アフリカツメガエル

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上野 直人
基礎生物学研究所 発生生物学領域 岡崎国立共同研究機構 (基礎生物学研究所) 発生生物学研究系
DOI:10.14931/bsd.1446 原稿受付日:2012年5月11日 原稿完成日:2012年7月5日
担当編集委員:大隅 典子(東北大学 大学院医学系研究科 附属創生応用医学研究センター 脳神経科学コアセンター 発生発達神経科学分野)

African clawed frog
Conservation status
Scientific classification
Kingdom: Animalia
Phylum: Chordata
Class: Amphibia
Order: Anura
Family: Pipidae
Genus: Xenopus
Species: X. laevis
Binomial name
Xenopus laevis
Daudin, 1802

学名:Xenopus laevis 英語名: African clawed frog 独:Afrikanischer Krallenfrosch 仏:xénope du Cap

 アフリカ原産のカエル両生類)。古くは妊婦の尿中に含まれるヒト絨毛性ゴナドトロピン(hCG)に応答し排卵することから妊娠検査に用いられていたが、が比較的大きく(直径約1.2 mm)操作が容易であることから生物学、医学研究におけるモデル生物として世界に拡散し長い間重用されてきた。飼育は20℃前後で行われ比較的容易であるが、世代交代時間が1-2年と長く遺伝学には不向きとされている。近縁種のネッタイツメガエルXenopus tropicalisはアフリカツメガエルの染色体が偽4倍体であるのに対して2倍体であること、最近ゲノム解読が終了したことなどからネッタイツメガエルも近年遺伝学を可能にする両生類モデル生物として拡大しつつある[1]

神経科学に於ける利用

卵母細胞発現系

 神経科学においては、アフリカツメガエル卵母細胞タンパク質翻訳系として用いられてきた。とくに1980年代になってSP6プロモーターを用いて特定のcDNAからmRNAを合成することが可能になった[2]こともあり、未受精卵および胚内へのmRNAの顕微注入により発現させた機能タンパク質の生物活性評価に用いられている。とく卵母細胞での膜タンパク質の翻訳とパッチクランプ法などの電気生理実験を組み合わせてアセチルコリン受容体[3]を含む多くの重要な受容体チャネル分子の同定がなされている(図左)。同様の手法を用いて、mRNAプールからの発現クローニングも可能である[4]

図 卵母細胞発現系による機能解析
図は森田仁博士による。

発生

 一方、アフリカツメガエルは初期発生における細胞分化形態形成の研究においても発展に大きく寄与しており、神経科学への貢献も無視できない。1920年代にHans Spemannは両生類であるサンショウウオ初期原腸胚オーガナイザー領域原口背唇部)を腹側に移植すると、頭部など中枢神経系が重複した2次胚ができることを発見し神経誘導因子の存在を予見した[5]。この神経誘導因子の同定にアフリカツメガエル胚を用いた実験は重要な役割を果たした。

 mRNAの顕微注入による機能評価が可能であることから、1990年代には移植実験の代わりにmRNAを腹側の割球にだけ注入するという実験が行われ(図右)、骨形成タンパク質(bone moephogenetic protein, BMP)シグナルを遮断するドミナントネガティブ受容体[6]やオーガナイザー領域で発現するBMP活性阻害因子ノギン[7]コーディン[8]フォリスタチン[9]がオーガナイザー同様に2次軸形成能をもつことが明らかにされ、神経誘導活性をもつオーガナイザー因子の存在が分子同定によって明らかになった。

 胞胚期動物極側細胞集団(アニマルキャップ)は誘導因子の非存在下では表皮分化するが、解離して培養すると神経に分化することも知られていた。現在、アニマルキャップに存在するBMPが神経分化を抑制しており[10]、その除去または活性阻害により神経分化が進むと解釈されている。このようにアフリカツメガエルは簡便な神経分化の評価系として有効である。

 また、アフリカツメガエルは母胎外で発生するため、中枢神経系の初期形態形成を実体顕微鏡下で直接観察できるという大きな利点がある。過剰発現による機能亢進、機能阻害を用いて、とくに神経管形成のしくみを細胞レベルで明らかにするために非常に適したモデル生物であり、神経管閉鎖不全などの病因・病態解明に寄与している。

遺伝学研究

 他のモデル生物に比べ遺伝学研究が遅れているが、遺伝子導入トランスジェニック)は精子核移植を用いたREMI法(restriction enzyme-mediated integration)[10]などにより多数の系統が作出されている。神経系への直接の影響を観察する神経科学においては遺伝子導入に電気穿孔法(electroporation)が用いられ、神経発生期での特定遺伝子の過剰発現による脳の形態異常や遺伝子発現変化などの解析で効果を挙げている。また、微小電極を用いて単一ニューロンあるいはグリア細胞へ遺伝子導入する方法も確立されている[11]。遺伝子ばかりでなくタンパク質や蛍光デキストランなど標識化合物など電荷をもった分子を導入できことから高分解能での解析が可能となっている。

