「位置情報」の版間の差分

　胚発生期の器官の[[形態形成]]（morphogenesis）においては、[[前駆細胞]]が器官内で様々な細胞へと分化し、それらが一定のルールに従って配置される。この細胞の配置はどの個体でも同じであり、このことを「[[パターン形成]]（pattern formation）」という<ref><pubmed>21044633</pubmed></ref><ref><pubmed>26970003</pubmed></ref>1,2。器官内の種々の細胞が正確に配置されることは、器官が機能体として固有の機能を発揮するために重要である。器官が正確にパターン化されるためには、各前駆細胞が器官内における自らの相対的位置を認識する必要があるが、それを与えるのが位置情報である。

　器官発生の初期には、組織は[[未分化細胞]]の塊だが、やがて細胞塊の一部に[[シグナル]]の源である細胞群（[[シグナリングセンター]]（signalling centre））が出現する<ref><pubmed> 22570373</pubmed></ref>3。この領域からは[[細胞外因子]]が分泌され、この[[分泌因子]]は多くの場合器官内で濃度勾配を形成する。器官内の各細胞（前駆細胞）はこの濃度によって自分が何の細胞に分化するのか（つまりどのような機能を分担するのか）の情報を獲得するのである。

モルフォゲンの濃度によって多数の細胞が産生される様子を模式的に表した図（フランス国旗モデル；<ref name=Kerszberg2007 /><ref><pubmed>25295831 </pubmed></ref>10,39をもとに作成）<br />

　1969年、[[w:Lewis Wolpert|Lewis Wolpert]]は、シグナリングセンターから分泌された細胞外物質（[[モルフォゲン]]（morphogen））が濃度勾配を持って組織内に拡散しており、細胞の分化方向はその濃度に依存して決まるとする組織形成の原理を仮説的に提唱した<ref name=Wolpert1969><pubmed>4390734</pubmed></ref><ref><pubmed>7834908</pubmed></ref><ref name=Briscoe2015><pubmed>26628090</pubmed></ref><ref><pubmed>16410409</pubmed></ref>4-7。モルフォゲンとはギリシャ語で「form giver（形を与えるもの）」という意味であり<ref><pubmed>11483986</pubmed></ref>8、多くの研究から、組織形成に関わる液性因子（分泌タンパク質や化学低分子）のほとんど（[[線維芽細胞増殖因子]]([[FGF]])や[[Wnt]]、[[トランスフォーミング増殖因子]]([[TGFβ]])、[[ソニック・ヘッジホッグ]]、[[レチノイン酸]]）がモルフォゲンとして働くことがこれまでに示されている<ref><pubmed>23669552</pubmed></ref>9。濃度勾配が組織形成を制御するという概念は「[[モルフォゲンモデル]]（morphogen model）」と呼ばれ、現在に至るまで組織のパターン形成を分子的に説明する基本概念の１つである。

　モルフォゲンにより器官内で多種類の細胞が生じる様子は、しばしば「フランス国旗」で表される<ref name=Wolpert1969 /><ref name=Kerszberg2007><pubmed>17662932</pubmed></ref>4,10。これは、各細胞の分化方向の決定に[[濃度閾値]]（threshold）が存在することを前提にしており、濃度によって３つの異なる細胞が生じる様子をフランス国旗の青、白、赤の３色で表したものである（'''図1A'''）。このモデルは、濃度勾配を感知した各[[前駆細胞]]が、濃度に応じて３種類（実際にはそれ以上）の細胞に分化していく様子を表している。このことは、濃度依存的に発現する遺伝子が存在することを示している。さらに、隣接する領域に発現する遺伝子同士は互いにその発現を抑制する関係にあることも多い。

　このようにして、細胞外からの情報（濃度勾配）が細胞内制御機構（遺伝子の[[転写制御]]ネットワーク）に変換され、異なる種類の細胞（つまり'''図1A'''の赤と白、白と青）の境界が明確になり、結果的に正確なパターン形成が作り上げられる<ref name=Briscoe2015 />6。

