ホメオボックスいでんしは、からだの 場所ごとにどの 場所で、どんな ぶぶんが そだつかに かかわる なかまです。

この いでんしは、ほかの いでんしの スイッチを いれたり きったり する ものを つくります［1］。ただし ほんとうに ふだが 立つ わけでは ありません。いでんしの はたらきで、場所ごとに ちがう スイッチが ひろがる ようすの たとえです。

この ふだが まちがうと、おもしろい ことが おきます。ある ぶぶんが、べつの ぶぶんに かわって しまう ことが あるのです［1］。それだけ、場所を きめる ちからが つよいと いう ことです。

では、この なかまの いでんしは、からだの どんな じゅんばんで はたらくのでしょう。

ホメオボックス遺伝子は、約180個の塩基からなる「ホメオボックス」という共通の配列をもつ遺伝子の仲間です。この配列を含む遺伝子は、転写因子、つまり別の遺伝子のスイッチを入れ切りするタンパク質をつくり、体の部位の位置情報を決めるのに関わります［1］。

位置を決める力が強いことは、変異が起きたときにはっきり見えます。この遺伝子に変異が起きると、体のある構造が別の構造に置き換わる「ホメオティック変換」がしばしば起きます［1］。

たとえるなら、地図に「ここは住宅地」「ここは商店街」と区画の札を立てる係です。ただし実際は札ではなく、細胞の中でスイッチを切りかえるタンパク質が働いています。

この札の係は、体のどんな順番で並び、どんな順番で働くのでしょうか。

ホメオボックスは約180ヌクレオチドの配列で、それを含む遺伝子は、体の部位の位置情報を決める転写因子をコードする［1］。転写因子は、DNAに結合して別の遺伝子の働きを調節するタンパク質である。つまり、一つの遺伝子が体の形を直接つくるのではなく、多数の遺伝子のスイッチ役として働くため、少数の遺伝子の変化が体の広い範囲に影響しうる。

この性質は、変異の結果によく表れる。この遺伝子群の変異では、体のある構造が別の構造に置き換わる「ホメオティック変換」がしばしば起きると、MeSHは説明している［1］。

置き換わるのは、その部位に「何をつくるか」の指示が書き換わったためだ。では、その指示はどのような規則で体に割り当てられるのか。次に染色体上の並びを見る。

ホメオボックスいでんしの なかでも、Hox（ホックス）いでんしは、せんしょくたいの うえで 一れつに ならんで います。ふしぎな ことに、ならんだ じゅんばんが、からだの まえから うしろへの じゅんばんと そろって います［3］。

はたらき はじめる じゅんばんも、そろって いると かんがえられて います。いちばん まえ がわの いでんしが さいしょに はたらく、という れいが あります［10］。

ひとの いでんしの かずは、およそ 39こ。ヌタウナギと いう さかなのような いきものは、およそ 40こで、ほとんど おなじです［3］。

たとえば、えきが ならんだ とおりに れっしゃが とまって いく ように、いでんしも ならんだ じゅんばんで はたらく、と いう ことです。

では、この「ならんだ じゅんばん」を だれが はたらかせるのでしょう。

Hox遺伝子は、ホメオボックス遺伝子の中でも体の前後の軸に沿って働く仲間で、染色体の上に一列に並んでいます。その並び順は、遺伝子が働く体の領域の順番と一致します。これを「空間的共線性」と呼びます［3］。

働き始める時間にも、同じ順番が見られます。脊椎動物の初期発生では、体の前側を担当する遺伝子が最初に働く例が知られています［10］。ヒトの胚性幹細胞の実験でも、レチノイドという物質が、Hox1からHox10までの遺伝子を染色体上の並びの順に、時間をずらして働かせると報告されています［10］。

これらの遺伝子は、中脳と後脳の境目より後ろの体の位置を決める遺伝子として説明されます［10］。

数にも驚きがあります。理化学研究所の研究によると、ヒトのHox遺伝子は4つのまとまりで合計39個、ヌタウナギは40個で、ほぼ同じです［3］。また、ホメオボックスをもつ遺伝子座はヒトで333か所あり、うち255が実際に働く遺伝子と推定されています［2］。マウスの系統では、ヒトでは失われていない遺伝子がいくつも失われているという報告もあります［2］。

