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英語名:chordin 独:Chordin 仏:chordine | 英語名:chordin 独:Chordin 仏:chordine | ||
{{box|text= | {{box|text= コーディンは、脊椎動物の発生において形成体(オーガナイザー、原口背唇部)に発現し、神経誘導活性を持つ分泌因子である。<u>(編集部コメント:抄録は1段落程度の長さでお願いいたします。)</u>}} | ||
{{infobox protein | {{infobox protein | ||
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[[ファイル:Sasai Chordin Fig1.png|サムネイル|'''図1. コーディンの構造と制御'''<br>'''A.''' Chdとsog、Chordin-likeのドメイン構造。SOG以外は分泌因子で、SOGではカルボキシル末端側が細胞外に存在する。SP; シグナルペプチド、TM; 膜貫通領域、CR; システインリッチリピートを表す。ChdのCR1, CR3がBMP4と結合する。Chdl1, Chdl2のCR1, CR3がChdのCR3に最も相同性が高い。<br>'''B.'''Chd、BMP4、Tsg、Xld、Szlの制御関係。Chdを曲線で、BMP(これはADMPでもよい)を青色で、Tsgを赤色でそれぞれ示し、XolloidがChdタンパク質を切断する部位を緑色で示した。Nはアミノ末端、Cはカルボキシル末端を示す。<ref name=DeRobertis2000><pubmed>11252746</pubmed></ref><ref name=Piccolo1997><pubmed>9363949</pubmed></ref> をもとに作成。]] | [[ファイル:Sasai Chordin Fig1.png|サムネイル|'''図1. コーディンの構造と制御'''<br>'''A.''' Chdとsog、Chordin-likeのドメイン構造。SOG以外は分泌因子で、SOGではカルボキシル末端側が細胞外に存在する。SP; シグナルペプチド、TM; 膜貫通領域、CR; システインリッチリピートを表す。ChdのCR1, CR3がBMP4と結合する。Chdl1, Chdl2のCR1, CR3がChdのCR3に最も相同性が高い。<br>'''B.'''Chd、BMP4、Tsg、Xld、Szlの制御関係。Chdを曲線で、BMP(これはADMPでもよい)を青色で、Tsgを赤色でそれぞれ示し、XolloidがChdタンパク質を切断する部位を緑色で示した。Nはアミノ末端、Cはカルボキシル末端を示す。<ref name=DeRobertis2000><pubmed>11252746</pubmed></ref><ref name=Piccolo1997><pubmed>9363949</pubmed></ref> をもとに作成。]] | ||
==構造== | ==構造== | ||
Chdは1000アミノ酸弱からなる分泌蛋白質であり、シグナルペプチド、4つのシステインリッチリピート(cysteine-rich repeat)を持つ(図1)。電子顕微鏡を用いた解析によれば、ヒトのChdタンパク質の3次元構造は、馬蹄形をなす<ref name=Troilo2014><pubmed> 25157165 </pubmed></ref>。 | |||
== 相同体 == | == 相同体 == | ||
===脊椎動物=== | ===脊椎動物=== | ||
Chdの機能は主にアフリカツメガエルにおいて研究されているが、その相同遺伝子はマウス、ヒトをはじめとするすべての脊椎動物において存在する。 | |||
=== 無脊椎動物 === | === 無脊椎動物 === | ||
ショウジョウバエでは、short gastrulation(sog)がblastoderm(細胞性胞胚期)の時期に胚の腹側に発現し、Decapentaplegic(dpp)という分泌因子と拮抗して働く <ref name=Biehs1996><pubmed>8918893</pubmed></ref> 。なお、sogは膜貫通ドメインを持ち、細胞膜にアンカーされる。またSogは細胞外ドメインにChd同様のシステインリッチドメインをもつタンパク質をコードし、ショウジョウバエの神経発生を促進する。一方、DPPはそれを抑制する効果があるため、Sog/Dppの関係はChd/BMPの関係に対応している。さらに、ショウジョウバエのsogをコードするmRNAをカエル胚に注入すると2次軸が形成された <ref name=Holley1995><pubmed>7617035</pubmed></ref> 。これらの事実から、ショウジョウバエsog(腹側に発現する)と脊椎動物のChd(背側に発現する)は相同遺伝子であり、背腹軸が逆転して進化したものと考えられた<ref name=DeRobertis1996><pubmed>8598900</pubmed></ref> 。