（A）は<ref name=Ribes2009 /><ref name=Alaynick2011 />11、13を、（B,C）は<ref name =Balaskas2012 />18を元に作成した。]]

　個々の領域を分子レベルで特徴付けることができるのは、領域特異的に発現する[[ホメオボックス]]型または[[bHLH型転写因子]]が同定されているためである（同定されている転写因子の一部を'''図2A'''に掲載した：詳細については13<ref name=Alaynick2011 />を参照）。

　モルフォゲンのうち、神経管のパターン形成について解析が進んでいるのは、ソニック・ヘッジホッグ（Sonic Hedgehog; Shh）と腹側神経前駆領域のパターン形成である。Shhは、神経管の底板とその下部にある中胚葉性の組織、[[脊索]]（notochord; NT）に発現し、神経管の中で濃度勾配を形成して、主に[[p0領域]]から腹側の領域の決定に重要な役割を果たしている（'''図2A'''）<ref name=Ribes2009 />11。

　Shhのノックアウトマウスでは腹側神経領域のほとんどが消失し、胚性致死となる<ref name=Ribes2009 /><ref><pubmed>8837770</pubmed></ref>11,14。

しかし、Shhが神経管内で突然濃度勾配を形成するわけではない。神経管が形成された初期には、Shhは神経管の下部に位置する[[中胚葉]]由来の組織、脊策から分泌され、神経管の腹側のごく限られた領域に分布している。この領域には、まず低濃度領域に発現する遺伝子の発現（例えば[[Nkx6.1]]や[[Dbx1]]）が開始する<ref><pubmed>20532235</pubmed></ref>15。その後、Shhの発現が持続するにつれて、発生源である底板領域の発現量は高くなって遠くまで濃度勾配が形成されるようになり、高濃度領域の遺伝子の発現が開始する。

　この過程において、Nkx6.1、[[Nkx2.2]]、[[FoxA2]]の遺伝子の発現は、Shhシグナルを細胞内で仲介する転写因子[[Gli]]によって制御されているが、それぞれの遺伝子の発現制御領域に存在するGliの結合配列（DNA配列）が異なるために、アフィニティー（結合力）に違いがあることが示唆されている<ref><pubmed> 23153497 </pubmed></ref><ref><pubmed>23589857</pubmed></ref>16,17。つまり、Shhシグナルに対する敏感さの違いが遺伝子発現とパターン形成を決定していると言える。

　一方、転写因子のネットワークが重要だとするモデルも提唱されている（'''図2B'''）。神経管の発生初期には神経前駆細胞全体に転写因子の１つ[[Pax6]]が発現している。Pax6の発現自体は、[[神経誘導因子]]（細胞に「神経」という運命を与える因子）によって誘導される（'''図2C''', time 1）。次に、Pax6は[[Olig2]]によって発現抑制される関係にあるため、Olig2がShhによって発現誘導されると、Pax6の発現が抑制される（'''図2C''', time 2）。一方、Nkx2.2はOlig2と同じくShhのターゲット遺伝子であるが、初期にはPax6によってその発現が抑制されており、発現しない（'''図2C''', time 2）。しかしOlig2がPax6の発現を抑制するとPax6がNkx2.2を抑制する作用が弱まり、結果的にNkx2.2の発現が開始する（'''図2C''', time 3）。最後にNkx2.2とOlig2の相互抑制関係によって[[pMN]]と[[p3]]の領域が明確に分離し（'''図2C''', time 4）、Pax6、Olig2（pMN領域）、Nkx2.2（p3領域）による神経管のパターン形成が完成するのである<ref name=Balaskas2012><pubmed> 22265416 </pubmed></ref>18。

　この関係は常微分方程式によって数理モデル化されており、ShhによるOlig2とNkx2.2発現誘導効果が同等であってもパターン形成は成立する<ref name =Balaskas2012 />18。つまり、Gliのアフィニティー（結合力）の違いによる発現誘導とは異なるメカニズムで遺伝子発現が制御されていると言える。

