「コーディン」の版間の差分
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== コーディンとは == | == コーディンとは == | ||
1924年、ドイツの生物学者[[wj:ハンス・シュペーマン|ハンス・シュペーマン]]と、[[ | 1924年、ドイツの生物学者[[wj:ハンス・シュペーマン|ハンス・シュペーマン]]と、[[wj:Hilde Mangold|ヒルデ・マンゴールド]]は、[[wj:イモリ|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[[w:Edward M. De Robertis|エドワード・デロバティス]]教授と笹井芳樹博士は、形成体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「形成体」のプローブのみで強くハイブリダイズ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。 | 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[[w:Edward M. De Robertis|エドワード・デロバティス]]教授と笹井芳樹博士は、形成体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「形成体」のプローブのみで強くハイブリダイズ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。 | ||
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==構造== | ==構造== | ||
コーディンは1000アミノ酸弱からなる[[wj:分泌蛋白質|分泌蛋白質]]であり、[[wj:シグナルペプチド|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>。 | |||
== 相同体 == | == 相同体 == | ||
===脊椎動物=== | ===脊椎動物=== | ||
コーディンの機能は主に[[アフリカツメガエル]] | コーディンの機能は主に[[アフリカツメガエル]]において研究されているが、その相同遺伝子は[[マウス]]、[[ヒト]]をはじめとするすべての[[脊椎動物]]において存在すると考えられる。 | ||
=== 無脊椎動物 === | === 無脊椎動物 === | ||
[[ショウジョウバエ]]では、[[short gastrulation]]（[[sog]]）が[[wj:細胞性胞胚|細胞性胞胚]] (blastoderm)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（[[コーディン#作用機構|作用機構]]を参照）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[[wj:相同遺伝子|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> 。 | |||
=== 類似遺伝子 === | === 類似遺伝子 === | ||
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> 。これらはコーディンに比べていずれも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コーディンと構造的に類似し'''(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|モルフォリノアンチセンスオリゴヌクレオチド]]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[[wj:軟骨細胞|軟骨細胞]]、[[wj:生殖器官|生殖器官]]の[[wj:結合組織|結合組織]]での発現がみられている <ref name=Nakayama2004><pubmed>14660436</pubmed></ref> 。 | |||
==発現== | ==発現== | ||
アフリカツメガエルにおいては、[[wj:原腸形成期|原腸形成期]]に[[オーガナイザー|原口背唇部]]（形成体）に発現が開始する。原腸形成後は、頭部中胚葉領域（プレコーダルプレート; prechordal plate）、[[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、[[wj:大腿骨|大腿骨]]、[[wj:肋骨|肋骨]]、[[wj:椎骨|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。 | |||
==作用機構== | ==作用機構== | ||
[[ファイル:Sasai Chordin Fig2.png|サムネイル|'''図2. コーディン/BMPによる表皮・神経の遺伝子の誘導'''<br><ref name=Holley1995><pubmed>7617035</pubmed></ref><ref name=Nakayama2004><pubmed>14660436</pubmed></ref><ref name=Larrain2000><pubmed>10648240</pubmed></ref>をもとに作成。]] | [[ファイル:Sasai Chordin Fig2.png|サムネイル|'''図2. コーディン/BMPによる表皮・神経の遺伝子の誘導'''<br><ref name=Holley1995><pubmed>7617035</pubmed></ref><ref name=Nakayama2004><pubmed>14660436</pubmed></ref><ref name=Larrain2000><pubmed>10648240</pubmed></ref>をもとに作成。]] | ||
コーディンは[[TGFβ]]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。 | |||
発生過程において、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、未分化外胚葉を表皮化する。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、未分化外胚葉が神経化し、背側外胚葉領域に[[神経板]]が形成される。 | |||
[[ファイル:Sasai Chordin Fig3.png|サムネイル|'''図3. コーディンに結合する、またはコーディンによって転写制御をうける因子群'''<br>'''A.'''背側中胚葉（多くは原口背唇部）と腹側中胚葉に発現する遺伝子群。<br>'''B.'''それらの間に存在する制御関係。黒色の矢印はタンパク質間の相互作用を、灰色の矢印は転写制御を示す。<ref name=DeRobertis2004><pubmed>15473842</pubmed></ref><ref name=Ambrosio2008><pubmed>18694564</pubmed></ref><ref name=Plouhinec2009><pubmed>20066084</pubmed></ref> をもとに作成。]] | 「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''') 。 | ||
[[ファイル:Sasai Chordin Fig3.png|サムネイル|'''図3. コーディンに結合する、またはコーディンによって転写制御をうける因子群'''<br>'''A.''' 背側中胚葉（多くは原口背唇部）と腹側中胚葉に発現する遺伝子群。<br>'''B.''' それらの間に存在する制御関係。黒色の矢印はタンパク質間の相互作用を、灰色の矢印は転写制御を示す。<ref name=DeRobertis2004><pubmed>15473842</pubmed></ref><ref name=Ambrosio2008><pubmed>18694564</pubmed></ref><ref name=Plouhinec2009><pubmed>20066084</pubmed></ref> をもとに作成。]] | |||
==活性調節== | ==活性調節== | ||
コーディンを発現する形成体の大きさ、また形成体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。現在までに知られている制御因子の一部を''' | コーディンを発現する形成体の大きさ、また形成体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。現在までに知られている制御因子の一部を'''図3'''に示した。 | ||
=== Xolloid === | === Xolloid === | ||
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、形成体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 === | === Twisted Gastrulation === | ||
[[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 === | === Sizzled === | ||
[[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、結果的にコーディンの活性を維持する <ref name=Lee2006><pubmed>16413488</pubmed></ref><ref name=Muraoka2006><pubmed>16518392</pubmed></ref> 。 | |||
== 生理機能 == | == 生理機能 == | ||
=== 未分化外胚葉細胞の神経化=== | === 未分化外胚葉細胞の神経化=== | ||
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TGFβ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（特に形成体）の大きさを決定している<ref name=Plouhinec2009><pubmed>20066084</pubmed></ref> 。 | |||
また、コーディン、ノギン、フォリスタチンの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> 。 | また、コーディン、ノギン、フォリスタチンの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> 。 | ||
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==== コーディンのノックアウトマウス ==== | ==== コーディンのノックアウトマウス ==== | ||
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（特にノギン）によって相補されることが示唆された。そこで、コーディンとノギン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、[[前方臓側内胚葉]] ([[anterior visceral endoderm]]; [[AVE]])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コーディン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<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）と原条 ([[anterior primitive streak]], APS）によって別々に誘導される。コーディン（と、それと同様の機能を持つノギン）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。 | |||
==== コーディン関連因子のノックアウトマウス ==== | ==== コーディン関連因子のノックアウトマウス ==== | ||
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===== Tolloid ===== | ===== Tolloid ===== | ||
Tolloid-like- | Tolloid-like-1（Tll1）のノックアウトマウスは[[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> 。 | ||
===== sFRP ===== | ===== sFRP ===== | ||
カエルや[[魚類]]のSzlに最も近いマウスの遺伝子は[[sFRP]]（[[sFRP1]]-[[sFRP6|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> 。 | |||
==疾患との関連== | ==疾患との関連== | ||