体の位置を決める遺伝子の仲間が、遠い動物どうしでこれほど似ているなら、目のような一つの器官をつくる遺伝子にも、共通するものがあるのでしょうか。

Hox遺伝子は染色体上に一列に並び、その位置は遺伝子が発現する体の領域に一致する（空間的共線性）［3］。この対応は、時間軸でも成り立つと考えられている。脊椎動物の初期発生では、最も3'側にある前方の遺伝子が最初に発現する例がある［10］。ヒト胚性幹細胞を用いた系では、レチノイドがHox1〜Hox10の遺伝子を、染色体上の並びの順に時間をずらして発現させるとされる［10］。

このため、染色体上の並びは単なる偶然の配置ではなく、「どの順番で、どの位置の遺伝子を働かせるか」という情報として読める。ただし、この説明は脊椎動物の初期発生を中心にしたもので、すべての動物で同じ強さで成り立つとは、この資料からは言えない。

数の比較も興味深い。理化学研究所の報告では、ヌタウナギのHox遺伝子は約40個で、ヒト（4クラスター、計39個）とほぼ同数である［3］。広く見れば、ヒトのゲノムには333のホメオボックス遺伝子座があり、うち255が遺伝子として働くと推定されている［2］。一方で、齧歯類（マウス）の系統では、ヒトで失われていない遺伝子が複数失われており、数は系統によって増減する［2］。

では、これほど位置情報の遺伝子が動物の間で保たれているのなら、個別の器官、たとえば目の形成にも共通性があるのか。

ハエの 目を つくる いでんしは、「eyeless（アイレス）」と いう なまえです。ひとにも、おなじ なかまの いでんしが あり、「PAX6（パックスシックス）」と よばれます［5］。

PAX6は、目が できる とき の おおもとを うごかす いでんしと されます［6］。この いでんしに ふぐあいが あると、目の にじのような ぶぶんが、ぜんぶ または 一ぶ ない ことが あります［6］。

ハエと ひとは、すがたが まったく ちがいます。それでも からだを つくる ための どうぐが にて いるのは、おもしろい ことです。

ただし、目の かたちまで おなじ という わけでは ありません。いでんしの なかま、という はなしです。

さて、これらの いでんしは、じゆうに はたらくのでしょうか。それとも ブレーキが あるのでしょうか。

ショウジョウバエでは、目の形成に必要な遺伝子の一つが「eyeless」と呼ばれます。ヒトにも、これと相同なPAX6遺伝子があります［5］。相同とは、共通の祖先から受けついだ遺伝子という意味です。

PAX6は、目の発生を制御するマスター遺伝子とされ［5］、この遺伝子に病気の原因となる変異があると、虹彩（黒目のまわりの色のついた部分）が部分的または完全に欠ける「無虹彩症」などの目の異常が起こります［6］。

つまり、虫の目とヒトの目は形も仕組みもちがいますが、目の発生に関わる調節遺伝子の仲間は共通しているのです。ただし、PAX6だけで目が完成するわけではなく、目の完成には多くの遺伝子が関わります。ヒトのPAX6の異常が目の特定の部分だけに影響する理由は、完全には分かっていません。

こうした遺伝子は、どんな仕組みで「働く場所」と「働かない場所」を分けているのでしょうか。

ヒトのPAX6は、ショウジョウバエのeyeless遺伝子の相同遺伝子として紹介される［5］。PAX6は目の発生を制御するマスター遺伝子であり［5］、この遺伝子の病原性変異は、虹彩が部分的または完全に欠ける無虹彩症の原因になる［6］。

ここで重要なのは、相同であることと、同じ形をつくることとは別の話だという点だ。ハエの複眼とヒトのカメラ型眼は構造がまったく異なる。共通するのは、目の発生に関わる調節遺伝子の仲間であり、その下流で働く遺伝子の多くはそれぞれの動物で異なる。この点は、ここで引いた資料が直接述べていない一般的な説明であり、解釈として読んでほしい。

なぜヒトのPAX6異常が目の特定の部分、たとえば虹彩に強く現れるのかは、まだよく分かっていない。マスター遺伝子という呼び方は強い印象を与えるが、一つの遺伝子で目が完成するという意味ではない。

こうした遺伝子が適切な場所と時期だけで働くには、どのような調節があるのか。次にブレーキと補助役を見る。

ホメオボックスいでんしには、はたらきを おさえる ブレーキ やくも います。ポリコムと いう なかまが、いくつも あつまって かたまりに なり、Hox いでんしの スイッチを きります［8］。

もう 一つ、Hox いでんしの たんぱくしつは、ある ならびの DNAに くっつきやすいと されます［9］。それだけだと ねらいが ひろがりすぎるので、おてつだいの たんぱくしつと くんで、ねらいを しぼると せつめい されて います［9］。

