私たちの体の「左右の違い」は

１個の細胞から始まっていた

今回の研究では、

ヒトの大腸がんから作られた「Caco-2細胞」

という特殊な細胞を実験に用いました。

この細胞は実験室でよく使われるもので、

人の腸の表面をつくる細胞に性質がよく似ています。

研究チームは、

このCaco-2細胞を１つ１つバラバラの状態で

育てて、顕微鏡でじっくりと観察してみました。

すると驚くことに、

観察したほぼ全ての細胞で、

細胞の中心にある「核」とその周りの

「細胞質」が時計回り（右回り）に

回っている様子が確認されました。

核とは細胞の中心部分にあって、

遺伝情報（DNA）が入っているとても

重要な場所です。

細胞質は核の周りを埋めている

ゼリーのようなもので、

細胞の中でさまざまな活動が起こっています。

核と細胞質が一体となって、

まるで小さなコマのようにぐるぐると

右回りに回転していたのです。

この回転の速さを測ったところ、

平均で１時間に約50度の速度で

あることが分かりました。

さらに興味深いことに、

核が反時計回り（左回り）に回転している

細胞はまったく見られませんでした。

こうした一方向だけに回転する現象は、

この細胞が明確に「右回りの利き手」を

持っていることを意味しています。

では、

どうして細胞が右回りに回ってしまうのでしょうか？

研究チームは、

この謎を解くために、

細胞の内部を支える「細胞骨格」

という構造に注目しました。

コラム：細胞骨格って、どんなもの？

 

 

「骨格」と聞くと、私たちの体の中にある固い骨や、カルシウムでできた“骨”を思い浮かべるかもしれません。でも、細胞の中に“骨”のような固いものが入っているわけではありません。細胞骨格（英語では「cytoskeleton：サイトスケルトン」）とは、実はとても細くてしなやかな“糸”や“ネット”が、細胞の中を縦横無尽に張りめぐらされている状態のことです。この細胞骨格は、いわば「細胞の中の“秘密の骨組み”」。柔らかいゼリーのような細胞質の中で、細胞の形をしっかり保ったり、動かしたり、力を伝えたりする役目を果たしています。たとえるなら、テントの中に張ったロープや、風船の中に隠れているゴムの骨組みのようなもの。実際の細胞骨格は、太さが数ナノ～数十ナノメートルという超極細の“糸”でできていて、いくつかの種類があります。これらの細胞骨格は、必要に応じて組み立てたり分解したりできる“動く骨組み”であり、私たちの体の骨のように硬くて動かないものではありません。つまり、細胞骨格とは、「細胞の中で形づくりと運動を支える、しなやかで生きた“骨組み”」なのです。

 

 

 