 機能阻害実験に関しては現時点で遺伝子破壊が不可能であり、アンチセンスモルフォリノオリゴヌクレオチド(MO)がいわゆるノックダウン実験に用いられる。4倍体であるため遺伝子によってはノックダウン効率を高めるために、倍化によって生じた相同な遺伝子(ホメオログ)に対する2種類のMOを用いる必要があるが、MOによるノックダウン実験は一般的な方法となっている[12] [13]。とくに神経科学においては、16もしくは32細胞期の背側および動物極側割球に選択的にmRNAを注入することにより初期発生への影響を排除して中枢神経系への影響を観察できることはアフリカツメガエルの有利性のひとつである。

参考文献

  1. Richard M Harland, Robert M Grainger

    Xenopus research: metamorphosed by genetics and genomics.
    Trends Genet.: 2011, 27(12);507-15 [PubMed:21963197] [WorldCat.org] [DOI]

  2. D A Melton, P A Krieg, M R Rebagliati, T Maniatis, K Zinn, M R Green

    Efficient in vitro synthesis of biologically active RNA and RNA hybridization probes from plasmids containing a bacteriophage SP6 promoter.
    Nucleic Acids Res.: 1984, 12(18);7035-56 [PubMed:6091052] [WorldCat.org]

  3. K Fukuda, H Higashida, T Kubo, A Maeda, I Akiba, H Bujo, M Mishina, S Numa

    Selective coupling with K+ currents of muscarinic acetylcholine receptor subtypes in NG108-15 cells.
    Nature: 1988, 335(6188);355-8 [PubMed:2843772] [WorldCat.org] [DOI]

  4. G C Frech, A M VanDongen, G Schuster, A M Brown, R H Joho

    A novel potassium channel with delayed rectifier properties isolated from rat brain by expression cloning.
    Nature: 1989, 340(6235);642-5 [PubMed:2770868] [WorldCat.org] [DOI]

  5. Spemann, H., and Mangold, H.
    Roux Arch. f. Entw. mech. 100,599-638, 1924
  6. A Suzuki, R S Thies, N Yamaji, J J Song, J M Wozney, K Murakami, N Ueno

    A truncated bone morphogenetic protein receptor affects dorsal-ventral patterning in the early Xenopus embryo.
    Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.: 1994, 91(22);10255-9 [PubMed:7937936] [WorldCat.org]

  7. L B Zimmerman, J M De Jesús-Escobar, R M Harland

    The Spemann organizer signal noggin binds and inactivates bone morphogenetic protein 4.
    Cell: 1996, 86(4);599-606 [PubMed:8752214] [WorldCat.org]

  8. S Piccolo, Y Sasai, B Lu, E M De Robertis

    Dorsoventral patterning in Xenopus: inhibition of ventral signals by direct binding of chordin to BMP-4.
    Cell: 1996, 86(4);589-98 [PubMed:8752213] [WorldCat.org]

  9. S Iemura, T S Yamamoto, C Takagi, H Uchiyama, T Natsume, S Shimasaki, H Sugino, N Ueno

    Direct binding of follistatin to a complex of bone-morphogenetic protein and its receptor inhibits ventral and epidermal cell fates in early Xenopus embryo.
    Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.: 1998, 95(16);9337-42 [PubMed:9689081] [WorldCat.org]

  10. 10.0 10.1 K L Kroll, E Amaya

    Transgenic Xenopus embryos from sperm nuclear transplantations reveal FGF signaling requirements during gastrulation.
    Development: 1996, 122(10);3173-83 [PubMed:8898230] [WorldCat.org]

  11. Kurt Haas, Kendall Jensen, Wun Chey Sin, Lisa Foa, Hollis T Cline

    Targeted electroporation in Xenopus tadpoles in vivo--from single cells to the entire brain.
    Differentiation: 2002, 70(4-5);148-54 [PubMed:12147134] [WorldCat.org] [DOI]

  12. S L Nutt, O J Bronchain, K O Hartley, E Amaya

    Comparison of morpholino based translational inhibition during the development of Xenopus laevis and Xenopus tropicalis.
    Genesis: 2001, 30(3);110-3 [PubMed:11477685] [WorldCat.org]

  13. Panna Tandon, Chris Showell, Kathleen Christine, Frank L Conlon

    Morpholino injection in Xenopus.
    Methods Mol. Biol.: 2012, 843;29-46 [PubMed:22222519] [WorldCat.org] [DOI]