複数の動物門で再生が見られること、また、後生動物門のいくつかの門や重母動物門で体全体を再生する能力が広く見られることから、後生動物の祖先は広く再生能力を持っていたと考えられています。
再生の維持については、適応仮説、多変量性、系統的慣性のいくつかの仮説がある。
- 最初の仮説では、再生は選択によって維持されるだろうから、構造の喪失は一般的で、その不在は生物にコストがかかり、再生の利益はそのコストを上回らなければならない。 この種の構造の例としては、トカゲやサンショウウオの尾が挙げられるが、最も再生能力の高い動物群の一つであるヒドラやプラナリアでは、自然界に切断の証拠がないため、これらの場合は適応仮説が支持されないことになる。
- 第二の仮説は、特定の構造を再生する能力は、無性生殖、成長、胚発生、別の構造の再生といった別の現象と強く結びついていると仮定するものである。 刺胞動物のように再生と成長が類似のメカニズムに基づいている生物群は、多変量性による再生維持の研究の候補である。
- 第三の仮説は、再生維持が歴史的理由で起こる、すなわち再生は失われない祖先の特性であろうと提案した。
プラナリアの再生 編集
再生過程が最もよく研究されている生物の1つが、扁形動物門に属する両側対称の後生動物、プラナリアである。 これらの生物を真ん中で切ると、頭の半分は尾を、尾の半分は頭を再生することが数世紀前から知られている。
切った後は薄い上皮の層が傷を覆うが、背側と腹側の両方の上皮細胞は、傷を覆ううちにその特徴的な形態を失っていく。 切断された動物では、創傷部付近で細胞増殖のピークが検出され、再生芽細胞腫と呼ばれる上皮・間葉系の芽が作られる。 観察された細胞増殖は、大きな核とわずかな細胞質を持つ、小型で高度に未分化な細胞集団に限定される。 このような細胞は新芽細胞として知られている。
新芽細胞の起源については、体細胞の脱分化から生じるという説と幹細胞の自己複製から生じるという説があるが、新芽細胞が全能性幹細胞であるという証拠が示されている。
胚盤形成による再生はプラナリアのすべての構造を形成するのではなく、胚盤の下流の組織がリモデリング、すなわち形態形成により他の構造を再生させるのです。 このようにプラナリアの再生過程は、エピモルフォシスとモルファラクシスという2つの主要なメカニズムが組み合わさった結果である。
サンショウウオの再生 編集
サンショウウオの手足の再生はエピモルフォシスによって起こり、必要なら細胞が手足全体を再生することができるが、欠損した部分のみを再生することも可能である。 切断後、6時間から12時間の間に内皮細胞が傷を覆い、この層は創傷表皮と呼ばれ、頂部外皮キャップを形成しながら増殖する。 その後数日で、帽子の下の細胞は脱分化し、再生胚葉という塊を形成する。 分化した組織で発現する遺伝子はダウンレギュレーションされ、胚性四肢に関連する遺伝子の発現が劇的に増加する。 これらの細胞は増殖を続け、最終的には再分化して新しい四肢構造を形成する。
爬虫類の再生 編集
爬虫類は、例えば四肢の一部、神経細胞を含む異なる種類の組織、目のレンズ、ワニやトカゲの下顎弓と上顎弓、一部のカメの甲羅など体の一部を再生することができる。 しかし、最も研究が進んでいるのは、トカゲの尾の再生である。 トカゲは、襲ってくる捕食者の注意をそらすために、あらかじめ尾の平面に形成された切断点によって尾を自切することが知られており、一度切断された尾は再生を開始するが、元の構造にはならず（骨が再生しない）、ほとんどの場合、再生は一度きりである。
再生過程は、傷の周囲の上皮細胞が移動して頂部表皮層（または頂部キャップ）を形成することから始まり、数日後にこの層の下に胚膜が形成され始め、両生類のような円錐構造を発生させます。 芽球は、分裂中の未分化間葉系細胞からなり、脊髄を生じ る上衣（上皮細胞層）の周囲に組織化される。 当初、胚盤細胞は切断部の近位部で分化を開始し、線維芽細胞、血管、脂肪細胞、リンパ系の細胞などを生じます。 これらの細胞が確立されると、他の組織が形成され始め、静脈や動脈が形成されるなど、組織間のつながりが生成され、失われなかった脊髄の続きとして上衣を囲む軟骨の塊が形成され始めるのである。
