陥入

頂端収縮は、細胞の頂端側が収縮する能動的なプロセスです。これにより、細胞の形状が円柱状または立方体状の細胞から楔形に変化します。頂端収縮は、アクチン-ミオシン細胞骨格として知られる複雑なネットワーク内で相互作用するアクチンとミオシンのタンパク質の活動によって駆動されます。モータータンパク質であるミオシンは、アクチンのフィラメントを一緒に引っ張ることによって力を発生させます。ミオシンの活性は、そのサブユニットの1つであるミオシン調節軽鎖のリン酸化によって調節されます。したがって、ミオシンをリン酸化するRho関連コイルドコイルキナーゼ（ROCK）などのキナーゼ、およびミオシンを脱リン酸化するホスファターゼは、細胞内のアクチン-ミオシン収縮の調節因子です。^{[ 7 ]}

細胞皮質におけるアクチンとミオシンの配置と、それらが力を発生させる方法は、状況によって異なる可能性がある。胚や細胞培養上皮における頂端収縮の古典的なモデルでは、アクチン-ミオシン束が細胞間の接着結合と関連して細胞の周囲に組み立てられることが示されている。したがって、アクチン-ミオシン束の収縮は頂端表面の収縮をもたらし、この過程は巾着紐を締めることに例えられている。^{[ 7 ]}さらに最近では、マウスのコルチ器由来の培養上皮の状況において、細胞周囲のアクチンとミオシンの配置は、逆平行のアクチン束に接続されたミオシンの繰り返し単位が存在する筋肉のサルコメアに似ていることも示されている。^{[ 8 ]}他の細胞では、頂端表面の中央にあるミオシンとアクチンのネットワークも頂端収縮を発生させることができる。例えば、ショウジョウバエの腹側溝の細胞では、アクチンとミオシンの組織化は、放射状に配置された筋肉のサルコメアに類似している。^{[ 9 ] [ 10 ]}一部の状況では、アクチンとミオシンの組織化がそれほど明確でない「皮質流」によっても、頂端面の収縮が生じることがある。^{[ 8 ]}

頂端収縮中に細胞体積を一定に保つには、細胞は高さを変えるか、細胞の基底面を拡張する必要があります。基底面の弛緩のプロセスはあまり詳しく研究されていませんが、頂端収縮のプロセスが細胞の基底面でのアクチン-ミオシンネットワークの能動的な分解と同時に起こり、細胞の基底面が拡張することが直接観察されているケースもあります。たとえば、これはショウジョウバエの腹側溝の陥入^{[ 11 ] [ 12 ]}やニワトリの耳板の形成^{[ 13 ] [ 14 ]で観察されています。}

陥入には、細胞の高さの変化が伴うことも多く、また、細胞の高さの変化によって促進されることもあります。頂端収縮が起こると、細胞が伸長して細胞体積を一定に保ち、結果として上皮が厚くなります。しかし、頂端基底軸に沿った細胞の短縮も、陥入中に形成されるくぼみを深くするのに役立ちます。^{[ 15 ]}細胞の形状を能動的に変化させて細胞を短縮させることが、いくつかのケースで陥入に寄与することが示されています。たとえば、ショウジョウバエの脚の上皮では、アポトーシス細胞が収縮し、アクチンとミオシンからなる頂端基底ケーブルを介して上皮の頂端面を引っ張ります。^{[ 16 ]}ホヤの原腸形成で起こる陥入では、細胞はまず頂端収縮を起こし、次に形状を変えてより丸くなり、したがって頂端基底軸に沿って短くなり、これが陥入運動の完了に関与します。^{[ 17 ]}細胞分裂中、細胞は自然に丸みを帯びた形態をとる。有糸分裂中の細胞の丸みによって引き起こされる細胞の高さの急激な低下は、ショウジョウバエの気管プラコードの陥入にも関与している。^{[ 18 ]}

