再生生物学
Hydraでの再生。

再生生物学は、生物が損傷や細胞死によって失われた細胞、組織、または体の一部を再生・再構築する細胞および分子メカニズムを研究する生物学の一分野です。本稿では、細胞の原理、シグナル伝達経路、動物モデル、そして再生能力の高い生物と再生能力が限られた生物の違いを説明する進化論的仮説といった生物学的側面に焦点を当てます。 [ 1 ] [ 2 ]

定義と一般原則

再生にはさまざまな戦略が考えられます。

  1. 芽体媒介再生（エピモルフォーシス）：切断された臓器や手足を再建する前駆細胞の増殖性塊（芽体）の形成。
  2. 代償的再生: 再生芽を形成せずに分化した細胞を増殖させて機能的な質量と組織の大きさを回復すること (例: 哺乳類の肝臓)。
  3. 形態変化: 細胞増殖をほとんどまたは全く行わずに、生物のパターンを変更するために既存の組織を直接再編成すること。

重要なプロセスには、創傷反応の活性化、細胞運命の再プログラミングまたは移行、幹細胞ニッチと細胞外マトリックス（ECM）間のコミュニケーション、および位置制御が含まれます。[ 3 ]

細胞メカニズム

  • 幹細胞と前駆細胞：プラナリアなどのモデルでは、多能性細胞集団（新生細胞と呼ばれる）が再生に必要なすべての細胞種を産生する。再生脊椎動物（例えばサンショウウオ）では、多くの組織が部分的な脱分化や局所的な系統限定前駆細胞の動員によって再生芽に寄与する。[ 3 ]
  • 位置シグナル伝達：位置情報をコードする遺伝子（例えば、前後軸遺伝子）は、指標組織（プラナリアの筋肉など）で発現し、どの構造を再構築するかを前駆細胞に指示します。[ 3 ]
  • オーガナイザーとシグナル伝達センター：分子シグナル（ Wnt、FGF、BMP、ヘッジホッグなど）を分泌するセンターの形成は、芽体の極性とパターン形成を調整します。[ 4 ]

反復分子経路

比較研究により、再生中に胚発生経路が再利用されることが示されています。

  • Wnt/β-カテニン: 多くのモデル（プラナリア、刺胞動物、脊椎動物）において、後極の指定および体軸の形成に頻繁に関連付けられています。
  • FGF/ERK : 付属肢（四肢）および臓器における細胞増殖および芽形成に関連しています。
  • BMP/TGF-β : 背腹パターン形成および骨と組織の形態形成の調節において基本的な役割を果たします。
  • Notch、Hedgehog、Hippo (Yap/Taz) : 増殖、細胞運命、再生組織の構造を調節します。

これらの経路と状況（種、発達段階、創傷微小環境）との相互作用が再生プロセスの成功または限界を決定します。[ 5 ]

動物モデル

  • ヒドラ（刺胞動物）：断片から全身を再生する能力を持ち、Wntシグナル伝達経路と「頭部」および「足部」オーガナイザーが口-口蓋軸の再構築において中心的な役割を果たす。基底動物における自己集合と軸シグナル伝達を研究するための重要なモデルである。 [ 6 ]
  • プラナリア（扁形動物）：多能性新生細胞と、構成遺伝子（位置制御遺伝子、PCG）の局所的発現に基づく「位置マップ」を介した高い再生能力を有する。位置記憶を研究するための重要なモデルである。 [ 7 ]
  • サンショウウオ／アホロートル（有尾目）：再生芽形成による四肢再生。脊椎動物における細胞リプログラミングと位置記憶の維持の代表的な例。現代の研究では、系統の追跡にシングルセルRNAシーケンシング（scRNA-seq）が用いられている。 [ 8 ] [ 9 ]
  • ゼブラフィッシュ（ Danio rerio）：鰭と心臓の再生。線維性瘢痕と機能的再生を分離するのに有用（心筋細胞が細胞周期に再び入ることを可能にするシグナルの研究）。 [ 10 ] [ 11 ]

現代技術と実験的アプローチ

この分野を進歩させた最近のアプローチには次のようなものがあります。

  • 単一細胞シーケンス (scRNA-seq) : 再生中の一時的な細胞状態を識別します。
  • 生体内系統追跡：トランスジェニック系統と分子バーコーディングの使用。
  • 遺伝子操作: RNAiとCRISPR/Cas9を使用して遺伝子機能をテストします。
  • 比較ゲノミクス：種を超えて保存されている、あるいは異なる遺伝子制御ネットワーク（GRN）を同定する。[ 5 ]

再生生物学の臨床応用

トランスレーショナルリサーチは、組織工学、生体材料、細胞外因子（細胞外小胞など）に基づく治療法など、再生原理を人間の治療法に適用することを目指しています。[ 12 ]