同時に、胚盤細胞の後方および側方で、非切断筋に由来する筋芽細胞から筋塊が再生し始め、筋由来細胞の集合体を共有する線維芽細胞から分離します。 筋芽細胞同士の親和性により、4〜8個の筋芽細胞が融合を開始する。 そして、筋管が並んで生成され、その先端に線維芽細胞が集まって筋隔膜と呼ばれる結合組織が形成される。 筋再生の最終段階は、この筋管の成長と組織化につながる。細胞は細胞質を融合して多核繊維を形成し、これが集まって同じような直径の筋原線維となる。 両生類では、1つの筋芽細胞から筋管が形成され、その後多核化しますが、この多核化によってmRNAの合成が進み、筋繊維の中に新しいサルコメアを作る収縮タンパク質がより多くできるため、筋肉の成長が促されるのです。
尾を支える筋肉が確立されると、その組織は近くの脊髄と再生する尾に最も近い最後の3つの脊髄神経節から再生される神経細胞によって再コロニー化されます。 最終的にこれらの神経は他のすべての細胞と接触し、3～6ヶ月で尻尾の成長を完了させることができます。 同時に、尾の成長に伴い、尾の表皮から鱗が再生される。
線維芽細胞増殖因子（FGF）1および2（それぞれ酸性および塩基性）は、細胞増殖を誘導することにより尾の再生に重要な役割を果たすことが示されており、鱗屑、筋肉、血液組織などの再生組織で発現しています。 神経細胞と脊髄は、自律的にFGFを生成して神経芽細胞の増殖を促し、その神経芽細胞がこれらの領域から出て、胚盤胞を刺激して他のFGFを生成し、それが頂膜表皮層を活性化して、さらにFGFを生成して胚盤胞にフィードバックすると考えられています。 その結果、増殖・成長につながるのです。
哺乳類の再生編集
哺乳類では肝臓の代償再生が可能である。 この場合、欠損した部分は再生せず、残った部分が肥大して欠損した組織を補うことになります。 つまり、肝臓は完全に脱分化することなく、各細胞型が同一性を保ち、芽球腫の形成もない既存の組織の増殖によって再生されるのである。 肝臓の再生に最も重要なタンパク質の一つは、いくつかの胚性タンパク質の誘導に関与する肝細胞増殖因子（HGF）です。
人間の身体で自己再生できる部位は以下の通りです：
- 髪
- 爪
- 皮膚
- 血液
- 筋肉
- 骨
- 肝臓
粘膜（頬部、消化部、…)
ヒドラにおける再生 編集
昔、ヒドラを半分に切ったときに両断することに気がついたことがあります。 この生物を小さく切り刻んでも（少なくとも数百の上皮細胞）、それぞれが完全なミニチュアヒドラを再生することができる。
三帯ヒョウタン虫の再生
三帯ヒョウタン虫は前口、頭部に神経細胞が集中する神経系、筋、咽頭、感覚背側、腹側雄交尾器を持っている。 Hofsteniaは実験室での培養に適しており、1匹あたり1週間に約4個の胚を生産し、実験室での培養では1日に合計100個の胚を生産することがわかった。 生殖速度が速く、再生能力が高いため、再生過程のモデルとして非常に興味深い。
この再生は、数千の再生遺伝子が活性化されるGRN（遺伝子制御ネットワーク）により行われ、先駆性と制御性の2つの要素を持つegrが調節しています。 Hofstenia miamiaでは、Egr-runt-nrg-1遺伝子の制御カスケードを決定することができ、最初の48時間で、Egr遺伝子のおかげで全身を再生するすべての機械が活性化された。
ゼブラフィッシュ（Danio rerio）の再生 編集
ゼブラフィッシュは卵一個あたり多くの子孫を作る能力を持ち、人工環境での管理が簡単な魚です。 ゼブラフィッシュは、胚の色が透明で、母体外で急速に成長することから、胚発生を研究するためのモデル生物とされている。 また、ゼブラフィッシュは、ヒレ、脊髄、心臓、膵臓、網膜などのさまざまな器官を効率よく再生できることから、再生研究に頻繁に用いられています。
両生類の手足は解剖学的に非常に異なっていますが、ゼブラフィッシュの再生メカニズムは両生類のそれと非常によく似ています。 これらの魚は切断した部位によって高い再生率を示す。
ヒレの再生：ヒレは骨細線（lepidotrichia）からなり、各線間には血管、神経、色素細胞、線維芽細胞などが存在する。 魚類のヒレ再生の研究は、18世紀にルネ・アントワーヌ・ダチュール・ド・レアムールがザリガニの四肢の再生を観察したことから始まり、これらの生物は95%の器官を切除してもヒレ全体を再生できることが研究で明らかにされています。
ゼブラフィンの再生のタイプはエピモルフィックで、4つのステージからなる：
- Wound closure
- Wound epidermis formation
- Blastema formation
- Blastema cell differentiation.This case in a form of regeneration in the zebra fin is the epimorphic.
