筋肉細胞

筋細胞（筋細胞とも呼ばれる）は、動物の筋肉にある成熟した収縮性細胞である。 ^{[ 1 ]}ヒトや他の脊椎動物には、骨格筋、平滑筋、心筋（心筋細胞）の3種類がある。 ^{[ 2 ]}骨格筋細胞は長く糸状で、多数の核を持ち、筋線維と呼ばれる。^{[ 3 ]}筋細胞は、筋芽細胞と呼ばれる胚性前駆細胞から発生する。^{[ 1 ]}

骨格筋細胞は、筋芽細胞が融合して多核細胞（合胞体）を形成する筋発生と呼ばれる過程によって形成される。^{[ 4 ] [ 5 ]}骨格筋細胞と心筋細胞はどちらも筋原線維とサルコメアを含み、横紋筋組織を形成する。^{[ 6 ]}

心筋細胞は心臓の腔壁にある心筋を形成し、中心に単一の核を持つ。^{[ 7 ]}心筋細胞は介在円板によって隣接する細胞と結合しており、目に見える単位として結合している場合、心筋線維と呼ばれる。^{[ 8 ]}

平滑筋細胞は、食道や胃の蠕動運動などの不随意運動を制御します。平滑筋には筋原線維やサルコメアがなく、そのため横紋がありません。平滑筋細胞は単一の核を持っています。

筋細胞の特異な微細構造が、その用語を生み出した。筋細胞の細胞質は筋形質と呼ばれ、筋細胞の滑面小胞体は筋小胞体と呼ばれ、筋細胞の細胞膜は筋形質膜と呼ばれる。^{[ 9 ]}筋形質膜は刺激を受け取り、伝達する。

骨格筋細胞

骨格筋細胞は筋肉内の個々の収縮細胞であり、より長く糸状の外観のため、通常は筋線維として知られています。^{[ 10 ]}大きく分けて、筋肉の収縮に関与する筋線維には、遅筋線維（I型）と速筋線維（II型）の2種類があります。

若い成人男性の上腕二頭筋のような単一の筋肉には、約253,000本の筋線維が含まれています。 ^{[ 11 ]}骨格筋線維は、通常筋核と呼ばれる核を持つ唯一の多核筋細胞です。これは、筋芽細胞の融合によって筋発生中に起こり、それぞれの筋芽細胞が新しく形成された筋細胞または筋管に核を提供します。^{[ 12 ]}融合は、ミオメーカーとミオマージャーと呼ばれる融合因子として知られる筋肉特異的タンパク質に依存します。^{[ 13 ]}

横紋筋線維には、長いタンパク質鎖である筋フィラメントからなる筋原線維が含まれています。筋フィラメントには、細いもの、太いもの、弾性フィラメントの3種類があり、これらが連携して筋肉の収縮を引き起こします。^{[ 14 ]}細い筋フィラメントは主にアクチンのフィラメントであり、太いフィラメントは主にミオシンのフィラメントで、筋肉の収縮時に互いに滑り合って線維の長さを短くします。3番目の種類の筋フィラメントは、非常に大きなタンパク質であるチチンからなる弾性フィラメントです。

筋線維の横紋では、ミオシンがA帯を構成する暗いフィラメントを形成します。アクチンの細いフィラメントはI帯を構成する明るいフィラメントです。筋線維の最小の収縮単位はサルコメアと呼ばれ、2つのZ帯内の繰り返し単位です。筋形質には、激しい運動中に細胞にエネルギーを供給するグリコーゲンと、筋肉活動に必要な時まで酸素を貯蔵する赤い色素であるミオグロビンも含まれています。 ^{[ 14 ]}

筋小胞体は、特殊なタイプの滑面小胞体であり、筋線維の各筋原線維の周囲にネットワークを形成します。このネットワークは、終末槽と呼ばれる2つの拡張した末端嚢のグループと、細胞を貫通して反対側に出てくる1つのT細管（横行細管）で構成されています。これら3つの構成要素が一緒に、筋小胞体のネットワーク内に存在する三連構造を形成し、各T細管の両側に2つの終末槽があります。筋小胞体はカルシウムイオンの貯蔵庫として機能するため、活動電位がT細管に伝播すると、筋小胞体に信号が送られ、ゲート膜チャネルからカルシウムイオンが放出されて筋収縮が刺激されます。^{[ 14 ] [ 15 ]}

