「蓋板」の版間の差分

　蓋板(roof plate)は、脊椎動物における神経発生の過程で神経板(neural plate)が閉じて形成される神経管(neural tube)の背側正中領域であり、中枢神経系の背側のパターン形成に重要な働きを持つ。蓋板は終脳から脊髄まで脳の吻尾軸に沿ってどの部位にも存在するが、特に脊髄の背側部においてその形成機構が良く解析されている。

　分泌因子としてはBMP (bone morphogenetic protein)タンパク質が主要な役割を果たしており、BMP 4とBMP7はニワトリ胚の蓋板の形成時期に表皮外胚葉で一過的に発現する。これらを未分化なニワトリ神経板尾側部の培養液に加えると蓋板の細胞が誘導される。この誘導はnogginやfollistatinなどのBMPシグナルの特異的な阻害剤を用いて阻害することができる<ref name=Liem><pubmed>9335341</pubmed></ref>。BMP4、BMP7、BMP阻害剤、あるいは活性型BMP受容体(caBMPR1A)などをニワトリHH (Hamburger-Hamilton stage)10期の神経板尾側部にelectroporationで導入する実験によりBMPシグナルは蓋板の発生に必要かつ十分であることが示されている<ref name=Chizhikov><pubmed>15148302 </pubmed></ref>, <ref name=Liu><pubmed>14973289</pubmed></ref>。  

　内在性因子としては、LIMホメオドメインを持つ転写因子LHX1Aが知られている。LHX1Aは蓋板の前駆細胞および分化した蓋板の細胞に特異的に発現している。Lhx1a遺伝子に変異を持つDreherマウスでは吻側の蓋板が形成されない<ref name=Millonig ><pubmed>10693804</pubmed></ref>。ニワトリ脊髄や未分化な神経管吻側部のexplantにLMX1Aを異所性に発現させると蓋板関連分子の発現が誘導される<ref name=Chizhikov/>。LMX1Aの発現誘導にはBMPシグナルが必要かつ十分であることが示されている<ref name=Chizhikov/>。逆に、LMX1AがないとBMP4は蓋板を誘導できないので、LMX1AはBMPシグナルのメディエーターである<ref name=Chizhikov/>。異所性に発現したLMX1Aが蓋板を誘導できる領域は異所性に発現したBMPが誘導できる領域と比べて小さいので、BMPの下流にはLMX1A以外の経路もあると考えられる<ref name=Chizhikov/>, <ref name=Liu/>。  

　蓋板が脊髄背側の神経の運命決定に関わっていることを示す最初の知見は、未分化な神経板に蓋板を移植するとdI1とdI3という背側の介在神経細胞(dorsal interneuron)が誘導されるという発見であった<ref name=Liem/>。その後、蓋板に特異的なGdf (growth differentiation factor) 7遺伝子のプロモータを利用してジフテリアトキシンを発現させるGdf7-DTAマウスを用いて蓋板を欠失させると、最も背側のdI1-3は誘導されず、これを補うように腹側のdI4-6が余計に誘導されること、また、dI1-3の前駆細胞が失われたことによってではなく、蓋板からのシグナルが発信されないことによってdI1-3が誘導されないことがわかり、背側の介在神経細胞はデフォルトではdI4-6になるが、蓋板に近い領域では蓋板からのシグナルがそれを抑制してdI1-3に方向付けることが明らかになった<ref><pubmed>10693795</pubmed></ref>。<br> 一方、dreherマウスでは蓋板の欠失だけでなくdI1の減少も認められた。Lmx1aは蓋板でのみ発現しているので、これは蓋板からのnon-autonomousなシグナルが働いていることを示唆している<ref name=Millonig/>, <ref name=Millen><pubmed>15183721</pubmed></ref>。このnon-autonomousな蓋板のシグナルの存在は、ニワトリ神経板でLmx1aやLmx1bを発現させて異所性に蓋板をつくると、その場所ではdI2-6の代わりにdI1がnon-autonomousに誘導されることからも示された<ref name=Chizhikov/>,<ref name=ChizhikovJN/>。  