ヒレの再生では、表皮が細胞の分化状態を制御している。 切除後、傷口周辺の上皮はF-actinを介した急速な収縮が見られる。 このアクチンを介した閉鎖過程が完了すると、傷の上皮細胞が移動して、この表皮層に、細胞間の関係を維持し移動を促進する仕事をするβ-カテニンが発現している傷の表皮（wound epidermis）が形成される。 この表皮層の細胞は、周囲の表皮細胞とは異なるアイデンティティを持っています。 この表皮層の重要性を評価するために、いくつかの研究が行われてきた。 この表皮層が剥がれると、再生が止まってしまうことが分かっています。 この層の下で胚珠が形成され始める。 この細胞塊の性質については、切断時に活性化する休眠状態の幹細胞から芽球が形成されるという第一の仮説と、脱分化を起こした間葉系細胞から芽球が発生するという第二の仮説の二つがある。 現在、2つ目の仮説が支持されています。 これによると、胚盤胞は脱分化した後、さらに分化を進めて、切除した組織の代わりとなる。 胚盤期から伸展期への移行には、形態的な変化と分子的な変化の両方があり、後者には2つのステージで異なる遺伝子の発現の変化や、新しい遺伝子の発現が含まれる。 wnt3aは、胚盤形成時には発現しないが、伸展時には発現する。 胚葉は遠位と近位の2つのゾーンに分けられる。 近位部では間葉系細胞の分化が行われると推定されるが、その過程はまだ明らかではない。
ゼブラフィッシュのヒレの骨構造の発生過程で発現した異なる遺伝子群が、再生時に再発現することが明らかになった。 また、線維芽細胞増殖因子（FGF）は、芽腫形成のシグナル伝達に関与していることから、その重要性が示されている。 例えば、線維芽細胞増殖因子受容体1は間葉系細胞の増殖とその後の芽球形成に極めて重要であり、脊椎動物の四肢の発生に関与するmsxファミリー遺伝子の発現は、形成される四肢の遠位細胞の未分化を保つことも分かっている。 再生速度は環境因子にも影響され、33℃では25℃の約2倍で再生することが分かっている。 この器官の再生は、血管新生（血管の形成）にも依存している＜7447＞＜4949＞心臓の再生：ゼブラフィッシュは、脊椎動物の中で最も優れた心臓再生能力を示している。 現在では、心筋の構造的・機能的回復を可能にする分子メカニズムを研究するモデルとして広く利用されている。
心臓の再生は、ヒレの再生で提示されたものと同様のプロセスをいくつか示しています。 傷の遠位部で発生し、筋細胞から筋肉が復元される。 心室の一部を切除する実験が行われ、損傷に対するこの組織の反応は過形成、つまり新しい心筋細胞の生成であることが判明した。 哺乳類とは異なり、このフィブリン層は瘢痕組織に置き換わることはなく、実際、傷の後にはほとんどコラーゲンが残らない。 このフィブリン層はその後、新しい心筋に置き換わり、この過程は1～2ヶ月間続きます。 近年、Cre-loxP技術を用いた系統追跡実験により、再生部位の新しい心筋細胞の源は既存の心筋細胞であることが確認されている。 また、心臓に存在する他の種類の細胞も再生に関与していることが分かっています。 心外膜（心臓の外側の層）の細胞は、間葉系細胞になり、損傷部位に移動し、損傷部位での心筋の形成や冠状動脈の形成に貢献するなど、非常に可塑的であることがわかっています。 この移動と増殖は、心筋発生時に発現する2つの遺伝子（tbx18とraldh2）が、傷害発生後に再発現することによって引き起こされる。 また、フラップ再生で観察されるように、線維芽細胞増殖因子も極めて重要である。 心組織の再生において、FGFは再生時の心外膜の活性化に必要です。FGFは細胞の心外膜状態から間葉系状態への移行を指示し、さらに損傷部位への移動を促進することが実験により示されています。 FGFに加え、Thymosin β-4というタンパク質の産生が傷口で誘導され、心筋のコンパクションが発生します。
網膜の再生：哺乳類と異なり、魚類の網膜は生涯にわたって成長し、網膜の再生は魚類とウロハゼに存在する特徴である。魚の網膜にダメージを与える方法として、高い光強度で照射し、錐体・杆体のアポトーシスを誘導する方法がある。 組織の変性が起こる方法によって再生時間は異なる。 当初、新しい網膜細胞の生成には杆体前駆細胞の増殖が関係していると考えられ、この細胞が網膜再生細胞の主な供給源であることが示唆された。 近年の研究から、ミュラーグリア細胞は網膜の損傷に対して、細胞周期の進行、増殖、網膜内核層からの幹細胞の産生など、迅速に反応することが分かっています。 網膜内核層細胞などの杆体前駆細胞の増殖は、網膜障害の程度に依存している可能性がある。 胚性網膜発生時に発現する遺伝子（Notch、delta、rx1 vsx2、N-cadherin）のいくつかは、ゼブラフィッシュの視細胞再生時にも発現する。 網膜を切除または変性した後、網膜の内核層と外核層に両方のミュラーグリア細胞の増殖があり、その後ミュラー細胞は増殖細胞を異なる損傷部位に誘導する。 この増殖した細胞こそが、新しい網膜細胞を生み出すことになり、幹細胞としての可能性が提唱されているのです。 これは、網膜グリア細胞が脱分化して神経幹細胞を形成し、これが後に視細胞を再生するという、エピモルフィック再生などの他のタイプの再生とは異なるメカニズムです。 このプロセスにはグリア細胞だけでなく、他の眼球組織から実験的にこれらの細胞を分離すると、非神経細胞が再プログラムされて再び網膜を形成することができます。 グリア細胞の細胞周期を誘導するシグナル伝達メカニズムはまだわかっていないが、他の生物での研究に基づいて、FGF2やインスリン様成長因子がそのようなシグナル伝達に関与している可能性が提唱されている。