胚葉形成

胚葉形成
原腸形成は、1 つの層からなる胞胚が内側に折り畳まれて拡大し、原腸を形成するときに起こります。この図は色分けされており、外胚葉は青、内胚葉は緑、胞胚腔(卵黄嚢) は黄色、原腸(一次腸) は紫です。
識別子
メッシュ	D054262
解剖学用語 [Wikidataで編集]

原腸形成は、ほとんどの動物における初期胚発生の段階であり、この段階で胞胚（単層の中空球状の細胞）、または哺乳類では胚盤胞が、原腸胚と呼ばれる2層または3層の胚に再編成される。^[1]原腸形成前、胚は連続した上皮細胞シートである。原腸形成の終わりまでに、胚は分化を開始して異なる細胞系統を確立し、体の基本軸（背腹、前部後部など）を設定し、将来の腸を含む1つ以上の細胞タイプを内部化します。^[2]

三胚葉性生物では、原腸は三層構造である。この3つの胚葉は、外胚葉（外層）、中胚葉（中間層）、内胚葉（内層）である。[ ^{3] [4]}刺胞動物や有櫛動物などの二胚葉性生物では、原腸には外胚葉と内胚葉のみがある。この2つの層は、下胚葉と上胚葉と呼ばれることもある。^[5]海綿動物は原腸段階を経ない。

胚葉形成は卵割と胞胚または胚盤胞の形成の後に起こります。胚葉形成の後には器官形成が起こり、新しく形成された胚葉内で個々の器官が発達します。 ^[6]各層は発達中の胚の 特定の組織と器官を生み出します。

• 外胚葉は表皮、神経系、脊椎動物の神経堤を生じます。^[2]
• 内胚葉は消化器系と呼吸器系の上皮、および肝臓や膵臓などの消化器系に関連する臓器を生じます。^[2]
• 中胚葉は筋肉、骨、結合組織など多くの細胞型を生み出します。脊椎動物では、中胚葉由来物には脊索、心臓、血液と血管、肋骨と椎骨の軟骨、真皮が含まれます。^{[2] [7]}

胚葉形成後、体内の細胞は、上皮細胞のように連結した細胞のシート状に組織化されるか、間葉細胞のように孤立した細胞のメッシュ状に組織化される。^{[4] [8]}

胚葉形成のパターンは動物界全体で非常に多様なバリエーションを示すが、胚葉形成中に起こる細胞運動の5つの基本的なタイプによって統一されている：^{[2] [9]}

1. 陥入
2. 退縮
3. 侵入
4. 剥離
5. 上皮腫

「ガストルラ」と「ガストル形成」という用語は、エルンスト・ヘッケルが1872年に著作「石灰質海綿動物の生物学」の中で作った造語である。^[10] ガストルラ（文字通り「小さな腹」）は、古代ギリシャ語のγαστήρ gastḗr（「腹」）に基づいた新ラテン語の縮小語である。

この分野の先駆的な発生生物学者であるルイス・ウォルパートは、「人生で最も重要な時期は、誕生でも結婚でも死でもなく、胚形成である」と指摘したとされている。^{[2] [11]}

胚葉形成は動物界全体で非常に多様ですが、根底には共通点があります。胚葉形成は多くの動物で研究されてきましたが、モデルによっては他のモデルよりも長く使用されているものもあります。さらに、母親の体外で発達する動物の方が発達を研究しやすいです。胚葉形成が最も詳細に理解されているモデル生物には、軟体動物、ウニ、カエル、ニワトリなどがあります。ヒトのモデル系は、ガストルロイドです。

前口動物と後口動物の区別は、 口（気孔）が原口に対して発達する方向に基づいている。前口動物はギリシャ語の「最初の口」（πρῶτος + στόμα）を意味する protostoma に由来するのに対し、後口動物の語源は「2番目」と「口」を意味する単語（δεύτερος + στόμα）から「2番目の口」である。^{[引用が必要]}

後口動物と前口動物の主な違いは、胚の発達にあります。

• 口/肛門
  • 前口動物の発達において、最初の開口部である原口が動物の口になります。
  • 後口動物の発達において、原口は動物の肛門になります。
• 胸の谷間
  • 前口動物は螺旋分裂と呼ばれる決定的分裂を行っており、細胞の運命は形成されるときに決定されることを意味します。
  • 後口動物は、不定形の放射状卵割と呼ばれる卵割を持つ。

ウニは19世紀以来、発生生物学の重要なモデル生物となっている。 ^[12]ウニの胚葉形成は、無脊椎動物の後口動物の原型とみなされることが多い。^[13]ウニの胚葉形成に関する知識を得るために、実験とコンピュータシミュレーションが使用されてきた。最近のシミュレーションでは、平面細胞極性がウニの胚葉形成を促進するのに十分であることが判明した。^[14]

ウニは非常に定型的な分裂パターンと細胞運命を示す。母親から分泌されたmRNAがウニ胚の組織化中心を形成する。標準的なWntシグナルとDelta-Notchシグナル伝達により、進行性内胚葉と中胚葉が徐々に分離される。^[15]