Xolloid/Tolloid <ref name=Clark1999><pubmed>10331975</pubmed></ref>やTsgの相同遺伝子であるTolloidやTwisted Gastrulationもショウジョウバエに存在し、脊椎動物のChdやBMPと同様にSOGやDPPと相互作用する <ref name=Yu2000><pubmed>10769238</pubmed></ref> 。 | ショウジョウバエでは、short gastrulation(sog)がblastoderm(細胞性胞胚期)の時期に胚の腹側に発現し、Decapentaplegic(dpp)という分泌因子と拮抗して働く <ref name=Biehs1996><pubmed>8918893</pubmed></ref> 。なお、sogは膜貫通ドメインを持ち、細胞膜にアンカーされる。またSogは細胞外ドメインにChd同様のシステインリッチドメインをもつタンパク質をコードし、ショウジョウバエの神経発生を促進する。一方、DPPはそれを抑制する効果があるため、Sog/Dppの関係はChd/BMPの関係に対応している。さらに、ショウジョウバエのsogをコードするmRNAをカエル胚に注入すると2次軸が形成された <ref name=Holley1995><pubmed>7617035</pubmed></ref> 。これらの事実から、ショウジョウバエsog(腹側に発現する)と脊椎動物のChd(背側に発現する)は相同遺伝子であり、背腹軸が逆転して進化したものと考えられた<ref name=DeRobertis1996><pubmed>8598900</pubmed></ref> 。Xolloid/Tolloid <ref name=Clark1999><pubmed>10331975</pubmed></ref>やTsgの相同遺伝子であるTolloidやTwisted Gastrulationもショウジョウバエに存在し、脊椎動物のChdやBMPと同様にSOGやDPPと相互作用する <ref name=Yu2000><pubmed>10769238</pubmed></ref> 。 | ||
=== 類似遺伝子 === | |||
Chdと類似したタンパク質をコードする遺伝子として、Chordin-like1(CHRDL1; Ventroptin)<ref name=Sakuta2001><pubmed>11441185</pubmed></ref> とChordin-like2(CHRDL2)が単離された<ref name=Nakayama2004><pubmed>14660436</pubmed></ref> 。これらはChordinに比べていずれも450アミノ酸程度と短いが、3つのシステインリッチリピート(cysteine-rich repeat)を含む領域を持つという意味でChordinと構造的に類似し'''(図1)'''、いずれもBMPのアンタゴニストとして働く <ref name=Nakayama2004><pubmed>14660436</pubmed></ref><ref name=Sakuta2001><pubmed>11441185</pubmed></ref> 。CHRDL1はニワトリ胚では網膜の腹側に発現し、角膜から脳への視神経の投射に影響を及ぼすことが報告されている <ref name=Sakuta2001><pubmed>11441185</pubmed></ref> 。Chrdl1のモルフォリノアンチセンスオリゴを注入したカエル胚では、角膜の巨大化(megalocornea)の表現型が見られ、ヒトでも同様の症状が報告されている<ref name=Pfirrmann2015><pubmed>25712132</pubmed></ref> 。Chrdl2は軟骨細胞、生殖器官の結合組織での発現がみられている <ref name=Nakayama2004><pubmed>14660436</pubmed></ref> 。 | |||
==発現== | ==発現== | ||
アフリカツメガエルにおいては、原腸形成期に原口背唇部(シュペーマンオーガナイザー)に発現が開始する。原腸形成後は、プレコーダルプレート(prechordal plate; 頭部中胚葉領域)、脊索(notochord)を含む背側中胚葉領域に発現し、その後、尾芽(tailbud)に限局するようになる {Sasai, 1994 #7}。 | |||
[[ファイル:Sasai Chordin Fig2.png|サムネイル|'''図2. Chd/ | マウスやニワトリでは、同じく原腸形成期から原始原条(anterior primitive streak)、結節, node や軸中内胚葉(axial mesendoderm)に {Streit, 1998 #65} {Bachiller, 2000 #11}、またマウスの発生後期では、大腿骨、肋骨、椎骨などの骨格系に発現が見られる {Scott, 2000 #66}。 | ||
生後は、脳領域では海馬や小脳に発現が見られる {Scott, 2000 #66} ほか、NCBIのデータベース(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene?Db=gene&Cmd=DetailsSearch&Term=8646)によると、ヒトでは脳や腎臓などにRNAレベルで高発現が見られるようである。 | |||
