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

　中枢神経系原基である[[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は、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>。

　中脳後脳境界/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 中脳後脳境界近傍で最も早期に発現する。''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''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、[[Paired box gene 2]] (''[[Pax2]]'')、[[Fibroblast growth factor 8]] (''[[Fgf8]]'')、[[Wingless-type MMTV integration site family, member 1]] (''[[Wnt1]]'')などが独立して発現を開始する結果、中脳後脳境界領域が確立され（確立段階）、さらにこの部位で初期中脳後脳境界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、これらの初期中脳後脳境界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> 11731459 </pubmed></ref><ref name=Mason2000><pubmed>11103948</pubmed></ref>（'''図2'''）。以下、中脳後脳境界・峡部の形成で ''Gbx'' が果たす役割に関して説明するが、留意すべきは、発現から予想されるように、中脳後脳境界の決定に関わる ''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。

:　''Gbx2'' 遺伝子破壊（ノックアウト, 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>。

:　mRNA 注入による過剰発現実験<ref name=Kikuta2003><pubmed>14579382</pubmed></ref>の結果、''gbx1'', ''gbx2'' のいずれにも、マウスなどの[[羊膜類]]や両生類の ''Gbx2'' と同様に、前・中脳形成を抑制する活性が見られた。ただし、低レベルでの強制発現では異常が峡部に限定されており、中脳後脳境界/峡部が ''gbx'' に対して高い感受性を有すると考えられる<ref name=Nakayama2013><pubmed>23933069</pubmed></ref>。熱ショック誘導性 ''gbx2'' 構築（hsp-gbx2）を用いた時期特異的な強制発現実験により、中脳後脳境界/峡部の形成において ''otx2-gbx'' の抑制的相互作用が決定的になるのは原腸形成の終了前後であるとされた。

:　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<ref name=Nakayama2017><pubmed>28756106</pubmed></ref>。

　''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]]（[[第V運動神経]]）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、[[コンディショナルノックアウト法]]（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>。同様のコンディショナルノックアウト法により、''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]]（[[inducible genetic fate mapping]], [[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・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、機能は不明ながら内側基底核原基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>。ラットでも内側基底核原基と前脳基底部で発現が確認されており、特に[[前脳基底部]]の[[コリン]]作動神経において ''[[Lhx7]]'' との共発現が観察された<ref name=Asbreuk2002><pubmed>11801365</pubmed></ref>。

　マウス ''Gbx2''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>。

　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>10436162</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>。contitional KO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>。

　''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、マウスでは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。