「ノーダル」の版間の差分

　ノーダル''Nodal''は、原腸陥入に異常を来す変異マウスの原因遺伝子として同定され、初期胚の一過的構造であるノード (胚結節、node) で発現することからその名が付けられた<ref name=Zhou1993><pubmed>8429908</pubmed></ref>。その後、ニワトリ、マウス、アフリカツメガエル胚などの初期体節期において左右非対称に発現することが明らかになった<ref name=Collignon1996><pubmed>8610012</pubmed></ref><ref name=Levin1995><pubmed>7671308</pubmed></ref><ref name=Lowe1996><pubmed>8610013</pubmed></ref>。''Nodal''変異マウスの表現型の重要性から、アフリカツメガエルで6種(Xnr1–6) が、ゼブラフィッシュでは3種の''Nodal''関連遺伝子 (cyclops, squint, southpaw) が同定された<ref name=Shen2007><pubmed>17287255</pubmed></ref>。ノーダルは胚発生を制御する重要因子として着目され、シグナル経路や機能の解析が進められた。

　ノーダルはプレプロタンパク質として翻訳され、分泌後にFurinや paired basic amino acid cleaving enzyme 4 (PACE4)などのプロタンパク質変換酵素によって切断を受けることで、C末端側が活性タンパクとして機能する<ref name=Beck2002><pubmed>12447384</pubmed></ref>。C末端側にはTGF-βファミリーに特徴的なシステイン残基が保存されており<ref name=Zhou1993><pubmed>8429908</pubmed></ref>、これらは分子内および分子間のジスルフィド結合を介して、システインノット構造の形成とダイマー形成に関与する ('''図1''')。一方、プロドメインは、ノーダルの活性や組織内での拡散性を制御していると考えられている<ref name=LeGood2005><pubmed>15649361</pubmed></ref>。

　ノーダルは後生動物に高度に保存されており、刺胞動物、螺旋卵割動物 (軟体動物、環形動物など) および後口動物 (脊索動物、半索動物や棘皮動物など) の多くの系統で存在が確認されている<ref name=Grande2014><pubmed>25690967</pubmed></ref><ref name=Namigai2014><pubmed>24510729</pubmed></ref><ref name=Watanabe2014><pubmed>25156256</pubmed></ref>。一方、脱皮動物 (節足動物や線形動物など) では、共通先祖でノーダルが失われたと推察されている<ref name=Grande2014><pubmed>25690967</pubmed></ref>。脊椎動物のモデル生物では、ゼブラフィッシュやアフリカツメガエルにおいて、種固有の全ゲノム重複を経てノーダル関連遺伝子が多重化している。

[[ファイル:Meno Nodal Fig2.png|サムネイル|'''図2. ノーダルシグナル'''<br>　ノーダルシグナルの主要な構成因子を示す模式図。ノーダルはCrypticなどのEGF-CFCファミリーに依存してActivin受容体に結合する。リン酸化Smad2/3は核に移行し、FoxH1などと協調して標的遺伝子 (ノーダル, Lefty2, Pitx2など) の発現を誘導する。これらの遺伝子に描かれた青色楕円は、FoxH1が結合するエンハンサーASEを表している。ノーダルはポジティブフィードバックループとLeftyを介したネガティブフィードバックループを構成する。]]

　ノーダルはActivin受容体 (タイプIIとしてActRIIA/B、タイプIとしてALK4/7) と複合体を形成するが、この複合体形成にはGPIアンカー型膜タンパク質であるEGF-CFCファミリー (Cripto, Cryptic, FRL1, Oepなど) を必要とする<ref name=Shen2007><pubmed>17287255</pubmed></ref>。ノーダルの結合によって活性化されたタイプI受容体はSmad2/3をリン酸化し、これらはSmad4と複合体を形成して核内に移行する。この複合体はFoxH1やEomesなどの転写因子と協調して標的遺伝子の発現を制御する。また、ノーダルはFoxH1を介したポジティブフィードバックループを形成しており、自らの発現を誘導する ('''図2''')<ref name=Norris2002><pubmed>12091315</pubmed></ref><ref name=Saijoh2000><pubmed>10678167</pubmed></ref><ref name=Yamamoto2003><pubmed>12642485</pubmed></ref>。

