四肢の発達

四肢の発達
妊娠6週目のヒト胎児のイラスト
子宮外妊娠による9週目の人間の胎児
解剖学用語 [Wikidataで編集]

脊椎動物の四肢の発達は、発生生物学と進化生物学の両方で活発に研究されている分野であり、後者の研究の多くは、ひれから四肢への移行に焦点を当てています。^[1]

四肢の形成は、側板中胚葉の間葉細胞が増殖して上部の外胚葉を膨らませ、四肢芽を形成することから、形態形成四肢野で始まる。線維芽細胞増殖因子（FGF）は、四肢芽の末端に頂端外胚葉隆起（AER）と呼ばれるオーガナイザーの形成を誘導し、これがさらなる発達を導き、細胞死を制御する。プログラム細胞死は、指の間の水かきをなくすために必要である。

肢領域は、特定のHox 遺伝子、ホメオティック遺伝子のサブセット、およびT ボックス転写因子(前肢または翼の発達にはTbx5 、脚または後肢の発達にはTbx4)の発現によって指定される領域です。前肢領域の確立 (後肢領域ではない) には、肢芽が出現する胚の発達中の体幹でのレチノイン酸シグナル伝達が必要です。 ^{[2] [3]}また、過剰なレチノイン酸は Shh または Meis1/Meis2 の発現を異所的に活性化することで肢のパターン形成を変化させる可能性がありますが、レチノイン酸合成を排除したマウスの遺伝学的研究では、RA は肢のパターン形成に必要ではないことが示されています。^[4]

肢芽は、四肢の発達のほとんどの期間にわたって活動的であり、2つのシグナル伝達領域（AERと、それに続く間葉系細胞による分極活動領域（ZPA）の形成）の生成と正のフィードバック保持を刺激します。^[5]競合的Wnt7aシグナルとBMPシグナルのそれぞれ外胚葉発現によって形成される背腹軸に加えて、これらのAERおよびZPAシグナル伝達センターは、発達中の生物において対応する軸極性に正しく配向された四肢の適切な形成に不可欠です。^{[6] [7]}これらのシグナル伝達システムは相互に活動を持続するため、これらのシグナル伝達領域が確立された後は、四肢の発達は基本的に自律的です。^[5]

四肢の形成は、四肢形成領域で始まる。四肢形成は、側板中胚葉の間葉組織とその上にある外胚葉由来の上皮細胞との間の一連の相互組織相互作用の結果生じる。側板中胚葉と筋節からの細胞は四肢領域に移動し、増殖して上部の外胚葉を膨らませ、四肢芽を形成する。側板細胞は四肢の軟骨部分と骨格部分を生成し、筋節細胞は筋肉成分を生成する。

側板中胚葉細胞は線維芽細胞増殖因子（FGF7とFGF10）を分泌し、その上にある外胚葉が四肢芽の端に形成するオーガナイザーを誘導します。このオーガナイザーは頂端外胚葉隆起（AER）と呼ばれ、さらなる発達を導き、細胞死を制御します。^[8] AERはさらに成長因子 FGF8とFGF4を分泌し、 FGF10シグナルを維持し、中胚葉の増殖を誘導します。^[要出典] FGF10発現の位置は、後肢のWnt8cと前肢のWnt2bの2つのWntシグナル伝達経路によって制御されます。前肢と後肢は、前後軸に沿った位置と、それぞれTbx5とTbx4という2つの転写因子によって指定される可能性があります。^{[9] [10]}

四肢の骨格要素は、軟骨前駆細胞である間葉系細胞の細胞凝縮として知られる密集体によってあらかじめ形成される。^{[11]間葉系凝縮は、}細胞外マトリックスと細胞接着分子 によって媒介される。 ^[12]軟骨形成の過程では、軟骨細胞が凝縮物から分化して軟骨を形成し、骨格原基が生じる。ほとんどの脊椎動物の四肢の発生において（一部の両生類ではそうではないが）、軟骨骨格は発生の後半で 骨に置き換わる。