たとえば、ひとりで 本だなを さがすより、ともだちと 二人で さがした ほうが、まちがえにくい ような ものです。

こうして、ひつような 場所と じかんに だけ、いでんしが はたらくのです。

遺伝子は、働くだけでなく、止めることも大切です。理化学研究所の研究では、ポリコム複合体というタンパク質のグループが、Hox遺伝子などの標的遺伝子の上で重なりあい、構造体をつくって遺伝子の発現を抑えると報告されています［8］。働くべきでない場所では、ブレーキがかかる仕組みです。

もう一つの調節が、補助役との組み合わせです。Hoxのタンパク質は、AT（アデニンとチミン）に富むDNA配列に結合しやすいとされます［9］。それだけでは、多くの場所に結合してしまいます。そこで、Exd/PbxやHth/Meisといった補助因子がHoxタンパク質と協力してDNAに結合し、狙いを絞ります［9］。

たとえるなら、一人では多くの本棚の本をつかんでしまうところを、相棒と二人で、決まった一冊だけを取り出すイメージです。

では、こうして調節された遺伝子の働きが、体の修復にも使われるのでしょうか。

遺伝子は、働かせる仕組みだけでなく、働かせない仕組みがあって初めて、決まった場所と時期にだけ発現できる。理化学研究所の研究では、ポリコム複合体が標的遺伝子（Hox遺伝子を含む）の上で重合して構造体を形成し、遺伝子の発現を抑制することが報告されている［8］。

もう一つの調節は、特異性の問題である。Hoxのホメオドメイン（DNAに結合する部分）はAT配列に富むDNAに結合しやすい［9］。この性質だけでは、体の多くの場所の遺伝子に結合しうるため、標的を絞りきれない。そこで、Exd/PbxやHth/Meisなどの補助因子がHoxタンパク質と協力してDNAに結合し、結合の特異性を高める［9］。この説明は、結合の選択性が単独の性質だけで決まらず、組み合わせで調節されることを示している。

ただし、抑制と補助因子の関係が、すべての細胞や動物で同じとは限らない。

こうした調節が、成体の体の修復、つまり再生にも使われるのか。次に、カエルの例を見る。

カエルの こどもの ときは、手足が なくなっても また はえて くる ことが あります。

この とき、「hoxc12」と「hoxc13」と いう Hox いでんしが、とくに つよく はたらきます［4］。これらの いでんしが、手足の さいせいに かかわって いるのです。

おとなに なると、さいせいは むずかしくなります。おとなの カエルが、手足を すっかり さいせいできる ように なるには、hoxc12の ほかに どんな ものが いるのでしょう。それは まだ わかって いません。

からだを つくる いでんしが、からだを なおす ときにも はたらく。ここが、けんきゅうの おもしろい ところです。

理化学研究所は2024年に、カエルの手足の再生で、Hox遺伝子のhoxc12とhoxc13が特異的に強く働くことを発表しました［4］。幼生（おたまじゃくしの時期）の四肢が再生するとき、これらの遺伝子が働き、再生を制御するとされています［4］。

体づくりのときに位置を決めていた遺伝子が、傷ついた手足をつくり直すときにも再び使われている、という見方ができます。ただし、これは研究の一部の結果で、再生のしくみの全体ではありません。

成体のカエルで、手足を完全に再生できるようにするには、hoxc12のほかにどのような因子が必要なのかは、まだ分かっていません。これからの研究の課題です。

ここまでは動物の話でした。では、植物にも同じ名前の遺伝子の仲間があるのでしょうか。

理化学研究所の2024年の報告では、カエルの幼生の四肢再生時に、hoxc12とhoxc13が特異的に発現上昇し、再生の制御に働く［4］。胚で位置を決めていたHox遺伝子が、成体に近い段階の再生で再び使われるという点が重要で、「体づくり」と「修復」が同じ遺伝子の再利用でつながる可能性を示している。

ここで、慎重に読むべき点がある。これは主に幼生の再生に関する結果であり、成体でも同じ条件で再生が起きるとは限らない。実際、成体のカエルで完全な再生を可能にするには、hoxc12以外の因子が必要かどうかは未解決である。