超細胞アクチンミオシンケーブルは、隣接する細胞間に整列し、細胞間結合によって連結されたアクチンとミオシンの構造です。^{[ 12 ]}これらのケーブルは、陥入を含む胚発生中の形態形成において多くの役割を果たします。^{[ 19 ]}陥入は、個々の細胞の頂端収縮だけに頼るのではなく、ショウジョウバエの唾液腺陥入の場合のように、陥入部位の周囲でこのケーブルが収縮することによる圧縮力によって駆動されることがあります。^{[ 20 ] [ 21 ]}ニワトリ胚の神経管形成では、陥入部位を横切って伸びる超細胞ケーブルの列が組織を引き寄せ、管状に曲がるのを容易にします。^{[ 19 ] [ 22 ] [ 23 ]}

最もよく研​​究されている陥入モデルの一つは、ショウジョウバエの腹側溝である。この構造の形成は、ショウジョウバエの原腸形成における最初の主要な細胞運動の一つである。この過程では、将来の中胚葉（胚の腹側正中線に沿った細胞領域）が内側に折り畳まれ、腹側溝を形成する。この溝は最終的に切り離されて胚内部の管となり、最終的には平らになって腹側表面の下に組織層を形成する。^{[ 24 ]}

腹側溝の形成は、将来の中胚葉細胞の頂端収縮によって促進され、まず頂端面に沿って扁平化し、次に頂端膜を収縮させます。この文脈における頂端収縮の仕組みに関する古典的なモデルは、頂端細胞表面の周囲にあるアクチン-ミオシンバンドが収縮する「巾着」機構に基づいていました。^{[ 25 ]} しかし、より最近の研究では、細胞側面の細胞接合部に関連するアクチンの円周バンドが存在する一方で、頂端収縮を駆動するのは、頂端面全体に放射状に配置されたアクチン-ミオシンネットワークであることが明らかになりました。^{[ 26 ]}この構造は、筋肉のサルコメアの放射状バージョンのように機能します。^{[ 10 ]}ミオシンによって生成された力は、細胞の中心に向かって収縮をもたらします。細胞は連続的に収縮するのではなく、パルス状の収縮を行います。収縮の合間には、細胞の周囲にあるアクチンネットワークが細胞の縮小したサイズを安定させ、頂端面のサイズが徐々に減少することを可能にする。^{[ 26 ]}頂端収縮に加えて、接着結合を介した細胞間の接着は、これらの個々の細胞レベルの収縮を組織全体の変形に変換する上で重要である。

遺伝学的には、腹側溝の形成は、溝形成前に将来の腹側中胚葉で発現する転写因子twistとsnailの活性に依存している。 ^{[ 25 ]} twistの下流には、細胞の頂端領域で起こる変化を制御するFogシグナル伝達経路がある。^{[ 27 ]}

科学者たちは1800年代後半から脊椎動物の胚における神経管形成の過程を研究してきた。^{[ 2 ]}両生類、爬虫類、鳥類、哺乳類を含む脊椎動物のグループ全体で、神経管（脊髄の胚的前駆物）は、一次神経管形成として知られる神経板の管への陥入によって形成される。魚類（および他の脊椎動物のいくつかの文脈）では、神経管は二次神経管形成として知られる陥入を介さない過程によっても形成されることがある。^{[ 24 ]}脊椎動物種間で一次神経管形成のメカニズムにはいくつかの違いがあるが、一般的なプロセスは似ている。神経管形成には、神経板の中央に正中ヒンジ点の形成が伴い、そこで組織の屈曲が始まる。正中ヒンジ点の細胞はくさび形になる。アフリカツメガエルの胚など、いくつかの状況では、この細胞の形状変化は頂端収縮によるものと思われる。^{[ 28 ] [ 29 ]}しかし、ニワトリやマウスでは、このヒンジポイントでの屈曲は頂端収縮ではなく、基底楔状化と呼ばれるプロセスによって媒介される。^{[ 12 ] [ 30 ] [ 31 ]}この場合、細胞は非常に薄いため、核が細胞の基底側に移動すると、細胞の基底部に膨らみが生じる。このプロセスは、細胞分裂の仕方によって制御される可能性がある。アクチン-ミオシンケーブルの収縮も、神経板の陥入に重要である。神経板を横切って伸びる超細胞アクチンケーブルは、組織を一緒に引っ張るのに役立つ（§ 超細胞ケーブルを参照）。さらに、隣接組織から神経板に押し込まれる力も、神経板の折り畳みに役割を果たしている可能性がある。^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]}