　まず、そもそも蓋板領域が背側神経管のパターン形成に必須であることが、蓋板領域を遺伝的に破壊したマウスで示されている<ref name=Lee2000><pubmed>10693795</pubmed></ref>19。次に、蓋板に発現する遺伝子として、[[Wnt1]]/[[Wnt3A|3A]]のほか、[[BMP4]]/[[BMP5|5]]/[[BMP6|6]]/[[BMP7|7]]、さらにBMPと同じく[[TGFβ]]ファミリーに属する[[GDF7]]があり、これらが背側神経管のパターン形成に必須の役割を果たしている<ref name=Lee2000 /><ref name=LeDreau2012><pubmed>22159578</pubmed></ref><ref name=Alvarez2008><pubmed> 18057099</pubmed></ref><ref><pubmed>28925352</pubmed></ref>19 ,20-22。Wnt1/3Aのダブルノックアウトマウスでは、dI1、dI2領域が消失し、逆にdI3領域が拡大する<ref name=Muroyama2002><pubmed> 11877374</pubmed></ref>。23。このノックアウトマウスではBMPの濃度勾配の形成は影響を受けないことから、WntとBMPが独立に濃度勾配を形成することが示唆される。また、ノックアウトマウスの表現型からは、Wntは背腹軸全体のパターン形成に関与するのではなく、背側神経管内（dP1-dP3）のバランス維持に重要であることが示唆される。また、Wnt1/3aシグナルは、Shhシグナルの仲介因子である[[Gli3]]の発現に必須であるため<ref name=Alvarez2008 />21、WntはShhシグナルを、（たんぱく質同士の直接の相互作用ではなく）転写を介して制御していると言える。

　一方、蓋板に発現するBMPシグナル分子に関しては、少なくともBMP4/5/6/7が発現しているほか、これらと同様にTGFβスーパーファミリーに属するGDF7が存在する<ref name=Lee2000 /><ref name=LeDreau2012 /><ref name=Alvarez2008 />19-21。BMPシグナルを全体をブロックするためにBMPレセプターのノックアウトが行われており、このノックアウトマウスはdI1/dI2領域が欠損することが明らかになっている<ref><pubmed>15469980</pubmed></ref>24が、Wnt1/3aは（若干発現量が減少するものの）発現は維持されている。また、GDF7のノックアウトマウスでは背側の[[介在神経前駆細胞]]（dP1-dP6; '''図2A'''）のほとんどの分化が抑制されるが、Wnt1/3Aの発現は影響を受けていない<ref><pubmed>9808626 </pubmed></ref>25。したがって、WntとBMPはいずれも背側神経管のパターン形成に重要だが、互いの発現には大きな影響を及ぼさず、独立に背側のパターン形成に役割を担っていると考えられる。

　それでは濃度の勾配は重要であろうか。実際には、WntやBMPの濃度勾配が背側神経管のパターン形成に必須であるというデータがある<ref name=Muroyama2002 /><ref><pubmed> 23462473</pubmed></ref>23,26 。その一方最近、濃度勾配よりもシグナル因子の種類そのものの違いが細胞の分化方向を決定している（例えばBMP4 はdI1を強く誘導する一方で、BMP5はdI3を、BMP6とGDF7はdI1とdI3の分化を誘導する）という主張も存在する。したがって、蓋板から発現する様々なBMP/Wnt因子が独立に濃度勾配を形成し、その組み合わせが領域の多様性を生み出すと考えられる。

モルフォゲンの拡散と濃度勾配の形成・維持のメカニズム（<ref name=Schier2009><pubmed>19779439</pubmed></ref><ref name=YanD2009 />27,30をもとに作成）]]