[[ファイル:Sasai Chordin Fig2.png|サムネイル|'''図2. Chd/BMPによる表皮・神経の遺伝子の誘導'''<br><ref name=Holley1995><pubmed>7617035</pubmed></ref><ref name=Nakayama2004><pubmed>14660436</pubmed></ref><ref name=Larrain2000><pubmed>10648240</pubmed></ref>をもとに作成。]] | |||
==作用機構== | ==作用機構== | ||
ChdはTGFβスーパーファミリーの1つであるBMP4と拮抗することで機能する <ref name=Sasai1995><pubmed>7630399</pubmed></ref> 。生化学的には、ChdとBMP4は1:2のモル比で直接結合し <ref name=Larrain2000><pubmed>10648240</pubmed></ref> | ChdはTGFβスーパーファミリーの1つであるBMP4と拮抗することで機能する <ref name=Sasai1995><pubmed>7630399</pubmed></ref> 。生化学的には、ChdとBMP4は1:2のモル比で直接結合し <ref name=Larrain2000><pubmed>10648240</pubmed></ref> 、BMP4がBMP受容体に結合するのを阻害する。ChdとBMP4の解離定数は0.3 nmol程度と、強固な結合である <ref name=Piccolo1996><pubmed>8752213</pubmed></ref> 。なお、Chdに直接結合する細胞膜受容体は報告されていない。 | ||
BMPシグナルはSmadシグナルを活性化して表皮のマーカーであるFoxi1 <ref name=Matsuo-Takasaki2005><pubmed>16079156</pubmed></ref> 、Grainyhead-like-1(Grhl1) <ref name=Tao2005><pubmed>15705857</pubmed></ref> などの転写因子を誘導し、細胞を表皮化する。一方、BMPシグナルが遮断されるとZic1, Sox2 <ref name=Mizuseki1998><pubmed>9435279</pubmed></ref> やXlPOU2 <ref name=Matsuo-Takasaki1999><pubmed>10559482</pubmed></ref> | BMPシグナルはSmadシグナルを活性化して表皮のマーカーであるFoxi1 <ref name=Matsuo-Takasaki2005><pubmed>16079156</pubmed></ref> 、Grainyhead-like-1(Grhl1) <ref name=Tao2005><pubmed>15705857</pubmed></ref> などの転写因子を誘導し、細胞を表皮化する。一方、BMPシグナルが遮断されるとZic1, Sox2 <ref name=Mizuseki1998><pubmed>9435279</pubmed></ref> やXlPOU2 <ref name=Matsuo-Takasaki1999><pubmed>10559482</pubmed></ref> などの、神経系特異的な転写因子の発現が誘導され、細胞が神経化し、背側外胚葉領域に神経板が形成される。「BMPシグナルを遮断する」ことがどのように神経化の遺伝子発現を誘導するのかは明らかではないが、おそらくBMPシグナルによって発現誘導される表皮化遺伝子が神経化遺伝子の発現を抑制しており、コーディンによってBMPシグナルがブロックされ、ZicやXlPOU2の遺伝子が発現するのだろうと考えられている <ref name=Lee2014><pubmed>25234468</pubmed></ref>('''図2''') 。 | ||
(独自の受容体は?) | (独自の受容体は?) | ||
[[ファイル:Sasai Chordin Fig3.png|サムネイル|'''図3. | [[ファイル:Sasai Chordin Fig3.png|サムネイル|'''図3. Chdに結合する、またはChdによって転写制御をうける因子群'''<br>'''A'''背側中胚葉(多くは原口背唇部)と腹側中胚葉に発現する遺伝子群。<br>'''B'''それらの間に存在する制御関係。黒色の矢印はタンパク質間の相互作用を、灰色の矢印は転写制御を示す。<ref name=DeRobertis2004><pubmed>15473842</pubmed></ref><ref name=Ambrosio2008><pubmed>18694564</pubmed></ref><ref name=Plouhinec2009><pubmed>20066084</pubmed></ref> をもとに作成。]] | ||
==活性調節== | ==活性調節== | ||
Chdを発現するオーガナイザー(背側中胚葉)の大きさ、またオーガナイザーによって誘導される神経板は、体全体と比較して特定の大きさでなければならないため、chd遺伝子やそのタンパク質の発現量や活性は厳密に制御される。この制御を行うための因子(Chdタンパク質を分解するものや修飾するもの)の存在が知られている。現在までに入られている制御因子の一部を'''(図3)'''に示した。 | |||
