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

　''[[Antp]]''クラスに分類される[[ホメオボックス遺伝子]]群の一つで<ref name=Holland2005><pubmed>16144637</pubmed></ref><ref name=Pollard2000><pubmed>10996074</pubmed></ref>、[[無脊椎動物]]、[[脊椎動物]]を問わず[[動物界]]に広く存在する（'''表1'''）。名称は、[[原腸形成]](gastrulation)期の[[アフリカツメガエル]]胚および発生初期の[[マウス]][[脳]]に発現が認められたことに由来する<ref name=Bulfone1993><pubmed>7687285</pubmed></ref><ref name=Frohman>'''Frohman, M.A.'''''Personal communication.''</ref>。

　なお、最初に報告されたのは[[ニワトリ]]''Gbx1''であり、当初''[[Chox7]]''<ref name=Fainsod1989><pubmed>2473919</pubmed></ref>と呼ばれ、引き続いてマウスでは''[[MMoxB]]''と命名された<ref name=Murtha1991><pubmed>1720547</pubmed></ref>。一方、''Gbx2''は、同定時には''[[MMoxA]]''<ref name=Murtha1991><pubmed>1720547</pubmed></ref>あるいは''[[Stra7]]''<ref name=Bouillet1995><pubmed>8601031</pubmed></ref>と呼ばれていた。

{| class="wikitable"

|+ 表1．動物界における''Gbx''遺伝子の分布

|rowspan="3"|脊椎動物||''Gbx''|| [[ヤツメウナギ]]（''Petromyzon marinus''） || <ref name=Bouillet1995><pubmed>8601031</pubmed></ref>

|-

|-

|}

<references group="脚注1 -" />

　脊椎動物Gbx1は313–418アミノ酸からなり、種間では全長で60–73%の一致、Gbx2は340–348アミノ酸からなり、種間では65–72%の一致を示す。Gbx2内には、特に保存性の高い4つの領域（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'''）。

[[ファイル:Yamasu Gbx family Fig2.jpg|サムネイル|'''図2．峡部オーガナイザーの形成に関わる遺伝子カスケード'''<br>主としてマウス、ニワトリ、ゼブラフィッシュでの研究から推定された。原腸形成期で働く''Gbx''は四足類では''Gbx2''、ゼブラフィッシュでは''gbx1''と考えられる。出典は本文参照。ただし、1–3のゼブラフィッシュ遺伝子については文献<ref name=Belting2001><pubmed> 11684654 </pubmed></ref><ref name=Burgess2002><pubmed>11861474</pubmed></ref><ref name=Tallafuß2001><pubmed>11641225</pubmed></ref><ref name=Dworkin2012><pubmed>22223680</pubmed></ref>参照。]]

==発現 ==

===''Gbx1''===

　ゼブラフィッシュでは、原腸形成期においてマウスとは発現パターンに大きな違いが見られる。この動物の場合、''gbx1''は、''gbx2''の発現がまだ見られない原腸形成中期（75% epiboly）において、[[Orthodenticle homeobox 2]] (''[[otx2]]'')の発現する前方脳領域と接して（相補的に）[[神経板]]の後方で広く発現する<ref name=Kikuta2003><pubmed>14579382</pubmed></ref><ref name=Rhinn2003><pubmed>12963112</pubmed></ref> （'''図2, 3'''）。こうした発現はマウス''Gbx1''では知られておらず、下述する[[四足類]]での''Gbx2''の発現と一致する。一方、[[体節]]形成期以降での発現は、マウスに類似している。まず、後脳では前端（r1）で発現が消失する一方、より後方の菱脳節（r2-7）、そして脊髄全域で発現する<ref name=Wang2018><pubmed>29289755</pubmed></ref>（'''図2, 3'''）。[[咽頭胚期]]（30 hpf以降）になると、[[外套]]下部（[[終脳]]腹側）の内側基底核原基領域、そして後脳の[[鰓弓]][[運動ニューロン]]でも発現している<ref name=Rhinn2003><pubmed>12963112</pubmed></ref><ref name=Wang2018><pubmed>29289755</pubmed></ref>。

　マウスおよびニワトリでは、''[[Otx2]]''と''[[Gbx2]]''の発現は原腸形成期に独立して始まり、重なりがみられるが、原腸形成後に両遺伝子の発現は排他的になり、明確な境界を形成する。なお、この時期に後脳前端で''[[Fgf8]]''の発現が始まり、峡部オーガナイザーが形成される<ref name=Garda2001><pubmed>11231064</pubmed></ref><ref name=Li2001><pubmed>11748135</pubmed></ref>（'''図2'''）。

=== 無脊椎動物の''Gbx''===

| マウス

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尿素、尿嚢、側板中胚葉でも発現が見られる。

|

|

13日齢の脳と骨格筋で発現が検出された。<br>

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<ref name=Kowenz-Leutz1997></ref><br>

| ゼブラフィッシュ

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体節形成以降、後脳では前端（r1）で発現が消失する一方、より後方の菱脳節及び脊髄で発現が見られる。各菱脳節での発現レベルはダイナミックに変動する。<br>