四肢は、茎脚、趾脚、自脚の3つの領域に分かれています（近位から遠位の順）。趾脚と自脚には、周期的および準周期的なパターンモチーフが多数含まれています。趾脚は前後軸に沿った2つの平行要素で構成され、自脚は同じ軸に沿って3～5個（ほとんどの場合）の要素で構成されています。指も近位遠位軸に沿って準周期的な配置になっており、骨格要素のタンデムチェーンで構成されています。発達中の基本的な四肢構造の生成は、前軟骨の凝縮を促進する因子とそれを阻害する因子の相互作用による間葉のパターン形成の結果です。^[13]

基本的な四肢構造の発達は、要素間の局所的な差異の発生を伴います。たとえば、前肢の橈骨と尺骨、後肢の脛骨と腓骨は、自肢の異なる指や足指と同様に、互いに異なります。これらの差異は、四肢の 3 つの主要軸のそれぞれにどのように反映されるかを検討することで、図式的に扱うことができます。

四肢骨格のパターン形成には、1つ以上のチューリング型 反応拡散メカニズムが関与しているというのが一般的な見解です。^[1]

対鰭から四肢が進化したかどうかは、これまで多くの研究が行われている。^{[1]四肢の発達に関与する特定の遺伝子や転写因子を解明することを目的とした研究が数多く行われている（以下の表1を参照）。特に、研究では、} SHH、DACH1、BMP、HOX、T-box、FGF、WNT遺伝子ファミリーがすべて、四肢の正常な発達と形成に重要な役割を果たすことがわかっている。^{[14] [15]}四肢の発達（および進化）に関与する遺伝子を研究するためには、ヘビの四肢の縮小と喪失が補完的なアプローチとなる。^{[16]四肢の発達に関与する} 保存された配列は、ヘビのゲノムに保持されている。特定の四肢増強配列は、四肢と男根など、異なるタイプの付属肢間でも保存されている。^{[16] [17]}例えば、四肢発達シグナル伝達は、マウスの四肢と生殖結節の両方の発達に役割を果たしています。 ^{[16] [17]}四肢の縮小と喪失の研究は、四肢の発達を制御する遺伝的経路を解明しています。^[16]チューリングシステムは、パターン形成ネットワークの進化の段階でいくつかの可能な結果を​​可能にしました。^[1]

表1に挙げた遺伝子の多くは、胚発生、特に骨格形成と四肢芽形成において重要な役割を果たしている。^[18] Shh遺伝子、およびBMP、Hox、T-box、FGF、Wntファミリーに属する遺伝子はすべて、細胞シグナル伝達と分化において極めて重要な役割を果たし、四肢形成を調節し促進する。上記に挙げた他のさまざまな遺伝子、その一例であるDach1は、遺伝子発現を調節するDNA結合タンパク質である。遺伝子発現、調節、活性化、不活性化の複雑な組み合わせにより、これらの遺伝子は胚発生中に四肢を生成することができる。興味深いことに、これらの遺伝子の多くは、ヘビなどの四肢を持たない動物にも存在している。

四肢の発達を理解する上で興味深い点は、ヘビがどのようにして四肢を失ったかという疑問に取り組むことです。ヘビは四肢喪失を研究するのに特に適した例です。ヘビは進化の過程で四肢の喪失と再生を何度も繰り返し、最終的に完全に四肢を失ったからです。胚発生中の遺伝子発現の多くは、右の図に示すように、時空間シグナル伝達と走化性シグナル伝達によって制御されています^{[20] 。最近の証拠によると、四肢の発達に関与する高度に保存された遺伝子 (表 1) は、四肢のない脊椎動物にも依然として存在しており[21]}、胚発生中の四肢の生成、またはその欠如は、遺伝子制御によって最もよく説明できる可能性があります。

一説によると、エンハンサー配列の劣化がヘビの 進化 における四肢の進行性喪失に寄与した可能性があると示唆されている。特に、多くの研究はソニックヘッジホッグ遺伝子（Shh ）のエンハンサーであるZPA調節配列（ZRS）に焦点を当てている。この長距離エンハンサーは、いくつかの脊椎動物種で適切な四肢形成に必要であり、この配列の変異は四肢の変形を引き起こすことが知られている。^[17]そのため、この配列はさまざまな脊椎動物種にわたって 高度に保存されている。

