「Gastrulation brain homeoboxファミリー」の版間の差分

! 対称性 !! 大グループ !! 門 !! 遺伝子 !! 種名（一般名と学名） !! 出典

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| 左右相称動物 || 前口動物 || 節足動物 || ''Gbx'' || ショウジョウバエ（''Drosophila melanogaster''） || <ref name=Chiang1995><pubmed>8582298</pubmed></ref>

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|  ||  ||  || ''Gbx'' || ヤツメウナギ（''Petromyzon marinus''） || <ref name=Bouillet1995><pubmed>8601031</pubmed></ref>

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|  ||  ||  || ''Gbx2'' || ヒト（''Homo sapiens''）、マウス（''Mus musculus''）、ニワトリ（''Gallus gallus''）、ツメガエル（''Xenopus laevis''）、ゼブラフィッシュ（''Danio rerio''） || 本文参照

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== 構造的特徴 ==

研究が先行している脊椎動物Gbx2は340–348アミノ酸からなるタンパク質であり、種間ではアミノ酸配列全長で65–72%の相同性を示す。一方、Gbx1については313–418アミノ酸から構成され、種間では全長で60–73%の一致が見られる。Gbx2内には、種間で特に保存性の高い4つの保存配列領域（CD1, CD2、ホメオドメイン、CD3）が存在する（図1A）<ref name=Kikuta2003><pubmed>14579382</pubmed></ref>。''Gbx''タンパク質のホメオドメインは、''Antp''クラスの中で''EHGbox''グループ<ref name=Pollard2000><pubmed>10996074</pubmed></ref>またはExtended Hoxグループに分類される<ref name=Holland2005><pubmed>16144637</pubmed></ref>。Gbx2およびGbx1のホメオドメインは、それぞれ脊椎動物種間でほぼ完全に保存されており、両者の間でも96%が一致する。さらにGbx2のホメオドメインとショウジョウバエGbx（''Unplugged''；以下''Unpg''）の間でもやはり高い相同性が見られる（92%）（図1B）。

== 個体での ''Gbx'' の機能 ==

''Gbx'' は発生初期において、CNS の前後に沿った部域化と峡部オーガナイザーの形成で重要な役割を担い、その後は特定脳領域の神経細胞系列の分化を制御する。

CNS 原基である神経板は発生初期に神経誘導により背側外胚葉から生じるが、この領域は前後軸に沿って前脳、中脳、後脳、そして脊髄に部域化される。中脳と後脳の境界、すなわち中脳後脳境界（MHB）は、しばしば峡部オーガナイザー（isthmic organizer）とも呼ばれ、中脳および前部後脳の発生を誘導するシグナルセンターであることが様々な移植実験により示されている<ref name=Nakamura2001><pubmed>11163885</pubmed></ref><ref name=Hidalgo-Sanchez2022><pubmed>35401126</pubmed></ref>（本辞典、「オーガナイザー」参照）。