トランスレーショナルリサーチの注目すべき例として、神経再生の観点から研究されたポリラミニン（タンパク質ラミニンの高分子形態）が挙げられます。生物学者のタチアナ・コエーリョ・デ・サンパイオ（UFRJ）などの研究者による研究では、この生体材料が神経損傷環境を調節する可能性が示唆されています。[ 13 ]

  • 前臨床研究：動物モデルでは、ポリラミニンは軸索の成長を促進し、脊髄損傷後の機能パラメータを改善することが示されている。[ 13 ]
  • 臨床試験：急性脊髄損傷に関するパイロットスタディがブラジル臨床試験登録簿（ReBEC）に登録されており、ヒトにおける安全性を評価する取り組みが行われていることを示しています。[ 14 ]

進化論的視点

系統学的比較によると、再生能力は後生動物の祖先形質であり、進化の過程で失われたり変化したりした可能性が示唆されている。Wnt/β-カテニンなどの経路の調節の変化や、免疫系や生殖とのトレードオフが、種間変異を説明する可能性がある。哺乳類における再生能力の喪失は、再生遺伝子の欠損ではなく、調節の違い（例えば、エンハンサーサイレンシング）に起因するとされることが多い。[ 1 ]

参照

参考文献

  1. ^ a b Vila-Farré, Miquel (2023). 「プラナリア扁形動物における全身再生の進化ダイナミクス」 . Nature Ecology & Evolution . 7 (12): 2108– 2124. Bibcode : 2023NatEE...7.2108V . doi : 10.1038/ s41559-023-02221-7 . PMC  10697840. PMID  37857891 .
  2. ^ 「再生生物学：概要」 . ScienceDirect Topics . 2026年1月30日閲覧。
  3. ^ a b c Reddien, Peter W. (2018). 「プラナリア再生の細胞・分子基盤」 . Cell . 175 (2): 327– 345. doi : 10.1016/j.cell.2018.09.021 . PMC 7706840. PMID 30290140 .  
  4. ^田中恵美子（2016）「付属肢再生の分子・細胞的振り付け」Cell . 165 (7): 1598–1608 . doi : 10.1016/j.cell.2016.05.038 . PMID 27315477 . 
  5. ^ a b Goldman, Joseph A.; Poss, Kenneth D. (2020). 「組織再生における遺伝子制御プログラム」 . Nature Reviews Genetics . 21 (9): 511– 525. doi : 10.1038/ s41576-020-0239-7 . PMC 7448550. PMID 32504079 .  
  6. ^ Vogg, MC; Galliot, B.; Tsiairis, CD (2019). 「再生のためのモデルシステム：ヒドラ」. Development . 146 (21) dev177212. doi : 10.1242/dev.177212 . PMID 31676551 . 
  7. ^ Atabay, Kutay D. (2018). 「自己組織化と前駆細胞ターゲティングがプラナリア再生において安定したパターンを生み出す」 . Science . 360 ( 6387): 404– 409. Bibcode : 2018Sci...360..404A . doi : 10.1126/science.aap8179 . PMC 6135251. PMID 29545509 .  
  8. ^ Stocum, David L. (2017). 「有尾動物の肢再生のメカニズム」 .再生. 4 (4): 159– 200. doi : 10.1002/reg2.92 . PMC 5743758. PMID 29299322 .  
  9. ^ Arenas-Gómez, Claudia M.; Echeverri, Karen (2021). 「サラマンダー：組織再生の分子基盤とヒト疾患との関連性」 . Current Topics in Developmental Biology . 145 : 235–275 . doi : 10.1016/bs.ctdb.2020.11.009 . ISBN 978-0-12-816833-2. PMC  8186737 . PMID  34074531 .
  10. ^ Poss, Kenneth D. (2002). 「ゼブラフィッシュの心臓再生」. Science . 298 (5601): 2188– 2190. Bibcode : 2002Sci...298.2188P . doi : 10.1126/science.1077857 . PMID 12481136 . 
  11. ^菊池和 (2010). 「ゼブラフィッシュ心臓再生におけるgata4(+)心筋細胞の主要な寄与」 . Nature . 464 (7288): 601– 605. doi : 10.1038/nature08804 . PMC 3040215. PMID 20336144 .  
  12. ^ da Silva, GL; et al. (2024). 「間葉系間質細胞由来の細胞外小胞は脊髄損傷モデルにおける神経組織の回復を可能にする」 . Communications Biology . 7 (1): 1– 15. doi : 10.1038/s42003-023-05505-7 . PMC 10636051. PMID 37945686 .  
  13. ^ a b Menezes, Karla; Menezes, João RL; Coelho-Sampaio, Tatiana; et al. (2010). 「ラミニンのポリマーであるポリラミニンは、脊髄損傷後の再生を促進する」 . The FASEB Journal . 24 (11): 4513– 4522. doi : 10.1096/fj.10-157628 . PMID 20643907 . 
  14. ^ 「RBR-9dfvgpm：急性脊髄損傷に対するポリラミニン」ブラジル臨床試験登録簿（ReBEC）2026年1月30日閲覧。
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