<br>　蓋板からの背側化シグナルの分子実体は主にBMPとWNTである。LiemらはBMPファミリーの分子はdI1とdI3を誘導できることをニワトリ神経板のexplantを用いて示した<ref><pubmed>7553857</pubmed></ref>,<ref name=Liem/>。その後、Timmerらがマウス神経管に活性化BMPレセプターを発現させる実験により、BMPシグナルの強度依存的にdI1-3を誘導することを示した。BMPシグナルが強い（高BMP濃度の）領域ではdI1が、逆にシグナルが低い領域ではdI3がより優勢に誘導される<ref><pubmed>11973277</pubmed></ref>。このBMPの局所的な濃度勾配は、BMPとヘパラン硫酸プロテオグリカン(heparan sulfate proteoglycans, HSPG)との相互作用によって形成される。N末端付近の塩基性アミノ酸に富むHSPGとの結合に重要な領域の5残基を欠失させたBMP4を神経管背側部に強制発現させると、野生型のBMP4を発現させた場合と比較してより広い範囲で背側化認められた<ref><pubmed>15218525</pubmed></ref>。ただし、個々のBMPタンパク質はそれぞれに特有の役割を果たしている。例えばBMPファミリーの関連因子で蓋板特異的に発現するGDF7をノックアウトするとdI1の一部の細胞のみが欠失する<ref><pubmed>9808626</pubmed></ref>。また、蓋板特異的に発現するBMP4はdI1の誘導に必要であるがdI2-5には必要ないのに対し、より広い神経管背側部に発現するBMP7はdI1, 3, 5の誘導に必要である<ref><pubmed>22159578</pubmed></ref>。  

<br>　蓋板を含む神経管の背側部で発現するWnt1やWnt3aも背側のパターニングに関与している。Wnt1/Wnt3aのダブルノックアウトマウスでは蓋板の形成は正常であるが、dI1-3が激減する<ref><pubmed>11877374</pubmed></ref>。反対に、WNTシグナルの下流に当たる&beta;-cateninの活性を上げると背側(Pax7陽性)から中央部(Pax6陽性)の神経前駆細胞が増加して、Nkx6.1、Olig2、Nkx2.2などを発現する腹側の前駆細胞が減少する。それに伴って、背側の介在神経細胞が多く誘導され、腹側の神経細胞は失われる<ref><pubmed>18057099</pubmed></ref>, <ref><pubmed>18927156</pubmed></ref>。また、Dreherマウスでは蓋板からのBMPシグナルが放出されないにもかかわらず、ある程度のdI1-3が誘導されるのは、残存しているWNTシグナルによるものだと考えられる<ref name=Millen/>。  

<br>　BMPとWNT以外で脊髄背側部のパターニングに関与すると考えられている分子としては、Lbx1が挙げられる。Lbx1のノックアウトマウスでは蓋板の形成は正常で、dI1-3も誘導されるが、dI4あるいはdI5が誘導されるべき領域でdI2あるいはdI3が誘導される<ref><pubmed>12062038</pubmed></ref>, <ref><pubmed>12062039</pubmed></ref>。  

<br>　後脳(hindbrain)の最前部である菱脳分節(rhombomere)1の背側からは小脳が形成され、特に小脳顆粒細胞(granule cells)は菱脳唇(rhombic lip)から誘導される最も背側の神経細胞である。マウス後脳の蓋板ではGdf7やBmp6/7が発現しており、これらのBMPシグナルは小脳顆粒細胞の特異化プログラムをスタートさせるのに十分であることが、explantを用いた実験で示されている<ref><pubmed>10448218</pubmed></ref>。ただし、これらのBMP分子は蓋板だけでなく隣接した非神経性の外胚葉にも発現しているので、本当に蓋板シグナルによって顆粒細胞が誘導されるのかどうかははっきりしない。一方、Lmx1aは蓋板に発現しており、蓋板の形成に必要である。Dreherマウスは将来小脳になる領域と隣接する蓋板が著しく小さくなっており、成体では正中領域の虫部の大半が失われて小脳が矮小化している<ref><pubmed>10842066</pubmed></ref>, <ref name=Millonig/>。  

