC欠如 31.7%

UVC (253.7 nm)照射 → 0, 1/4, 1/2, 3/4, 1 – 照射面積

230, 254, 278, 302 (nm) UV – 254 nm is the most effective = 1つのPGCも形成されない
正常卵植物極サイトプラズムをUV照射卵に注入 → PGC持つ
正常卵動物極サイトプラズムをUV照射卵に注入 → PGCない
⇒ 植物極サイトプラズムにPGC形成因子がある
254 nmは核酸を修飾する波長
– [推論] PGC因子はDNAあるいはRNAにある

237.5 nm – PGCをある程度形成
germinal granuleがPGC形成第一要因とする → Smithと異なる見解

unfertilized egg (♀n) + sperm (♂n) → fertilized egg (1 cell, 2n)
→ cleavage (2n → 2n → 2n → …)
→ 胞胚 blastula [ウニ1000-2000, カエル10000-20000]
→ (cell division) → gastrula → neurula
→ 器官形成(細胞の配置替えの時期)

嚢胚形成はその前の胞胚形成時の形に依存する

嚢胚形成の特徴 characteristics of gastrulation

形態形成運動morphogenetic movement = cell metrication  単なる細胞増殖だけでなく移動能力有
細胞増殖についで移動が起こる → 嚢胚へ

背-腹 / 左-右 / 前-後
嚢胚形成は大体尾の部分から始まる → 乱すと軸が狂った個体が発生

a) 細胞分裂 ↓   b) DNA合成 ↓   c) RNA合成 ↑
d) タンパク質合成↑ (単に増えるのではなく質的に異なるものも生産)

gastrulaを越えるとまた自律的に形態形成が進むことが多い

ectoderm = nerve
mesoderm = muscle
endoderm = main digestive tract
1 layer__3 layers
ecto., meso., endo. 3者の組み合わせで様々な器官が形成される

ウニ sea urchin

細胞間接着能力が衰える

桑実胚 morula

4回目の分裂で既に決まっている – 一次間葉細胞 primary mesenchymal cells

anus: 閉じずにそのまま1回閉じてまた開く

嚢胚 gastrula

嚢胚形成初期に植物極板の数細胞が胞胚腔側(内壁)で相互の接触を失い、胞胚腔に脱出してくる。遊離した数10個の細胞は枝分かれのある長い糸状仮足filopodiumを出しながら細胞腔内壁に沿って移動し、後壁の一定の2ヶ所に集まって定着する。これが16細胞期の4個の細胞に由来する。一次間充織(primary mesenchymal) cellであり、後に骨片を形成
___________○ ○ ○ ○ ← 幾つかの細胞はずれ独立にうろうろ動く
□□□□□ → □□□ □ □ □ □□□
密に接着___回り同士の接着
primary mesenchyme cells (10数個) → 骨になる = vegetative plateに限って起こる

糸状仮足filopodia: 接触により自分の行方を探す。口の部分を認識し接合し仮足部が縮んで更に陥入
植物極板の残りの細胞群は、胞胚腔側で細胞相互の接着性を減じて丸くなり、表面を律動的に動かしながら内腔に向かい突出(原腸形成)。原腸先端が胞胚腔の1/3ほどまで入り込む過程は植物極側のみを半分に分けた胚でも起こりうる。しかし、続く後半過程は原腸先端の細胞が出す糸状仮足に依存している。即ち、後に主として筋肉細胞になる第二次間充織から出る糸状仮足は胞胚腔を突っ切って外胚葉内壁に達し、その先端で付着すべき場所を探すように胞胚内壁を動き回る。そして動物極付近に固着すると収縮して原腸の先端に入り込む
-Ca⁺⁺海水 → filopodia消失 → 陥入停止

両生類 amphibians

Egg: jerry除去済
パラフィン(色素を含む)
  → 30分後
  → 胚染色されている

材料: イモリ初期嚢胚 – 発生はカエルとほぼ同じ
局所生体染色 vital staining:

色素をつけた寒天を卵の上に乗せる

原口 dorsal lip

染色された部分がどのような器官、組織になるかを観察 → 胚に記入 = 胚発生予定域図 fate map
多くの色素は害は余りない変わりに結合力は弱く安定しない。胚を固定し、色素固定を同時に行なう
現在は、セロファン表面に色素を塗布し乾燥させ細く切ったものを用いる

発生

→ 2細胞期 → 4細胞期 → 8細胞期 → 16細胞期 →

絶えず細胞が移動。原口の縁を作っている細胞は刻々と変化している。背唇 dorsal lipへの細胞陥入が著しく激しい。統一的に細胞集団が移動しており、個々に動く細胞はない – 生体染色によりわかる
1. 陥入 invagination
2. 被覆 epiboly: epidermisに代表される

× 減数分裂, ○ 細胞形態変化
個々の細胞の形を変えることで表面積減少を補いた遺跡を変えない
Ex. 細胞の扁平化

▉▉▉▉ 胞胚末期 → ▃▃|▃▃|▃▃|▃▃ 嚢胚

3. 巻込 involution

瓶細胞 bottle cell形成 (= 細胞形の変化change in cell shape)
Exp. Isolated presumptive blastoproral cells

より大きな細胞に少し傷をつけて乗せると傷口同士が融合する → 陥入開始

⇒ 嚢胚形成期には卵は陥入能力を有する。その後暫くこの能力は維持される
問題: 現象の開始時期。卵割回数(一種のシグナル)。瓶細胞はどのような調節のもとで嚢胚期に表れるか
後期

前期
後期
神経管

魚類

内胚葉と中胚葉の陥入は、胚盤の回りを取り巻いて起こるが、上皮層が内部へ押し込まれることなく、原腸も形成されない
胞胚期に胚盤の後半部周辺にある内胚葉は卵黄の表面に沿って内部へ移動していく。細胞は内部へ移動するにつれて、それらは胚の正中線に向かって集中し、最後に胚盤の下に薄い層を形成する。中胚葉も初めは同じようにして陥入するが、後には陥入は胚盤の縁を越えて繰り込む過程として継続される
内胚葉、中胚葉との陥入、またその前後で胚の前方部で第一次器官原基の形成が進行している間に、胚盤全体が広がり、次第に卵黄のより多くの部分を覆う(両生類は卵黄栓が植物極細胞からなるのに対し、魚類では卵割しない卵白albumenのみからなる)

鳥類

不透明部分area opaque: 主として血球細胞、germ cell – 胚形成されると血管を通じ送り込む

将来の胚の後半部に向かって明域上層細胞が正中線に向け集まり帯状の肥厚(原条primitive disc)を作る。原条中央に溝が生じ、ここから内部に落ち込む細胞が中胚葉、内胚葉になる(葉裂delamination) – 陥入ではあるが、細胞が列をなし落ち込むため葉裂と呼ぶ
原腸が形成されない↓

原条前端中央から細胞落ち込みが活発に起こり、移入細胞は側方ばかりでなく前方にも移動して脊索を作る。相対的には発生が進むにつれ後ろに下がり、これがヘンゼン結節である

哺乳類 (mammal)

体節 segment, metamere

1. 中胚葉性体節 true or mesodermal segment
2. 体表だけの体節 superficial segment

神経組織誘導 neural induction

神経中葉胚: 神経管 neural tube → 脳 brain, 脊髄 spine

これから分かること → 予定表皮になるのは、ただ入って行くのみ出なく、伸びる性質をもともと持つ

全能性 – 受精卵
多様性 – 発生運命(細胞が一定のモノを形成するよう決められる)決定
単能性 – 新しい個体
発生運命の決定時期
a) 初期嚢胚 – 原口が出来始まったころ

予定神経域 → 表皮域に移植 → 表皮になる vs 予定表皮域 → 神経域に移植 → 神経になる
⇒ 発生運命はまだ決定していない

b) 後期嚢胚(神経胚まで) – 原口のほぼ完成したころ

予定神経域 → 表皮域に移植 → 神経になる vs 予定表皮域 → 神経域に移植 → 表皮になる
⇒ 発生運命は既に決定していた(二次胚の形成)

表皮や神経の発生運命は嚢胚中期頃に決定する

形成体(オルガナイザー)発見: hair loop, glass needle, pipette使用
原口上唇部(原口背唇部) dorsal lip: 自身は脊索 + 接触した外胚葉を神経管に分化させる働き
形成体: 胚の他の部分に先駆けて一定の構造をしたものを発生させる
原口 blastopore: 初期嚢胚でも運命通りに分化する。移された場所で陥入し脊索中胚葉となる(1924)
⇒ 組織の働きかけ = 相互作用tissue interaction

誘導説

a, b, c: 同じ組織 → 時間が経つと誘導能力に変化

1. 原口上唇部が陥入して脊索となる
2. 脊索は外胚葉を誘導して神経管、脳に分化させる
3. 脳の一部は中胚葉の誘導によって眼胚となる。眼胚は自律分化によって眼杯となる
4. 眼杯は外胚葉(表皮予定域)を誘導してレンズに分化させる
5. レンズは更に外胚葉に働きかけて角膜を誘導する

一次形成体 → 原口上唇部 / 二次形成体 → 眼杯 / 三次形成体 → レンズ

後生動物に広く分布
染色体上でクラスター構造を作り特異的なDNA結合領域を持つタンパク質をコード

誘導特性解析 analysis for nature of induction

技術 technical

異常誘導 abnormal induction

---- 等の作用を持つタンパク質性分画が取り出された。そして、これらの異なる誘導源の頭尾、背腹にわたる分布勾配により誘導される組織の特性を説明するモデルが提唱された。しかし、その機構は未詳で証拠もない

カエル嚢胚から切り出された予定ectoderm組織
培養塩類溶液中でNaClが一定量あれば神経や鱗細胞が、より少ない量では筋肉や間充織細胞が発生する。同予定ectodermを異なった時期にNaCl処理すると分化細胞型は神経や組織細胞から脊索にいたる
⇒ 仮説: 細胞内での結合型と遊離型の無機イオンの比率が分化方向を決定する

未受精卵に紫外線をあてるかあるいはhair loopにより核を除去する一方、epidermの核を抜き取り合成する
→ 正常発生, or → 異常発生, or → 発生しない
fertilized eggのoocyteの核除去 → 赤血球核を入れる(赤血球ではDNAを合成していない) → DNA合成
feritilzed eggの除核細胞でようやくrRNA合成能の表れたgastrulaの核を入れてやる → rRNAは合成されない → cytoplasmが制御

モザイク卵と調節卵

発生が相当進んでから発生運命が決定される卵
Ex. 哺乳類、カエル，イモリ、ウニ、ナメクジウオ

発生運命が発生の極初期に決定される卵
Ex. クシクラゲ、ホヤ、カイチュウ

個体発生に伴ない変化 (cf. 粘菌)
i) 細胞伸長cell elongation: 個々の細胞は均一に伸びる
ii) elongation of cell sheet - underlying

i), ii) 現実に合わない

iii) regional differentiation of cell elongation: 個々の細胞の伸びは均一ではない
Exp.
Isolated ectoderm (pr. n. plate) → individual cell elongation
Isolated pr. n. Plate + notochord → cell sheet elongation

primary mesenchyme → bone

特定の場所にたまる – 運動を停止し定住、あるいは認識しながらの運動

細胞自身が積極的に動くのではない受動的なもの
[細胞質 ゲル ↔ ゲル] = 細胞中の原形質が動くため Ex. 白血球や食細胞 – 血流に乗って動く

細胞が動いている方向にruffleができる(波打ち膜ruffled membrane)
ruffleのできるところにM.F.ができ、反対側にM.T.ができる = 動きたい方向に新たにruffleを作る
動く要因:
a) 接触阻止contact inhibition

細胞だけでなく、何か物質に触れると壊れる - 細胞増殖阻止の機能を持っていると考えられる

b) 接触指導 contact guidance

        →→→→→             基質にある配向によって並び方が決まる
(基質: 細胞表面あるいは生産物の作っている分子の並び方)

Neural tubleができるとき、その中からこぼれおちる細胞 – contact guidanceが起こる
Ventral crest: dorsal → ventral (= 真皮細胞のcontact guidance)へ動く
移動方向決めるのも= epidermis裏の真皮にある細胞 Ex. シマウマの縞