MHB/峡部領域の形成を制御する遺伝子カスケードの概略は明らかになっている<ref name=Rhinn2001><pubmed>11179870</pubmed></ref><ref name=Wassef1997><pubmed>9509514</pubmed></ref><ref name=Nakamura2001><pubmed>11163885</pubmed></ref><ref name=Wurst2001><pubmed>11253000</pubmed></ref><ref name=Dworkin2013><pubmed>23307071</pubmed></ref><ref name=Martinez2013><pubmed>23805080</pubmed></ref>（図2）。これまでに解析されたすべての脊椎動物において、''Otx2'' と ''Gbx'' が MHB 近傍で最も早期に発現する遺伝子である。''Otx2'' は様々な動物種で前方形成に関わる遺伝子であり、脊椎動物胚では、原腸形成初期に前方神経外胚葉で広く発現する<ref name=Li1994><pubmed>7893604</pubmed></ref><ref name=Simeone1993><pubmed>8101484</pubmed></ref>。一方の ''Gbx'' は初期原腸期から後方神経板で広く発現し、両者が相互に発現を抑制し合う結果、神経板において明瞭な発現境界が形成される。生じた ''Otx2''–''Gbx'' 境界周辺では原腸形成終期以降、''Pax2''、''Fgf8''、''Wnt1'' などが独立して発現を開始する結果、MHB 領域が確立され（確立段階）、さらにこの部位で初期 MHB 遺伝子の相互調節ループが形成される（維持段階）<ref name=Rhinn2001><pubmed>11179870</pubmed></ref>。続いて、これらの初期 MHB 遺伝子の下流で形成される遺伝子制御ネットワークが峡部を形成するとともに、分泌シグナルを介して中脳と後脳、特に小脳の発生を誘導する<ref name=Martinez-Barbera2001><pubmed>11493554</pubmed></ref><ref name=Mason2000><pubmed>11103948</pubmed></ref>（図2）。以下、MHB・峡部の形成で ''Gbx'' が果たす役割に関して行われた具体的研究について説明するが、留意すべきは、発現から予想されるように、MHB の決定に関わる ''Gbx'' 遺伝子が、四足類では ''Gbx2''、ゼブラフィッシュでは ''gbx1'' とされることである。

マウスにおいては ''Gbx2'' の遺伝子破壊（ノックアウト, KO）実験が行われており、得られた ''Gbx2'' 欠損胚では、峡部、小脳、そして r1-3 が欠損する一方で、中脳は尾側に拡大していた<ref name=Wassarman1997><pubmed>9247335</pubmed></ref>。この実験は、峡部発生、そして結果的には小脳と中脳の発生において ''Gbx2'' が不可欠であることを初めて示したものである。一方、''Otx2'' を後脳前方に異所的に発現させたノックインマウスでは、新たに生じた ''Otx2'' の発現後端に従って MHB 遺伝子の発現領域も後方へシフトしていた<ref name=Broccoli1999><pubmed>10490025</pubmed></ref>。これに対し、''Gbx2'' を中脳後方に異所的に発現させたノックインマウスでは、''Gbx2'' の発現前端とともに MHB 遺伝子の発現について前方へのシフトが見られた<ref name=Millet1999><pubmed>10490024</pubmed></ref>。以上より、原腸形成時における ''Otx2'' と ''Gbx2'' の発現境界が MHB の位置を決定すると考えられる<ref name=Simeone2000><pubmed>10827447</pubmed></ref><ref name=Joyner2000><pubmed>11063941</pubmed></ref>。また、中脳-r1 領域に ''Gbx2'' を異所的に発現させると、中脳、小脳の欠損が起きることから<ref name=Sunmonu2009><pubmed>19603509</pubmed></ref>、''Gbx2'' は前方脳の形成には抑制的であると考えられる。MHB 遺伝子（''Fgf8'', ''Wnt1'', ''Pax2'', ''En''）の発現開始は ''Otx2'' 及び ''Gbx2'' とは独立して起きるが、その後の発現制御には ''Otx2-Gbx2'' 相互作用が必要である<ref name=Li2001><pubmed>11748135</pubmed></ref><ref name=Li2005><pubmed>15790971</pubmed></ref><ref name=Liu2001><pubmed>11124114</pubmed></ref><ref name=Garda2001><pubmed>11231064</pubmed></ref><ref name=Hidalgo-Sanchez2002><pubmed>11803577</pubmed></ref><ref name=Sunmonu2011><pubmed>21266408</pubmed></ref>。近年、ヒト ES 細胞から誘導された前方後脳細胞では ''SOX1'' が高発現して ''GBX2'' を活性化すること、''SOX1'' の発現は ''OTX2'' により抑制されることが観察されており、こうした機構も MHB の維持と後脳前方の発生に寄与すると考えられている<ref name=Liu2020><pubmed>32905879</pubmed></ref>。

