2009 年 校教職員のための発 物学リカレント講座オーガナイザー研究の歴史と新展開 2009 年 10 3 京都産業 学 学部 物 学科 杉 貞雄 内容はじめにー 20 世紀実験発 学の系譜オーガナイザーの発 オーガナイザーの 物学的性質オーガナイザーの分 物学オーガナイザー研究のもたらしたもの
シュペーマンに憧れた 年はどのように歩んだか 平成 19 年 3 16 発 プログラム研究室 ( 都 学東京 ) 杉貞雄 次 I はじめにー 20 世紀実験発 学の系譜 II ニワトリ胚消化器官の発 III 消化器官の発 と上 ー間充織相互作 遺伝 の発現と機能 IV 再 医科学への関
20 世紀実験発 学の系譜 Darwinの進化理論 (1859-) 較発 学の発達 Roux, Drieschによる実験発 学の創設 Roux: カエル半胚の発 能 に関する研究 モザイク説発 機構学の提唱 (Roux s Archivの出版 ) Driesch: ウニ胚の研究 調節的発 ( 気論的 ) Spemannによるオーガナイザーの発 ( 発 物学の 字塔 ) イモリ胚を いた分化能の継時的変化と誘導の概念 20 世紀の発 学はSpemannの の中の孫悟空!
誘導現象を報告したシュペーマンと その実験 杉貞雄 原 背唇部は神経管等を 誘導 し 新しい体制を オーガナイズ した オーガナイザー (1924)
Spemann と Mangold が Organizer を発 したと発表した論 の表紙 ( ドイツ語 ) 著作権の都合上掲載できません
H. Spemann の略歴 1 1869 年 6 27 シュトットガルト まれ 1888 年ー 1891 年 本屋の徒弟 1889 年ー 1890 年 兵役 1991 年 ハイデルベルク 学医学部 1892 年 Klara Binderと結婚 1892 年 ミュンヘン 学に転学 1893 年 ヴュルツブルク 学 (Theodor Boveri 教授のもとで 学位論 1894 年 ) 1894 年 助 実験発 学の開始 両 類の重複胚 眼の 形成 1904 年 助教授 1908 年 ロストックの教授 眼の形成に関する 論 神 経原基の分化 内臓の左右性 1914 年 ベルリン ダーレムのカイザー ウイルヘルム研 究所
H. Spemann の略歴 2 1914 年 ベルリン ダーレムのカイザー ウイルヘルム研 究所 (Warburg, Hartmannなど ) 原腸胚における移植実 験 決定の概念 1919 年 フライブルク 学 1921 年 Hilde Mangoldとともにオーガナイザーの発 (1 924 年論 ) 1935 年 ノーベル賞 ( 胚の成 における誘導作 の発 ) 1941 年 フライブルク 学退職 1941 年 9 12 逝去 O. Mangold( 佐藤忠雄訳 ) 発 理学への道. ハンス シュペーマンの 涯と業績. 法政 学出版会 ( 昭和 37 年 ) より
オーガナイザーはどのような働きをするか 杉貞雄 原腸陥 を引き起こす細胞の移動を誘起する らは脊索に分化しつつ 隣接する外胚葉を神経板に誘導する 体の前後軸を決定し 外胚葉, 中胚葉, 内胚葉の分化をもたらす
オーガナイザー活性を持つ物質の探求 オーガナイザーをアルコール処理しても有効 化学的因 であろう 多くの成体器官 組織も有効 例 : 肝臓 ( 前脳部域の構造を誘導 ) 腎臓 ( 後脳 胴 尾部構造を誘導 ) 髄 ( 中胚葉組織 腸 胃などを誘導 ) ニワトリ胚からの因 (H. Tiedemann) 神経誘導因 と植物極化因 ( 中胚葉誘導因 ) new Yukon to which eager miners were now rushing to dig for gold around the blastopore (R. G. Harrison)