細胞形 cell shape

a) 陥入する両生類の原口にフラスコ形細胞
b) 鳥類の原条から落ち込む細胞にも形の変化

カエル原口のフラスコ細胞は、胚内側に面した側では偽足pseudo-podiumを出し周囲の細胞と緩く接着しているが、表側自由面では細胞膜が指状突起を出し合って陥入し、細胞どうしが電子密度の高い物質を介し強く結合している
フラスコ形細胞出現は、上皮性細胞シートが変化する際に普通に起こる。これに伴なう微細構造変化は、神経管形成で最も良く調べられる

神経化する細胞は、縦に長くなり、さらに窪みが生ずる部分では必ず細胞が円錐形になる

a) 細胞長軸に沿って直径180-250 Åのmicrotubleが150万本並ぶ
b) フラスコ形細胞では細胞の自由面の細胞膜直下に配向した直径50-70 Åのmicrofilamentが環状に配列。これが細胞自由面を収縮させ直径を減じるよう作用し細部を円錐形に変えると結論
これに反し、表皮になる扁平化した細胞ではmicrotubleがランダムに配列。この代わりに100 Åの太さのフィラメントが細胞を横切って走り、隣接する細胞との接着構造である接着斑desmosome同士をつなげるフィラメントと呼ぶ構造をとる
Cf. 円錐形細胞の首部分収縮はmicro-filament形成を阻害するサイトカラシンBにより特異的に阻害される。細胞伸長はmicrotubleの形成を阻害するコルヒチンやビンブラスチにより阻害される。これらの阻害は可逆的

選別と選択的親和性 sorting out and selective affinity

同じ型の細胞が癒合する → 器官形成: 一定の位置関係で配列

cell adhesion → dissociate → reagrregate (at random) → soring out
天然マーカーを利用 = 色の異なる複数の色素
plasma membrane + detergent (中性洗剤)

"legend" + receptor ×aggregation
"legend" + receptor + dissociated cells → ×aggregation

細胞の持つ受容体receptorがあるとaggregation阻害: 組織特異要因存在 = inductor作用 (in vitro)

粒子をコロイド状と考え、細胞同士がつく(つかない)を検討する
粘着力(W)大 → 細胞内でより内側にくると予測: Waa, Wab, Wbbの組み合わせ
W_ab ≥ (W_aa + W_bb)/2 → 2細胞は混ざり合う
W_bb ≤ W_ab ≤ W_aa → 中央に粘着力の強い細胞(この場合A)がくる
W_ab < W_bb < W_aa → 2つに分かれる
接着力: 同じ組織でも齢により変化する

Ex. ニワトリ脳細胞膜 8.9 d > 10 d (粘着性著しく低下)

分化した細胞の選択的親和性 selective affinity
1930'-40’ Hottfeter

amphibian: neural-tailbud → pH 9.6-9.8 → dissociate pH 7.3 → 再凝集 re-aggregate → 選別
a) 同じ胚葉の小片は融合する
b) ectodermとmesoderm, endodermとmesodermの組み合わせではmesodermが内側に位置する
c) 外、中、内胚葉の組み合わせでは外からこの順で配列する
d) 外と内の組み合わせでは別個の集合体を作る
⇒ 各胚葉の間に組織の”親和性”があると結論

Townes & Holtfeter: この現象が個々の細胞の性質に基づくことを示す
嚢胚期に出現する、この組織に特異的な選別現象はMosconaらにより5-12日齢ニワトリ胚や12-15日齢マウス胎児の多組織・器官で確認
手法: 組織器官をEDTAなどによりCa⁺⁺, Mg⁺⁺を除去した実験下でトリプシン処理し細胞を解離した。後に、通常の培養液に移した解離細胞を一定の速度で旋回することによって、細胞の型による運動性の差を無視できる条件で再集合させる ↓ 結果:

a) 解離された細胞は必ず無差別な接着(再集合)、選別という経過をたどって組織器官を再構成するばかりでなく、組織や細胞に特有の酵素活性をも示すようになる
b) この過程で細胞型cytotypeの転換はない
c) 異なる型の細胞の再構成体内での相互の位置関係は組み合わせによって一定している
d) 機能上同一型に属すし細胞は種が違っても選別対象にならない
e) 胚発生段階進行につれ、再構成される組織が不完全になる傾向

1907 Wilson HV

機械的解離mechanical dissociateしたカイメンの細胞 – 海水中で滅多切り
→ ガーゼで濾し集める = 細胞レベルのものだけが濾過される
→ 海水におくと、それらが再集合体形成
→ 数日後には立派な個体を再構成する
ただし、当時は生物としての下等性を示すものとしか受け取られなかった

1950-60 Wilson実験の再確認

CMF-SW (カイメン) → dissociate → normal SW → reagrregate
Microciona prolifera 赤色カイメン / Haliclona oculata 緑色カイメン

選別に対する考え方

(難点) 集合体内で細胞が特定配置positioningをとることは説明困難
特定タイプの細胞接着を促進する作用を持つとされる特質も、他の細胞タイプの細胞に働きかけて接着性を低下または変化させる機能を持つとすると特異的な機構を考えなくてもよい

(難点) 接着性の本質は何かという裏付けを欠く - 結局、細胞選別機構については不明の点が多い

中枢神経系 central nerve system

→ neuron
→ グリア(神経細胞への栄養供給)
→ 外套細胞 ependymal cells々の細胞は均一に伸びる

neural crest cells (migratory cells)

1) 神経管と体節の間を腹方に移動し、体節レベルで更に2つに分かれる
2) 背方を左右に広がって移動し、後に色素細胞に分化

a) nerve cells: cranial sensory nerve, dorsal root ganglion (Schwann cell), adrenal glandの親クロム細胞
b) pigment cells
c) mesenchymal cells, connective tissues, visceral skeltonのcatilage, skullの一部

ラベルされたものを移植し、どの細胞型がラベルされているのかを調べる

ウズラの核nucleolus → Feulgen-positive = クロマチンが染色される
染色されたウズラ細胞をヒヨコに移植することにより細胞分化を追跡観察できる

ウズラ: somite → gut asympath ganglion
ヒヨコ: 1-6に位置 → 副交感神経gut asympath ganglion

28 somite stage
Q18-24 tissue → [transplant] → C S1-6 = Q cellはC gut mesenchymeにある

Acetylcolinesterase分泌細胞になる

Q1-6 tissue → C S18-24 = Q cellはC adrenal medulla (chromatin cells)になる

軸索成長 growth of axon

網膜視蓋 retino-tectal relationship

St. 28: nerve cellsのDNA合成がほとんど済む時期
物質勾配の座標中で対応するもの同士が並んでいる
1) 走化性 chemotaxis, 2) 行動 behavior

上皮-間充織相互作用 epithelio-mesenchymal interactions

mouth ░░░░░░░████░░░░░░ anus
___________liver pancreas

全分化 cell differentiation↑, 全増殖 cell proliferation↓

全分化↓, 全増殖↑

tissue organ in vivo → そのまま → (1) organ culture
________________→ トリプシン処理 → (2) tissue culture
分化した成体の細胞は殆ど細胞分裂しない ⇔ 未分化細胞はまだ分化するため細胞分裂する
= differentiationとproliferationは両立しない?
どちらの方法をとるかは細胞の様子を知る決め手となる

器官培養 organ culture

epithelium + mes → differentiation
epithelium → ? (発生段階によるstage-dependent, ある時期になるとepitheliumだけでも自立分化能獲得)
mes → ?
endo, epithelium: 未分化 → [mesenchyma影響] → 自立分化能

→ 物理的に両者が接触している必要はない
mesは直接epitheliumに接しなくとも何か因子を出している

• 上皮 (間充織): Organ
• Endo (Meso): Pancreas, lung, liver, digestive tract., thynus
• Meso (Meso): Meso-and metanephros, 腎, 生殖器官reproductive tract., heart, spleeh
• Ecto (Meso): Skin, salivary gland, mammary gland, limb
• Endo (Ecto): Parathyroid, etc.
• Ecto (Ecto): Teeth

形態的分化morphogenesis: 形が分かるhisotological(定量測定は困難。経験的な勘に頼る部分多い)
細胞分化 cyto-differentiation: 定量的(酵素)

1. factor on mesenchyme: 低分子タンパク質(インシュリンに似る)? → mesodermに働く
2. epithelial reactivity: sensitivityの変化

epitheliumだけではある程度以上発生しない) →

I: mesenchymeの働きに応じる
II: 分化方向はほぼ決まっているがmesenchymeのその分化方向を保障する働きを増幅amplificationしている Ex. 肺等を作るmesenchymeを与えるとpancreasにならず肺になる
III: 自律分化

教示的 vs 許容的誘導

唾腺 salivary gland, 気管trachea

Cp. 胃上皮は齢により大腸か胃に分化 → mesenchyme = 許容的
部域によって教示的・許容的、自律分化の時期が異なる

instructive: mesenchymeによってなされる
permissive: 単なる増幅amplification
epitheliumが非分化でなけば誘導される
分化しなかったからといって、undifferentiatedとは必ずしも言えない
これを調べるにはepitheliumをmesenchymeから分離しin vitro培養を行ない分化を観察する
endoderm derivatives(派生物) → 消化管digestive tract
a) 場所(レベル)により自立分化能の確立期異なる

Ex. 食道、胃は早い時期

b) 分化方向の変更が可能な時期がある protodifferentiation phase I

形態的 morphological: Ex. 胃、腸の上皮観察
機能的 biochemical: Ex. 酵素、ホルモン - 分化するものが違う
形態的分化より以前に生化学的分化が起こる ↔ 生化学的に分化していれば形態的に異なる"表と裏"
しかし、はっきりしない場合がある

ectoderm (epithelium)
mesoderm (mesenchyme)
乳腺のmesodermでなくてはectodermができない

epithelium             
mammary gland +
mammary gl.      +

mesenchyme   
mammary gl.
顎下腺
submaxillary gl.

     differentiation    
→ mammary gl.
→ submaxillary gl.

     inplant     
→ in vivo →
→ in vivo →

懐胎期間 gestation
lactose (合成分泌)
lactose (合成分泌)
    (見かけは顎下腺)

形態的: submaxillary gland instructiveになっていた
機能的: mammary gland permissiveに働いた (結局permissiveに働いた)
最初のmammary glandは既にmammary glandへの分化ステップに入っていた (一見undifferentiativeであるが既にdifferentiativeであった)

中胚葉派生物 mesoderm derivatives

腎臓系 renal system

前腎 pranephros → 中腎 mesophros: 両生類成体でも残る → 後腎 metaphros: 爬虫類の羊膜類
1が退化して2が形成され、2が退化して3が形成される ⇒ 個体発生は系統発生を繰り返す

パターン形成 pattern formation

究極的には、ある物質(形態形成物質morphogen)の勾配があると考えた
足についてはmorphogenはproximo-distal
[事実] 細胞分裂をより多く経過したものより先端の形成に酸化
[推定] 置き去りにされたものは、そこに置き去りにされた時の値のまま維持される
positional value (PV): 一般的に細胞認知。シグナルの実態は未詳

神経管neural tube期に、この場を切除すると、その器官が生じない
→ 場を別な場所に移植すると、その場にできる器官を生じる (1910')
= この場には方向性がある
移植時期
neural tube stage → normal
tail bud stage → abnormal (180°回転した肢)

"area"を初期(neural – tail bud位)に切除 → 場によって補われるsubstituted by "field"

A-P / D-V, somatic layer mesoderm, epidermis epithelium

fore limb mesoderm + hind limb ectoderm

→ 前肢 fore limb (Cf. flapper: 海獣の鰭状前肢)

hind limb mesoderm + fore limb ectoderm

→ 後肢 hind limb ⇒ mesodermが主導権

指が正常よりも多くできる突然変異体
mutant mesoderm + normal ectoderm → mutant limb
normal mesoderm + mutant mesoderm → normal limb

⇒ 突然変異はmesodermで何らかの異常

中胚葉が発生の主導権を握っているように見えるが、そう単純ではない
orthotopic: そのままの状態で移植
heterotopic: 本来の場所ではないところ(向き、場所等)に移植
field > area ⇒ 場は本来器官形成に直接関与しないが、器官形成のpotencyは持つ

眼・鼻・心臓等は同様の場と域を持つ

外胚葉性頂提 apical ectodermal ridge (AER)

early limb bud → AER除去 → ×limb bud growth, ×distal structure
AER除去(AERが働く部分)
→ 腕先できない → 手できない → 指先できない AERはlimb budの成長を促進する [AER ← interaction → mesoderm]
前足と後足のAERを交換しても支障はない
AERは直ぐ下のmitosisを促進する – ある範囲でしか促進作用がない Ex. ニワトリ = 350 μm
AERは逆にmesodermからも影響を受けている
雲母板 – AERの高さが低くなり成長する
足形成以外の部分のmesodermに乗せても背長しない → このAERは足を作るmesodermに依存している