　ノーダルシグナルは、細胞外のアンタゴニストによって厳密に制御されている (図2)。TGF-β ファミリーのLefty1とLefty2はノーダルのフィードバック阻害因子であり<ref name=Meno1999><pubmed>10518210</pubmed></ref><ref name=Saijoh2000><pubmed>10678167</pubmed></ref><ref name=Yamamoto2003><pubmed>12642485</pubmed></ref>、ノーダルに直接結合する他、ActRIIやEGF-CFCファミリーとの競合的な結合によってノーダルシグナルを抑制するメカニズムが報告されている<ref name=Chen2004><pubmed>15062104</pubmed></ref><ref name=Sakuma2002><pubmed>11952836</pubmed></ref>。また、CerberusファミリーのCerl (Cer1) やCerl2 (Dand5) などはノーダルと結合することでノーダルシグナルを抑制する<ref name=Hashimoto2004><pubmed>15084459</pubmed></ref><ref name=Marques2004><pubmed>15466485</pubmed></ref><ref name=Shen2007><pubmed>17287255</pubmed></ref>。

　マウスでは、ノーダルは着床して間もない時期のエピブラストと臓側内胚葉、ノードの辺縁、左側側板中胚葉で順次発現する。これらの部位での発現制御は詳細に解析され、エピブラスト近位での発現を担うPEE (proximal epiblast enhancer)、ノードでの発現を制御するNDE (node-specific enhancer)、ポジティブフィードバックループを担うASE (asymmetric enhancer) などの特異的エンハンサーが同定されている<ref name=Krebs2003><pubmed>12730124</pubmed></ref><ref name=Norris2002><pubmed>12091315</pubmed></ref><ref name=Saijoh2000><pubmed>10678167</pubmed></ref>。

　ゼブラフィッシュでは、Squint (ndr1) とCyclops (ndr2) が胚盤縁全周で発現する<ref name=Feldman1998><pubmed>9744277</pubmed></ref><ref name=Rebagliati1998><pubmed>9698446</pubmed></ref><ref name=Sampath1998><pubmed>9744278</pubmed></ref>。Cyclopsは、原腸陥入期には胚盾、脊索、脊索前板で発現し、体節形成期になると左側側板中胚葉の前方と左側間脳で発現する<ref name=Rebagliati1998><pubmed>9698446</pubmed></ref><ref name=Sampath1998><pubmed>9744278</pubmed></ref>。Southpaw (ndr3) は、マウスのノードに該当するクッパー胞の周囲で発現し、Cyclopsに先立って左側側板中胚葉で発現する<ref name=Long2003><pubmed>12702646</pubmed></ref>。

　アフリカツメガエルでは、Xnr1とXnr2が胞胚期の植物極側と原腸陥入期の帯域 (特に原口背唇部)<ref name=Jones1995><pubmed>8582278</pubmed></ref>、Xnr4が原口背唇部や脊索など<ref name=Joseph1997><pubmed>9133442</pubmed></ref>、Xnr5とXnr6は胞胚期の背側植物極側で発現する<ref name=Takahashi2000><pubmed>11076754</pubmed></ref>。加えて、Xnr1はマウスのノードに該当する原腸蓋板 (gastrocoel roof plate) に次いで左側側板中胚葉で発現する<ref name=Lowe1996><pubmed>8610013</pubmed></ref>。

　脊椎動物以外でも、脱皮動物を除く多くの動物系統でノーダルの非対称な発現が確認されている。例えば、刺胞動物のヒドラでは、出芽領域で非対称に発現する<ref name=Watanabe2014><pubmed>25156256</pubmed></ref>。棘皮動物のウニ胚では、口側の外胚葉で発現した後<ref name=Duboc2004><pubmed>15030762</pubmed></ref>、右側の外胚葉と原腸の一部で発現する<ref name=Duboc2005><pubmed>15992548</pubmed></ref>。軟体動物の巻貝では、右巻貝で胚の右側、左巻貝で胚の左側に発現する<ref name=Grande2009><pubmed>19098895</pubmed></ref><ref name=Kuroda2009><pubmed>19940849</pubmed></ref>。半索動物や腕足動物の胚でも、調べられた種では右側にノーダルが発現することが確認されている<ref name=Grande2014><pubmed>25690967</pubmed></ref>。これらのことから、左右相称動物におけるノーダル発現は右側が基本であったが、脊索動物の先祖に生じたと推察される背腹反転により、脊索動物では胚の左側にノーダルが発現するようになったと考えられている<ref name=Grande2014><pubmed>25690967</pubmed></ref><ref name=Namigai2014><pubmed>24510729</pubmed></ref>。

