「コーディン」の版間の差分

DOI：<selfdoi />　原稿受付日：2020年7月18日　原稿完成日：20XX年X月X日<br>

{{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>}}

　1924年、ドイツの生物学者ハンス・シュペーマンと、オットー・マンゴールドは、イモリ胚の一部分を別の胚に移植することにより、胚に2次軸（脊索を含む背側中胚葉）が形成されることを見出し、この部分を「形成体（organizer）」と名付けた。この部分からは誘導因子（移植した組織から分泌され、移植された胚に作用する因子）が分泌されることが予想されたが、その分子実体は長年明らかにされていなかった <ref name=DeRobertis2006><pubmed>16482093</pubmed></ref><ref name=Sander2001><pubmed>11291840</pubmed></ref> 。

　1990年代になって分子生物学的手法、特に遺伝子のクローニング技術が発達したことにより、微小または特定の組織に高い発現量を持つ遺伝子の単離が可能になった。この技術を利用して、カリフォルニア大学・ロサンゼルス校のエドワード・デロバティス教授と笹井芳樹博士は、オーガナイザー領域に発現量が蓄積されている遺伝子単離するためのディファレンシャルスクリーン<ref group=脚注>ディファレンシャルスクリーン：特定の組織で発現する遺伝子を単離する方法の１つ。特定の（発現を期待する）組織と対照となる組織からそれぞれRNAを抽出し、さらにそこから放射性同位元素などでラベルしたcDNAを合成し、これをプローブとしてcDNAライブラリーを用いてスクリーニングを行う。発現を期待する組織で強いシグナルを発出する遺伝子が目的の遺伝子である。chdの単離では、「塩化リチウムで処理されて全体が背側化した胚」と「紫外線照射により全体が腹側化した胚」のそれぞれからcDNAが合成され、cDNAライブラリーとハイブリダイズさせたときに「オーガナイザー領域」のプローブのみで強くハイブリするものが網羅的に探索された。<br>

　現在ではマイクロアレイやmRNAシーケンス法を用いることが多い。</ref>を行い、強い２次軸誘導活性をもつ遺伝子を単離した。この遺伝子は分泌因子をコードし、4つのシステイン繰り返し領域（cysteine-rich domain; CRD）を持つもので、コーディン chordin（chd）と名付けられた。

　コーディンは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、ヒトのコーディンタンパク質の３次元構造は、馬蹄形をなす<ref name=Troilo2014><pubmed> 25157165 </pubmed></ref>。

　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コーディン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の関係はコーディン/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）と脊椎動物のコーディン（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、脊椎動物のコーディンやBMPと同様にSOGやDPPと相互作用する <ref name=Yu2000><pubmed>10769238</pubmed></ref> 。

　コーディン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> 。

　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<ref name=sasai1994><pubmed>8001117</pubmed></ref>。

　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<ref name= Streit1998><pubmed> 9425145 </pubmed></ref><ref name=Bachiller2000 />、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<ref name=Scott2000><pubmed> 10767089</pubmed></ref>。

　生後は、脳領域では海馬や小脳に発現が見られる<ref name=Scott2000 />ほか、[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene?Db=gene&Cmd=DetailsSearch&Term=8646 NCBIのデータベース]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。

　コーディンはTGF&beta;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、コーディンと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。コーディンと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、コーディン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> 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''') 。

　コーディン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、コーディン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（コーディン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。

　たとえばXolloid（BMP1）とその近縁遺伝子Xolloid-related（xlr）と呼ばれるメタロプロテアーゼは腹側に発現し、コーディンタンパク質を分解する活性を持つ <ref name=Dale2002><pubmed>12464431</pubmed></ref><ref name=Piccolo1997><pubmed>9363949</pubmed></ref> 。この結果BMPタンパク質が解放され、BMPシグナル活性を維持する。これは、背側中胚葉のオーガナイザーが肥大化しないように調節しているメカニズムの１つである <ref name=DeRobertis2001><pubmed>11291846</pubmed></ref> 。

　Twisted Gastrulation（Tsg）と呼ばれる分泌タンパク質がBMP4と結合してTsg-BMP-コーディンの複合体を形成してBMP活性を抑制することにより、結果としてコーディンの活性を保護している <ref name=Chang2001><pubmed>11260717</pubmed></ref><ref name=DeRobertis2000><pubmed>11252746</pubmed></ref> 。ただ一方で、TsgがBMPシグナルを保護するという報告もある<ref name=Xie2005><pubmed>15604098</pubmed></ref> 。この齟齬は実験系（強制発現系による生化学的な解析と変異体解析の違い、種の違いなど）によるものと考えられる。

　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> 。

　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> 。

　コーディンが発現する原口背唇部を含む一部を胚から切り出して胚を発生させると、腹側胚は細胞塊を形成するのに対し、背側胚は、腹側を含む完全胚になる。これは、背側中胚葉に腹側中胚葉を誘導する活性が存在することを意味する。コーディンはADMPというTGF&beta;タイプの分泌因子の発現を誘導する。ADMPはコーディンと同じく背側中胚葉に発現するにもかかわらず、それ自体はALK-2受容体に結合してBMPシグナルを刺激（Smad1をリン酸化）し、中胚葉を腹側化する活性を持つ。また、ADMPはBMPと同様にコーディンと結合し、コーディンの活性を阻害する。このように、主にネガティブフィードバックの様式により、コーディンを含む背側中胚葉が、胚全体の形成を制御することが示された。さらに、オルファクトメディンタイプ <ref name=Anholt2014><pubmed>25364714</pubmed></ref>  の分泌因子ONT-1がコーディン、Xlrと複合体を形成してコーディンの分解を促し、背側中胚葉の大きさを制御する（肥大化しないようにする）ことが明らかになった <ref name=Inomata2008><pubmed>18775317</pubmed></ref> 。

　ほかにも、BAMBI（BMP And Activin Membrane Bound Inhibitor）<ref name=Chen2007><pubmed>17661381</pubmed></ref>  <ref name=Onichtchouk1999><pubmed>10519551</pubmed></ref> やCV2（Crossveinless-2）<ref name=Ikeya2006><pubmed>17035289</pubmed></ref>  <ref name=Ambrosio2008><pubmed>18694564</pubmed></ref> などのようにコーディンに結合する因子が単離され、機能解析が行われている。このように、コーディンの活性を阻害するものと保護するものがコーディンと結合、あるいは転写レベルで発現して制御関係を形成することにより、背側中胚葉（特にオーガナイザー領域）の大きさを決定している<ref name=Plouhinec2009><pubmed>20066084</pubmed></ref> 。

　また、Chordin、Noggin、Follistatinの3つの因子を同時に発現阻害した胚においては、神経誘導はもちろんのこと、背側組織の発生が大きく阻害された <ref name=Khokha2005><pubmed>15737935</pubmed></ref> 。

　コーディン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、コーディンと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> 。

　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> 。