以上のようにmesodermがAERに働く機能を”AEMF”と呼ぶ limb budの細胞分裂増加を促進するAERだけではmutant(指が多い)が形成される。正常発生では、細胞移動などという条件も必要

細胞移動: mitoticrate, cell mobility
細胞が動き易いほどコンパクトな器官は形成されない

結論: AER = 有糸分裂mitosis促進、細胞移動性cell mobility↑, 細胞接着性cell adhesiveness↓

細胞死 cell death

65時間後なら体のどこに移植しても細胞死が起こる

体軸方向 (anteroposterior)

一般には下等な生物ほど、同種では若い個体ほど、再生力高い
Ex. プラナリア・ヒトデ: 全身を一部から形成
Ex. イモリ: 手足再生可能
Ex. 哺乳類: 傷口治癒

両生類の肢再生 (limb regeneration in urodelan amphibians)

レンズ再生 regeneration of lens

図. C. pyrrhogasterにおける虹彩からの水晶体再生過程

全体としてみれば、分化と再生の進行方向は同じ

1. 置換transformation: bone / muscle → blastema → bone/ muscle
2. replacement by unspecialized cells (未分化細胞が未然に貯蔵される)
3. modulation (≈ redifferentiation)

2n足骨除去 → 3n骨埋め込む(挿入) → 切断 amputation → 再生 → 再生骨 → 再生体
3n = bone, perichondrium, connective tissue. 2n = muscle
同様に足骨の変わりに筋肉を除去し3nの筋肉を埋め込む
3n = bone, connective tissue, muscle: 全て筋肉由来
⇒ 筋肉を完全に除去するのは困難なため、後者の実験は追試成功例がない。置換の有無は未詳だが、関連したものに置換する可能性はある

Thickingの意味

レンズを抜き取るときdorsal irisとレンズの間の非常に密接な連絡が物理的に壊されてしまう

ゲノム -■■■■■----------------

クリスタリンタンパク質遺伝子: レンズ再生時にここのみ活性化

細胞のタイプごとにdifferential gene expression (細胞質の因子の違いが遺伝子活性の違いを決める?)

下等無脊椎動物の再生 regeneration on lower vertebrates

再生芽 regeneration blastema: 再生時の未分化細胞 – neoblastがここに集中し細胞分裂を行なう

cell division
cytoplasmic basophilia = free ribosomeが非常に多い
neoblastは最初から存在している? 腸間細胞が普通の状態でもmesenchymaに落ちてきてneoblast状の細胞になっているらしい?
Special reserve cell (stock cell)

内胚葉と外胚葉の間にある intorstitial cell – 刺胞cnidoblastの供給をはかる
Exp. intorstitial cellがなくてもhydraは再生できる
Hydra → [tripsin] → ectoderm / endoderm → whole hydra
I-cells → 刺細胞cnidoblast (絶えず行なわれている分化) ⇒ 外胚葉

_ → nerve cell, germ cell____________________ ⇒ 外胚葉
_ ↔ gland cells____________________________⇒ 内胚葉
_ →(?) epithelio-muscular cells_______________ ⇒ 内胚葉

I-cellという特定の再生用細胞を用意してあるから再生力が強いというわけではない

巨大染色体(多糸染色体、唾液腺染色体) giant chromosome

有糸分裂で見られる染色体の形、大きさと対応している
大形(通常染色体の70-150倍、1024倍まで増加)で、顕微鏡観察可能
多数の横縞 = DNA局在(2600ÅのX線吸収とフォイルゲン反応でわかる)
突然変異体は正常のものと比べて横縞に変化がある

パフ現象 puff

DNA活発化 → mRNAを合成している = パフ周辺にmRNA集中している

RNA合成: DNA → RNA → protein

哺乳類では卵割初期からrRNA合成が行なわれている
→ 卵割時点でのrRNAの貯えがない

RNA合成調節因子 – cytoplasimc factors

Blastula dissociated cells → ×
Neulula dissociated cells → synthesize 18S/28S RNA
(Neulula + Blastula) culture → ×
Neurlra in conditioned medium → ×
⇒ inhibitor exists in the cytoplasm of blastula

熱に安定な低分子 – 遺伝子との結合特異性(転写抑制)が考えられる

= micro-interjunction

タンパク質合成 protein sysnthesis

嚢胚-外・中・内胚葉: 機能的に区別される – バラバラにする – 分別sorting out

Hb – eryhrocytes, Fibroin – silk gland, Ig – lymphocytes, etc.

遠心 → a) 有核__________← タンパク質を測定比較
______ b) 無核 → 単位発生↙
³H-leucineをS.W.中に入れる → タンパク質に取り入れられる
PCA, TCAでタンパク質を沈殿(RNAも沈殿するが条件を変え40°C位にするとRNAは溶けるので外せる)
全胚 whole embryo (egg) - encleated: nucleated = 1:1
encleated egg (parthenegnetic merogene): 量的に小さくはなっているがパターンは同じ = 同じような働き

Actinomycin D (AMD) treatment: gastrulationが起きない(それまでは正常発生)

受精直後のタンパク質合成: AMDに非感受性
Gastrulation: AMDに感受性あり
転写transcription必要 – morphogenesisには新しい遺伝子必要

unfertilized egg: no protein synthesis / fertilized egg: protein syntesis
unffertilized cytosol + fly m-RNA (polyU) → protein sysnthesis
E. coli cell-free system + sea urchin unfertilzed RNA → no protein synthesis
⇒ transitionのための装置は揃っている。mRNAも存在 = mRNA masked by some proteins
受精によってマスクが外れる
[masked mRNA] = maternal mRNA (未詳)
unferilized egg: preformed proteins/mRNA – 受精により活発化される

AMD treatment → 胞胚 / No treatment → 胞胚
⇒ 生産されたタンパク質を比較 = 様々な時期に取り出してmRNaseに対する活性を見る
発生進行に影響はないが新たなtranscriptionが起きていることが分かる
"preformed" mRNA + newly transcripted mRNA
post-ribosomal fractionに含まれるRNA → hisoneに対するもの = preformedなものとしてmRNAに存在

(Cf. newlyなものにもhistoneに対するものがある = 二重保障)

ヒストン histone: 分離し易い。同定可能。塩基性

扱い易いので偶々使っていたらmRNAが引っかかった。他のタンパク質は調べられていない

"Maternal mRNA"として、これまでに同定されたもの

histones, microtubles, ribonucleotide reductase = 細胞分化というよりはhouse-keeping的なもの
孵化酵素 hatching enzyme (ウニ)
chorion: 発生が進むにつれて硬くなる

魚・カエル________ウニ: 回転することによって胚を攪拌
孵化 incubationの2, 3日前に胚を裸にし胚をぎっしり詰めこむ = 高濃度の酵素が得られる

→ meternalである証拠 (溶けて平べったくなる)

細胞顆粒内に活性 → 可溶性部分に移行
HE → 性質の違い = 1) Mg⁺⁺-sensitivityの差。2) 同種異種の細胞膜
A(♀) × A(♂) →Aの受精膜のみ溶かす
B(♀) × B(♂) → AX, BX, CX
C(♀) × C (♂) → AX, BX, CO
A(♀) × B(♂) → AO, BX
B(♀) × A(♂) → AX, BO
⇒ paternalなgenomeの影響は受けていない

孵化するのはtail budだから / 雑種の分泌顆粒: EM的に見てもpaternal effectは見られる
⇒ ウニの孵化酵素はカエル、魚類のものと機能的functionalには相似だが発生的には異種

"O"突然変異 "O" mutant on Axolotl - Ova deficient
Gastrula-arrestで発生がを止まる変異 – 劣性
"oogenesis processで作られGVに蓄えられる物質" → gastruaになってから発生に重要
⇒ ある種の酸性タンパク質 = "preformed protein"
"mid-, late blastulaから機能して核のgenomeを不活性化する"
mRNAとして長期保存される – 真核生物の特性 ↔ 原核生物では非常に短い期間しか保存されない

ウニ: unfertilized egg, x% (usually 2-3%) template
= 分子量3万のタンパク質が1000-2000個以上であり膨大な量といえる

performed maternal mRNA – translotionでの調節

ホルモンによって排卵される寸前のもの。1ヶ月位培養可能

その後oocyte – 上方が与えられれば無差別に利用
Hb extracted from mouse, rat, duck – mRNA reticulocyte: α-, β, α+ β-, etc.
Injection to the full-grown oocyte of 4th-day todpole fertilized egg
与えられたメッセージに対して、その産物を発生を正常に行ないつつ作る – 効率は1/3位

mouseではα:β = 8:10 (細胞内でのregulation) → oocyteではα:β = 2:10 ⇒ + hemine: 8:10に近くなる
胚自身のHb (3日目位から作られる)を作りつつ、他のHbを作る
メッセージを分解しないで安定に保つ機構を真核生物の発生途中の胚は持っている

Hela cells → 5 oocytes (assayに十分) + ¹⁴C-AA
→ incubation at 23°C for 6 hr → AA^* (23°Cはもっともoocyteの活性が保たれる)
ある物質(大部分)はsuppressedされる = "turn-off"
後に一部(特定のもの)がactivateされる = "turn-on"

意味のある塩基配列はどの位か
"initiation of transcription"
"gene amplification" – not universal
[regulation of gene activity] - Each cell includes a constant DNA

食作用 phagocytosis: 原核生物では栄養摂取に用いられる
少なくともヒドラ以上(= 細胞外消化レベルを離れる)になると食作用は外敵防御の役割がある
⇔ 同一種を食作用しない = 種レベルの認識機構存在

体内に抗体antibody形成され、その抗原antigenの体内侵入時に、速やかに抗原抗体反応起こり、抗原より作り出される病的症状が消失あるいは減少できる状態
[抗体の特徴characteristics of Ab]

a) "Specific" – antibody (Ig, or Ab = immunogloblin) vs antigen (Ag) ⇒ enzyme-substance relationship
b) immunological memory

高等生物: 10⁶以上の種類のAbを作りうる → いかなる抗体を生産するか
→ Lymphocytes (including plasma cells)

先天免疫と後天免疫

自動免疫(能動免疫): 自己体内に抗体を作る

病後免疫: 病気等により抗体を作る
人工自動免疫(ワクチン・予防接種): 抗原を処理し毒性を弱め体内接種することで抗体を作らせる。抗体形成まで時間がかかるが(遅効性)、抗体ができると長持ちする。Ex. 細菌性= BCG、腸チフス、パラチフス、コレラ、百日咳。ウイルス性 = 小児麻痺、天然痘、日本脳炎

他動免疫(受動免疫): 他の生物の抗体をもらう

血清療法: 他の動物に抗体を作らせ、抗体のできた血清を接種することにより一時的に免疫を得る。速効性だが、長持ちはしない。Ex. ジフテリア、蛇毒、破傷風、ワイル病
→ 血清病: 他の動物の血清に対する抗体が形成されるために、その血清の2度以上の接種の際に抗原抗体反応が見られ、場合により発熱、発心、痙攣、ショック死などを引き起こす

アレルギー

Ex. ツベルクリン反応(ツ反): アレルギー反応利用 → ヒト型結核菌を加熱滅菌し、濃縮菌体を濾過し2000倍に希釈して人体に0.1 cc接種し48時間後測定する

抗原抗体反応

沈降線の出来方: X, Y = 抗原、x, y = 抗体
1)_X___X____2) X____Y____ 3) X___XY___4) X____Y
__
_____x___________x____________x__________xy
┏ ♥ 抗原 antigen^*
┃ ___↓ 1回目 – 抗原による病的症状を起こしやすい
┃ ♥ 抗体形成^**
┗━━> 2回目以降 – 抗原抗体反応起こり病的症状は殆ど起こらない

*: 抗体を作らせる物質 - 非自己物質 = 異種タンパク質、多糖類、核酸等
**: 血漿中にγ-グロブリンとして存在。抗原と速やかに反応し害のない形にする = 免疫形成

抗体産出

抗体産出細胞(プラズマ細胞)により行われる ⇐ プラズマ細胞: 白血球の一種(骨髄 → 胸腺細胞)