ニワトリ胚の場合も、''in ovo'' electroporation による異所的発現誘導により<ref name=Katahira2000><pubmed>10704829</pubmed></ref>、''Gbx2'' が神経板において、MHB を前方へシフトさせること、''Otx2'' と ''Gbx2'' が相互抑制関係にあること、さらに ''Fgf8'' の発現が ''Otx2-Gbx2'' 境界で誘導されることが示された。ツメガエルでも、mRNA 注入による ''gbx2'' の過剰発現実験やアニマルキャップを用いた ''in vitro'' 系の実験により同様の結果が報告された<ref name=King1998><pubmed>9707329</pubmed></ref><ref name=Tour2001><pubmed>11684099</pubmed></ref><ref name=Glavic2002><pubmed>11830569</pubmed></ref><ref name=Tour2002a><pubmed>11850185</pubmed></ref><ref name=Tour2002b><pubmed>11744364</pubmed></ref>。こうした結果はマウスでの結果と一致している。さらに、これらの動物でも原腸形成期の後方神経板では ''Gbx2'' が広く発現することから、四足類では共通して、原腸形成期に後方神経板で発現する ''Gbx2'' と前方神経板で発現する ''Otx2'' の抑制的相互作用が MHB の位置決定と確立に関与すると考えられる。一方、''Gbx1'' は、少なくともマウス胚では MHB 領域の決定時期には MHB より後方で発現することから、峡部形成には関与しないと考えられる。

すでに述べたように、ゼブラフィッシュの場合、原腸形成期の後脳前方ではまず ''gbx1'' が発現し、その後、この発現は ''gbx2'' に置き換わることになる<ref name=Kikuta2003><pubmed>14579382</pubmed></ref><ref name=Rhinn2003><pubmed>12963112</pubmed></ref>（図3）。実際、ゼブラフィッシュ ''gbx2'' の機能について、モルフォリノオリゴによるノックダウン（KD）実験により検討された結果、原腸形成期での MHB の確立には関与せず、その後の MHB の維持や峡部構造の形成に関与することが示唆された<ref name=Kikuta2003><pubmed>14579382</pubmed></ref>。つまり、四足類では MHB の確立とその後の維持はいずれも ''Gbx2'' に依存するのに対し、ゼブラフィッシュの場合、2 種の ''gbx'' 遺伝子の間で機能的分業があり、MHB の位置決定は ''otx2-gbx1''、MHB の維持やその後の形態形成には ''otx2-gbx2'' が関与していると考えられている。四足類と真骨魚類での ''Gbx/gbx'' 遺伝子の発現制御の違いに関しては、脊椎動物の進化過程における転写調節シスエレメントの重複・変性・相補（DDC, Duplication-Degeneration-Complementation）<ref name=Force1999><pubmed>10101175</pubmed></ref>と、その後の遺伝子機能のシャッフリングに起因すると推定されている<ref name=Islam2006><pubmed>17067785</pubmed></ref>（図3）。なお、''gbx1'' と ''gbx2'' の変異体では、二重変異胚において峡部形成の異常が明瞭に観察された。単独変異での異常は軽微とされたが、原腸形成終了前後では後脳前端において ''gbx1'' と ''gbx2'' の発現が重複しており、このことが原因と考えられる。

なお、ゼブラフィッシュの場合、MHB 領域において神経分化が抑制されており、この未分化状態がシグナルセンターとしての機能に重要と考えられている。この神経分化抑制に関わる主要遺伝子として bHLH 遺伝子の ''her5'' が知られており<ref name=Geling2003><pubmed>12620984</pubmed></ref>、同様の峡部オーガナイザーの維持機能はマウス ''Hes1/Hes3'' でも報告されている<ref name=Hirata2001><pubmed>11500373</pubmed></ref>。上記した ''hsp-gbx2'' の誘導実験により、''gbx2'' は ''her5'' の発現領域を限定することでシグナルセンターの維持に寄与することが示唆されている<ref name=Nakayama2017><pubmed>28756106</pubmed></ref>。