咽頭期（30 hpf以降）、外套下部（内側基底核原基）で発現が観察され、後脳運動ニューロンでも発現する。

| マウス

|

中脳後脳境界周辺以外においても多様な部位で発現する。E8.5胚では前腸と尾芽、E9.5胚では脊髄全域、内耳原基（耳胞）、咽頭弓、E11.5では視床、線条体、小脳、延髄の一部、脊髄背側、内耳上皮、咽頭弓で発現が検出される。成体では脳、脾臓、扁桃体で発現する。

|

| アフリカツメガエル

|

|

<ref name=von_Bubnoff1996><pubmed>8652408</pubmed></ref><br>

　一方、初期発生で脳形成を制御する遺伝子に対しては転写抑制性に働く例が多い。Gbx2はゼブラフィッシュにおいて、TAATTAを含む''[[fgf8a]]''の[[中脳・後脳境界]] (midbrain–hindbrain boundary, MHB)[[エンハンサー]]内配列に結合して転写抑制的に作用する<ref name=Inoue2008><pubmed>18280464</pubmed></ref>。マウスでは、''[[Otx2]]''の[[前・中脳エンハンサー]]内にあるTAATTAに結合して転写を抑制すること<ref name=Inoue2012><pubmed>22566684</pubmed></ref>、''[[Lmo3]]''の上流領域にあるCTAATTAGに結合して[[Lhx2]]依存性の転写を抑制することが報告されている<ref name=Chatterjee2012><pubmed>23136391</pubmed></ref>。実際、少なくとも発生初期の脳形成においては、直接の制御かどうかは不明であるものの、多くの脳形成制御遺伝子に対して発現抑制効果が観察されている。なお、アフリカツメガエルおよびゼブラフィッシュにおいて、''Gbx2''には前・中脳形成抑制活性が見られるが、[[VP16]] の転写活性化領域、あるいは[[Engrailed]]の転写抑制領域を用いたキメラ遺伝子の過剰発現が示す効果から、Gbx2タンパク質が転写抑制因子として働くことが示唆された<ref name=Tour2002><pubmed>11850185</pubmed></ref><ref name=Nakayama2013><pubmed>23933069</pubmed></ref>。

。

| <ref name=Roeseler2012></ref>

|-

| ATTAA

| レポーターアッセイ

| <ref name=Kowenz-Leutz1997></ref>

|-

| ATTA

| レポーターアッセイ

| <ref name=Gao2000></ref>

|-

| TATATAA

| レポーターアッセイ

:　''Gbx2''遺伝子破壊（KO）マウス胚では、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中脳後脳境界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中脳後脳境界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''の発現境界が中脳後脳境界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、小脳が欠損することから<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。中脳後脳境界遺伝子（''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 中脳後脳境界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>。

:　一方、''Gbx1''は、少なくともマウス胚では中脳後脳境界領域の決定時期には中脳後脳境界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。

:　なお、''gbx1''と''gbx2''の二重変異胚では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、中脳後脳境界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[[basic-helix-loop-helix]] ([[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>。上記の''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とされる<ref name=Nakayama2017><pubmed>28756106</pubmed></ref>。

====小脳・後脳前方領域====

　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''のノックダウン実験では、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[[第V脳神経]][[細胞体]]の異常なクラスター形成が認められており、[[真骨魚類]]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]]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''Gbx2''は、E12.5 の時期に[[大脳基底核]]、特に内側基底核原基で発現する<ref name=Bulfone1993><pubmed>7687285</pubmed></ref><ref name=Rhinn2004><pubmed>14745958</pubmed></ref>。誘導性遺伝学的発生運命追跡法により、内側基底核原基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、内側基底核原基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>。

====視床====   

　誘導性遺伝学的発生運命追跡法による''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>。コンディショナルノックアウト実験でも、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>。''Gbx2''変異体では、視床から大脳皮質へ投射する[[軸索]]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]]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''が視床皮質投射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視床皮質投射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]]''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>。

==== 脊髄====  

===神経堤細胞とそれに由来する器官===

　神経堤細胞は[[心臓]]原基にも移動して心臓形成に寄与するが（心臓神経堤細胞）、''Gbx2''欠損マウス胚において、[[第4咽頭弓動脈]]（[[pharyngeal arch arteries]], PAA）の異常発達に伴う心血管奇形、[[騎乗大動脈]]や[[心室中隔欠損]]が見られる。関連して、発生中の咽頭弓領域において''Fgf8''と''Gbx2''が共発現し、咽頭弓および心血管発生過程で両者が遺伝的に相互作用することが明らかになった<ref name=Byrd2005><pubmed>15996652</pubmed></ref>。

===内耳原基===

　アフリカツメガエルやニワトリの胚では、[[感覚性プラコード領域]]の前方領域と後方領域はそれぞれ''Otx2''と''Gbx2''に依存し、後方領域から耳胞領域が生じる<ref name=Steventon2012><pubmed>22564795</pubmed></ref>。ニワトリ胚の場合、初期（HH10）では予定耳胞全域で''Gbx2''が発現するが、HH14になると、耳胞の側方領域（予定前庭領域）では''Otx2''、内側領域（予定蝸牛領域）では''Gbx2''が発現する。これら2領域に夾まれた境界領域では''Pax2''とともに''Fgf8''と''[[Fgf10]]''が発現し、この領域近傍で[[聴覚前庭神経節]]が出現する<ref name=Hidalgo-Sanchez2000><pubmed>10906468</pubmed></ref><ref name=Miyazaki2006><pubmed>16961590</pubmed></ref><ref name=Sanchez-Calderon2002><pubmed>11922981</pubmed></ref>。この状況は中脳後脳境界での遺伝子相互作用を思わせるが、実際、異所性''Gbx2''発現は''Otx2''発現を抑制し、その逆も同様であった。これらの結果は、内耳発生が、''Gbx2''と''Otx2''の相互作用とこの下流での''Fgf''の発現により制御されていることを示唆する<ref name=Miyazaki2006><pubmed>16961590</pubmed></ref>。

===細胞の多能性との係わり===

=== 無脊椎動物（ショウジョウバエ） ===