<br>　マウスの吻側中枢神経系の蓋板ではBMPシグナルのエフェクターであるMsx1が発現しており、そのノックアウトマウスは間脳の蓋板を特異的に欠失している。その結果、正中の両側でPax6/7やLim1の発現が抑制され、交連下器官の形成不全が起きて胎生期水頭症になる<ref><pubmed>12874124</pubmed></ref>。また、En1を間脳の背側正中部で異所性に発現するトランスジェニックマウスでは蓋板、ひいては交連下器官ができず、また後交連も形成されない。これらのマウス系統ではどちらも、間脳背側の最前部にできる松果体の形成が不全である<ref><pubmed>10952903</pubmed></ref>。また、ゼブラフィッシュにおいても正常な背側正中部の形成とnodalのシグナルが松果体の正確なパターニングに必要である<ref><pubmed>11144351</pubmed></ref>, <ref><pubmed>11060236</pubmed></ref>。  

<br>　終脳領域では蓋板を含む背側正中領域は陥入して２つの大脳半球の間に潜り込む。蓋板は後に脈略叢およびcortical hemとなる。Gdf7-DTAマウスで終脳の蓋板を破壊すると、脈略叢とcortical hemの細胞が劇的に減少するだけでなく、隣接する皮質領域も低形成となり、Lhx2の発現が低下する。すなわち、脈略叢とcortical hemはLhx2発現領域のパターニングに重要である。蓋板とそれに由来する脈略叢とcortical hemにはBMPやWNTのシグナル分子が発現している。BMPシグナルの終脳背側のパターニングへの関与を示すデータとしては、外来性のBMPがニワトリ前脳のパターニングに異常を引き起こすこと<ref><pubmed>10051661</pubmed></ref>、Bmp5/Bmp7のダブルノックアウトマウスやBMPシグナルのアンタゴニストであるChordinあるいはNogginを投与したマウスにおいて前脳の低形成あるは形成異常が認められること<ref><pubmed>10079236</pubmed></ref>, <ref><pubmed>10688202</pubmed></ref>などがある。また、Foxg1-Creマウスを用いてBMPレセプターBmpr1aを終脳特異的に欠失させると、脈略叢が特異的に失われた<ref><pubmed>12354394</pubmed></ref>。一方、nestinエンハンサーを用いて活性型のBmpr1aを強制発現させると終脳の翼板（神経管の背側半分）がすべて脈略叢になった<ref><pubmed>11511541</pubmed></ref>。これらの結果は、終脳においてはBMPシグナルは広い領域に濃度依存的に作用するのではなく、正中領域のパターニングのみに必要であることを示唆している。  

<br>　ニワトリ神経板の吻側部あるいは全胚に様々な濃度のWntやWntシグナルのアンタゴニストであるfrizzled receptor 8タンパク質の可溶性フラグメントを添加すると、腹側性の細胞運命を抑え、Pax6やNgn2の発現など、終脳の初期の背側性の性質を誘導する<ref><pubmed>12766771</pubmed></ref>。その後、WntシグナルとFgfシグナルが共存することによって終脳背側に決定されたEmx1陽性の細胞が誘導される。Fgfシグナルは背側正中領域の細胞の産生にも重要である<ref><pubmed>11734354</pubmed></ref>, <ref><pubmed>12574514</pubmed></ref>。正中領域が決定された後、Wnt3aはcortical hemに発現する。Wnt3aノックアウトマウスではcortical hemの隣から分化する海馬が完全に欠失する<ref><pubmed>10631167</pubmed></ref>。