骨格筋では、各筋線維の末端で、筋形質膜の外層が筋腱接合部で腱線維と結合する。^{[ 16 ] [ 17 ]}筋形質膜に押し付けられた筋線維内には、多数の扁平な核が存在する。発生学的には、この多核状態は、複数の筋芽細胞が融合して各筋線維を形成することによって生じ、各筋芽細胞は1つの核を提供する。^{[ 14 ]}

筋芽細胞は、分化してさまざまな筋細胞型を生み出す胚性前駆細胞です。[ 20 ]^分化は、 MyoD、Myf5、ミオゲニン、MRF4などの筋形成調節因子によって制御されます。^{[ 21 ]} GATA4とGATA6も筋細胞の分化に役割を果たします。^{[ 22 ]}

骨格筋線維は筋芽細胞が融合して形成される。そのため、筋線維は複数の核（筋核）を持つ細胞であり、それぞれの細胞核は単一の筋芽細胞に由来する。筋芽細胞の融合は骨格筋に特有の現象であり、心筋や平滑筋には見られない。

骨格筋内の筋芽細胞のうち、筋線維を形成しないものは脱分化して筋衛星細胞に戻る。これらの衛星細胞は骨格筋線維に隣接し、筋形質膜と筋内膜（筋束を個々の線維に分ける結合組織）の基底膜^{[ 23 ]}の間に位置している。筋形成を再活性化するには、衛星細胞を刺激して新しい線維に分化させる必要がある。

筋芽細胞および衛星細胞を含むそれらの派生細胞は、多能性幹細胞の指向性分化によって体外で生成することができるようになった。^{[ 24 ]}

キンドリン-2は筋形成中の発達伸長に役割を果たしている。^{[ 25 ]}

動物の筋細胞の進化上の起源については、激しい議論が交わされている。筋細胞は一度だけ進化し、したがってすべての筋細胞は単一の共通祖先を持つという見解がある。一方、筋細胞は複数回進化し、形態的または構造的な類似性は収斂進化によるものであり、筋細胞の進化以前に存在した共通遺伝子（脊椎動物の筋細胞を生み出す中胚葉（胚葉）に由来するもの）の発達によるものだという見解もある。

Schmid & Seipel (2005) ^{[ 30 ]}は、筋細胞の起源は単系統形質であり、すべての動物の消化器系と神経系の発達と同時に起こったものであり、この起源は筋細胞が存在する単一の多細胞動物の祖先に遡ることができると主張している。彼らは、非左右相称動物である刺胞動物と有櫛動物の筋細胞の分子的および形態的類似性は左右相称動物のものと十分に類似しているため、筋細胞が由来する多細胞動物の祖先は1つだけ存在すると主張している。この場合、Schmid & Seipel は、左右相称動物、有櫛動物、刺胞動物の最後の共通祖先は三胚葉動物（3つの胚葉を持つ生物）であり、二胚葉動物（2つの胚葉を持つ生物）は二次的に進化したと主張している。これは、ほとんどの刺胞動物と有櫛動物に中胚葉や筋肉が見られないことからである。シュミットとザイペルは、刺胞動物と有櫛動物の形態を左右相称動物と比較することで、一部の刺胞動物の触手と腸、および有櫛動物の触手に筋芽細胞様の構造が存在することを突き止めた。これは筋細胞に特有の構造であるため、これらの科学者は同僚が収集したデータに基づいて、これは左右相称動物に見られるものと同様の横紋筋のマーカーであると判断した。著者らはまた、刺胞動物と有櫛動物に見られる筋細胞の起源が中胚葉や中内胚葉ではなく外胚葉であることから、これらの筋細胞の起源についてはしばしば議論の的となっていると指摘している。

