二極化活動のゾーン

二極化活動のゾーン
頂端外胚葉隆起は、肢芽の最遠位端にある肥厚した上皮です。分極活動領域は、肢芽の後部にあります。
詳細
識別子
ラテン	極性活動帯
頭字語	ゼパ
テ	偏光活動の_by_E5.0.3.0.0.1.5 E5.0.3.0.0.1.5
解剖学用語 [Wikidataで編集]

極性活性帯( ZPA) は、発達中の肢芽に前後軸に沿って形成するよう指示するシグナルを含む間葉の領域です。肢芽は、外胚葉の覆いで囲まれた未分化の間葉です。最終的に、肢芽は骨、腱、筋肉、関節に発達します。肢芽の発達は、ZPA だけでなく、さまざまな遺伝子、シグナル、および外胚葉の頂端隆起(AER) と呼ばれる独特な領域に依存しています。1948 年の Saunders と Gasseling による研究では、AER と、それが近位遠位成長に関与していることが特定されました。^[1] 20 年後、同じグループがニワトリの肢芽の移植研究を行い、ZPA を特定しました。1993 年になって初めて、Todt と Fallon は AER と ZPA が相互に依存していることを示しました。^[2]

肢芽に沿ったパターン形成には、多くのソースからのシグナルが必要です。具体的には、転写因子 (TF) と呼ばれるタンパク質が、遺伝子の転写速度の制御に役立ちます。肢芽は中胚葉の前部でALX4と呼ばれる TF を発現し、後部では TF HOXB8 を発現します。Alx4 領域、中間領域、および Hox8 発現領域は、AER が発達する近位領域で出会います。Hox8 領域が AER に結合した場所に ZPA が形成されます。

これらの領域は、適切な誘導イベントが発生するためにシグナル伝達に依存しています。AER はFGF8 を発現し 、これが後部中胚葉でのShh発現を誘導します。次に Shh はFGF4 を刺激し、AER の後部で発現します。これらのイベントの後、FGF-4 と Shh の間には、その後の発現と維持のための相互依存関係が存在します。さらに、Wnt7a は背側外胚葉で発現し、FGF と Shh シグナル伝達を維持するために必要です。^[3]

サンダースとガッセリングは1948年に実験生物学ジャーナルにデータを発表し、翼芽の先端縁の縁近くに挿入された基準マークが翼の前腕全体に分散していることを確認した。^[1]これにより、先端外胚葉が翼の各部の形成に役割を果たしている可能性があると彼らは考えた。これを検証するために、彼らは翼芽から先端外胚葉を取り除いたところ、変形した翼が得られた。背側外胚葉を取り除くと、正常な翼が形成された。これらの結果は、先端外胚葉の細胞が翼の特定の領域を形成するという明確な運命を持っていることを示した。

1968年、サンダースとガッセリングはニワトリの肢芽の組織を使った移植研究を行った。^[4]肢の後部から細胞を採取し、前部に移植したところ、前部に余分な指が形成され、これらの指が正常な指の鏡像になっていることに気づいた。この後部間葉組織がZPAであり、現在ではソニック・ヘッジホッグ（Shh）というタンパク質を発現することが知られている。1つの仮説は、高濃度ではこの未知のモルフォゲンが後側に間葉組織を形成し、低濃度では前端に間葉組織を形成するというものである。^{[5]このモルフォゲンを特定することが次の重要なステップだった。最初の仮説は、ティクルらによるもので、}レチノイン酸を肢芽の前縁に置くと鏡像の複製が生じることを示していた。 ^[6]しかし、鏡像重複を引き起こすレチノイン酸の濃度は、後部領域では見られない下流遺伝子、レチノイン酸受容体ベータの高レベルを誘導します。^{[7]現在では、内因性}レチノイン酸は肢芽の開始前に許容的に作用して出芽プロセスを開始できるようにすることがわかっています。 ^[8]また、Shhであると仮定されている特定のモルフォゲン^[9]は、通常、肢芽の後部領域でレチノイン酸とは独立して発現します。 他の生物のシグナル伝達ホモログを調べると、ショウジョウバエの分節遺伝子であるヘッジホッグが有力な候補となりました。^[10]

Shh が適切な ZPA シグナル伝達と前肢/後肢形成に必要であるという考えは検証される必要がありました。Riddle らは Saunders と Gasseling の発見を次のステップに進め、Shh が ZPA 内の前肢後肢パターン形成に必要なモルフォゲンであることを証明しました。^[9] Shh 遺伝子を分離し、前肢芽に移植することで、鏡像の指の複製が形成されました。