ウニの原腸形成は、発生学における陥入のもう一つの古典的なモデルです。ウニの初期原腸形成運動の一つは、胚の植物側（植物板）の細胞領域が陥入して原腸、つまり将来の消化管になることです。原腸の陥入には複数の段階があります。最初の段階では組織が最初に折り畳まれ、2番目の段階では原腸が伸長し、一部の種では3番目の段階で原腸が細胞腔の反対側に接触して伸長が完了します。^{[ 24 ]}

原腸陥入では頂端収縮が起こり、植物板の中央にある「ボトル細胞」と呼ばれる細胞の輪が楔形になる。^{[ 35 ]}しかし、陥入はボトル細胞の頂端収縮のみによって引き起こされるわけではないようで、アクチン重合を阻害したり^{[ 36 ]}、ボトル細胞を除去しても陥入は完全には阻止されない。^{[ 35 ]}胚外細胞外マトリックスの役割を含め、このプロセスに関与する他のいくつかのメカニズムが提案されている。^{[ 37 ]}このモデルでは、異なるタンパク質でできた細胞の頂端面に2層の細胞外マトリックスが存在する。植物板の細胞が吸水性の高い分子（コンドロイチン硫酸プロテオグリカン）を内層に分泌すると、内層が膨張し、組織が内側に陥入する。^{[ 36 ]}このプロセスにはいくつかの遺伝的経路が関与している。非典型的な平面細胞極性経路を介したWntシグナル伝達が重要であることが示されており、その下流の標的の1つは低分子GTPase RhoAである。FGFシグナル伝達も陥入に役割を果たしている。^{[ 38 ]}

ナメクジウオの陥入は、原腸形成の最初の細胞運動である。この過程はコンクリンによって初めて記述された。原腸形成中、胚盤胞は陥入によって変化する。内胚葉は内側に向かって折り畳まれ、胚盤腔は二重壁を持つカップ状の構造に変化する。内壁は原腸、すなわち原始的な腸と呼ばれる。原腸は原口を通して外部に開口する。外壁は外胚葉となり、後に表皮と神経系を形成する。^{[ 39 ]}

ホヤ類では、陥入は原腸形成中に最初に起こるメカニズムです。ホヤ類では、4つの最大の内胚葉細胞が陥入プロセスを誘導します。陥入は、細胞シート（内胚葉）の形状変化に基づく内部移動から成ります。ホヤ類の胞胚は植物極で少し扁平になり、円柱形から楔形に形状が変化します。内胚葉細胞が陥入すると、細胞は外胚葉の下に移動し続けます。その後、原口が形成され、これで陥入プロセスが完了します。原口は中胚葉によって四方を囲まれます。^{[ 40 ]}

• ミトコンドリアの内膜は陥入してクリステを形成し、それによってアデノシン三リン酸（ATP）を生成するタンパク質複合体やその他の構成要素を収容するための表面積が大幅に増加する。^{[ 41 ]}
• 陥入は、エンドサイトーシスとエキソサイトーシスにおいて、細胞内に小胞が形成され、その周囲に膜が閉じる際に起こる現象である。
• 腸の一部が別の部分に陥入することを腸重積症という。^{[ 42 ]}

地質学において、陥入とは地層の深い窪みを指す用語である。ドナルド・L・バース著『コロラド高原』で使用されている。