真の筋細胞の起源は、中胚葉の内胚葉部分と内胚葉であると他の著者らは主張している。しかし、Schmid & Seipel (2005) ^{[ 30 ]}は、刺胞動物がメデューサ期とポリプ期を経て発生することを考慮すると、有櫛動物と刺胞動物に見られる筋細胞が「真の」筋細胞であるかどうかについての懐疑論に反論している。彼らは、ヒドロ虫類のメデューサ期には、外胚葉の遠位側から分離する細胞層があり、それが中胚葉と同様の方法で横紋筋細胞を形成すると指摘している。彼らは、この3番目に分離した細胞層をエクトコドンと呼んでいる。シュミットとザイペルは、左右相称動物においても、すべての筋細胞が中内胚葉由来ではないと主張している。彼らの主な例として、脊椎動物の眼筋と螺旋卵割動物の筋肉の両方において、これらの細胞は内胚葉中胚葉ではなく外胚葉中胚葉に由来することが挙げられる。さらに、刺胞動物では左右相称動物の筋細胞の分化に見られるのと同じ分子調節要素の助けを借りて筋形成が起こることから、横紋筋の起源は一つであるという証拠があると彼らは主張している。^{[ 30 ]}

筋細胞の単一起源説とは対照的に、Steinmetz、Krausら（2012）^{[ 31 ]}は、横紋筋の単一起源を決定するために用いられるミオシンIIタンパク質などの分子マーカーは、筋細胞の形成よりも前に存在していたと主張している。彼らは、このタンパク質を含む横紋筋を実際に欠いている海綿動物（Porifera）に存在する収縮要素を例として挙げている。さらに、Steinmetz、Krausらは、左右相称動物に存在し、刺胞動物、有櫛動物、左右相称動物には存在しない形態学的および分子マーカーの分析を通して、横紋筋細胞発生の多系統起源の証拠を提示している。アクチン、ミオシン側鎖リン酸化をカルシウムの正の濃度の高濃度に結合させる能力、その他のMyHC要素などの従来の形態学的および調節マーカーは、筋細胞を持つことが示されている生物だけでなく、すべての後生動物に存在することが示された。したがって、刺胞動物と有櫛動物の筋細胞が左右相称動物の筋細胞と十分に類似しているかどうかを判断し、単一の系統を確認するためにこれらの構造的または調節的要素のいずれかを使用することは、Steinmetz、Kraus、らによると疑問である。さらに、彼らは、横紋筋の起源を仮説するために使用されてきたMyc遺伝子のオルソログは、最初の真の筋細胞（横紋筋を意味する）より前の遺伝子重複イベントによって発生したと説明し、収縮要素を持つが真の筋細胞を持たない海綿動物にMyc遺伝子が存在することを示した。Steinmetz、Kraus、ら。また、横紋筋形成を促進する遺伝子と細胞調​​節および運動遺伝子の両方の機能を果たすこの重複遺伝子セットの局在は、すでに横紋筋MHCと非筋MHCに分離されていることも明らかになった。この重複遺伝子セットの分離は、海綿動物では横紋筋MHCが収縮胞に局在する一方、非筋MHCは発生中の細胞の形状変化においてより拡散的に発現していることから明らかである。Steinmetz、Krausらは、刺胞動物N. vectensisを除いて、刺胞動物でも同様の局在パターンを発見した。 この横紋筋マーカーが消化管の平滑筋に存在することから、彼らは、much の分離したオルソログの祖先形質は muscle の単系統発生を決定するために使用できないと主張し、さらに、この刺胞動物の平滑筋に横紋筋マーカーが存在することは、刺胞動物の筋細胞の発達と構造の根本的に異なるメカニズムを示していると主張している。^{[ 31 ]}

