Institute, Graduate School of Science, Tohoku University, Aoba-ku, Sendai 980-8578, Japan] ac. jp Development and Evolutionary Origin of Vertebrate Limb E-mail

Ⅱ 24 蛋白質 核酸 酵 素Vol 45No.4 2000) れ る 移 植 実 験 な ど の 実 験 形 態 学 的 な 手 法 を用 い た 研 究 か ら 初 め に 肢 芽 と し て の 性 質 を獲 得 す る の は 間 充 織 で あ る こ とが わ か っ て い る 肢 芽 が 膨 らみ は じ め て ま もな く 肢 芽 間 充 織 は そ れ を 覆 う上 皮 に 外 胚 葉 性 頂 堤 apical ectodermal ridge AER 構 造 を 誘 導 す る AERは 形 成 に 必 須 の 構 造 で あ り AERが 芽 間 充 織 とAERは とよ ば れ る肥 厚 肢 芽 の 伸 長 と軟 骨 パ ター ンの 形 成 され た の ち 肢 相 互 作 用 しな が ら 肢 芽 は伸 長 す る 筆 者 ら は 繊 維 芽 細 胞 増 殖 因 子 FGF フ ァ ミ リー に属 す る分 子 で あ るFGF7とFGF10が 外 胚 葉 性 上 皮 にAERを 肢芽 発生初 期の 誘 導 す る能 力 が あ る こと を見 い だ し た2) 移 植 実 験 や 上 皮 の 単 独 培 養 の 実 験 結 果 は FGF7 10が 上 皮 に直 接 作 用 してAERを こ とを 示 し て い る ま た FGF7を 誘 導 して い る 染 み 込 ませ た ビー ズ を わ き 腹 に移 植 す る と わ き腹 に過 剰 なAERが き る が そ の と きのAERは 誘 導で 必 ず 正 常 な 肢 芽 のAERの 延 長 線 上 す な わ ち胚 の 背 腹 境 界 に誘 導 さ れ そ れ 以 外 の 側 板 や 体 節 の 上 に は誘 導 さ れ な か った ま た 驚 くべ き こ とに FGF7 10は 胚 の背 中 背 側 の正 中 線 上 神 経 管 の 真 上 に あ る 上 皮 に もAERを 図2背 中 のAERと a 背 中 にFGF7ビ エ ンゼル の 翼 ーズ を移植 して24時 間 後 のfgf8の 発 現AER a し か も AERは 誘 導 で きた 図2 背 中 の ど こ にで も誘 導 され る わ け マ ー カ ーで あ るfgf8の 発 現 が 背 中 にも誘 導 され る 矢 印 b 背 で は な く AERが 中 に 予 定 前 肢 芽 領 域 の 側 板 中 胚 葉 を移 植 した 結 果 形 成 され たエ ンゼ ル の 翼 矢 印 c d 背 中のAERの 切 片 神経冠細胞のマ ー カ ー で あ るHNK 1抗 体 で 染 め る と 背 中 のAER直 下に神経冠 ろ 10体 節 レ ベ ル か ら尻 尾 まで に限 られ て い た つ 細 胞 が 集 ま って い るの が 観 察 され る d e ニ ワ トリ胚 に お い き腹 の 背 腹 境 界 の 上 皮 と"胴 部 の 背 中 の 上 皮 の2つ てAER誘 と い う こ と に な る 図2e 導 に対 して 高 い反 応 能 が あ る領 域 を 濃 灰 色 の太 線 で示 し た こ の領 域 は図1cで 示 した 進 化 初 期 の 魚 類 の 鰭 ヒ ダが あ る領 域 と ほぼ 一 致 す る ま り FGF7 10に 誘 導 され る領 域 は首 の 中 央 部 か ら後 よ ってAERが しか し FGF7 10は 誘 導 され る領 域 は"わ 背 中 にAERを 誘 導 して も 肢 芽 を誘 導 す る こ と は な か っ た そ れ は 肢 芽 の も う一 脊 椎 動 物 に共 通 の祖 先 は こ の よ うな 鰭 ヒ ダ を も っ て い つ の 構 成 組 織 で あ る肢 芽 間 充 織 が このAERの 下 に は欠 た と推 測 す る こ とが で き 鰭 ヒ ダ 説 は 化 石 の う えで も け て い る か らで は な い か と考 え られ る 実 際 背 中 の 新 た な有 力 な 証 拠 を得 た と考 え られ る さ ら に 次 節 上 皮 と神 経 管 の 間 に発 生 初 期 の 肢 芽 間 充 織 だ け