大動脈-生殖腺-中腎

大動脈生殖腺中腎（AGM）^{[1] [2] [3] [4] [5]は、ニワトリ[6]、}マウス^{[4] [5]、}およびヒト^[7]の胚において、大動脈傍内臓胸膜から胚発生中に発生する胚中 胚葉の領域である。成人の放射線照射受容体の長期多系統再生が可能な最初の成体末梢造血幹細胞は、胚背大動脈の腹側内皮壁から発生し、^{[8] [9]} '内皮から造血への移行'（EHT）と呼ばれる内皮の分化転換プロセスを経て生じる。^{[10] [11] [12] [13] [14]}マウスの胚では、これらの最初のHSCはLy6A-GFP ^{[8] [15]} (Sca1)、CD31、^{[16] [15]} CD34、 [ ^17] cKit、^{[16] [17]} CD27、^[16] CD41、^[18] Gata2、^{[16] [19] [13]} Runx1、^{[20] [21]} Notch1、^[22]、BMP ^[23]などの発現によって特徴付けられます。

大動脈-生殖腺-中腎（AGM）領域は、ヒト、マウス、鳥類やゼブラフィッシュなどの非哺乳類脊椎動物の胎児で確認されている内胸中胚葉に由来する領域です。背側大動脈、生殖隆起、中腎が含まれ、脊索と体細胞中胚葉の間に位置し、胎児の臍から前肢芽まで伸びています。^{[24] AGM領域は胚発生に重要な役割を果たしており、胚内で最初に自立した}造血が行われる部位です。^{[3] [2] [5] [25] [26]}造血幹細胞は、放射線照射を受けた受容体に連続的に移植されると「自己複製」する能力があり、成人の造血階層の血液細胞系統のいずれかに分化します。^{[5] [25]}背側大動脈底部（AGM領域内）の特殊な内皮細胞は、造血内皮細胞として同定され、造血幹細胞に分化します。

AGM領域は、胚の中胚葉層に由来する。器官形成期（ヒトの胚では約4週目）に、中胚葉の内臓領域である内臓胸膜は、背側大動脈、生殖隆起、中腎からなる明確な構造に変化する。 ^[27] 胚発生の期間中、背側大動脈は造血幹細胞を産生し、これが最終的に肝臓に定着し、成人のすべての成熟血液系統を生み出す。^[28]出生時には、背側大動脈は下行大動脈となり、生殖隆起は生殖腺を形成する。^[28]中腎はネフロンや腎臓の他の関連構造を形成していく。

AGM領域の形成は、アフリカツメガエルなどの非哺乳類脊椎動物で最もよく説明されている。胚葉形成の直後に、哺乳類の内臓胸膜中胚葉に類似した背側板の細胞が脊索の下の正中線に移動して背側大動脈を形成し、外側には主静脈と腎管を形成する。^[29]

大動脈生殖腺中腎領域の最も重要な機能は、終末期造血における役割です。終末期造血は胚性造血の第二波であり、成人の造血系のすべての造血幹細胞を生み出します。大動脈生殖腺中腎領域には、多能性造血コロニー形成単位-脾臓（CFU -S）前駆細胞^[1]と多能性長期再増殖造血幹細胞（LTR- HSC ） ^[2]が存在することが示されています。^{[3]胚外造血部位である}卵黄嚢とは対照的に、大動脈生殖腺中腎領域のCFU-Sの数ははるかに多かったです。 LTR-HSC 活性は、卵黄嚢や胎児肝臓よりもわずかに早い時期に大動脈生殖腺中腎領域でも確認されました。これは、この領域からの最終的な造血の潜在性を示しています。さらに、マウスの胚から分離された AGM の器官培養は、卵黄嚢や肝臓の影響を受けずに、自律的に造血幹細胞の活性を開始できます。^[3]性交後10日目（dpc）には大動脈生殖腺中腎領域で最終的な造血幹細胞の活動が開始および拡大することができたが、卵黄嚢では11日目まで造血活動は見られなかった。これはヒトの胎児でも同様で、大動脈生殖腺中腎領域で27日目に初めて検出され、35日目に急速に拡大し、40日目に消失する。この「消失」は、これらの造血幹細胞が胎児肝臓に移動し、そこで次の造血部位となることと相関している。

背側大動脈は、内皮層とその下の基質層で構成されています。また、造血内皮と呼ばれる別の細胞集団もあり、これは内皮層から派生して造血幹細胞を生成します。

内皮細胞は、単一の扁平上皮内皮層としてすべての血管の内腔を覆っています。これらの細胞は、タイトジャンクションを介して互いに接触を保っています。AGM では、内皮細胞が背側大動脈の内腔を覆っています。内皮細胞の特殊なサブセットである造血内皮は、造血幹細胞に分化する可能性があります。

造血幹細胞（HSC）が背側大動脈の腹側内皮にしっかりと接着していることが検出されました。これらの細胞は、造血系と内皮系の両方の前駆体である造血内皮に由来することが確認されています。これは、HSCが背側大動脈の内皮層から分化する場所です。内皮細胞の特異的マーカーであるVEカドヘリンは、大動脈内皮の内腔側に見られます。背側大動脈の壁に密集した細胞も、VEカドヘリンの他に、一般的な造血および内皮マーカーであるCD34、および造血細胞に存在するマーカーであるCD45を発現していました。これらの特殊な内皮細胞をin vitroで培養すると、造血起源の細胞よりも高い割合で造血幹細胞を生成することができました。したがって、両系統の細胞表面マーカーの共発現は、AGM において造血幹細胞が背側大動脈の内皮細胞から分化することを示唆しています。