いくつかのヘビ種のコアZRSをマウス やトカゲの配列と比較すると、ヘビ特有の変化があることが示されています。^{[23]コアZRSは、}骨盤帯骨が残っているボアコンストリクターやニシキヘビなどの基底的なヘビで主に保存されていることが判明しました。 ^[22]対照的に、四肢骨格が残っていないクサリヘビやコブラなどの進化したヘビは、マウスやトカゲのZRSと比較して、ヌクレオチドの変化率がはるかに高くなっています。^[22]ヘビのZRSのこれらの累積的な変化は、ヘビの進化を通じてこのエンハンサーの機能が徐々に失われていることを示していると考えられています。^[22]

これらの変化をさらに調査したところ、 ETS1などの転写因子の結合部位の置換率が上昇していることがわかりました。ETS1のZRSへの結合はShh転写を活性化することが示されている。^[24]このZRSの分解は、このエンハンサーがヘビの形態進化を推進した分子メカニズムをさらに探究する上で重要である可能性を示唆しています。

ヘビは一般的なモデル生物ではないため、遺伝学的に扱いにくい。さらに、ゲノム配列データは不完全で、注釈や品質も低い。これらの要因により、これらの遺伝子とその調節エンハンサーの存在と活動を標的にして観察する遺伝学的アプローチを使用してヘビの四肢喪失のメカニズムを理解することは困難である。四肢形成に必要な遺伝子の多くはヘビにまだ保持されているため、四肢喪失はおそらく遺伝子喪失では説明できない。^[要出典]

発達中の四肢は、3つの対称軸に沿って整列する必要があります。^[25]これらは、頭尾方向（頭から尾）、背腹方向（後ろから前）、近遠心方向（近くから遠く）の軸です。^[25]

四肢骨格パターンの発達に関する多くの研究は、1971年にルイス・ウォルパートが提唱した位置情報の概念に影響を受けてきました。 ^[26]この考えに沿って、発達中の四肢の直交軸を横断し、濃度依存的に骨格要素の位置とアイデンティティを決定する拡散シグナル分子（モルフォゲン）を特定する努力がなされてきました。

Hox遺伝子は、柄脚類、突脚類、自脚類の特定化に寄与している。Hox遺伝子の変異は、近位遠位部の喪失または異常を引き起こす。 ^[27]これらの領域のパターン形成を説明するために、3つの異なるモデルが提唱されている。

頂端外胚葉隆起（AER）は、進行領域として知られる細胞増殖領域を形成し、維持する。^[28]ここで細胞は目的の位置に移動するために必要な位置情報を得ると考えられている。^[28]細胞の位置値は、細胞が進行領域にいた時間の長さによって決まると提案されているが、これはまだ証明されていない（2001年現在）。^[28]近位構造は領域を離れた最初の細胞によって形成され、遠位構造は後で領域を離れた細胞によって形成されると提案されている。^[28]

プログレスゾーンモデルは30年前に提案されましたが、最近の証拠はこのモデルと矛盾しています。^[29]

実験的証拠:

• 発達の後期に AER を除去すると、発達の初期に AER を除去した場合よりも遠位構造の破壊が少なくなります。
• 初期の肢芽の先端を後期の翼に接ぎ木すると構造が重複し、後期の翼芽の先端を初期の肢に接ぎ木すると構造が削除されます。

細胞は初期の肢芽の各節に指定され、この細胞集団は肢芽の成長とともに拡大します。このモデルは、以下の観察結果と一致しています。細胞分裂は肢芽全体で見られます。AER が除去されると、その下の 200 μm の領域内で細胞死が起こり、細胞死によって一部のパターン形成が妨げられます。FGF 放出ビーズは、AER が除去されたときにこの細胞死を防ぐことで、肢の発達を回復することができます。

実験的証拠:

• 初期の四肢芽の異なる位置にある標識細胞は、四肢の単一のセグメントに限定されていました。^[30]
• 必要なFGF4とFGF8の発現を欠く四肢では、近位部だけでなく四肢のすべての構造が示された。^[31]