　脊椎動物においてノーダルは中・内胚葉の誘導を行う。マウスでは、ノーダル hypomorphic変異胚で胚体内胚葉 (definitive endoderm) を欠き<ref name=Lowe2001><pubmed>11311163</pubmed></ref>、ノーダル null変異胚では原条の欠損により中胚葉がほとんど形成されない<ref name=Conlon1994><pubmed>7924997</pubmed></ref>。アフリカツメガエルでは、植物極に局在する転写因子VegTおよび背側のβ-cateninによってノーダルが植物極で転写され、中・内胚葉の誘導および中胚葉のパターン化を制御する<ref name=Agius2000><pubmed>10683171</pubmed></ref><ref name=Jones1995><pubmed>8582278</pubmed></ref><ref name=Joseph1997><pubmed>9133442</pubmed></ref><ref name=Takahashi2000><pubmed>11076754</pubmed></ref>。さらに、高いノーダルシグナルは内胚葉とオーガナイザーを含む背側中胚葉を、低いノーダルシグナルは腹側中胚葉を誘導することが知られている。ゼブラフィッシュのsquint;cyclops二重変異体は、中胚葉と内胚葉がほぼ消失し、オーガナイザーである胚盾が形成されない<ref name=Feldman1998><pubmed>9744277</pubmed></ref>。また、マウスのノーダル null変異胚では、エピブラストが早期に神経上皮化する<ref name=Camus2006><pubmed>16678814</pubmed></ref>。primed型多能性幹細胞 (ヒトES細胞やマウスエピブラスト幹細胞) の樹立・維持にはActivin/ノーダルシグナルが必要であるが、これはエピブラストの多能性維持におけるノーダルシグナルの重要性を示している。

　ノーダルシグナルの欠損は、オーガナイザーおよび前方正中中胚葉の形成不全により、神経外胚葉のパターン化に影響を及ぼす。ゼブラフィッシュのcyclops変異体では、脊索前板や神経底板が形成されず、同領域のShh発現が消失する<ref name=Krauss1993><pubmed>8269519</pubmed></ref><ref name=Rebagliati1998b><pubmed>9707578</pubmed></ref><ref name=Sampath1998><pubmed>9744278</pubmed></ref>。その結果、前脳の正中構造の形成不全により単眼症が生じる。同様に、マウスでもノーダル hypomorphic変異胚やSmad2変異胚において、前方中胚葉および前脳正中部の形成不全に起因する全前脳胞症 (holoprosencephaly) が観察される<ref name=Lowe2001><pubmed>11311163</pubmed></ref><ref name=Nomura1998><pubmed>9655392</pubmed></ref>。

　着床したマウス胚は、エピブラストおよび隣接した胚体外外胚葉が胚盤胞腔側へ成長し、両者が臓側内胚葉に覆われた円筒胚を形成する。円筒胚の近位は胎盤を形成し、遠位には遠位臓側内胚葉 (distal visceral endoderm: DVE) が出現する。このDVEは将来の前方 (頭側) へ移動して前方臓側内胚葉 (anterior visceral endoderm: AVE) を形成し、その反対側に原条が形成されることで、胚に明確な前後非対称性が確立される<ref name=Arnold2009><pubmed>19129791</pubmed></ref>。ノーダルは、PEEやASEなどのエンハンサーによりエピブラストで発現し、そのシグナルはDVEにおけるLefty1、Cerl、Dkk1の発現を誘導する<ref name=Brennan2001><pubmed>11418863</pubmed></ref>。AVEから分泌されるこれらの因子は、隣接するエピブラストにおけるノーダルポジティブフィードバックループとWntシグナルを抑制し、エピブラストのノーダル発現をAVEと反対側、すなわち胚後方に限局させる<ref name=Perea-Gomez2002><pubmed>12431380</pubmed></ref>。この結果、胚前方には神経外胚葉が、胚後方には原条が形成される。

　脊椎動物では、初期体節期にノーダルが左側側板中胚葉で発現する。ノーダルはFoxH1を介して転写因子Pitx2の発現を誘導し ('''図2''')<ref name=Shiratori2001><pubmed>11172719</pubmed></ref>、臓器の左右非対称な形態形成を制御する。脊椎動物以外でも、ノーダルを保有する動物系統ではPitxがノーダルと同側に非対称に発現することが確認されており、進化の過程でPitxはノーダルシグナルと連結することで非対称な形態形成の役割を獲得したと推察されている<ref name=Grande2014><pubmed>25690967</pubmed></ref>。例えば、ノーダル-Pitx発現の左右非対称性は、軟体動物の巻貝では貝殻の巻き方向を決定し<ref name=Grande2009><pubmed>19098895</pubmed></ref>、棘皮動物のウニではプルテウス幼生におけるウニ原基の左右非対称な形成を制御する (右側のノーダルシグナルはウニ原基形成を抑制する) <ref name=Duboc2005><pubmed>15992548</pubmed></ref>。