生きたゼブラフィッシュの胚のタイムラプス画像により、造血内皮が造血幹細胞に分化する様子が可視化されました。受精後約 30 時間、つまり造血幹細胞が初めて出現する数時間前から、大動脈底の多くの内皮細胞が収縮し、大動脈下腔に向かって曲がり始めます。この状態は通常 1 ～ 2 時間続きます。その後、これらの細胞は内外軸に沿ってさらに収縮し、外側にある 2 つの内皮細胞を近づけて接触を解放します。出現した細胞は丸みを帯びた形態をとり、血管の軸に沿って移動するために前部および尾部の内皮細胞と強力な接触を維持します。電子顕微鏡画像では、これらの細胞がタイトジャンクションを介して接触を維持していることが示されています。これらの接触が解消されると、細胞は頂底極性により大動脈下腔に移動し、その結果他の造血器官に定着します。

AGM による HSC の産生では、造血内皮細胞が重要な役割を果たすと考えられています。造血内皮細胞は、造血マーカーと内皮マーカーの両方を同時に発現する特定の内皮細胞です。これらの造血内皮細胞は活性化され、隣接する内皮細胞との結合が解除され、「出芽」と呼ばれるプロセスで循環に入ります。これは、マウスの胚発生中の E9.5 で発生します。ここから、造血内皮細胞は HSC に発達します。ただし、造血内皮細胞の活性化に関与する正確なシグナル伝達経路は不明ですが、一酸化窒素 (NO)、Notch 1、Runx1 など、いくつかのシグナル伝達分子が関与していると考えられています。

AGM 造血内皮細胞の活性化に関与するシグナル伝達経路には以下が含まれます。

RUNX1 (AML1 としても知られる) は、AGM における造血内皮細胞の生成と活性化に深く関与している転写因子です。RUNX1 ノックアウト研究では、E12 での胎児致死前にすべての胎児組織で決定的な造血活動が完全に除去されることが示されています。RUNX1 ノックアウトは、AGM に形態学的変化も生じ、間葉系細胞が過度に密集します。間葉系細胞が内皮細胞に分化すると、RUNX1 が存在しないと、間葉系細胞が造血内皮細胞に分化する能力に影響する可能性があります。これにより、間葉系細胞数が増加し、他の造血マーカー陽性細胞が明らかに不足していることが説明されます。Runx1 は、造血内皮の活性化にも関与しています。条件付きノックアウトを使用して、AGM 造血内皮細胞における Runx1 発現の除去が HSC の生成を阻止することが示されました。同じ実験では、HSC が生成されると Runx1 は不要になり、対照と比較して HSC 活性に偏差が生じないことも示されました。さらに、Runx1 ノックアウトからの AGM 細胞をin vitro でレトロウイルス移入してRunx1 を過剰発現させたところ、細胞は回復し、最終的な造血細胞を生成することができました。これは、Runx1 が造血細胞の活性化と間葉系細胞からのその生成のシグナル伝達経路で重要な役割を果たしていることを示唆しています。

一酸化窒素シグナル伝達は、おそらくRunx1の発現を調節することによって、造血内皮細胞の生成と活性化に役割を果たすことも示されています。血流からの純粋なストレスにより、血管内の機械受容器が活性化されてNOが生成され、NO生成が循環に依存するようになります。これはNcx1ノックアウトで見られ、心拍の発達の失敗とそれに伴う循環の欠如により、Runx1がダウンレギュレーションされ、AGMで造血活動が起こらなくなります。Ncx1ノックアウトに外部からのNO供給源が供給されると、AGMでの造血活動は野生型のレベル近くに戻ります。これにより、NOシグナル伝達が、循環の存在だけでなく、造血を制御する主要な要因であることが分離されます。ただし、NOとRunx1発現を結び付けるシグナル伝達カスケードはまだ解明されていません。NOシグナル伝達は、細胞接着分子ICAM-1の発現を調節することによって、内皮細胞の運動性を制御することも示されています。このことから、Runx1 は血液原性内皮細胞の循環への出芽に関与している可能性が高いと考えられます。Runx1 は血液原性内皮細胞の活性化にも重要なので、NO がこれら両方の下流効果を制御している可能性があります。

Notch1 は、HSC 生成のシグナル伝達経路に関係している別のタンパク質です。Notch1 ノックアウトでは卵黄嚢で正常な造血が見られますが、AGM では HSC が生成されません。実験では、Notch1 発現の低下が Runx1 の発現にも影響し、ダウンレギュレーションを引き起こすことが示されています。さらに、Notch1 を過剰発現させた実験では、AGM の内皮で最終的な造血細胞の大きなクラスターが発達しているのが示されています。Runx1 発現は造血細胞生成に比例するため、これらの結果は Notch1 が Runx1 の制御にも関与していることを示唆しています。