　一般に濃度勾配の形成は、分泌因子の拡散と、それを抑制（または制御）する効果のバランスによって成立している<ref name=Schier2009><pubmed>19779439</pubmed></ref>27。まず、シグナリングセンターで産生されたモルフォゲンは、そこから組織内へと放出され、[[細胞間隙]]（[[細胞外マトリックス]]）に浸透して組織内へと拡散する（'''図3A'''）。しかし、モルフォゲンが産出され、湧出するだけでは、器官のように閉鎖された空間では一定時間の後には濃度が一定になってしまう。したがって、その濃度勾配を維持するために、モルフォゲンの拡散（遠くに伝えようとする作用）と、拡散を制限する（遠くに行かせない）作用のバランスが保持されている。そのメカニズムには以下のようなものが知られている。

　まずモルフォゲンを遠くに伝えるための方策としては、モルフォゲンが細胞間隙を浸潤・拡散していくほかに、モルフォゲンが細胞内を通過して拡散する「[[トランスサイトーシス]]（transcytosis）」の経路が知られている（'''図3'''）<ref><pubmed>22710177</pubmed></ref><ref><pubmed>23533171 </pubmed></ref><ref name=YanD2009><pubmed>20066107 </pubmed></ref><ref><pubmed>23637364</pubmed></ref><ref><pubmed>17255514 </pubmed></ref><ref><pubmed>18296653</pubmed></ref>28-33。[[ショウジョウバエ]]の羽の原基（wing disc）における分泌因子[[dpp]]の拡散様式は、この原則に従うことが知られている。一方、拡散を抑制する作用の１つとしては、たんぱく質の分解や[[エンドサイトーシス]]による細胞内への取り込みが挙げられる。タンパク質は一般に一定時間が過ぎると分解されるため、同時に産生されたたんぱく質の分子数（量）は時間とともに徐々に減少する。

　細胞外マトリックスたんぱく質のうち、主なものは[[ヘパラン硫酸プロテオグリカン]]（heparin sulfate proteoglycan; HSPG）と総称される糖タンパク質で、このうち[[グリピカン]]や[[シンデカン]]がモルフォゲン産生細胞の周辺部に分布してモルフォゲンに結合し、モルフォゲンの拡散を助け、あるいは抑制して濃度勾配の維持に関与すると示唆されている<ref name=YanD2009 />30。例えば[[グリピカン3]]（[[GPC3]]）はShhやWntに結合することが示されているが、Wntシグナルを増強する一方で、Shhシグナルを弱化する<ref name=Capurro2008><pubmed> 18477453</pubmed></ref><ref><pubmed>16024626</pubmed></ref>34,35。特にShhはGPC3の糖鎖に結合してエンドサイトーシスによって細胞内に取り込まれ、リソソームによる分解系に送り込まれる<ref name=Capurro2008 />34。逆に、GPC3のノックアウトマウスではShhシグナルの異常亢進を起こしている。

　一方、他のグリピカンについては、ショウジョウバエを用いた実験から別のメカニズムが提唱されている。[[GPC4]]や[[GPC6]]のショウジョウバエホモログ[[Dally-like]]（Dlp）は、同じく[[Hh]]や[[Wg]]（Wntのショウジョウバエホモログ）に結合し、エンドサイトーシスによって細胞内に取り込む<ref><pubmed>18477454</pubmed></ref>36が、Hhは分解されずトランスサイトーシスされ、Wgは分解系に送り込まれる<ref><pubmed> 18591969</pubmed></ref>37。このように、グリピカンなどの細胞外マトリックスタンパク質によるシグナル分子への結合、細胞内への取り込み、拡散・分解のシステムはシグナル分子特異的である。

　エンドサイトーシスによるモルフォゲンの取り込みに関しては[[ゼブラフィッシュ]]における[[リアルタイムイメージング]]によっても示されている。このように、細胞がモルフォゲン分子を取り込んで分解する様子は、分子を積極的に排除することを意味し、湧き出したモルフォゲンが流し台で排出される様子に例えることができるので、「[[source-sink model]]（湧き出しと排水モデル）」と呼ばれる<ref name=Schier2009 /><ref name=YanD2009 /><ref><pubmed>19741606</pubmed></ref>27,30,38。以上のように、拡散と分解のバランスが組織内におけるモルフォゲンの濃度勾配を調節していると言える。