Steinmetz、Krausら（2012）^{[ 31 ]}は、左右相称動物の筋肉調節と形成のためのトロポニン複合体を形成するために使用される重要な遺伝子セットが刺胞動物と有櫛動物には欠けていること、および 観察された47の構造タンパク質と調節タンパク質について、Steinmetz、Krausらは刺胞動物と左右相称動物の両方で発現する独自の横紋筋細胞タンパク質さえ見つけることができなかったことを説明することにより、後生動物の横紋筋の複数の起源をさらに主張している。さらに、Zディスクは左右相称動物内でも異なって進化しているようで、このクレード間でも発達したタンパク質の多様性が非常に高く、筋肉細胞の放散の程度が大きいことを示している。Zディスクのこの分岐を通じて、Steinmetz、Krausらは、シュタインメッツらは、左右相称動物の筋肉の祖先に共通して存在していたタンパク質成分は4つしかなく、そのうち必要なZディスク成分については、すでに原始形質の状態を通じて情報のないマーカーであると彼らが主張しているアクチンタンパク質のみが刺胞動物に存在すると主張している。シュタインメッツらは、さらに分子マーカーのテストを行い、左右相称動物以外の動物には左右相称動物の筋肉形成に必要な多くの調節および構造成分が欠けており、左右相称動物と刺胞動物および有櫛動物の両方に共通するタンパク質のセットで、海綿動物やアメーバ動物などのより原始的な動物には存在しないものも見つからなかったことを観察した。この分析を通じて、著者らは、左右相称動物の筋肉が構造と使用のために依存している要素が欠けているため、左右相称動物以外の筋肉は異なる起源を持ち、異なる調節および構造タンパク質のセットを持っているに違いないと結論付けている。^{[ 31 ]}

この議論の別の視点として、Andrikou & Arnone (2015) ^{[ 32 ]}は、新たに利用可能になった遺伝子制御ネットワークのデータを使用して、遺伝子とモルフォゲンの階層構造と組織特異化の別のメカニズムが、初期の後口動物と前口動物の間でどのように分岐し、どのように類似しているかを調べています。Andrikou & Arnone は、すべての左右相称動物に存在する遺伝子だけでなく、これらの遺伝子の展開の時期と場所も理解することで、筋発生の進化についてより深い理解を論じています。^{[ 32 ]}

Andrikou & Arnone (2015) ^{[ 32 ]}は論文の中で、筋細胞の進化を真に理解するには、転写調節因子の機能を他の外部および内部の相互作用の文脈で理解する必要があると主張している。Andrikou & Arnone は分析を通して、無脊椎動物の左右相称動物と刺胞動物の両方に、遺伝子制御ネットワークの保存されたオルソログが存在することを発見した。彼らは、この共通の一般的な制御回路を持つことで、単一のよく機能するネットワークから高度に分岐することが可能になったと主張している。Andrikou & Arnone は、脊椎動物に見られる遺伝子のオルソログが、無脊椎動物の後口動物と前口動物で異なるタイプの構造変異によって変化していることを発見し、これらの遺伝子の構造変化によって、これらの種で筋肉機能と筋肉形成が大きく分岐したと主張している。 AndrikouとArnoneは、脊椎動物と無脊椎動物に見られる遺伝子の突然変異による違いだけでなく、元の遺伝子制御ネットワーク機能からの逸脱を引き起こす可能性のある種特異的遺伝子の統合も認識することができた。したがって、共通の筋肉パターン形成システムが決定されているものの、これは、より祖先的な遺伝子制御ネットワークが、追加の遺伝子と突然変異によって系統間で複数回転用され、筋肉の非常に多様な発達を引き起こしたためである可能性があると彼らは主張している。したがって、筋形成パターン形成フレームワークは祖先形質であるように思われる。しかし、AndrikouとArnoneは、基本的な筋肉パターン形成構造は、発生のさまざまな時期に存在するシス制御要素と組み合わせて考慮する必要があると説明している。遺伝子ファミリー装置構造の高レベルとは対照的に、AndrikouとArnoneは、シス制御要素はネットワーク内で時間的にも場所的にもよく保存されておらず、筋細胞の形成に大きな多様性が見られる可能性があることを発見した。この分析から、筋原性GRNは祖先的なGRNであり、筋原性機能と構造の実際の変化は、異なる時期と場所での遺伝子のその後の転用と関連している可能性があるように思われる。^{[ 32 ]}

進化的に見ると、骨格筋と心筋の特殊形態は、脊椎動物と節足動物の進化系統の分岐よりも前に存在していた。 ^{[ 33 ]}これは、これらのタイプの筋肉が7億年前（mya）より前のいずれかの時点で共通の祖先で発達したことを示している。脊椎動物の平滑筋は、骨格筋と心筋のタイプとは独立して進化してきたことがわかっている。 

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