=== Xolloid === | === Xolloid === | ||
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Sizzled(szl)はWntの受容体Frizzledの細胞外ドメインのみを持つsFRPタイプ分泌性因子をコードするが <ref name=Lee2006><pubmed>16413488</pubmed></ref> 、これ自体はWnt8の阻害因子としては働かず <ref name=Collavin2003><pubmed>12506010</pubmed></ref> 、Xolloidを分解して活性を阻害することにより、結果的にChordinの活性を維持する <ref name=Lee2006><pubmed>16413488</pubmed></ref><ref name=Muraoka2006><pubmed>16518392</pubmed></ref> 。 | Sizzled(szl)はWntの受容体Frizzledの細胞外ドメインのみを持つsFRPタイプ分泌性因子をコードするが <ref name=Lee2006><pubmed>16413488</pubmed></ref> 、これ自体はWnt8の阻害因子としては働かず <ref name=Collavin2003><pubmed>12506010</pubmed></ref> 、Xolloidを分解して活性を阻害することにより、結果的にChordinの活性を維持する <ref name=Lee2006><pubmed>16413488</pubmed></ref><ref name=Muraoka2006><pubmed>16518392</pubmed></ref> 。 | ||
== 生理機能 == | == 生理機能 == | ||
=== | === 未分化外胚葉細胞の神経化=== | ||
未分化外胚葉細胞の予定運命は、表皮か神経のいずれかである。このうち表皮の運命はBMPシグナルの活性化によってもたらされる。(たとえば、ドミナントネガティブBMP受容体(dnBMPR)をカエル胚に発現させることにより、細胞を神経化することができる)<ref name=Suzuki1994><pubmed>7937936</pubmed></ref><ref name=Xu1995><pubmed>7612010</pubmed></ref> 。 | 未分化外胚葉細胞の予定運命は、表皮か神経のいずれかである。このうち表皮の運命はBMPシグナルの活性化によってもたらされる。(たとえば、ドミナントネガティブBMP受容体(dnBMPR)をカエル胚に発現させることにより、細胞を神経化することができる)<ref name=Suzuki1994><pubmed>7937936</pubmed></ref><ref name=Xu1995><pubmed>7612010</pubmed></ref> 。 | ||
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哺乳類におけるChdの役割については、特にマウスにおける遺伝子操作動物を用いた機能解析の報告が存在する <ref name=Bachiller2000><pubmed>10688202</pubmed></ref> 。 | 哺乳類におけるChdの役割については、特にマウスにおける遺伝子操作動物を用いた機能解析の報告が存在する <ref name=Bachiller2000><pubmed>10688202</pubmed></ref> 。 | ||
==== | ==== コーディンのノックアウトマウス ==== | ||
chd単独のノックアウトマウスは、耳胞の発達や下顎形成に影響が及ぶもののその表現型はマウスの系統依存的であり、いずれも生存は可能である <ref name=Bachiller2000><pubmed>10688202</pubmed></ref><ref name=Choi2009><pubmed>19247433</pubmed></ref> 。したがって、神経発生に関しては他の遺伝子(特にnoggin)によって相補されることが示唆された。そこで、chdとnogginのダブルノックアウトマウスを作成して解析したところ、AVE(前方臓側内胚葉)自体の形成には異常はみられなかったが、頭部神経領域を含む頭部構造の形成が著しく阻害されることが明らかになった。このことは、(1) AVEによる頭部の発生は結節(ノード)の存在に依存していること、(2) 体幹部の発生自体はchordinの存在には依存しないこと、を意味する。 | chd単独のノックアウトマウスは、耳胞の発達や下顎形成に影響が及ぶもののその表現型はマウスの系統依存的であり、いずれも生存は可能である <ref name=Bachiller2000><pubmed>10688202</pubmed></ref><ref name=Choi2009><pubmed>19247433</pubmed></ref> 。したがって、神経発生に関しては他の遺伝子(特にnoggin)によって相補されることが示唆された。そこで、chdとnogginのダブルノックアウトマウスを作成して解析したところ、AVE(前方臓側内胚葉)自体の形成には異常はみられなかったが、頭部神経領域を含む頭部構造の形成が著しく阻害されることが明らかになった。このことは、(1) AVEによる頭部の発生は結節(ノード)の存在に依存していること、(2) 体幹部の発生自体はchordinの存在には依存しないこと、を意味する。 | ||