ショウジョウバエ胚の脳では、前方から後方にかけて、''otd''、''Pax2/5/8''、''unpg''、そして ''Hox'' がこの順で発現している。''otd'' および ''unpg'' の変異による遺伝子の不活化は、''Pax2/5/8'' および ''Hox'' 遺伝子の脳特異的発現領域の喪失または位置異常を引き起こす。さらに、''otd'' と ''unpg'' はそれぞれの脳特異的発現領域の境界において相互に発現を抑制する（49）。つまり、各脳領域の形成において、''otd'' および ''unpg'' の相互抑制が必要であり、前口動物と後口動物の共通祖先において、CNS の前後軸に沿った領域化機構の基本が既に確立されていた可能性が高い。

''Gbx2'' の KO マウスでは、峡部に由来する峡部核、小脳、青斑核、三叉神経運動核（運動神経 V）が欠損しており、この遺伝子が小脳と後脳前方領域の発生に不可欠であることが示されていた<ref name=Wassarman1997><pubmed>9247335</pubmed></ref>。その後、''Gbx2'' ハイポモルフ変異マウスを用いて行われた研究では、後脳前方の異なる領域ごとに必要な ''Gbx2'' の発現レベルが違うこと、r1 の前方と r2 の発生がもっとも高い ''Gbx2'' の発現を必要とすることが示されている<ref name=Waters2006><pubmed>16651541</pubmed></ref>。また、コンディショナル KO 法（cKO）により E9 以降に後脳 r1 で ''Gbx2'' を欠損させたマウス胚の解析からは、この時期における ''Gbx2'' の機能が ''Otx2'' の発現抑制ではなく、峡部オーガナイザー遺伝子の発現維持であること、''Otx2'' の抑制は ''Fgf8'' によって担われており、''Gbx2'' のはたらきは ''Fgf8'' の発現領域の決定であることが示唆された<ref name=Li2002><pubmed>12367504</pubmed></ref>。同様の cKO により、''Gbx2'' は後脳自体の分化にも不可欠とされた<ref name=Sunmonu2011><pubmed>21266408</pubmed></ref>。一方、誘導性遺伝学的発生運命追跡法（IGFM）により、マウス胚小脳原基の ''Gbx2'' 発現細胞は、E7.5 から E11.5 までの異なる時期に、プルキンエ細胞、顆粒細胞、そして深部小脳核ニューロンへの分化運命の選択を行うことが明らかにされている<ref name=Hagan2017><pubmed>28785208</pubmed></ref>。

一方、ゼブラフィッシュ体節形成期胚において、後脳前端の ''gbx2'' 発現細胞を追跡した実験では、''gbx2'' 細胞は後方に移動し、網様体脊髄ニューロンなどに分化するとされた<ref name=Tsuda2019><pubmed>30222999</pubmed></ref>。また、''gbx2'' の KD 実験では、r2、r3、r5 における細胞死の増加、後脳前方の短縮、r2 および r3 における脳神経 V 細胞体の異常なクラスター形成が認められており、真骨魚の ''gbx2'' も哺乳類と同様に後脳前方領域のパターン形成に関わると考えられる<ref name=Burroughs-Garcia2011><pubmed>21360792</pubmed></ref>。さらに、ゼブラフィッシュの ''gbx1'' と ''gbx2'' はそれぞれ後脳内の運動ニューロン・神経前駆細胞とグリシン作動性ニューロンの分化を制御すること、Retinoblastoma 1 タンパク質（Rb1）が ''Gbx/gbx'' の発現を抑制することで後脳形成に関与することが示された<ref name=Zhao2024><pubmed>38570112</pubmed></ref>。