B細胞: 骨髄由来。抗体産出細胞に分化する
T細胞: 胸腺由来。直接抗体を作らないがB細胞の調節に働く(ある場合は分化を補助、ある場合には抑制)
マクロファージ: 抗原を処理し適当な抗原情報をB細胞やT細胞に提供。B細胞やT細胞に養分を与え分化や活性化に重要
抗原認識細胞
抗原記憶細胞

液性免疫反応(応答)humoral immune response

1) humoral
2) cellular, or cell-mediated

抗体価測定方法: 血清反応がみられる低濃度限界を計る

Ex. 倍々希釈 2^-1, 2^-2, 2^-3, 2^-4, etc. 10倍希釈

a) 凝集 agglutination
b) 沈降 prepicitation: 抗原が血液の場合にはa)ではなくb)を用いる(本質的には同じ)
基本的にAbは2ヶ所Agと結合部がある

"抗原性"の条件

抗原としての認識部位は巨大分子中の一部の特性に基づく
Ex. DNPとTNPの認識区別可能。しかしこの2種が単体のときには1に相当せずAbを作らない。実験では、これら2種をAlbumin等につけて異種に注入しAbを生産させる
一度作られたAbは抗原決定能力を有し、例えin vitroでもその反応性は有している Ex. DNP-TNPの区別
Ex. 1. frog Ig → into mouse → produce anti-frog Ig
Ex. 2. ウニ発生数段階のものをウサギに注射し、各段階のIgを作らせる

→ 他の発生段階のものに接種すると各々の段階における特異的タンパク質が見つかる

抗体タンパク質の構造 structure of antibodies

Ig Classes

自己に対するクローンcloneもできるが、発生初期に多量の抗原により抗体は消失する
初期リンパ増殖も死滅も盛ん
圧倒的にAg(自己抗原)が多いとAb生産が抑制される事実もある

* B細胞の抗原受容体としてはL₂μ₂。** アトピー性アレルギーの原因

有尾類と無尾類の差が大きいことを示す例

effector function of Ab

凝集素agglutinin: 特異的抗原(凝集原)を凝集させる → IgG，IgM，IgAに属する
Ig-particles (ex. virus, bacteria, cells) → 可視レベルにまで凝集させる

抗原粒子が光学顕微鏡で充分観察できる大きさのものではないと凝集反応起こらない

凝集素価: 凝集反応を示す最高希釈倍数

[opsonization: enhanced phagocytosis] → induced hemolysis = Ag

溶血機構

抗体保存: Ibを含まない血清にしておく
spleen cells = plasma cells

C_{1, 4, 2, 3}まで結合すると促集 cell adhesion
→ phagocytosisが起こる: macrophages (Mφ), polymoyshonucleocytes (PMN)
macrophageとIbとの結合部receptorがある – allostericに変化した結果
⇒ [推論] 結合がsignalになってphagocytosisが始まる

Ex. 1. ヒツジの白血球は5-6のAbしか食べられないが、それ以上のcell adhesionが見られる = opsonizationの利点
Ex. 2. Protozoaの栄養摂取 = phagocytosis
Cp. 無脊椎動物: Igがないがphagocytosisは盛ん。Opsoninは発見されている - Componentの成分の差?

起源: 個体発生および系統発生
150000 (MW) × 10⁶ spp.ものパターンが考えられる

細胞性免疫 (cell-mediated immunity, cellular immunity)

a. 自己: autogenic, or syngenic
a'. 同一株 strain: autograft – 自己から移植したものの意味
b. 同種内異個体: allogeneic, or allogenic
c. 異種個体(異種以上の差のもの): xenogeneic, or xenogenic

– 免疫反応の証拠 (∵ 細胞移植が抗リンパ性のものを与えると反応する)

受容者-供与者関係 host-donor relationship: 生存時間 survival time

組織適合性 histocompatibility Ab gene(s)

一次反応: < 10日 = majorの違い
二次反応: 30-100日 = minorの違い
平均生着日数median survival time, MST
MST < 20 days: 急性acute = majorの違い
MST > 20 days: 慢性chronic = majorは同じ、minorの違い

動物                          移植片生着日数           飼育温度
                              ------------------------
                              一次         二次        (°C)

円口類     メクラウナギ       72 (41-140)  28 (18-119)  18.5
           ヤツメウナギ       38 (21-291<) 18 (7-252 <) 18-21
軟骨魚類   ネコザメ           41 (27-48)   17 (15-22)   22
硬骨魚類   アロワナ           18 (13-25)    5.1 (3-7)   25
           キンギョ            7.2(6-11)    4.7 (4-6)   25
有尾両生類 イモリ             42.6(35-57)  19.4 (16-25) 20
無尾両生類 アフリカツメガエル 18.9          6.9         23
           ニホンアカガエル   14.0          9.2         20
爬虫類     カミツキガメ       47 (41-76)   25 (20-32)   25
           ガーターヘビ       41 (31-53)   25 (21-29)   25
鳥類       ニワトリ            7           3-4
哺乳類     ハツカネズミ       11            6

: 交叉の結果
AA ↔ AA, BB ↔ BB: choronicな拒絶反応が出てくる = minorの違い
H-2(第17染色体): ● ··· -K-A-B-J-E-C-S-G-D-L-···-TL
HLA(第6染色体): ● ··· GLO-1 ··· D-B-C-A-
H-2(マウス)とHLA(ヒト)の遺伝子地図: LDとSDの位置を比較すると、H-2とHLAは逆位の関係にあることがわかる

Major histocompatibility complex, MHC

異なったコロニー同士 &rar; "non-fusion" reactionがしばしば起こる - cytolysis
同一コロニー同士 → strain – 無性的に増える(有性生殖もする)
─── fusion
- - - - non-fusion

Haploidあり: 共通項が1つでもあるとfusionするが1つもないとnon-fusion
脊椎動物でのcellular immune responseと異なる。二次反応見られない
AB × AB → not ferilized: egg-sperm接合に細胞表面の認識機構がある
Cf. サンゴ: 同種内異系 – non-fusion。二次反応は見られない
特異性、二次反応という2点からすると脊椎動物に特有なもの

針を刺す(機械的な刺激だけで反応)。生理的食塩水を注入しても起こる
- agglutinin, hemolysis, etc.
"lectin"は、ある特定の糖質に対して凝集(特異的)だが、始めから有している(全くの偶然?)

Abの多様化機構 mechanism of Ab diversity

抗体産生細胞 → 抗体のもととなるタンパク質 → Agを鋳型に厳密な立体構造を抗体産生細胞中でとる
現在否定的: 決定的な欠点 = メモリーを説明できない

ダーウィニズムの焼き直し: 抗体の対応性というものはランダムにできる。多種多様な抗体産生細胞のクローンが存在する。抗原が体内に入って来ると、それに見合う抗原を作る抗体産生細胞のクローンが増殖する
クローン: 1つの細胞に由来した細胞群

C-regionに関しては極端に言えば1 geneでよい – 思ったより少ない遺伝子で多様性は形成される
選択説が正しいとすれば、純粋単一のIgGを取り出すことは不可能
白血病 = プラズマ細胞異常増殖 → 特定のIgG取り出せる → 構造決定

Ig-mRNA → cDNA → Ig genes = 構造決定

a) V₁-V_n: 1遺伝子に1-n = ゲノム(n)あたり1個 [C_c, C_H1, C_H2, C_H3]
b) (V₁-V_n)-C_c: 常に同じ [(V₁-V_n) – μ, δ, γ, α ]順に配列

遺伝子構造の変化

c) fetus vs adult
他でもこういう機構はあるのかもしれない(扱っているレベルが違う)

分化したlymphocytesでも他器官に分化する能力を有している。しかし、抗体を産生するかどうかは不明。抗体産生の遺伝子については変化が起きているのかもしれない

個体発生中に起こるか、germ line (10³ × 2)で規定されている – どちらが正しいとも言えない
Cf. 個体発生中で分化: lymphocytes(特殊な細胞) – 変異を起こす

Ag ← lymphocite (non-specificな副産物であるタンパク質) = direct Ib
Release "lymphokine(s)" – many types
Ex. Macrophage → [inhibition*: targetに対して位置固定] → activation *: 矛盾しない(in vitroで再現可能)

a) A ↔ B: 相乗効果で増殖速度増す
b) A ↔ B: 放射線糖でBの分裂抑制 = Aの分裂速度は普通と変わらない
⇒ lymphokinesの実証

細胞性免疫の存在

リンパ球ではないか – 血液細胞hemocytes (ホヤにはない)

Cells and tissues commited to Ab responses

近くのリンパ節lymph nodes、膵臓spleenに最終的には行き、細胞内皮系reticuloendothelial system (RES) (mesoderm origin)に至る。抗体を作る細胞にAbは入って行かない – 指令説を否定する根拠の1つ

→ Rat Ab – mouse Ig: プラズマ細胞中のRER内部でAbは作られる
Abを作るのはプラズマ細胞の他に"small lymphocytes"がある。ただし、プラズマ細胞が体液性抗体の代表であるのに対しsmall lymphocytesは違うこともする。即ち、移動性に富み、血管外にも出る(遊走細胞)。Ig分泌確認され、Igがsmall lymphocytesに付着していることがあるのも分かっている
"small lymphocytres"の起源 = large-and medium-sized lymphocytes → small lymphochtesにならない限りAb付着しない
⇒ large-and meidum-sized時点でクローン選択がなされ、それがsmall-sizedになり最終的にプラズマ細胞となる(全てではなく限られた集団)

一次(1°) lymphoid organ

胸腺 thynus, ファブリシウス嚢bursa of Fabricius (イタリア解剖学者)

a → T × → wasting desease and death (完全に雑菌を断った所で生育させれば生き延びる)
b → T × → × skin graft rejection, ∇Ab production
⇒ 胸腺はAb産生に何らかの形で関与している(bの能力を与えるのが胸腺の役目)
"age involution": 年齢が進むと組織的、機能的に退化する代表的なものとして胸腺があった

網目状の上皮性細胞がmedullaからcortexへ大量に出る

若い個体ではcortexのリンパ球発達。成熟個体では退化し、リンパの代わりに脂肪等が入りこむ
未梢化"peripheralization": 胸腺 – no Ab formationだが未梢化能はある

滑液嚢(包) bursa: 鳥類のみ存在 - 機能から考えれば他の動物でこれに相同器官があるはず*
* basal-equivalent organが想定され、哺乳類ではbone marrowが有力

T cell ×: これをマーカーにして研究する試み
医学的にはB cell異常は生存可 – 2, 3ヶ月おきにimmunogloblinを摂取すると大丈夫
Tリンパ球、Bリンパ球への分化決定は、それらがTに入るかBに入るかで決まることは間違いない。それらが循環系により膵臓やリンパ節に移動しプラズマ細胞形成し抗原により決定される(permissive differentiation)
T: killerになりうる
B:Ab producing (plasma cell)
____Ab↓
T → [helper] → B
Helperを介してAgへのAb生産をプラズマ細胞は行なう

    ↓ skin graft rejection (3n), Ab produciton (2n) – helperの存在
B cellsは直接Agに触れてもAb productionをするわけではなく、何らかの"process"がある(helper)
したがって、胸腺切除で多くのAb生産が止まる。だが、胸腺からのhelperを介さないAb生産過程もある

[1983年: 多くが研究段階]

Development of lymphoid cells and organs

魚以上の胸腺は全て鰓域branchial region

Thynus (2n) / transplanted graft (3n)
すると4-5日目のものでは3nの胸腺原基中に2nの細胞が入って来る
6日目以降のものでは、既に胸腺原基中に3nの細胞が入っているため、さらに原基の外に膜を作り2nの細胞の侵入を妨げる
また、原基は周りの細胞になるべきものを選択して引き寄せる
Hostの齢に関わらず、5日目の原基を与えると細胞は分化する"stem cell"
同様のことがBursaでも言える

Stem cellsはanalagenに入っていける → lymphocytes (T/B) → periferalization (T/B) = Ag
a, b, cのどこかでキメラを作る = Tail bud: 2nと3nのキメラを作る – 胸腺未分化段階
a) 全て3n胸腺中のlymphocytesを作る
b) 全て2n胸腺中のlymphocytesを作る
c) 3n > 2n
⇒ かなり後方にlymphocytes origin (= stem cells)存在 → dorsal-ventral chimeraを作るとventral-sideにあることが分かる