マウスでは頭部と体幹部の発生は別の細胞集団によって制御される。頭部の発生はAVE(anterior visceral endoderm; 前方臓側内胚葉)<ref name=Stower2014><pubmed>25349454</pubmed></ref> によって誘導される一方、体幹部は結節(ノード)とanterior primitive streak(APS; 原条)によって別々に誘導される。Chordin(と、それと同様の機能を持つNoggin)は原条には発現するがAVEには発現しないため、AVEの発生が結節に依存するのか、独立に発生するのかは議論があった。このノックアウトマウスの解析により、AVEの機能(頭部神経を誘導する機能)が結節に依存することが明らかになった。 | マウスでは頭部と体幹部の発生は別の細胞集団によって制御される。頭部の発生はAVE(anterior visceral endoderm; 前方臓側内胚葉)<ref name=Stower2014><pubmed>25349454</pubmed></ref> によって誘導される一方、体幹部は結節(ノード)とanterior primitive streak(APS; 原条)によって別々に誘導される。Chordin(と、それと同様の機能を持つNoggin)は原条には発現するがAVEには発現しないため、AVEの発生が結節に依存するのか、独立に発生するのかは議論があった。このノックアウトマウスの解析により、AVEの機能(頭部神経を誘導する機能)が結節に依存することが明らかになった。 | ||
==== | ==== コーディン関連因子のノックアウトマウス ==== | ||
コーディンと相互作用するタンパク質をコードする遺伝子のうち、Tsgのノックアウトマウスは出生時に死亡し、頭部形成不全、骨化不全、骨格異常など、全身性の表現型を呈する。一部のノックアウト個体は生存するが、成長不全である <ref name=Petryk2004><pubmed>15013800</pubmed></ref><ref name=Zakin2004><pubmed>14681194</pubmed></ref> | chdに関連する因子は、カエルでは原腸形成期や神経発生での機能がクローズアップされているが、それらの相同遺伝子の遺伝子変異マウスの表現型は、必ずしも神経発生における機能を反映していない。これは、カエルの原口背唇部と、マウスの原条・AVEの機能の違いや、相同遺伝子の重複(冗長性の獲得)・収斂などが原因として考えられる。一部の遺伝子のノックアウトの表現型を以下に記した。主に中胚葉由来の組織で、個体の形態形成に異常を生じるものが多い。 | ||
==== Tsg ==== | |||
コーディンと相互作用するタンパク質をコードする遺伝子のうち、Tsgのノックアウトマウスは出生時に死亡し、頭部形成不全、骨化不全、骨格異常など、全身性の表現型を呈する。一部のノックアウト個体は生存するが、成長不全である <ref name=Petryk2004><pubmed>15013800</pubmed></ref><ref name=Zakin2004><pubmed>14681194</pubmed></ref> 。 | |||
==== Tolloid ==== | |||
マウスのTolloid-like-1(Tll1)のノックアウトマウスが心臓の中隔形成に異常をきたし、胚性致死となる <ref name=Clark1999><pubmed>10331975</pubmed></ref><ref name=Ge2006><pubmed>16622848</pubmed></ref> 。 | |||
==== sFRP ==== | |||
カエルや魚類のSzlに最も近いマウスの遺伝子はsFRP(sFRP1-6)と呼ばれるSecreted frizzled-related proteinだが、これら6種類の遺伝子の中にszlと活性(Tsg/BMP1の活性を阻害する)がまったく同じものはない <ref name=Bijakowski2012><pubmed>22825851</pubmed></ref> 。最も構造的に近いsFRP2の単独の遺伝子変異では表現型がみられないが、sFRP1とのダブルノックアウトにより、未分節中胚葉(presomatic mesoderm)の細胞移動が起こらなくなり、胚の前後軸に沿った伸長が抑制される <ref name=Satoh2006><pubmed>16467359</pubmed></ref> 。 | |||
== | ==疾患との関連== | ||
2020年現在、ヒトにおいてchd遺伝子単独の変異によって引き起こされる遺伝性疾患は報告されていない。 | 2020年現在、ヒトにおいてchd遺伝子単独の変異によって引き起こされる遺伝性疾患は報告されていない。 | ||