ウニでは、最初に内部移行する細胞は一次間葉細胞（PMC）であり、これは骨格形成の運命を持ち、胞胚期に進入する。その後まもなく、将来の内胚葉と非骨格形成中胚葉の内部移行である原腸形成が始まり、植物極の陥入やその他の細胞再配置が起こり、最終的な原腸の長さの約30％を占める。腸の最終的な長さは、原腸内の細胞再配置によって決まる。^[16]

カエル 属の アフリカツメガエルは胚葉形成の研究のためのモデル生物として使われてきた。 ^[17]

精子は、最初の卵割を完了するために必要な2 つの有糸分裂星状体のうちの 1 つを提供します。精子は卵子の動物側のどこにでも進入できますが、精子が進入する正確な地点は、細胞骨格を組織化することによって卵子の放射状対称性を破ります。最初の卵割の前に、卵子の皮質は、皮質回転と呼ばれるプロセスで、微小管の協調動作によって内部の細胞質に対して回転します。この変位により、赤道細胞質と植物性皮質から母親が負荷した細胞運命の決定因子が接触し、これらの決定因子が一緒にオーガナイザーを構成します。したがって、精子の進入点の反対側の植物性側の領域がオーガナイザーになります。^[18]ハンス・シュペーマンの研究室で働いていたヒルデ・マンゴールドは、胚のこの特別な「オーガナイザー」が胚葉形成を誘発するために必要かつ十分であることを実証しました。^{[19] [20] [21]}

内胚葉の分化は母体から受け継いだ決定因子の再配置に依存し、その結果βカテニンの核化が起こります。中胚葉は、予定内胚葉から外胚葉になるはずの細胞へのシグナル伝達によって誘導されます。^[18]

胚孔の背唇は胚葉形成の機械的な推進力である。カエルにおいて陥入の最初の兆候として見られるのは背唇である。^{[引用が必要]}

カエルであるアフリカツメガエルでは、シグナルの1つはレチノイン酸（RA）です。^[22]この生物のRAシグナル伝達は内胚葉の形成に影響を及ぼし、シグナル伝達のタイミングに応じて、膵臓、腸、呼吸器のいずれの運命になるかを決定します。WntやBMPなどの他のシグナルも、細胞系トレーサーを活性化することでアフリカツメガエルの呼吸器の運命に役割を果たします。 ^[22]

有羊膜類（爬虫類、鳥類、哺乳類）では、胚葉形成には原腸への開口部である原口の形成が含まれる。原口は胞胚内の空間である胞胚腔への開口部ではなく、胞胚の既存の表面を押し合わせる新しい陥入を表すことに注意すること。有羊膜類では、胚葉形成は次の順序で起こる：（1）胚が非対称になる；（2）原始条片が形成される；（3）原始条片の上胚葉からの細胞が上皮細胞から間葉細胞への移行を経て原始条片に進入し、胚葉を形成する。^[7]

胚葉形成の準備として、胚は近位遠位軸と前後軸の両方に沿って非対称になる必要がある。近位遠位軸は、胚の細胞が「卵筒」を形成するときに形成される。卵筒は、近位端の胎盤のような構造を生み出す胚体外組織と遠位端の胚葉上層からなる。この再編成には、 BMP、FGF、nodal、Wntなど、多くのシグナル伝達経路が寄与している。内臓内胚葉は胚葉上層を取り囲んでいる。遠位内臓内胚葉（DVE）は胚の前部に移動し、前部内臓内胚葉（AVE）を形成する。これにより前後対称性が崩れ、 nodalシグナル伝達によって制御される。^[7]

原始条は胚葉形成の初めに形成され、胚の後ろ側にある胚体外組織と上胚葉との接合部と侵入部位に見られる。^[23]原始条の形成は、原始条に寄与する細胞内のコラー鎌におけるノードシグナル伝達^[7]と胚体外組織からのBMP4シグナル伝達に依存している。 ^{[23] [24]}さらに、Cer1とLefty1 はノードシグナル伝達に拮抗することで原始条を適切な場所に制限する。^[25]原始条として定義される領域は遠位端に向かって成長し続ける。^[7]

発生の初期段階では、原始条は左右対称を確立し、胚葉形成の場所を決定し、胚葉形成を開始する構造である。^[26]条線を形成するために、爬虫類、鳥類、哺乳類は、将来の正中線に沿って間葉系細胞を配置し、最初の胚軸を確立するとともに、胚葉形成および胚葉形成の過程で細胞が進入して移動する場所を確立する。^[27]原始条はこの正中線を貫通して前後の体軸を形成し、^[28]胚において対称性を破る最初の出来事となり、胚葉形成の始まりを示す。^[29]このプロセスには、中胚葉および内胚葉前駆細胞の進入と最終位置への移動が含まれ、^{[28] [30]}ここで3つの胚葉に分化する。^[27]細胞接着およびシグナル伝達分子であるβ-カテニンの局在は、胚葉形成の開始を担うオーガナイザー領域の適切な形成に重要である。