胸腺で行なわれる

    ATX cut            ATX cut   ATX cut
    ↓                 ↓←AT    ↓←BT (この実験はまず失敗する)
    ×graft rejection  OK
    A → O             A → O
    B → O             B → ×
    C → O             C → ×   BTがAを認識しAに対して
                                 反応し衰弱死に至る

Aは自分のことをまず認識可能となる。更にBへの認識能力を持つ (A&B-self) – 寛容"tolerant"
また、分化するlymphocytesはA由来: stem cellは成体になっても存在し、Bの胸腺に入り変化しうる(100日とか長期を要するが)
Stem cell = 白紙null

自己に対するクローン(random mutation)もできるが、発生初期に多量の抗原により抗体は消失する
初期にリンパ増殖も盛ん

形態発生(形態生成、形態形成 morphogenesis)

一般に、高次構造を持つタンパク質や細胞構成要素以上の単位における形態変化 → 高次複合過程

循環過程 cyclic process
成長 growth = 量的変化 ⇔ 分化 differentiation = 質的変化

Ex. 休眠 dormancy、老化 senescence、加齢 aging
器官脱離 abscission
後熟(追熟) ripe - fruit set形成後の期間を指す
裂開 dehiscence: 落葉は積極的細胞分離

特別な代謝過程ありdehiscenceである

器官決定遺伝子 organ identity gene
分裂組織決定遺伝子 meristem identity gene

傷害応答 wound response
物理的接触応答 physical coutact response

根形成は根端細胞分裂増殖活動による

young: shoot apical meristem (根でも同様)
young: root apical meristem

極性 polarity

胚的発生embryonic development: 全細胞が分裂 → 胚完成
頂端分裂組織が分化し細胞は分裂を盛んに行う
= 細胞が成長するのではない

↓ 植物と動物の成長の意味が異なる
growth (s.s.) = 大きさが増すこと、(s.l.) = 分裂による細胞数増加

植物の運動 plant movement

成長運動 growth movement

屈地性 geotropism = 重力
屈光性 phototropism = 光

好光性 photophilic/photophilous
向日性 heliotropism ↔ 嫌光性 sciophilous

屈水性 hydrotropism = 水
屈化性 chemotropism =化学物質
屈触性 stereotropism (thigmotropism) = 接触

雲母板: 子葉鞘に挟むとオーキシン移動しない ↔ やや下に挟むと移動

傾光性 photonasty = 光 Ex. タンポポ･マツバボタン花開閉(明るいと開く)
傾熱性 thermonasty = 温度 Ex. チューリップ・サフラン花開閉(高温で開)

膨圧運動 turgor movement

生体膜電位が関与

葉柄基部の膨らみ - この中の膨圧により葉が支えられている
振動、光、温度等の刺激により、葉柄基部の水分が移動し膨圧変化
葉が閉じる

(睡眠運動・昼夜運動)

Ex. 葉: マメ科(オジギソウ、ダイズ、シロツメクサ、ネムノキ)、カタバミ

乾湿運動

Ex. ホウセンカ、カタバミ果皮裂開。シダ胞子嚢裂開、マメ類鞘裂開
Ex. マメ・アサガオ旋回運動(自発的成長運動 + 屈触性)

細胞内運動

Ex. 原形質流動

高等植物生体内で作られる有機化合物で成長や種々の生理作用を制御する機能を持つ。微量で有効

低濃度で成長促進あるいは阻害する有機化合物。成長を質的に変化させるものも含む
生体内で合成されない物質を含む。成長抑制物資も含む

いずれの濃度でも促進作用示さない成長阻害物質

生産個所と作用個所が異なる必要はない
生産は特定個所でなされるとは限らない

生物検定法 bioassay (測定法)

Ex. イネ葉身基部屈曲試験法 rice lamina joint test →

ブラシノステロイド発見 - 類縁化合物発見につながる

感度高いが精度低い

酵素イムノアッセイ ELISA: 酵素結合抗体使用 - キット市販
ラジオイムノアッセイ: 同位体標識抗体使用

a) オーキシン(成長素) auxin

オーキシン作用発現には核酸・タンパク質関与

インドールアセチルグルタミンサン検出

それ自身にオーキシン作用はない
Ex. 炭素数14-18の飽和及び不飽和脂肪酸、ファルネゾール farnesol
Ex. 古代エジプト人知識: イチジク若果実 + オリーブ油 → 果実肥大

= オリーブ油がオーキシン賦活作用を持つ

成長ホルモン [成長点 → 寒天 → 成長部]移動可能物質(液体)
屈曲量 ∝ 寒天に移動したホルモン量
寒天片に乗せ屈曲量求める

屈曲量から未知ホルモン量推定可

図. 根、芽、茎、花の反応性の相違 (Thimann
1937) - 否定的

離層葉側 → 離層形成抑制 ⇔ 茎側 → 促進

離層形成層両側オーキシン量比: 葉側大 → 抑制 (逆も真)

※ 後に離層形成にアブシジン酸、アミノ酸当も関与が知られる

仮説: × オーキシンの直接作用 ⇒ オーキシン → エチレン → 作用

バナナ果肉切片エチレン生成 - エチレンにより阻害

極性移動

茎先端切口上部に寒天 → IAA移動 ⇔ 茎下部切口に寒天 × 移動
∴ IAAは茎頂端部から下端部に向かい移動

生理作用

高濃度で細胞成長抑制 (☛ 除草剤)

オーキシン処理 → 13分 → 成長開始

拡散合成・タンパク質合成阻害剤加えても13分 + 成長促進率低下

オーキシンに対する反応は阻害剤では影響されない

オーキシンによりプロトン産出 - 低pHが維持される
(オーキシンを与えなくても酸性にすると組織伸長開始)

クラウンゴール crown gall: IAAなしで細胞分裂進行

頂芽優先(側芽抑制) Ex. 頂芽切口にIAA - 側芽伸長抑制

→ 離層形成抑制
落葉寸前の葉: IAA高濃度 - 茎に移動は微少 (老化 - 移動阻害)

根原基成長に作用 (☛ 農業に応用)

生合成

(根拠) Trp多い組織でIAA多い + TrpからIAA生成酵素豊富

→ (トランスアミナーゼ) →   Iピルビン酸 →   Iアセトアルデヒド → IAA
↘(Trp脱炭酸酵素)→トリプタミン →(アミンオシキターゼ)↗

b) ジベレリン gibberellin, GA

イネ馬鹿苗病は馬鹿苗菌が寄生し、その分泌により生じる

丈低い植物に著しい成長誘導 → 丈低 = GA生産相対的に少ない個体

同年にベニバナインゲン(英)、トウモロコシ(米)からGA₁確認

生物検定法 bioassay

Ex. (矮性)イネ点滴法 (村上 1968)、浸漬法

GA_n or A_n: 構造が明らかとなった順に番号(2020年 n = 136)

高傾向: 3位(A環)と13位(C環)にOH ↔ 低傾向: 炭素20個のGA

• 葉成長促進: 縦方向伸長促進 + クロロフィル形成促進されない
• 頂芽優先 = 側芽成長抑制
• 休眠打破 Ex. 光発芽種子暗発芽促進
• 単為結果 Ex. 種なしブドウ: 蕾時にGA散布すると種子作らない
• 雄花形成: Ex. キュウリ ⇒ [GA↑ → ♂↑ / GA↓ → ♀↑]
• 老化抑制: 黄化抑制

1941 Mitchel: 2, 4-dichlorobenzylnicotium chloride(合成化合物)
その後、多くの成長抑制合成化合物発見 - 自然界にはない

報告: 実際の植物体での生理効果は1 nM以下で機能

生合成 (☛ biosynthesis)

ミクロソーム中の水酸化酵素が働く

c) サイトカイニン cytokinin, CK

DNA加水分解物を組織培養培地に付加 → 増殖促進

カイネチン ≡ DNA加水分解物を精製・結晶化した物質

サイトカイニン ≡ カイネチン同様の生理作用持つ天然化合物総称 (s.s.)

Def. s.s. + 6-aminopurineの6部位アミノ基に通常炭素数5の置換基が結合した基本骨格持つ誘導体群(9位のN原子にribofuranosyl基かribofranocylphosphate基が結合した形でも存在)

ゼアチンzeatin抽出: カイネチン様生理作用 ⊂ 植物ホルモン

カイネチン濃度の影響は組織で異なり、低濃度で根分化、中濃度で著しい細胞質分裂とカルス塊形成が起り、高濃度で葉条芽の分化がみられる
1970 Skoog: タバコ髄組織老化細胞(液胞充満)

+ (サイトカイニン/オーキシン) ⇒ 細胞分裂開始

1980 Huneeus: ゼアチン、イソペンテニルアミノプリン

繊維芽細胞(良性腫瘍)DNA合成促進

1981 Becker & Roussaux: ショウジョウバエ培養細胞増殖促進

1957 Richmond & Lang: オナモミ葉柄をCK水溶液に浸漬

長期間緑色を保つ - 低温ほど顕著

タバコ葉: 処理2分後に気孔開く - ホルモンとしては極めて早い反応

生合成

d) アブシジン酸 abscisic acid, ABA

アブシジン abscisin (abscissionから)と命名

ドルミン dormin (dormancyから)と命名

休眠や成長抑制、気孔の閉鎖等を誘導
乾燥等のストレスに対応して合成 → ストレスホルモン(別名)

生理作用

高濃度ABA/低濃度GA → 休眠誘導 低濃度ABA/高濃度GA → 休眠解除

Ex. キク、クロスグリ、タマネギ、ウキクサ、ワケギ
Ex. カンバ(Betula)冬芽: 短(長)日条件 → ABA↑(↓)

キュウリ胚軸等からは成長促進作用が報告される

∵ 果肉を洗浄すると種子が発芽する

ABA処理 → 気孔閉孔は数分で開始
ABA処理 → K↓↓↓ + 孔辺細胞膨圧↓ → 気孔閉孔誘導 (Raschke 1977)

Ex. モモ、リンゴ、オリーブ、ミカン

e) エチレン ethylene, C₂H₄, CH₂=CH₂

→ 核酸・タンパク質合成関与

G₁-S期へ移行上ではS期直前のタンパク質合成直前の所に位置する

互いに拮抗的阻害 ☛ 拮抗作用

水生植物の特徴?

エチレン代謝の生理的機能

生体制御(生理作用)

⇔ Potentilla norvegica: エチレンで発芽阻害
塊茎休眠打破 Ex. アイリス、チューリップ、スイセン、ジャガイモ

スパニッシュ種: 発芽過程でエチレン発生 → 発芽
バージニア種: エチレン発生微少 + 熱処理 → エチレン発生 → 発芽

空気 12% ⇒ 空気 - (C₂H₄ + CO₂) 0% ⇒ + C₂H₄ 62% ⇒ + CO₂ 83%

高い発芽率の環境は土壌中に似る

水生植物 ↔ イネ科牧草種では阻害

老化中 = RNase↑, DNase↑: 酵素は液胞中 - 構造物を取り込み分解

= エチレン濃度が通常の1000倍以上に増加している
クリマクリテック型果実 Ex. リンゴ、アボガド、パパイヤ、メロン、トマト

パイナップル: タンパク質分解酵素、インベルターゼ増加
(その後、多酵素で報告)

非クリマクリテック果実 Ex. ミカン、ブドウ、イチジク、スイカ

土壌中エチレン ethylene in soil

トマト: 土壌中 = 浸水 + 嫌気的 → エチレン生産 - 成育異常
(外部からエチレンを与えても同様の成育異常)

Ex. オオムギ: 種子根主軸部短縮
エチレン = 土壌防腐剤として機能

f) ブラシノステロイド brassinosteroid, BRs

g) フロリゲン (開花ホルモン, 花成ホルモン) florigen

(謎の)花芽形性物質( = フロリゲンと命名): 葉 → 茎頂

日照条件が変わると維管束細胞でFT遺伝子発現 → FTタンパク質合成
FTタンパク質 → 茎頂に移動 → FDタンパク質複合体形成
複合体がAP1 (APETALA1)遺伝子の転写誘導 → 花芽形成開始

= Hd3aタンパク質

植物生育調節剤 plant growth regulator, PGR

開花促進、着色・熟期促進、離層形成促進、倒伏軽減等

遺伝子発現のホルモン制御

オーキシンにより誘引されるRNA代謝の変化

分裂時期 phase

体細胞分裂 (somatic division)

→ M: 分裂期 [前期、中期I/ II、後期、終期] → G₁ …

☛ 植物細胞分裂観察

減数分裂 (meiotic or reduction division)