再生の研究から分かるのは、一つの遺伝子を働かせれば何でも再生できる、という単純な話ではなく、複数の因子と時期の組み合わせが関わりうる、ということだ。

ここまでは動物の例だった。ホメオボックスをもつ遺伝子は植物にもある。最後に、植物の成長点での働きを見る。

しょくぶつにも、ホメオボックスいでんしが あります。

くきの さきには、あたらしい 葉や 花を つくる ばしょが あります。ここでは、STMや WUSと いう ホメオボックスいでんしが、まだ なにに なるか きまって いない ままに しておく はたらきを して います［7］。

どうぶつと しょくぶつは、とても ちがう いきものです。それでも、「いつ」「どこで」「なにに なるか」を きめる いでんしの なかまが、どちらにも いる のです。

ただ、どうぶつと しょくぶつで、はたらきかたが どれだけ ちがうかは、まだ わかって いません。

植物にも、ホメオボックスをもつ遺伝子があります。茎の先の成長点（茎頂メリステム）では、STMやWUSという遺伝子が、細胞をまだ何にもなっていない状態に保つために働いています［7］。成長点は、新しい葉や花がつくられる場所です。

動物のHox遺伝子と植物のSTM・WUSは、発生のちがう場面で、ちがう役割を担っています。同じホメオボックスの仲間でも、働き方は一つではありません。

動物と植物で、同じ名前の遺伝子の仲間が、なぜ大きく異なる働き方をするのか。その理由は、まだ分かっていません。

ここまでで、体の位置、目、再生、植物という四つの場面に、ホメオボックス遺伝子が顔を出すことが分かりました。

ホメオボックスをもつ遺伝子は植物にもある。茎頂メリステム（茎の先端で新しい器官のもとをつくる組織）では、STM遺伝子やWUS遺伝子と呼ばれるホメオボックス遺伝子が、細胞を未分化な状態に保つために働いている［7］。

動物のHox遺伝子が「位置ごとに異なる構造を決める」のに対し、植物のSTMやWUSは、むしろ「決めずに若いまま保つ」役割を担うように見える。同じホメオボックスをもつ遺伝子でも、発生の異なる場面で異なる役割を担うのは興味深いが、この比較は資料の主張をそのまま述べたものではなく、筆者が二つの資料を並べて読んだ解釈である。

なぜ同じ種類の遺伝子が、動物と植物で大きく異なる働き方をするのかは、現在も問いとして残っている。動物と植物が分かれたのち、それぞれで別の使われ方に進化した可能性がある。

体の位置、目、再生、植物。これらを通して、ホメオボックス遺伝子が多くの場面に関わることが分かった。

今日できること

おうちの しょくぶつの くきの さきを、そっと 見て みましょう。あたらしい 葉が、どこから でて きて いるか さがして みてください。さわりすぎて、いためないように します。

出かけてできること

どうぶつえんや すいぞくかんで、いきものの からだの ならびかたを 見て みましょう。あたまから おしりまで、おなじ ならびの いきものが いるか、くらべて みます。

こうしきの 情報じょうほう

理化学研究所の ホームページに、カエルの さいせいの おはなしが のって います。

今日できること

家の植物の茎の先を観察して、新しい葉が出てくる位置をスケッチしてみましょう。成長点でSTMやWUSが細胞を若い状態に保っている、という話と結びつけると、見え方が変わります。株をいためないよう、さわりすぎないでください。

出かけてできること

水族館や動物園で、魚やハ虫類など、体が前後に長い動物の体の並びを見くらべてみましょう。どこから足やひれが出ているかを比べると、Hox遺伝子が位置を決めるという話が思い浮かびます。

公式情報

理化学研究所の研究紹介ページに、カエルの手足の再生や、ヌタウナギとヤツメウナギのHox遺伝子の研究が日本語で載っています。

この記事のカエルの話は、研究の一部を紹介したものです。原文を読むと、どんな実験でhoxc12やhoxc13の働きを調べたのかが分かります。

今日できること

家の植物の茎の先端を観察し、新しい葉のつき方を記録する。茎頂メリステムの役割（出典［7］）を、実物と照らして考える。

出かけてできること

水族館などで、魚類・両生類・哺乳類の体の前後軸に沿った器官の並びを見比べ、Hox遺伝子の空間的共線性（出典［3］）の説明が、どの程度まで体の外見にあてはまるかを考える。

公式情報

理化学研究所の報道発表（出典［3］［4］［8］）を読み、実験の方法と結果を確かめる。英語の資料としては、MeSH（出典［1］）、PMC掲載の総説（出典［2］［9］［10］）、MedlinePlus（出典［5］［6］）がある。ヒトのホメオボックス遺伝子の数や、補助因子による結合の特異性は、原文で条件を確かめるとよい。