オーガナイザーの形成 オーガナイザー はどのようにして形成されるのか オーガナイザー活性を持たないアニマルキャップと背側の植物半球の細胞を共培養すると オーガナイザー活性を持つ中胚葉組織 ( 体節 脊索 ) が分化する オーガナイザーは背側内胚葉によって 誘導 される (Nieuwkoopセンター) オーガナイザーと Niewkoop センターの模式図 S. F. Gilbert Developmental Biology, 8 th ed. からの抜粋著作権の都合により掲載できません
受精からオーガナイザーの成 まで 受精 卵 ディシェベルド Dishevelled 精 ディシェベルド表層回転 腹側 背側 β カテニン Catenin を安定化 核に移 シアモア Siamois ツイン Twin 遺伝 の転写 Smad2/4 オーガナイザー関連遺伝 の発現 グースコイド Goosecoid 遺伝 の転写
BMP とその拮抗因 の関与 アニマルキャップの細胞を単離して培養すると神経になる ( 初期状態 default は神経である ) 形成タンパク質 -4 (BMP-4) を加えると表 が分化する BMP-2, BMP-7 も有効 胚の腹側から BMP-4 が分泌され オーガナイザー領域は BMP と拮抗する因 を放出して 神経を分化させる 拮抗因 としてノギン Noggin, コーディン Chordin, フォリスタチン Follistatin が同定された これらの因 は オーガナイザー領域から分泌され BMP と結合して BMP が受容体に結合することを阻 する
オーガナイザーで働く遺伝 産物 都 学東京福 公 BMP と拮抗する物質 ( ノギン, コーディン, フォリスタチン ) その他の分泌タンパク質 ( サーベラス, ディックコップ, Frzb) オーガナイザーの成 に関わる転写因 ( シアモア, グースコイド ) オーガナイザーの維持に関わる転写因 (XANF1, ピンタラビス, Otx2, Lim1, Not)
BMP と BMP 拮抗因 の重要性 アフリカツメガエル胚の神経を可視化した図 著作権の都合により掲載できません ノギン コーディン フォリスタチンを阻害すると神経がほとんどできない BMP の活性を阻害すると外胚葉はほとんど神経に分化する
ニワトリ胚におけるオーガナイザー ( ヘンゼン結節 ) ニワトリ胚におけるオーガナイザー説明図著作権の都合により掲載できません
ニワトリ胚のオーガナイザー ニワトリ胚では オーガナイザー ( ヘンゼン結節 ) でコーディンが発現するが コーディンを予定表 域に発現させても神経は分化しない マウスでもコーディン ノギン変異体で神経形成に異常がない アフリカツメガエルと 膜類ではオーガナイザーの因 が異なるらしい 都 学東京福 公 ニワトリ胚では結節に発現する繊維芽細胞成 因 (FGF) が重要らしい
Spemann 学派の発展 1 Hamburger Viktor Hamburger (1900-2001) Spemann の研究室において研究した ニワトリ胚を用い 神経細胞の生存が 標的組織の量に依存することを発見した これにはオーガナイザーの考えが重要であったという Hamilton とともに ニワトリ胚発生段階表を作成し (1951) 今日でもそれがスタンダードになっている Levi-Montalcini を招聘し 神経の成長を促す因子の研究に着手した のちに Cohen も参加して 神経成長因子 Nerve growth factor (NGF) の発見につながり Montalcini と Cohen は 1986 年のノーベル賞を受賞した The Heritage of Experimental Embryology: Hans Spemann and the Organizer (1988)