前期 prophase、中期 metaphase、後期、終期 telophase

前期、中期、後期、終期

カルス形成(auxinによる誘発が一般的、CKはこれを補助することがある) → 脱分化 → 再分化

不等分裂unequal division

胚形成

根毛root hairや気孔stomaでよく観察される

▆ → ▆ ▆________▆ → ▆ ▆▆
外見上わからない_追跡できる

二叉分枝: 分枝後に不等分裂見られる
→ 分裂面の変化により分かる
藻類発芽: Fucusは光(電気)によりタルスとリゾイドに分化
細胞分化は遺伝的なものでなくてはならない

Cormack (1949)の原因はcytochrome oxidaseの差と関係
cytokinesis = uneven, karyokinesis = evenと考える人もいる

図. 種子植物の花粉形成過程

被子植物: 雄蕊葯中で花粉母細胞から減数分裂により花粉形成
花粉母細胞: 葯中で減数分裂し4個の小胞子(花粉4分子)
→ 小胞子成熟 → 花粉粒 pollen grain
この間に発芽孔持つ外膜と内膜を生じ花粉粒内核分裂により花粉管核と雄原核生じる

不等分裂 = 極性あり紡錘体も一方鋭端、他方鈍端となり易く鋭端側に花粉管核、鈍端側に生殖核を生じる
→ 極性乱れた時に均等分裂となる例
2核間仕切りは鈍端側に著しく偏り形成され生殖核は極薄い細胞質層で取り巻かれ生殖細胞形成

二極性花粉: 花粉粒中で生殖細胞が1個で留まり花粉管移行後に分裂
三極性花粉: 花粉粒内で分裂し2個となる → 花粉管内では分裂しない

Condensed nuclei: 重複受精のためのDNA合成(回りに細胞壁を有するので細胞と呼んでもよい)
カロース callose: 高等植物の花粉や花粉管細胞壁内層の構成多糖成分

細胞壁または液胞との位置関係が問題
→ 遠心すると両方とも同じ核となる

二集粒 dyad: 2粒の花粉が集まった複粒
四集粒 tetrad: 4粒の花粉が集まった複粒
ポリアドpolyad : 4集粒よりも多い(4の倍数個となる)複粒

不等分裂を抑制(あるいは促進)する物質分泌 → 一定間隔に気孔形成
抽出物を若葉に処理 → 気孔形成抑制

³H-TdR: chase 6-18 hr ⇒ 葉成長点は基部にある: 娘核は共にラベルされるかされないか同じ動向を示す

*: 不等分裂: 小さい方の細胞が助細胞 subsidiary cell になる

大きい方の細胞の核だけがラベルされる (× 小さい方)
→ guard mother cellからDNA合成 → 近接する細胞によりDNA合成規定

分裂軸の決定

_______▆_____→___▆▆___→_____▆ ▆
全てが同じく成長_長軸ができる_長軸に垂直に分裂
_____________________(!しかしcambiumの細胞は非常に細長い)

周囲からの圧の方向によって分裂軸が決まる

羊歯: m-RNA region – タンパク質の種類によって規制される

cellulose in cell wall → structure of microtubles (random structureの場合もある)
→ 同じ方向にmicrotublesが並ぶ
____├ 細胞壁と微小管: EM levelで隙間
____└ 消失 → 細胞分裂
前期前微小管束 pre-prophase band
核膜と結合している

= 等分裂、不等分裂を起こす位置、即ち細胞板cell plateのできる位置がpre-prophase bandの位置と一致

ムギでみられたような現象は観察されない
1. 技術的問題
2. pre-prophase bandと分裂軸が一致しない場合がある

ただしcell plateはpre-prophase bandの位置にできる

核分裂に際しての核の移動
核移動の前にpre-prophase bandができる (1978 Gunning)
核移動の後にpre-prophase bandができる

(1)(2)回目: 垂直, (3)回目: 暗色下 = 垂直、赤色光下 = 平行

サーカディアンリズム(概日リズム) circadian rhythm

就眠運動: オジギソウ葉は、外界刺激がない状態でも約24時間周期のパターンで動き続ける

1. リズムが恒常的状態(Ex. 恒暗状態)でも約24時間の周期を持続
2. リズム周期が光パルスや暗パルスによってリセットされる
3. リズムが温度補償性持つ = 一定範囲内温度において周期変わらない

周期活動 rhythmic activity or periodic activity

日周期 diurnal rhythm (daily or diurnal rhythmic activity): a cycle based upon a daily periodicity

昼間活動型 diurnal type
夜間活動型 nocturnal type
薄暮活動型 crepuscular type

潮間周期活動 tidal rhythmic activity
年周期活動 annual rhythmic activity, seasonal rhythmic activity

早春前線 = 日平均気温摂氏5°Cの北上ライ (エゾユズリハ・ツルシキミ開葉は対応)

光形態形成 photomorphogenesis

生殖ホルモン分泌

胞子形成 - 光照射で誘導 ↔ 連続光では形成されない ⇒ 暗期必要

                                   胞子形成(+/-)
━━━━━━▇▇▇▇▇▇▇▇ (+)
━━━━━━━━━━━  (-) 連続強光(白色光 650 lux)照射
▇▇▇▇▇▇▇▇▇▇▇▇▇▇▇▇▇ (-)
▇▇▇▇▇▇▇▇▇━━━━━  (-)
▇▇▇▇▇▇▇▇▇▇▇▇▇▇▇▇▇ (+) ≤ 10 lux

⇒ 2反応系 (1) 光必要, (2) 暗黒-弱光下で進行(光に阻害される)

光周性 photoperiodicity or photoperiodism

Ex. 植物花芽形成・開花・結実、鳥類等生殖活動
一般に 長日条件 long-day condition: 伸長成長促進
            短日条件 short-day condition: 伸長成長抑制、休眠芽形成促進

ニセアカシア: 短日条件下より長日条件下で育つと強耐寒性

突然変異(cv. Maryland Mammoth)は普通種より遅れ12月中旬頃開花
実験: 人工的に照明時間を調節(短日処理) → 早く開花

                                 師管
葉 (光を感じる場所)----↑----成長点(伸長成長から花芽形成に転換)

日照時間変化: フロリゲン分泌開始 → 水溶性ホルモン

a + b > 臨界時期 – 暗期中頃に効果大(暗期直後、明期直前効果小)

成長促進物質欠如 → 休眠  and/or   成長抑制物質蓄積 → 休眠

光受容体

植物、真菌、細菌、藍藻に含まれる色素タンパク質
I型: 光に対し不安定 ↔ II型:安定
Arabidopsis: PHY A遺伝子 – I型, PHY B遺伝子 – II型 ⇒ 突然変異体 = 開花時期変化

PHY A欠失 – 開花時期遅れる、葉数増加
PHY B欠失 – 開花時期早まる、葉数減少

光発芽種子

    P_R    ⬅   P₆₅₀
hv ⇵ hv    hv ⇵ hv
   P₆₉₈  ➡    P_FR

定常状態は見かけ

• 短日植物 short-day plants
  • 絶対的短日要求性: アサガオ, キク, シソ, イチゴ, ダイズ, オナモミ, ポインセチア
  • 条件的^a短日要求性: イネ, アサ, コスモス, ワタ, サトウキビ, サルビア
    a: 他の条件の影響を受け変化しやすい
• 長日植物 long-day plants
  • 絶対的長日要求性: ハツカダイコン, ホウレンソウ, ヒヨス, ドクムギ, カーネーション, ハッカ
  • 条件的長日要求性: キンギョソウ, シロイヌナズナ, カブ, オオムギ, コムギ, レタス, エンドウ
• 中日植物: トマト、キュウリ、ヒマワリ、カタバミ、ハコベ、タンポポ

Ex. メダカ、フナ、アマガエル

構造: 光回復酵素と相同性 - 動物にもクリプトクロム存在示された
2分子種存在: cry1 / cry2

cry1: 脱黄化や明所での形態形成に関与
cry2: 花芽形成を促進する主要な光受容体

黄化 etiolation: 暗所成育 → 葉黄色 (+ 間延び) Ex. もやし

被子植物のみ(裸子植物ではみられない)
黄色 = カロテノイド ⇒ 光与える → 緑化 greening

青, 植物特有 = 光により活性化されるタンパク・キナーゼ

N末端側にFMN結合するLOVドメイン2つ、C末端側にセリン/トレオニン・キナーゼドメインもつ

LOVドメイン: PASドメインの1種 (バクテリアにも見られる)

LOVドメイン: FMNを結合し、光で励起されると、FMNとアポタンパク間に共有結合形成
→ 形成された付加物は不安定 → 暗所で自発的に元の状態に戻る
→ 付加物結合活性化状態ではLOV2ドメイン構造変化しC末端側セリン/トレオニン・キナーゼが活性化

葉緑体移動_____________気孔開放_________屈光性
chloroplast movement____ stomata opening___phototropism
図. フォトトロピンの主要生理応答

日周性

(これがまったく異質なものへの遷移かどうかが問題)

Vegetative cell ⇔ Spore: 細胞型分化? すなわち不可逆変化 – グルコース、ラクトース利用様式変化

Ex.                          筋肉               肝臓          
物質                       アクトミオシン  粗面小胞体
エネルギー合成      機械的            化学的
インシュリン感受性  有                   無              
これらは完全に不可逆的

DNA → RNA → タンパク質 → 酵素 → 合成*
______________________├ 物質代謝の輸送
_____________________ → 構造 → 細胞構成、収縮性 など

*: 炭水化物、脂質、ホルモン 等

分化制御はどこでいつ行われるのか

高等植物

脱分化: 師部phloem組織片 → ココナッツミルクによるサスペンションカルチャー → free cells
再分化: 胚芽 → 小植物体 → 開花植物体
再分化にはオーキシンとCKの濃度が重要

重複受精 double fertilizationと分裂パターン

花粉母細胞(2n) → 減数分裂 → 花粉細胞(n) → 変形 → 花粉(n) = 4個
胚嚢母細胞(2n) → 減数分裂 → 胚嚢細胞(n) = [4個形成 - 3個退化]

→ 風媒花、虫媒花、鳥媒花、水媒花等

a: 後消失diffused. b: 精核(+ 花粉管核)入りやすい胚皮の薄い所にある

精核(n) + 卵細胞(n) ⇒ 胚(2n)
精核(n) + 極核(2n) ⇒ 胚乳(3n)

柱頭: 糖類を含む粘液分泌 = 花粉発芽時の水分や栄養物質を与える
この時までに、花粉核は花粉管核と生殖核(雄原核)に分裂し、生殖核は更に2個の精核に分かれる

⇒ 重複受精: 形成された精核2個が、個々に卵細胞・極核と受精

動物で行う遠心等処理できれば細胞質の違いによる分化機構解明可
温度変化、X線等による処理が植物においては検討されつつある

核内倍加 (endoreduplication)

Ex. Mutable gene → modification
重複受精における核の大きさの差が1原因: 胚部核は変化しにくい ↔ 胚乳部核の変化は大まかに起きる
問題: determinants on the selection of embryo sac (胚嚢)

ホルモン勾配、培養、twin等を用い研究中(詳細未詳)

⇒ Primary developmentにauxin関与
auxin, giberellinは同様の結果を得る

貯蔵タンパク質 storage proteins

1. アルブミン albumin: H₂O、弱酸性溶媒に溶けやすい
2. グロブリン globulin: 水不溶。0.4 M NaCl可溶。種によりアミノ酸配列がやや異なるため固有名を当時はつけていた(Ex. legumin, vicilin, vigunin, glycinin)
3. グルテリン glutelin: 水、塩、エタノール不溶。強酸、アルカリ可溶 (Ex. gultenin, oryzenin, lordenin)
4. プロラミン prolamin: 水不溶。70-80%エタノールに可溶 (Ex. zein)

植物は数種の貯蔵タンパク質を適当に有するのが普通
貯蔵タンパク質は糊粉粒aleurone grainという単分子膜中に含まれているのが一般的

受粉後15日まではpolysomeが多い = タンパク質合成が盛ん(他からm-RNAを与えようが関係なし)
30日頃にはpolysomeは30-40%に減る (他からm-RNAを与えると合成は再び増える)
⇒ transcription levelで制御されている

Zein: membrane structure (memblant association)
Zein (stored in Zea mays) – 成熟過程

Zein A (21600) (22500)
Zein B (19600) (19000)
Zein C (13700)

