2.13: 老化と再生への入門

老化と再生の分野の生物学者は、組織の恒常性の維持に関与するこれら2つの複雑なプロセスのメカニズムを理解することを目指しています。

老化、すなわち「老化」は、細胞の形態の劣化と時間の経過に伴う機能の喪失を伴いますが、再生とは、老化または損傷した細胞の置換を指します。私たちの体内の組織は、老化と再生の微妙なバランスで保たれています。私たちの組織のほとんどは寿命が限られていますが、中には怪我をした後も完全に再生する能力を持っているものもあります。

このビデオでは、その歴史について簡単に説明し、この分野での主要な発見、現在調査されている重要な問題、これらの質問に答えるために使用されているいくつかのアッセイ、およびこれらの概念のいくつかの特定の実験室での応用に焦点を当てています。

現在行われている実験について話す前に、老化と再生の研究の歴史における重要な発見のいくつかを見てみましょう。

組織再生の最初の観察は紀元前350年頃に起こり、アリストテレスはトカゲが切断された後に尾を再生することができることに気づきました。

18世紀には、組織再生が注目のトピックとなり、R.A.フェルショー・ド・ラウミュール、アブラハム・トレンブリー、ラザロ・スパランツァーニの3人の科学者が独立して、ザリガニ、ヒドラ、イモリの詳細な組織再生研究を行いました。

主流の科学者は、次の世紀を通じて再生現象にあまり興味を示さなくなりましたが、1900年代初頭には、老化の関連分野に関心が高まり始めました。フランスの外科医で生物学者のアレクシス・カレルは、培養で成長した細胞は不死であり、無期限に分裂することができると示唆しました。しかし、他の科学者は彼の主張を再現することができませんでした。

1961年、レナード・ヘイフリックとポール・ムーアヘッドは、キャレルの主張に反して、培養で増殖した正常細胞は有限の回数(約40〜60回)分裂し、その後老化期に入ることを実証しました。この細胞分裂の制限的な現象は、「ヘイフリック限界」として知られるようになりました。

この限界のメカニズムの最初のヒントは、1973年にソビエトの生物学者アレクセイ・オロヴニコフが、DNA複製機構がテロメアと呼ばれる染色体の末端を完全に複製できないことを認識したときに訪れました。彼は、健康な細胞と癌細胞のテロメアの長さを維持するメカニズムの存在を予測しました。

1984年後半、エリザベス・ブラックバーン、キャロル・グライダー、ジャック・ショスタクは、このメカニズムがテロメラーゼと呼ばれる酵素に関与していることを発見しました。その結果、テロメラーゼが染色体の3'末端に反復配列が追加され、それによってDNAポリメラーゼが染色体末端を完全に複製できるようになることが示されました。ブラックバーン、グライダー、ショスタクは、この発見で2009年にノーベル賞を共同受賞しました。

老化と再生に関連するいくつかの発見をレビューしたところで、今日この分野で問われているいくつかの重要な質問を見てみましょう。

研究されている重要な問題の1つは、細胞はどのように老化するのかということです。細胞老化の一般的な理論は、フリーラジカル理論と呼ばれています。ミトコンドリアと呼ばれる細胞小器官が酸化呼吸を行うと、活性酸素種(ROS)と呼ばれる副産物が形成されるという考え方です。これらの分子の過剰産生は酸化ストレスを誘発し、ミトコンドリア自体や小胞体などのオルガネラの機能を変化させ、核DNAに損傷を与えることもあります。科学者たちは、これらの出来事の背後にあるメカニズムを発見することに興味を持っています。

もう一つ問われているのは、生物の寿命に影響を与える生理学的・環境的要因は何か、ということです。一部の研究者は、カロリー制限などの環境変化が生物の寿命に及ぼす影響を分析しようとしています。他の研究者は、老化のプロセスを調節する遺伝子と生化学的経路を特定することに興味を持っています。

最後に、科学者たちは、損傷後に組織がどのように自発的に再生するかを理解しようとしています。成体幹細胞として知られる特別な細胞がこのプロセスに関与することがわかっており、一部の研究者は損傷後のこれらの細胞のダイナミクスに興味を持っています。臨床的な観点から、科学者たちはこれらの細胞を変性疾患の治療にどのように利用できるかを調査することに関心を持っています。

現場で尋ねられている質問のいくつかがわかったところで、科学者がこれらの質問に答えるために採用しているさまざまな研究ツールを見てみましょう。

細胞の年齢を測定する方法の1つは、テロメアの長さとテロメラーゼ活性を決定することです。これらのパラメータはどちらも、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)を使用して測定できます。

科学者たちはまた、?-ガラクトシダーゼのような老化細胞の確立されたマーカーを調べます。これは、生化学的アッセイを使用して細胞を染色し、顕微鏡で観察することで行うことができます。

生物の寿命に影響を与える要因を調べるために、科学者はしばしばミミズやハエなどの無脊椎動物モデル生物を使用します。これらのモデル生物の利点は、比較的短い世代時間と、単純な実験室のセットアップで成長させる能力です。さらに、これらの生物では遺伝子操作を容易に行うことができるため、科学者は老化と長寿の過程における遺伝子の役割を調べることができます。

最後に、組織再生における成体幹細胞の役割は、いくつかのアプローチを使用して研究できます。例えば、科学者は標的組織中の成体幹細胞を特異的なマーカーで標識し、組織の再生時にこれらの細胞を追跡することができます。時には、研究者はこれらの多能性幹細胞を損傷した組織に直接注入して、損傷後の修復におけるそれらの役割を研究します。

老化と組織再生の分野で使用される方法のいくつかがわかったので、これらの方法の具体的なアプリケーションをいくつか見てみましょう。

回虫Caenorhabditis elegansは、寿命を延ばすことができる遺伝子変異を特定するためのスクリーニングプラットフォームとして使用されています。ここでは、時限産卵プロトコルの助けを借りて年齢を同期させた後、科学者たちは遺伝子変異が生物の寿命に及ぼす影響を分析しました。

組織再生のメカニズムを研究するために、初期損傷とそれに続く再生メカニズムの解析を含む多くのモデルが利用可能です。この例では、ゼブラフィッシュの末梢神経系の主要な感覚成分である側線の切除後の組織再生を調べました。

アブレーションを誘発するために、科学者たちは魚をゲンタマイシンで処理しました。指定された回復時間の後、魚を神経幹細胞を染色する蛍光バイタル色素溶液に注ぎました。次に、これらの染色された細胞を蛍光顕微鏡を用いて定量しました。

最後に、研究者はしばしば成体幹細胞を注入して、損傷した組織の修復を誘導します。ここでは、科学者たちは多能性幹細胞を使用して、損傷した筋肉組織の再生を誘導しました。そのために、科学者たちは後肢の筋肉が損傷したマウスモデルを作成しました。次に、多能性幹細胞を損傷した筋肉に直接注入しました。注射後、細胞に増殖と分化の時間を与え、機能改善への寄与を解析しました。

JoVEの老化と再生の分野の紹介をご覧になりました。このビデオでは、この分野の歴史的なハイライト、生物学者によるいくつかの重要な質問、それらの質問に答えるために使用されているいくつかの著名なアッセイ、および老化と再生の生物学を理解するために実施されている現在の実験をレビューしました。いつものように、ご覧いただきありがとうございます!