Spemann 学派の発展 2 Levi-Montalcini Rita Levi-Montalcini (1909-) Hamburgerとともに 神経成長の研究 ある種の腫瘍が神経の成長を促すことを発見 物質が核酸であるかタンパク質であるかを調べるために蛇毒 ( 核酸の構造を破壊する ) を用いた 神経の一層の成長! 哺乳類の唾液腺 ( ヘビの毒腺と相同 ) にもその作用 Steve Cohen (1922-) とともに有効物質の精製 NGF (Cohen は EGF も発見 その後の多くの成長因子の発見 のさきがけ ) 1986 年ノーベル賞
神経栄養因子神経成長因子 (NGF) 脳由来神経栄養因子 (BDNF) ニューロトロフィン 3 (NT-3) 表皮成長因子 (EGF) ファミリー EGF 形質転換成長因子 -α (TGF-α) 繊維芽細胞成長因子 (FGF) ファミリー FGF ( 少なくとも 22 種類 ) 形質転換成長因子 β (TGF-β) ファミリー TGF-β ノーダル Nodal ノーダル関連タンパク質 Nodalrelated インヒビン inhibin/ アクチビン activin 骨形成タンパク質 (BMP) ファミリー (30 種類以上 )
血小板由来成長因子 (PDGF) ファミリー PDGF 血管内皮成長因子 (VEGF) 造血成長因子エリスロポエチンコロニー刺激因子 (CSF) トロンボポエチンインスリン様成長因子 (IGF) ファミリー IGF-1 IGF-2 腫瘍壊死因子 (TNF) ファミリー TNF-α TNF-β
オーガナイザー因 の研究とともに ( あるいはそれに先駆けて ) 中胚葉誘導因 の研究が進 した アクチビン activin がその候補としてあげられた その後中胚葉誘導因 の研究は急速に進んだ ノーダルタンパク質 = ノーダル関連タンパク質 Xnr1,2,4 杉貞雄
H. Tiedemann と浅島誠 Heinz Tiedemann (1923-1999): 誘導物質の探索 者 ) の Heinz Tiedemann は Otto Warburg( ノーベル賞受賞の 化学 弟 夫 の Hildegard Tiedemann は Otto Mangold (Spemann の弟 ) の弟 浅島誠 :H. Tiedemannのところに留学中胚葉誘導因 としてのアクチビンの発 アクチビンによるアニマルキャップ細胞の分化 幹細胞としてのアニマルキャップ細胞 幹細胞の研究
M. Asashima 幹細胞の研究
ニワトリ胚消化器官の形態形成と分化ー組織間相互作 野丈夫 杉貞雄福 公 内腔上 (csp, Sox2) 尿嚢 IFABP, CdxA
間充織による上 分化の誘導
ニワトリ胚前胃と砂嚢の実験は 等学校教科書に採 されている 三省堂と実教出版の教科書著作権の都合により掲載できません
消化管内での領域化前胃内での領域化前胃腺形成と機能分化に る遺伝 発現のカスケード 前 後 消化管上 の特性を決定する遺伝 群 Shh, cgata5, HNF-3ß 上 間充織 前 と後 領域の確 前 : csox2 後 : CdxA 道前胃砂嚢 前胃領域決定の鍵遺伝 (?) 未分化前胃上 内腔上 未分化腺上 機能的腺上 間充織からの誘導作 BMP2, FGF10, 細胞外基質 等 細胞内シグナル伝達システム 内腔上 と腺上 の Shh, EGFR, 領域の成 Notch-Delta 腺上 の機能的分化 GATA 転写因 (ECPg 遺伝 の発現 ) 群,cSox2, 内腔上 の分化 (csp 遺伝 smad 転写因 群 の発現 )
今 の講義のまとめ Spemann によるオーガナイザーの発 は 発 物学のもっとも重要な業績の つである とくに 誘導 の概念 器官形成においても重要である Spemann の研究はその後 多くの分野での研究に引き継がれた 成 因 の発 機能の研究は発 物学のみならず 理学 腫瘍学などの分野でも重要である オーガナイザーの成 と維持 働きには多くの成 因 転写因 の共同作業が必須であり まだ完全には解明されていない 両 類以外の脊椎動物のオーガナイザーの分 機構は両 類のそれとは少し異なるらしい 今後の研究が必要である