タンパク質を単離しsolubilityを計る

Immunopieciptate method, using the antibody of Zein
これを用いてzeinを沈殿させればzeinの存在が確認される
microsomeのまま発色部位を見ることによりzeinの位置がわかる

葉のpolysomeのpoly(A) + RNAを集める → single peptideのm-RNAを作る → complementary DNAを作る → Clone化 → milipore filter上で変性させくっつける → poly(A) + RNAを遠心分画 → 大きさによって分ける → それぞれの分画でfruorographyを見る → この様に確かめてsequenceを作る

Glycine
Coglycinin____7S
Glycinin_____11S

Transcription levelで制御される

Northern blot hybridization: RNAをgelで流す → cDNA: ラベルし混合 → radioautography

発芽3必須条件 = 水・温度・酸素

吸水 imbibition
actynomycin D, thioaicicl, peuromyuin等により阻害
⇒ 特にbの時間 = transcription必要

最高温度maximum temperature >
最適温度optimum temperature >
最低温度minimum temperature
温度日変動による発芽促進種子 → 雑草で多 (Ex. 低温16時間、高温 8時間処理)

Ex. ハルタデ・ブタクサ・エノコログサ: 0-4°C

土壌中暖かく休眠打破不可 → 表面露出で発芽条件揃う

Ex. Polygonum cuspidatum

風散布 → 重い種子 → 種子生産数少 → 休眠種子: という戦略的進化(推定)
植物種子の温度認識に季節変化(Vegis 1964, Washitani 1991)

単量体 mw ≈ 125000
水溶性色素タンパク質 → 発色団: 開環したテトラピノール = 光変換起る
不活性型inactive, P_r___橙色-赤色光による反応___活性型active, P_fr
_________________(光化学反応) (600-680 nm)
赤色光吸収型 (P₆₆₀) ⇄⇄⇄⇄⇄⇄⇄⇄⇄⇄⇄⇄⇄⇄⇄⇄ 近赤外光吸収型 (P₇₃₀)
暗所状態_____________赤外光による反応
_________________(光化学反応) (700-760 nm)
____________または、生体内の化学反応(非光化学反応)

光受容によりP_fr増加 → m = P_fr/P_total > k (k: 種固有定数) → 発芽
種子: 散布時点ではP_fr状態のファイトクロームもある → 土壌中でP_rに変化 = 発芽しない (dark reversion)

P_frが分解等により減少 → m低下 = さらに発芽しない

光要求性でない種子でも長期埋土により光要求性種子になる種がある

緑葉は赤色光吸収 → 森林地表面では赤色光少 → Pr↑ → 発芽しない

発生と呼吸

    子葉    イソクエン酸  NADP+
             ↓     ↓    NADPH + H+
    Cytric lyase    ↓
                    ↓    CO2 – H2O 
            オキザロ酢酸

デンプンがどのように使用され分解されるか
1) デンプン → (α-amylase) → dextrin α (β-amylase) → maltose
2) デンプン + Pi → (phosphoxylase) → glucose, 1-phosphate → (UDPGピロホスホリラーゼ) → UDPG + F·6·P → (UDPG + PPi) → ショ糖 6-リン酸 → (ホスファターゼ) → ショ糖 + Pi
GA₃, ABA

a: α-amylaseできない → GAを入れるとできる
↔ b: α-amylaseできる

chromatin: RNA polymeraseを持つ → GA₃により活性化された可能性

GA₃ → 40-70%促進
E. coli polymeraseでのstimulationは起こらない ⇒ temprateが増えたのではないだろう
GA: poly(A) + RNAをstimulateするrRNA (組織によって違う)

+ GA₃ → RNA (GA₃によって合成促進) → poly(A) + RNA
– GA₃ → × RNA

GAで促進: protase, end-β-glucanase, phosphatase, Rnase

麦wheat: 2次元電気泳動 – 100-200種のタンパク質を識別できる
種子発芽過程でm-RNAのグループが変わるか → RNA synthesis

mRNAとrRNAを同量作る → 発生進むにつれrRNA合成が盛んに成る
'64, '6: 吸水し発芽過程ではRNA合成ない ↔ タンパク質合成認められる
→ 休眠種子中に既にmRNA(conserved mRNA)がある
リボゾーム、tRNAは種子中に豊富に存在は既知 - 根拠の一つ
act-DでRNA合成を阻害してもタンパク質は生成でき、実際に種子中からm-RNAが単離された。発芽と同時にRNA合成は始まる

DNA抽出し一定量single strandをmilipore filterにつける

active chromatin, inactive chromatin
nuclei in rat’s liver
DNase IIで軽く加水分解 → 遠心(27000 g × 15 min) → 総DNAの15%ほどを上澄に入れMg⁺⁺ 2mMを加える → 遠心 → 上澄をとる
⇒ Mg⁺⁺-soluble chromatin – 高い活性: soluble active chromatin

H₁がなければconformationが変わる
Conformationが変わればchromatinは活性化する

コムギ胚のchromatinをとりin vitroでRNA合成を行う
+ RNA polymeraseを加える(DNA損傷を避ける)
________________X₂________X₃ ← 鋳型活性の上昇
────────────┴───────┴────
0________18____24________60 (hr)
59Kdal, 39 Kdal (両方ともNHP)が発芽中に減っていく。また、37 Kdalのタンパク質が増す

+ 2, 4-Dでニンジン細胞を増殖させる → ある時点で-2, 4-Dに移す → 分化を始め胚発生が開始される
この時点でNHP合成に違いがでる

再構築させる時にS-phaseのNHCを入れればS-shapeのchromatinに似て、mitosis phaseのhistoneのNHCを入れればmitosisのchromatinに似る。Histoneのm-RNAからhistone DNAを作り、これをS-shapeのRNAとhybridizationさせるとhybridizeするが、mitosisではできない

HMG (high mobility groups NHC-protein): 転写に活性のあるchromatinで作っているらしい

HMG 1 = HMG 2
HMG14 = HMG 17
DNase I に感受性のあるサイトのchromatinをp位にHMG 1, 2をかける

mouseの神経芽細胞neuro blastoma cell
serum deprivationをとると分裂停止しmature neuro cellに分化する
HMG 1, 2ともに量的に下がりH₁°は増す
CAMPあるいはMe₂SO (diethylsulfxide)を加える
H₁°は上昇。HMG 1, 2は変化せず
⇒ HMGの増加減少は分化には関係ない
butyrate加えると分裂停止 → 分化はしない + HMG 1, 2共に変化しない

白血病細菌Erythro bacteria cellに20% Me₂SO₄処理 → globulin mRNA synthesis → (HMG 1, 2) → chromatinにassociateした / 25000 daltonのタンパク質増加

赤血球細胞: globulin geneはDNAseでダメになる。fibroblastではglobulin geneはDNAseで処理しても保存される。HMGがなくなるとDNAseに対する感受性が高くなる

ショウジョウバエDrosophilaのheat shock protein (hsp)
hsp geneは7つ。hsp 28, 23, 26, 22: この4つはclusterとなっている
ショウジョウバエの胚から核をとりDNAse処理
_____BamH1 (DNAse)_____________EcoR1__BamH1
__________________________________hsp 26

___________________________________Labelしてprobeにする
Solution blot hybridizationでこのfragmentを分離する

条件をまったく同じにしdigestionの程度を見る
DNA purity – Agarose電気泳動___control heat shock protein (sh)

Normal ← ×
Heat shock ← sensitive
Heat shock geneの部分のchromatinはどのように壊れたのか
⇒ monomerが多い ⇒ 感受性高 : nuclear skelton
*: nucleosomeの配置が規則的であればcontrolのようになるはずだが不規則な結果としてshのようになる

Super coilがほどけたとき1つの環は14個分位のnucleosomeが入る大きさである

植物におけるtranslationの制御

細菌: 良く使われるcodeの遺伝子は良く保存されている

Pea root: elongated part (伸長部)とmeristemのtyrosine tRNAを比較 ⇒ 分裂の有無とあまり因果関係なし

Cotton – leucyl-t-RNA, negative ⇒ Chloroplastは発芽に際して変化

tRNA: それとchargeする酵素の活性 – 必ずしも分化にはつながらない
Ribosomes: tRNA + mRNAのbinding – 能力のないものがあるのか
E. coli: 50S 25S 5S rRNA
______30S 16S(3'-OH intramolecular) rRNA

__________________________m-RNAの5'端付近に相補的な部位

*: 突然変異を起こしている場合がある。ribosomeのタンパク質と結合する部位

r-proteinの変異 → 機能が持てないribosomeができる(実際に区分ができないので未確認)
IF-3 (initiation factor 3): disociation factorはsmall subunitのS12, S1, S11に関連
IF-2: S19, S11, S1と関連
stoichiometoryで調べる → 全体の分子量より増えることがある
→ あるribosomeにはこのタンパク質、また別なribosomeには違うタンパク質が結合している可能性

巣まき

→ 発芽が早くなったり、成長がよくなったりする

    Mg        Dry          Imbibed
    1 mM                   80S, 60S + 40S
    0.5 mM    80S          60S + 40S
    0.1 mM    60S + 40S    60S + 40S

タンパク質合成が始まるためにはまずリボゾームが吸水により解離せねばならない
⇒ リボゾームの状態変化 – 自身の構造からではなく回りの状態による
house keeping proteins – free polysomeで作られる
secretary keeping proteins – membrane-bound polysomeで作られる
ribosomeに違いがあるか: free ⇔ bound: 状態によって変化

小麦: ER-polysome bound – water stress: こふん層 – free polysome
bound freeはあるがonly freeでのみ働くpolysomeがあるかも知れない

Heme-controlled receptor
Heme-regulated inhibitor (HRL): hemeが与えられないとinhibitorが形成される
タンパク質合成阻害を行ってもできる: de novoで合成される訳ではなくprecursorが存在する
________________________protein kinase
________________________↓ ×heme
eIF-2 kinase (pro-inhibitor) ──┬───> eIF-2 kinase (inhibitor, HRL)
________________________ATP
eIF-2 active [eukaryote] ────┬───> eIF-2-P ________________________ATP
動物: blood plotelets, liver cells, ascites twonn cell, friend leukemia cell, artemia salina

Wheat germination cells: eIF-2 kinase

Tenebrio molitor: Pupil – ribosomes (60S + 40S), Larvae – ribosomes → in vitro translation

80S – protein synthesis starting %
pu-m & pu-IF, or La-m & La-IFの同じ組み合わせのときのみ
EIF-4 (formerly IF-M3) ニワトリ
Muscle: 2 spp.
Mouse α-chain, β-chainの区別がある

伸長因子 elongation factor

発芽率低下 = 代謝(特にタンパク質)の低下 → stable mRNAがだめになった
0% viable → poly(A) + RNA → in-vitro translation 54%活性 = 56% inactive ↔ 90%と合わない
90% viable → poly(A) + RNA

⇒ Aminoacyl-t-RNA bindingに関係

細胞分裂の方向 - 分裂面

A. 横分裂 transverse division、B. 放射分裂 radical division, C. 接線分裂 tangential division.
A, B分裂は表皮系epidermal systemのみ増える ⇔ Cの分裂では内部が増える
mass meristem 諸所の方向に分裂 → 球
rib meristem
plate meristem 平たく分裂 → 葉

分裂要因 division factors

= liquid film theory - 分裂を石鹸膜のようなものと考える

⇒ 要因: light, pressure, gravity, temperature

分裂組織細胞分裂

細胞間の位置関係の再調整

[シュート | shoot ]

茎頂 shoot apex

維管束分裂組織 meristem in cambium = between the primary xylen and phloem (前分裂組織の一部)

茎頂(頂端)分裂組織 apical meristem on shoot apex

shootの先端には必ずapical meristemがある → 厳密には定義できないが分裂活動の活発な部分である

1. 葉の原基primordiumを作る
2. 新しい茎頂(頂端)分裂組織を作る
3. 茎肥大
原基: 原基形成後に成長し独立の器官になる部分

頂端細胞が分裂し全ての組織になる - シダ植物で相当
1個あるいは数個が起源細胞となる(頂端細胞群) → 種子植物には不適当

被子植物で特に明瞭 - 層状構造(観察)
↓ a: 第1層 →

表皮細胞 epidermis cell (原表皮 dermatogen), 1層が多い

↓ b: 第2層 →

皮層 (原皮層 periblem), 数層からなる

↓ c: 中心部 →

中心柱 (原中心柱 pleroms)