細胞骨格は、私たちの体で言えば

骨や筋肉のような役割を持ち、

細胞の形を支えたり動きを作ったりしています。

主に細胞骨格を作っているのは

「アクチン繊維」と「微小管」と

呼ばれる２種類の糸状の構造です。

これらが細胞の中でどんな配置を

しているのかを調べたところ、

面白いことが分かりました。

細胞の外側の方にあるアクチン繊維

（ストレスファイバー）は、

細胞の中心から見て時計回り方向に

らせん状の模様を描いていました。

一方で、

微小管は逆に反時計回りの

模様を描いていました。

つまり、

細胞の中には「時計回り」と「反時計回り」の

２つの渦巻き模様が共存していたのです。

このことから、

研究チームは「細胞骨格が、

細胞の回転方向を決める鍵を握っている

のではないか」と考えました。

そこで次に、

細胞骨格が回転にどのように

関わっているのかを確かめるため、

ある実験を行いました。

細胞骨格の働きを部分的に止める薬を使い、

それによって細胞の回転がどう変わるかを調べました。

まず微小管の働きを止める薬を使ったところ、

細胞の回転はまったく止まりませんでした。

一方、

アクチン繊維の働きを止める薬を使うと、

回転は完全に止まってしまいました。

さらに、

アクチン繊維を動かす役割を持つ

「ミオシンII」というタンパク質の働きを止めても、

細胞の回転は大きく低下しました。

この結果から、

細胞の回転を生み出している重要な仕組みは、

微小管ではなく、

アクチンとミオシンIIからなる

「アクトミオシン系」にあることが分かりました。

例えるなら、

細胞を回すエンジンの正体はアクトミオシンという

筋肉のような仕組みだったのです。

では、

このアクトミオシンがどのように

回転を生み出しているのでしょうか？

研究チームは、

この仕組みをもっと詳しく調べるために、

アクチンの働きを調節するタンパク質

「フォルミン」にも注目しました。

フォルミンはアクチン繊維を伸ばす際に、

ねじりながら組み立てる性質があり、

細胞の回転を生み出す仕組みに

関係していると考えられていました。

研究チームは、

「もしフォルミンの働きを止めたら

細胞の回転が止まるのでは？」と

予想して実験を行いました。

ところが意外にも、

フォルミンを止めても細胞の回転は止まるどころか、

むしろわずかに速くなってしまいました。

このとき細胞内部のアクチン繊維の

配置を詳しく観察すると、

細胞の外側にあった渦巻き状のアクチンが

完全に消え、

代わりに細胞の中心近くに

同心円状のリング構造（輪っか）が

強く現れていました。

つまり、

渦巻き状の構造がなくなっても、

細胞の回転が続くということは、

このリング状のアクチンこそが

回転を起こしている可能性を強く示しています。

このリング構造は、

「アクトミオシンリング」と名付けられました。

さらに詳しく観察すると、

このリングは細胞の背中側

（細胞の上面側）に形成されており、

細胞の内部で核の周りを時計回りに

ぐるぐると回っていることが確認されました。

さらに、

このリングの内側付近が最も速く

回転していることも分かりました。

これらの結果から、

細胞が回る仕組みを生み出しているのは、

細胞の背中側にできるアクトミオシンリングで

あることが強く示されたのです。

しかし、ここで新たな謎が生まれます。

円形の「アクトミオシンリング」という輪っかが、

どうして特定の方向、

つまり時計回りだけに細胞全体を

回転させることができるのでしょうか。

普通に考えれば、

左右どちらにも回りそうなものです。

この不思議な現象を解き明かすために、

研究チームは「理論」という武器を使って挑みました。

この理論のヒントは、

最近の物理学で注目されている

「アクティブマター」という考え方にあります。

アクティブマターとは、

自分で動く力を持つ小さな粒子が集まって、

思いもよらないパターンや

動きを生み出す現象のことです。

たとえば鳥の大群や魚の群れが一斉に

向きを変えるとき、

あるいは細胞が自発的に移動したり

形を変えたりするときにも、

アクティブマターの考え方が使われます。

今回の研究では、

特に「アクティブカイラル流体

（流体＝液体や気体のように流れるもの）」

という理論モデルを用いました。

これは、

細胞の中のアクトミオシンリングのように、

ただ流れるだけでなく“ねじる力（トルク）”も

持つ特殊な“動く流れ”を数式で表す考え方です。

イメージとしては、

単に水が流れるのではなく、

輪ゴムのように自分でグルグルねじれて

流れる“渦”が生まれるようなものです。

この理論を細胞の実験結果に合わせて

シミュレーションしてみると、

なんと、実際の細胞と同じように

アクトミオシンリングの位置

つまり細胞の背中側

（上側）にリングがある場合だけ、

時計回りの回転が生まれることが分かりました。

さらに、

リングが細胞の下側（腹側）にあるように

人工的に位置を変えると、

細胞の回転は完全に止まってしまう、

という予測も立てられました。

この理論の正しさを確かめるため、

研究チームは実際に細胞で

追加の実験を行いました。

薬を使って、

もともと背側（上側）にあった

アクトミオシンリングを下側（腹側）へ

“引っ越し”させてみたのです。

すると、理論通り、

細胞の回転はピタリと止まりました。

つまり、

細胞が右回りに回転するためには、

“同心円状のアクトミオシンリングが

背側にあること”が絶対に必要だと

証明されたのです。

ここで注目すべきは、

アクトミオシンリング自体は「非キラル構造」、

つまり見た目には左右対称で、

一方向への“クセ”を持っていません。

それなのに、

実際の細胞では“時計回り”