　脊椎動物でノーダルを左側の側板中胚葉で発現させる装置が左右オーガナイザー (マウスのノード、ニワトリのヘンゼン結節、アフリカツメガエルの原腸蓋板、ゼブラフィッシュのクッパー胞) である。ニワトリを除くこれらの左右オーガナイザーでは、線毛の回転運動によって左向きの水流が形成される ('''図3''')。この物理現象により、Cerl2などのノーダル阻害因子が右側で優位となり (マウスでは左側のCerl2 mRNAが分解される)<ref name=Marques2004><pubmed>15466485</pubmed></ref><ref name=Nakamura2012><pubmed>23271656</pubmed></ref><ref name=Sampaio2014><pubmed>24930722</pubmed></ref><ref name=Schweickert2010><pubmed>20381352</pubmed></ref>、左側のノーダル活性が右側に比べて相対的に高まる('''図3''')<ref name=Hamada2014><pubmed>25580264</pubmed></ref>。左右オーガナイザーから拡散したノーダルは、近傍の左側側板中胚葉に自らの発現を誘導する (図3)<ref name=Oki2007><pubmed>17913787</pubmed></ref>。ノーダルのポジティブフィードバックループとLeftyによるネガティブフィードバックループは、チューリングの反応拡散モデルの基本条件を満たしており、左右オーガナイザーにおける僅かなノーダル活性差を側板中胚葉における顕著な左右非対称性へと増幅する<ref name=Hamada2002><pubmed>11836504</pubmed></ref><ref name=Nakamura2006><pubmed>17011489</pubmed></ref>。左側側板中胚葉のノーダル発現域は、拡散とポジティブフィードバックループによって心臓形成領域まで拡張するが (図3)<ref name=Yamamoto2003><pubmed>12642485</pubmed></ref>、Leftyによりその発現域は左側に限局され、最終的にノーダル発現は終息する<ref name=Meno1998><pubmed>9708731</pubmed></ref><ref name=Meno2001><pubmed>11703930</pubmed></ref>。

　左側側板中胚葉でノーダルによって誘導されたPitx2は、その細胞系譜で発現を維持する<ref name=Shiratori2001><pubmed>11172719</pubmed></ref>。マウスでは、このメカニズムにより確立された左右軸情報が、心臓形態形成、刺激伝導系の発生、肺の分葉パターン、腸ループ回転などの非対称な形態形成を制御する<ref name=Franco2017><pubmed>29367545</pubmed></ref><ref name=Hamada2002><pubmed>11836504</pubmed></ref><ref name=Joo2026><pubmed>41734036</pubmed></ref><ref name=Yashiro2007><pubmed>17994097</pubmed></ref>。ゼブラフィッシュでは、左側間脳におけるノーダルシグナルが、副松果体と手綱核の左右非対称な発生を制御している<ref name=Concha2000><pubmed>11144351</pubmed></ref><ref name=Gamse2005><pubmed>16207761</pubmed></ref><ref name=Gobbo2025><pubmed>39906337</pubmed></ref>。

　臓器の左右性に異常を来す先天異常には、完全内臓逆位や内臓錯位症候群などがある。内臓錯位症候群は出生10,000人に約0.8人と稀な疾患であるが、手術介入が必要な重度の先天性心疾患や不整脈を伴うことが多い<ref name=Smith2006><pubmed>16984696</pubmed></ref>。マウスでは、ノーダルを始めとする左右軸関連遺伝子の変異によって、ヒト完全内臓逆位や内臓錯位症候群に類似した表現型が再現される (引用文献はその一例) <ref name=Franco2017><pubmed>29367545</pubmed></ref><ref name=Lowe2001><pubmed>11311163</pubmed></ref><ref name=Marques2004><pubmed>15466485</pubmed></ref><ref name=Meno1998><pubmed>9708731</pubmed></ref><ref name=Meno2001><pubmed>11703930</pubmed></ref><ref name=Nomura1998><pubmed>9655392</pubmed></ref><ref name=Norris2002><pubmed>12091315</pubmed></ref><ref name=Yamamoto2003><pubmed>12642485</pubmed></ref>。ヒト内臓錯位症候群の遺伝子解析では、ノーダルを含む左右軸関連遺伝子の変異が多数同定されている<ref name=Wells2022><pubmed>35777348</pubmed></ref>。さらに、内臓錯位症候群を伴わない先天性心疾患や全前脳胞症でもノーダルの変異が同定されることがある<ref name=Dardas2024><pubmed> 38570875 </pubmed></ref><ref name=Roessler2009><pubmed>19553149</pubmed></ref>。内臓錯位症候群は、遺伝要因のみならず糖尿病合併妊娠で発症リスクが亢進することが知られている。マウスの糖尿病モデルでは、高血糖環境がノードにおけるノーダル発現を変化させる結果、左右軸を確立できないことが明らかになっている<ref name=Matsuoka2025><pubmed>39442590</pubmed></ref>。