マウス ''Gbx1'' は、上述したように機能は不明ながら MGE での発現が知られている<ref name=Rhinn2004><pubmed>14745958</pubmed></ref><ref name=Waters2003><pubmed>12799077</pubmed></ref>。ラットでも MGE と前脳基底部で ''Gbx1'' の発現が確認されており、特に前脳基底部のコリン作動系において ''Lhx7'' との共発現が観察された<ref name=Asbreuk2002><pubmed>11801365</pubmed></ref>。マウス ''Gbx2'' については、E12.5 の時期に大脳基底核、特に MGE で発現する<ref name=Bulfone1993><pubmed>7687285</pubmed></ref><ref name=Rhinn2004><pubmed>14745958</pubmed></ref>。IGFM 法により、MGE で生じて接線方向に移動する ''Gbx2'' 発現細胞からは線条体のコリン作動性介在ニューロンが生じるのに対し、放射状移動をする ''Gbx2'' 発現細胞は主に前脳基底部において GABA 作動性ニューロンや他の非コリン作動性ニューロンに分化するとされた。変異マウス解析では、''Gbx2'' が、線条体のコリン作動性ニューロンの移動に必要であること、MGE でのコリン作動性ニューロンの分化において ''Lhx8'' の下流で機能することも確認された<ref name=Chen2010><pubmed>21048141</pubmed></ref><ref name=Zhao2003><pubmed>12855770</pubmed></ref>。

ゼブラフィッシュについてはすでに述べたように、''gbx1'' は咽頭胚期に MGE 領域で発現し<ref name=Rhinn2003><pubmed>12963112</pubmed></ref><ref name=Wang2018><pubmed>29289755</pubmed></ref>、''gbx2'' の発現は体節形成後期に終脳両側部の脳室帯で観察された<ref name=Wang2018><pubmed>29289755</pubmed></ref>。実際、体節形成後期でのヒートショック誘導性 ''gbx2'' の一過的発現では、前脳領域での脳形成遺伝子の発現低下が外套下部で顕著であり、''gbx2'' の変異体の胚では前脳形成遺伝子の発現が背側終脳（外套）で増強された。したがって、''gbx2'' は外套下部の形成に対して抑制的にはたらくことで大脳基底核の形成に関与すると推定される。なお、ゼブラフィッシュ胚の終脳において、''gbx2'' の発現は ''Wnt'' シグナルと RA で抑制される一方、FGF シグナルを必要としており、これらのシグナルは ''gbx2'' を介して終脳のパターン形成に寄与すると考えられる<ref name=Wang2018><pubmed>29289755</pubmed></ref>。

マウスやニワトリの場合、''Gbx2'' は異なる視床核の神経前駆細胞において特定の発生段階で発現し、各前駆細胞の分化を制御すると考えられている<ref name=Bulfone1993><pubmed>7687285</pubmed></ref><ref name=Miyashita-Lin1999><pubmed>10485881</pubmed></ref><ref name=Larsen2001><pubmed>11425897</pubmed></ref><ref name=Nagalski2016><pubmed>25963709</pubmed></ref>。

境界形成に必要であり、この作用は分泌因子を介する<ref name=Chen2009><pubmed>19279136</pubmed></ref>。予定視床領域では ''Irx1'' が発現し、''Fez'' 遺伝子とともに視床の前方境界にあたる zona limitans intrathalamica（ZLI）の位置を決定するが<ref name=Scholpp2010><pubmed>20541814</pubmed></ref>、この際、''Gbx2'' は ''Irx1'' の発現を抑制することで視床領域の確立に関与する<ref name=Mallika2015><pubmed>26297811</pubmed></ref>。また、''Gbx2'' は、分裂終了ニューロンからのフィードバック機構を介して視床と同じくプロソメア2（p2）に由来する手綱核の分化を抑制し、視床形成に寄与すること、一方で ''Id4'' と ''Ebf3'' の制御を介して視床での神経発生自体を抑制することが示唆された<ref name=Mallika2015><pubmed>26297811</pubmed></ref>。IGFM 法による ''Gbx2'' 発現細胞の追跡では、異なる視床核群の神経前駆細胞ごとに ''Gbx2'' 発現の時期が異なるとされた<ref name=Chen2009><pubmed>19279136</pubmed></ref>。cKO 実験でも、各視床核群は異なる時期に ''Gbx2'' を必要とすること、視床核群ごとに ''Gbx2'' への依存度が著しく異なること、などが示されている<ref name=Li2012><pubmed>23056596</pubmed></ref>。なお、''Gbx2'' 変異体では、視床から大脳皮質への軸索について、数の減少と伸長異常が見られており<ref name=Hevner2002><pubmed>11967891</pubmed></ref>、''Gbx2'' は視床皮質投射（TCA）の発達に必須といえる。実際、異なる胚発生段階で ''Gbx2'' を欠損させた実験で、''Gbx2'' が TCA の経路選択と標的決定で継続的に必要とされた。さらに、''Gbx2'' が誘導シグナルに対する TCA の応答性を制御すること、''Gbx2'' が LIM ドメイン因子との相互作用を通して ''Robo'' や ''Lmo3'' の転写を制御することで軸索伸長に関与することも判明している<ref name=Chatterjee2012><pubmed>23136391</pubmed></ref>。先に述べたように、ゼブラフィッシュでも原腸形成以降、''gbx2'' は視床で発現が観察される<ref name=Kikuta2003><pubmed>14579382</pubmed></ref>。ヒートショック誘導性 ''gbx2'' を用い、視床での ''gbx2'' の発現開始に先だって ''gbx2'' の過剰発現を行ったところ、視床形成への関与が予想される遺伝子（''irx1b'', ''dbx1a'', ''olig2''）の発現が抑制されており、''gbx2'' は視床の形成において抑制的に作用すると考えられる<ref name=Wang2018><pubmed>29289755</pubmed></ref>。