逆さにすると根になる: 根冠 root cap (原根冠 calyptrogen)

被子植物における層状構造germ layerを認めた
外衣層数様々。1-3層が普通。カニシバリは2-7層
外側: 層状構造をなす部分 - 外皮tunica: 分裂軸縦のみ
内側: 層状構造をなさない部分 - 内体corpus: 分裂軸縦と横

Ginkgo biloba

……………… 内側: 細胞組織帯

細胞 サイズ    形     液胞 内容 細胞壁  細胞分裂
   a     大         短      多     粗      厚     少/殆どなし
   b     小       細長     少     密      薄          多
   c     中     レンガ状 中     中      中          中
    a: 分裂組織細胞の特徴としてそれらしくない

従分裂組織 waiting meristem: 栄養成長期 → 生殖成長期に分裂

キメラ chimera or chimaera

周辺キメラ___区分キメラ___混合キメラ

コルヒチン処理: 細胞分裂を中期で停止
分裂異常が生じ4n細胞ができる。それは様々な層にみられる（Satina, Blaheslee & Averg 1942): 最初3層茎頂端であるDaturaで研究。この際は茎頂にコルヒチンを含む脱脂綿をのせた
→ 茎頂の第何層から茎断面のどの部分が形成されるとは言えない
→ 分裂細胞が頂端に複数個あり、そのうち1個が4nになれば円周の部分的にキメラができるとする考え方。起源細胞は3個以下 キメラがみられるのは被子植物のみで、裸子植物や羊歯植物ではない
キメラにはgene layerが必要
裸子植物ではキメラができない → 全部均等に分裂

枝が2本 = 各々正常
↓
予め決められていたら半分ずつの枝

6個に切り分ける → 6本の正常な枝

下等なもの = 良く育つ
高等なもの = ココナッツミルク、カゼイン分解産物等の特定なものを入れないと良く育たない

+ 大きく切り出すとうまく行くが、小さいとダメ

→ Agar, sugar, inorganic salts中培養
400-430 μm³では葉原基が3つ含まれる
茎頂分裂組織のみ ×________________________↖
medium + coconut milk or GA ⇒ 5-10葉。根分化× ← 自己分化性有

マツバラン、ライラック、クジャクシダ、トクサ、ミズヒキ、イソヒバ
200-250 μm³茎頂 → 小さな成体: 茎頂は全て分化する能力を持つ

系統調べる ⇒ 分化過程で細胞が相互の位置をずらす

葉の発生成長 leaf development and growth

茎頂からの発生

Xanthium
既にできた葉サイズから茎頂芽発達は予測可能であることを指摘
*: いずれも1つの葉間期(plastochron)

体構造・発生過程

周辺部: 細胞が放射状配列
茎頂点(面)は円ではない。次にa, b, cの様な部分から次の茎頂原基が生じてくる。面が回転しながら新たな葉を産んで行くような動きを示す

茎: 始めのうちは先端部が分裂 - 茎の頂端分裂組織apical meristem, marginal meristemが特異的に発達するのは葉発生の極初期に限られる)。後に全体的に分裂成長
葉: 極、始めのうち端の方が分裂する(marginal meristem, 周縁成長)。後では全体的に一様に成長が起る

→ 形成層と関連 = 葉の出るパターンはどのように決まる? (現在も未詳)
原表皮 dermatsgen origin → 周縁始原細胞 marginal initials
原皮層 periblem → 次周縁始原細胞 submarginal initials

─┬→ 葉肉 mesophyll ─┬→ 柵状組織 palisade m.
  │                    └→ 海綿状組織 spongy m.
  └→ 前維管束 precambium   葉脈 vein

海綿状組織: 一番先に分裂終了 → 海綿状組織引き千切られ間隙できる
分裂終了後、表皮細胞の横方向の成長は柵状組織に勝る。従って成熟過程で柵状組織の間に隙間ができる。この開隙は柵状組織の光合成におけるガス交換に役立つ

External surface of leaf: 葉の表面積 × 2 (葉の表と裏)
Internal surface of leaf: 葉内の細胞が細胞間膜に接する面積の総和

__________細胞間膜体積__Internal cell surface
柵状組織_______小____________大
海綿状組織_____大____________小

Leaf structure of C₄ plant: 維管束鞘に葉緑体存在確認

P₁: 未決定か決定。ただしcanal可能 (< 30 μm long)
P₁₀: 既決定
→ 葉および茎は本質的には同じ
→ 決定因子

葉原基P₃とP_xを対にして培養する

P₁₂の部分をP₄, P₁₀, P₁₃に置き換えて同様の培養を行う

P₁₃/P₃ = 2/3がshoot, P₁₀/P₃ = 2/3がleaf, P₁₄では影響がない
P₁₀-P₁₃では何らかの影響を与えてP₃を葉あるいは茎にする(これらの葉原基抽出物でも誘導が見られる)
⇒ 頂芽が関与

1) 葉間期の活性, 2) 早熟腋芽形成 → germination, 3) 茎頂の形の変化, 4) 特に中央帯 or 全般的に分裂の増加, 5) 仁の大きさ → 大, 6) RNA増加, 7) 層可の増大と細胞組織の喪失
aの細胞分裂サイクルは遅い__有限花序: これらの変化が急速
________________________無限花序: 比較的緩慢

茎と根の関係 relationships between stem and root

再生、不定根、不定芽の形成は「脱分化 → 再分化」過程であり、茎 → 葉もこの範疇でとらえることができる

1. 根端は subapical, 根冠 root capの内側に分裂組織があり無限伸長する一方、茎端では先端が直接分裂組織である。また根は内生的発生をする。protoxylemができる辺りから根毛root hairはできる
2. 付属器官(茎頂における葉原基)がない
3. 維管束が単純(放射中心柱)

quiescent centerでは細胞分裂を行わない。発達段階における過去の発達過程を示す
根端切断: quiescent centerが残っていれば再生する
X線照射してもその時quiescent centerの細胞は分裂期にないので影響を余り受けず正常細胞を供給する

カスパリー線: 全細胞が接線面内で鉢巻状に細胞なり間隙有さない。そのため物質の出入りでは全て原形質を通る必要 → 選択透過性

側根形成・不定根形成

_
12 v.b._14 hr = 12 v.b._____18 hr_____24 hr__最終的に4 v.b.
選択selectionの機構は不明

2-thiouracil(核酸合成阻害剤)を頂端に加えると不定根発生
→ 上部で不定根が出ないように原基を抑制しているが、阻害剤により物質抑制が抑えられるbasal dominance

15 hr IAA + 15 hr water
15 hr water + 15 hr IAA
15 hr IAA + 15 hr IAA ← この時のみ不定根形成 → IAAが不定根形成に関与

1. IAAの影響差を調べる: +IAA, -IAA: in vivo 各transproductionをラベルして生産物の差を見る
2. polyA(t)RNA – auxin +, polyA+RNA – auxin –
3. カルスによる不定胚での根形成パターン
4. 根を切って伸長中に阻害剤をあて成長を見る

一次成長と二次成長 primary and secondary growth

単子葉型

頂端分裂組織 apical meristem

茎頂頂端分裂組織 shoot apex

栄養茎頂 vegetative shoot apex
生殖茎頂 reproductive shoot apex

根端頂端分裂組織 root apex

側部分裂組織 lateral meristem

形成層 vascular cambium
コルク形成層 cork cambium or phellogen

→ コルク形成層secondary tissue形成。表面細胞壊れる
→ 内外両方向に発達

木質部分化 differentiation of xylem

FdII: fluorodeoxyuridine (replication阻害) → TE分化抑制
Colchicine: inhibitor of mitosis → TE分化抑制

pea root: cottical parenchyma → cytokininを加えないと分裂起こさない
TE分化: high ³H-TdR incropration
⇒ TE分化にはDNA合成が必要 = 細胞分裂が必要

10% TE分化 → 細胞分裂は関係ない

→ 48-96 hr - 分裂しないでTE分化

Fu (fluoro-uracil), FudR (fluorodeoyuridine), mitomycin D, aphidicolin
FudR: × DNA replication, × TE分化
BudR: DNA replication, × TE分化
A-UBr
→ DNA複製は無関係

radioautographyでDNA合成観察されない → DNA合成は分化に無関係

Need endoduplication and amplification of rRNA genes (rRNA)
2 cells → 4 c → 8 c

キクイモ  2 c   4 c   8 c   16 c
未分化    6 %  50    38     6
TE分化    3     57     30    1
DNA, Histon共に未分化とTE分化では72 hr(分裂3回)で差ない

仮説: 一部の特殊なDNAが必須(証明なし)

→ 葉 = オーキシン供給源
→ ポーラートランスポート polar transport
葉除去 = オーキシン供給を絶つ
オーキシン以外にポーラートランスポートするホルモンは知られていない
→ 屈地性・屈光性・(若干の)匍匐性はホルモン作用による

表皮から一定位置に維管束形成
____= 何らかの勾配存在

Lilac (Syringa) callus → 脱分化 → 導管分化してくる → 芽からある一定距離を置いて導管分化 → 0.5 mg/lのauxinを加えるともっとも遠いところに導管形成 ⇒ Auxinの効果

sucrose = 1.5-2.0%: 木部分化しやすい。3.0-4.0%: 師部分化しやすい。中間がバランスのとれた分化

Todea barbara (羊歯): 0.1% ショ糖 – 維管束できない
ショ糖濃度をあげるか、auxinを加える → 仮導管形成

細胞成長(伸長)・分裂・分化 + 細胞異質性の起源と固定

キクイモ: 塊茎カルス → オーキシンを与えるとG₁からSへの移行起こる
→ MAKカラム電気泳動

G₁からS移行はDNAにオーキシン影響したと予測

ジャガイモpotato細胞断面 [形態観察]

オーキシン作用でDNA量変化起こる様に見えない

植物成長過程へのホルモンによるコントロール

= 細胞分裂・細胞伸長(拡大)・細胞系の変化

Ex. 落蕾、落花、落果、落葉、落枝

全体老衰 Ex. 一年生草本
地上部老衰 Ex. 多年生草本 - 地上部のみ老衰
落葉性老衰 Ex. 落葉樹 - 葉のみ老衰
漸進的老衰(器官老衰) Ex. 常緑樹 - 下位葉から老衰

落葉 defoliation

Auxin: surpress senescence, C₂H₄生産を刺激 → 離層にたまる

表. 落葉広葉樹林での葉からの養分転流
                       斜面上部       斜面下部   
           Kg/ha   芦生  三瓶   芦生   三瓶  
窒素   生葉 a    60    70.7     77     67.3
          落葉 b    25    32.7     54.3   63.8
          (a-b)/a  0.58   0.54    0.29   0.05
リン    生葉 a   3.26   3.3      4.23   3.6
          落葉 b  1.20   0.93    3.55   2.53
          (a-b)/a  0.62   0.72    0.16   0.30

養分吸収と樹体内転流

ΔY: 年間植物体増分量
ΔL: 年間のリターフォール量
R_w: 雨水による溶脱量

葉養分含有率: 秋に低下 → リターフォール養分還元量は、成長期の葉中の養分蓄積量より少ない

→ 一部元素が降水により溶脱 + 落葉前に幹・枝・根に引き戻す

紅葉

アントシアニジン + ブドウ糖 → [結合] → アントシアニン (赤色)

落花 flower shedding

受精 - 落花抑制 ⇒ 落花率 - 種・個体群で大きく異なる

落果 fruit shedding

果樹園芸では落花を落果に含めて扱うこともある

(Meyerowitz et al. 1991)

ABCモデル

A = apetala (AP) 2 gene
B = pistillata (PI) gene + AP3 gene
C = agamous (AG) gene
花形成

ホール_____1___2____3______4
発現遺伝子_A_ A+B_ B+C____ C
器官______萼_ 花弁_雄蕊_雌蕊(心皮)

ホメオティック突然変異体(ある器官がそれと相同な別器官に置き換わる変異)
Ex. B欠失 → 2 = 萼, 3 = 雌蕊 になる
Ex. A, B, C欠失 → 葉 ⇒ 花は葉になるべきものが変化し形成される
Ex. A, C拮抗し一方が失われ、勝者は相手担当領域まで進出 → 八重咲き

MADS box → 花を形成しない動物や菌類・シダ類からも見つかる
K box → MADS, K両方を持つ遺伝子は種子植物のみ報告

開花 flowering