分離は、ショウジョウバエとマウスで保存され、肢芽形成に関与する Shh の配列に対応するPCRプライマーを設計することによって実施されました。次に、クローンをテンプレートとして使用し、ステージ 22 の肢芽 RNA からcDNAライブラリをスクリーニングしました。グループは、レトロウイルスベクターを利用してcDNA をニワトリ細胞に挿入することで、遺伝子を異所的に発現させました。このレトロウイルス ベクターには、特定の鳥類の系統にのみ感染する独自のタイプがあります。そのため、このグループは、タイプ E エンベロープ タンパク質を欠き、特定のニワトリ胚線維芽細胞に Shh を感染させることができる RCAS-E と呼ばれるレトロウイルス ベクターを使用しました。

結果は指の重複を示し、最も一般的なのは 4-3-3-4 で、指 2 が欠落していました。ばらつきはありましたが、前方から後方への位置パターンと明らかに一致していました。ばらつきは移植された組織の量と移植の位置によるものでした。これらの結果は、Shh が ZPA の機能を代替できることを示しています。したがって、Shh は ZPA の作用に十分です。

Shh は ZPA 機能を制御する重要なシグナルであると考えられますが、Shh シグナル伝達に関与する遺伝子は、Hand2 や Hoxb-8 など、ZPA の維持と機能に必要な他のいくつかの因子の制御下にあります。 胚発生を通じて必要な重要なシグナル分子であるレチノイン酸は、Hox 遺伝子を介して作用します。当初、レチノイン酸は Hoxb-8 遺伝子を誘導するように作用すると仮定されていましたが^[11]、この仮説は、四肢で Hoxb-8 を発現しているレチノイン酸合成を欠くマウス胚の遺伝学的研究によって裏付けられていません^[8] 。Hoxb -8 シグナル伝達は初期胚でアクティブであり、側板中胚葉の後端から始まり、前部領域にまで広がります。Hoxb-8 がより前方領域に広がるにつれて、ZPA になる領域で Shh が誘導されます。Shh は AER からのシグナルのために前部領域でのみ誘導されます。 Heikinheimoらによる実験では、AERを除去すると、FGFを発現するビーズがZPAでShhシグナル伝達を誘導するのに十分であることが示されています。^[12]したがって、AERからのシグナル伝達因子はFGFであると考えられます。

さらに、AERが除去されると、Shhは発現しなくなり、ZPAは維持できなくなります。正のフィードバック機構として、FGF-4はZPAの近くで発現します。^[13] FGF-4はShhの発現を維持するように働き、ShhはFGF-4の発現を維持するように働きます。同時に、Wnt-7aは背側外胚葉で発現し、FGF-4とShhにさらなる正のフィードバックを提供します。^[14]このシステムがなければ、手足と指は著しく縮小するか、失われます。

Shh に反応して活性化される下流のターゲットは、別の課題を提起します。Shh シグナル伝達のターゲットとなる遺伝子は、自脚、茎脚、および葦脚の形成につながる因子をコードします。

Gli ジンクフィンガー転写因子の活性化は、ヘッジホッグシグナル伝達経路を介して起こる。四肢の発達に不可欠な Gli 因子は、Gli1、Gli2、Gli3の 3 つである。Shh がない場合、Gli2 と Gli3 はリプレッサー型に処理され、核に移動して Shh 応答を抑制します。しかし Shh が存在する場合、処理されていない Gli2 と Gli3 は核に移行し、Gli1 を含む Shh 標的遺伝子の発現を刺激することができます。マウスの研究では、Gli3 ノックアウトでは多指症の指が生じることが示されています。^[15]基本的に、Shh は Gli3 の抑制を解除する働きをします。Shh が ZPA から拡散すると、四肢芽の後部領域で優位になり、後部領域の Gli3 を活性化しますが、前部領域ではリプレッサーがまだアクティブです。これにより、後部領域の Hox 遺伝子、FGF 遺伝子、BMP 遺伝子などの他の遺伝子が活性化され、指のパターン形成が確立されます。BMPは四肢の形態、特に指の位置決めに役割を果たしますが、BMP の具体的な制御は不明です。

特に、Hox遺伝子AとDは、ZPA内でShhによって制御されている可能性が高い。^[16] Hox遺伝子の3段階の活性化により、Hox遺伝子の発現と並行して、入れ子状のパターンで四肢のパターンが形成される。これらの遺伝子の活性化により、新しい四肢軸が形成され、最終的には指の発達につながり、遺伝子発現を解釈して指のアイデンティティを割り当てる可能性がある。全体として、分子ZPAはいくつかのシグナル伝達センターへの入力を必要とするが、それ自体がオーガナイザーとして機能し、ニワトリの四肢芽の前後方向のパターン形成を誘導する。