細胞が上皮細胞から原条を通って移動し、新しい層を形成するためには、細胞は上皮間葉転換（EMT）を起こし、細胞間接着などの上皮特性を失う必要がある。適切なEMTにはFGFシグナル伝達が必要である。FGFR1はSNAI1の上方制御に必要であり、 SNAI1はEカドヘリンを下方制御し、細胞接着の喪失を引き起こす。EMTの後、細胞は原条を通過して広がり、新しい細胞層を形成するか、既存の層に結合します。FGF8 は、原条からのこの分散プロセスに関与しています。^[25]

3つの胚葉の決定と形成に役割を果たすシグナルには、FGF、RA、Wntなどがあります。^[22]マウスなどの哺乳類では、RAシグナル伝達が肺の形成に役割を果たします。RAが十分でない場合、肺の生成にエラーが発生します。RAは、このマウスモデルにおける呼吸能力も制御します。^[要出典]

胚葉形成の間、細胞は外胚葉または中内胚葉に分化し、その後中胚葉と内胚葉に分離します。^{[22]内胚葉と中胚葉は、}ノーダルシグナル伝達によって形成されます。ノーダルシグナル伝達は、 TGFβファミリーの一部であるリガンドを使用します。これらのリガンドは膜貫通型セリン/スレオニンキナーゼ受容体にシグナルを送り、これがSmad2とSmad3をリン酸化します。このタンパク質はその後、 Smad4に付着して核に移動し、そこで中内胚葉遺伝子の転写が始まります。Wnt経路は、β-カテニンとともに、ノーダルシグナル伝達と内胚葉形成に重要な役割を果たします。^[31] 線維芽細胞増殖因子（FGF）、標準Wnt経路、骨形成タンパク質（BMP）、およびレチノイン酸（RA）はすべて、内胚葉の形成と発達に重要です。^{[22] FGFは、初期の解剖学的発達を制御する}ホメオボックス遺伝子の生成に重要です。BMPシグナル伝達は肝臓で役割を果たし、肝臓の運命を促進します。RAシグナル伝達は、Hoxb1やHoxa5などのホメオボックス遺伝子も誘導します。マウスでは、RAシグナル伝達が欠乏すると、マウスは肺を発達させません。^[22] RAシグナル伝達は、咽頭弓、前腸、後腸の器官形成にも多用されます。^[22]

胚の研究と並行して、またそれを補完する形で、in vitro技術を用いて胚葉形成の過程を理解しようとする試みが数多く行われてきた。その方法としては、胚性幹細胞（ESC）または人工多能性幹細胞（iPSC）を用いた2D ^{[32] [33] [34]}および3D 細胞（胚性オルガノイド）培養技術^{[35] [36] [37] [38]}が用いられる。これらには、組織培養に基づくプロトコルを用いることで多くの明らかな利点があり、その中には、関連するin vivo作業のコスト削減（それにより、実験における動物の使用を削減、置き換え、および改善する、いわゆる3R）、胚葉形成中には技術的に実行が難しい可能性がある空間的および時間的に特定の方法でアゴニスト/アンタゴニストを正確に適用できること^{[36] [37]}などが含まれる。しかし、培養における観察結果を、文脈上、胚で起こっている過程と関連付けることは重要である。

これを例に挙げると、マウスES細胞の誘導分化により、原始条を横切る上胚葉細胞の特徴の多くを示す原始条状様細胞が生成されました^[32]（例えば、一時的な短胚葉の上方制御や上皮から間葉への移行に伴う細胞の変化^[32]）。また、マイクロパターン上で培養されBMP4で処理されたヒトES細胞は、ヒト胚の胚葉の配置に似た空間分化パターンを生成することができます。^{[33] [34]}最後に、3D胚様体およびオルガノイドベースの技術を使用することで、マウスES細胞の小さな集合体（胚様オルガノイド、またはガストルロイド）は、対称性の破壊、遺伝子発現の極性化、胚葉形成のような動き、軸の伸長、および3つの胚軸（前後軸、背腹軸、左右軸）の生成など、初期の哺乳類胚発生の多くのプロセスを示すことができます。^{[35] [36] [37] [39]}

体外受精は実験室で行われる。体外受精のプロセスでは、成熟した卵子を卵巣から取り出し、培養培地に入れて精子と受精させる。培養液中で胚が形成される。^[40]受精後14日で原始線条が形成される。原始線条の形成は、一部の国では「人間の個性」として知られている。^[41]これは、胚がそれ自体の存在となり、それ自体が実体となったことを意味する。これを信じる国々は、14日間の期間を過ぎた体外受精後のヒト胚の研究や実験は違法とする14日間ルールを作成した。胚の最初の14日間に関する研究は行われているが、14日以降の研究は知られていない。^[42]このルールが施行され、14日後の発達を理解するためにマウスの胚が使用されているが、マウスと人間の発達には違いがある。

• 胚盤胞
• 後口動物
• 運命のマッピング
• プリミティブノード
• 陥入
• 神経管形成
• 前口動物
• 野菜の輪作

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• 胚葉形成アニメーション 2015-10-20 にWayback Machineでアーカイブ
• クラウディオ・スターン編『胚形成：細胞から胚へ』の胚形成のイラストと動画
• カエルの胚葉形成のビデオ