という一方向だけの動きが生まれる

これは従来の常識を覆す発見でした。

分子レベルのちょっとした「ねじれ」が、

細胞全体の大きな“動き”に伝わり、

しかもそれが顕微鏡でもはっきり

観察できる「現象」として現れるのです。

この一連の研究によって、

これまで謎だった「細胞がどうやって

自分の“利き手”を決め、

左右の違いを作り出しているのか」という問いに、

大きな一歩が踏み出されました。

ミクロな分子の“ねじれ”が、

細胞スケールの“ダンス”を生み、

その積み重ねが生物の体の“左右”という

壮大な物語につながっていく

そんな生命の不思議とロマンを

感じさせる成果となったのです。

「細胞の利き手」の意外な仕組み

「細胞の利き手」の意外な仕組み 

今回の研究によって、

細胞が回転する仕組みについて、

これまでとはまったく違う新しい

視点が得られました。

これまで、

細胞が「利き手（キラリティ）」を持つ

仕組みを説明するときには、

細胞の中で観察される

「渦巻き模様」のような構造や、

特定のタンパク質（例えばフォルミンなど）が

重要だと考えられてきました。

しかし、

この研究で使ったCaco-2細胞という細胞では、

こうした渦巻き状の模様がなくなっても、

細胞が回転を続けることが明らかになったのです。

しかも、

細胞の中心付近に新しく見つかった

「同心円状のアクトミオシンリング」が、

細胞の回転を起こす駆動力（エンジン）の

ような役割を果たしていることが分かりました。

つまり、

細胞の回転の原動力は、

これまで考えられてきた渦巻き状の

構造や特定のタンパク質とは異なり、

まったく新しいところにあったということです。

なぜこの発見が非常に興味深いのでしょうか？

それは、

一見して「左右対称」な円形の構造が、

実は「一方向だけの回転」を

生み出すという意外な結果だからです。

普通ならば、

左右対称な構造はどちらか一方の

回転方向に偏る理由がありません。

しかし、

この研究の実験と理論の両面から、

細胞の背側（細胞の上面側）にある

同心円状のリング構造（アクトミオシンリング）が、

細胞内で時計回りに回転するための

駆動源になっていることが明確に示されたのです。

これは、

細胞が自分自身の「左右（回転の向き）」を

決定する全く新しい仕組みを発見したことになります。

一方、

この研究はまだ完全な答えを

出したわけではありません。

なぜなら、

この実験で使った細胞は「Caco-2」という

特定の１種類の細胞に限られているからです。

このCaco-2細胞で見られた新しい仕組みが、

他の種類の細胞にも当てはまるのか、

あるいは細胞の種類ごとに異なる

仕組みがあるのかはまだ分かっていません。

そのため、

この仕組みが生き物の体の中でどれほど

広く一般的に使われているのかを確かめるためには、

これから他の細胞でも詳しく調べていく必要があります。

また、

今回使ったCaco-2細胞にはもう一つ

重要な特徴があります。

それは、

この細胞が集まって「上皮組織」という

膜のような構造を作ることができるという性質です。

上皮組織というのは私たちの体を

外界から守っている皮膚や腸の内側を

覆う膜のような組織で、

多くの細胞が協力してできています。

もしCaco-2細胞が単独で持つこの

「回転する仕組み」が、

細胞が集まった多細胞の組織になったときにも

見られるのだとしたら、

組織や器官の左右非対称性がどのようにして

生まれるのかを調べるための非常に良い

モデルになる可能性があります。

つまり、

１つの細胞のキラリティ（利き手）が、

多くの細胞が集まった組織のレベルでの

キラリティーにどのようにつながって

いるのかを知る上で、

このCaco-2細胞はとても役に立つ

存在になるかもしれないのです。

この問題を解明するためには、

今後の研究で細胞が集団になったときに

どのような動きを示すのか、

単一の細胞のキラリティがどのように

組織全体のキラリティにつながっていくのかを

詳しく調べていく必要があります。

今回の研究で明らかになった細胞の

回転運動を生み出す

アクトミオシンリングの仕組みは、

生き物の体全体に見られる

「左右非対称性」の謎を解くための

重要な一歩になるかもしれません。

研究チームはこれからも、

「分子のねじれ」→「１つの細胞の回転」→

「細胞集団（組織）」→「生物個体」という、

より広い階層へとつながる左右非対称性の

仕組みを、

一つ一つ明らかにしていこうとしています。

このような研究が進めば、

人間を含めた多くの生物が、

なぜ左右が異なる構造を持つようになったのかという、

生命の深い謎の理解が進むことが期待されます。