しかし最近では、プログレスゾーンモデルとプレスペックモデルの両方に主眼を置いている研究者らは、どちらのモデルも利用可能な実験データを適切に説明していないことを認めている。^[29]

このモデルは、 1979年に初めて提案された反応拡散モデルであり、^[33]アラン・チューリングが1952年に説明した興奮性媒体の自己組織化特性に基づいています。 ^[34]興奮性媒体は肢芽間葉系であり、その中で細胞は、形質転換成長因子ベータ（TGF-β）などの自己調節性モルフォゲンや、線維芽細胞成長因子（FGF）とNotchを含む抑制性シグナル伝達経路によって相互作用します。近遠位軸と頭尾方向の軸は独立して指定されるものではなく、成長中の肢芽の未分化頂端領域が再形成されるにつれて、平行要素の数の遷移によって出現すると考えられます。^[35]このモデルは「必要最低限​​の」パターンのみを指定します。他のモデルの主要な情報分子であるソニックヘッジホッグ（Shh）やHoxタンパク質などの他の要素は、代わりに微調整の役割を果たすことが提案されています。

実験的証拠:

• 四肢間葉系細胞は、分離して培養したり、外胚葉の「殻」内に再導入したりすると、パターン形成、形態形成、分化の重要な側面を再現することができます。^{[36] [37]}
• マウスDoublefoot変異体の四肢骨格パターンの特異性は、チューリング型メカニズムの予測される結果である。^[38]
• Gli3ヌル背景における遠位Hox遺伝子の漸進的減少は、より重度の多指症をもたらし、より細く密集した指を示す。これは、遠位Hox遺伝子の量がチューリング型メカニズムによって指定された指の周期または波長を調節することを示唆している（コンピュータモデリングの助けを借りて）。^[39]

1957 年、肢芽における分極活性領域(ZPA)の発見により、ソニック ヘッジホッグ(Shh)の形態形成勾配の作用によるパターン形成活動を理解するためのモデルが提供されました。 ^[40] Shh は肢特異的エンハンサーとして認識されています。^[41] Shh は、ZPA を作成し、遠位肢の頭尾方向パターンを指定するために十分かつ必要です (Shh は茎脚類の極性には必要ありません)。Shh は、Hoxd 遺伝子の早期発現、Hoxb8 の発現、および dHAND の発現を通じて後部でオンになります。Shh は、ZPA と AER 間のフィードバック ループを通じて後部で維持されます。Shh は、AER にFGF4とFGF8 の生成を誘導し、これが Shh の発現を維持します。

3、4、5番目の指はShhの時間的勾配によって指定される。2番目の指はShhの長距離拡散型によって指定され、1番目の指はShhを必要としない。ShhはCi/Gli3転写抑制因子複合体を切断して転写因子Gli3を活性化因子に変換し、頭尾方向に沿ってHoxD遺伝子の転写を活性化する。Gli3抑制因子の喪失は、総称的（個別化されていない）指が過剰に形成されることにつながる。^[42]

背腹方向のパターン形成は、上層の外胚葉ではなく中胚葉のWnt7aシグナルによって媒介されます。Wnt7a は、四肢を背側にするのに必要かつ十分です。Wnt7a は頭尾方向にも影響を及ぼし、Wnt7a が失われると四肢の背側が腹側になり、後指が失われます。Wnt7a シグナルを置き換えると、この欠陥が修復されます。Wnt7a は Shh の発現を維持するためにも必要です。

Wnt7aはLIMホメオボックス遺伝子（したがって転写因子）であるLmx1bの発現も引き起こす。Lmx1bは四肢の背側化に関与しており、これはマウスでLmx1b遺伝子をノックアウトすることで示された。^[43] Lmx1bを欠損したマウスは、足の両側に腹側の皮膚を生じた。DVパターン形成を制御すると考えられる他の因子もあり、Engrailed-1は四肢の腹側におけるWnt7aの背側化効果を抑制する。^[44]

• ホルト・オーラム症候群
• 肢奇形
• LBH（遺伝子）