マウスにおいて、''Gbx1'' は脊髄前駆細胞プールでダイナミックな発現変動を示すが、E12.5 までにその発現は背側の外套層に限局する。実際、''Gbx1'' 欠損マウスでは顕著な運動機能障害、特に後肢の動きの異常が観察されており、この変異体の解析より、''Gbx1'' が脊髄内の固有受容感覚回路の発生、背根内の GABA 作動性介在ニューロン及び腹側の ''ISL1'' 陽性運動ニューロンの発生や維持に関わるとされた<ref name=Buckley2013><pubmed>23418536</pubmed></ref><ref name=Meziane2013><pubmed>24010020</pubmed></ref>。''Gbx1'' は ''PAX2'' 陽性背側介在ニューロンおよび腹側運動ニューロンの発生と生存にも関与する<ref name=Buckley2020><pubmed>32244588</pubmed></ref>。''Gbx1'' は E12.5 以降、脊髄後角内の ''LBX1'' 陽性ニューロンの一部でも発現するが、この発現は ''Lbx1'' の機能に依存している。''Gbx1'' はさらに、発生後期以降、''LHX1/5'' 陽性・''PAX2'' 陽性ニューロン、そして脊髄後角における特定の GABA 作動性ニューロンの発生を制御するとされる<ref name=John2005><pubmed>16193514</pubmed></ref>。

''Gbx2'' も後角の ''PAX2'' 陽性介在ニューロンおよび腹側運動ニューロンの前駆細胞で発現する<ref name=Buckley2020><pubmed>32244588</pubmed></ref>。発現細胞系譜の検討により、マウス胚の脊髄においてこれらのニューロンがいずれも ''Gbx2'' 細胞系譜に由来することが示された<ref name=Luu2011><pubmed>21698205</pubmed></ref>。''Gbx2'' 細胞由来の脊髄ニューロンは成体でも維持されるが、脊髄の背側領域に限定され、この細胞系譜が抑制性介在ニューロンを生成する。長期的な細胞系譜解析では、''Gbx2'' の発現とそのタイミングが、成体脊髄での介在ニューロンのサブタイプの決定に寄与することも明らかになった。なお、''Gbx1'' 変異体と ''Gbx2'' 変異体の脊髄ではそれぞれ ''Gbx2'' と ''Gbx1'' の発現上昇が報告されており、これらの変異体の解析においては相互補償の可能性に注意が必要である<ref name=Buckley2020><pubmed>32244588</pubmed></ref><ref name=Villalon2014><pubmed>24318815</pubmed></ref>。

== ''Gbx'' 遺伝子の発現制御因子 ==