を移 植 で 述 べ る よ う に ニ ワ ト リ胚 を 用 い た 発 生 学 研 究 か ら して も 発 生 初 期 の 肢 芽 間 充 織 はAER誘 筆 者 ら が 得 た 結 果 も また この 仮 説 を支 持 し て い る い る の で 背 中 の 上 皮 に はFGF7 10を にAERが 導 能 を もって 加 えた と き と同 様 誘 導 され る この 場 合 に は誘 導 され たAER の下 に は 肢 芽 間 充 織 が 存 在 す るの で そ れ らが 肢 芽 を 形 成 して 立 派 な 軟 骨 パ タ ー ン を もっ た 過 剰 な 肢 が 背 中 1 AERの 誘 導 とFGF7/10 肢 芽 は 中胚 葉 性 の 間 充 織 と そ れ を 覆 う外 胚 葉 性 の 上 皮 か ら な る構 造 で あ る 肢 芽 が 胚 に 形 成 さ れ は じめ る 時 期 は 種 に よ っ て さ ま ざ まで あ る が ニ ワ ト リ胚 で は 艀 卵 開 始 後2日 572 半 程 度 で初 め て 肢 芽 の膨 らみ が 観 察 さ か ら形 成 さ れ る この 背 中 に形 成 さ れ た 新 た な 翼 前 肢 を 筆 者 ら は エ ンゼ ル の 翼 とよ ん で い る 図2b

26 蛋自質 核酸 酵素 Vol 45No 4 2000 進 化 の 段 階 が 進 む とそ の鰭 ヒ ダ の中央 が鰭 を形成 しな くな り 鰭 が 前 後 の2対 胸鰭 と 腹 鰭 に 分 離 す る と考 え て い る こ の 説 に従 え ば 進 化 の 初 期 段 階 で は わ き腹 に も鰭 が 存 在 し て い た こ と に な り 現 生 の 脊 椎 動 物 が も つ わ き腹 の 四肢形 成能 力 は この原始 魚類 の 鰭 ヒ ダ に 由 来 し て い る と考 え られ る さ らに 付 け 加 えれ ば 筆 者 らの 実 験 が 示 し た 上 皮 のAER形 成 能 を もつ領 域 と鰭 ヒ ダ説 で 想 定 さ れ る原 始 図3Tbx4 5の 魚 類 の 鰭 ヒダ の あ る領 域 を 照 発現 と四 肢 の ア イデ ンテ ィテ ィー a ニ ワ トリ胚 にお け るTbx4とTbx5の 発 現 Tbx5 濃 灰 色 は 前 肢 芽 に rbxa 淡 灰 色 は ら し合 わ せ る と そ の 領 域 が 後肢 芽 に 発 現 し てい る 表紙 写 真 参 照 背 中 を 含 め て まっ た く一 致 し 胸 鰭 の 鰭 芽 に発 現 して い る c d 変 態 期 の ゼ ブ ラ フ ィ ッシ ュ に お けるTbx4の て い る こ と に気 が つ く 図1c と 図2eを b ゼ ブ ラ フ ィ ッ シ ュの 幼 生 にお け るTbx5の 発現 発現 腹鰭の 鰭 芽 に 発 現 して い る 比 較 そ もそ も 肢 芽 が 膨 らみ は じ め る よ り前 の 段 階 で わ き腹 の 領 域 を の 曲 が り具 合 も異 な る この よ う な前 肢 と後 肢 の 形 態 予 定 肢 芽 領 域 か ら切 り離 して 培 養 す る と わ き腹 と い の 違 い は 程 度 の 差 こそ あ れ す べ て の 動 物 に み られ る え ど も FGFな もの で あ る ど を加 え な く て も 肢 芽 を形 成 す る こ とが で き る そ し て ニ ワ ト リ胚 の 前 肢 か ら後 肢 に か 最近 発 生 の過 程 で手足 の形 態の違 い を生 み出す 鍵 け て の 側 板 中 胚 葉 の 増 殖 を 測 っ た 実 験 に よ る と 側 板 とな る と思 わ れ る遺 伝 子 が 筆 者 ら を含 め た い くつ か 中 胚 葉 か ら四 肢 の 領 域 だ けが 膨 ら み は じ め るの は わ の グル ー プ に よっ て報 告 され た6,7) その 遺 伝 子 はTbx4 き腹 と比 べ て 四 肢 の 増 殖 率 が 増 加 す るか らで はな く む TbxSと し ろ わ き腹 の 増 殖 率 が そ れ ま で よ り低 下 す るか らで あ に 特 異 的 に発 現 して い る 図3a これ らの 遺 伝 子 は よ ば れ そ れ ぞ れ 後 肢 Tbx4 前 肢 TbxS る とい う5 これ らの 実 験 は わ き腹 は発 生 の初 期 に は 肢 芽 が 膨 ら み は じめ る よ り前 に そ れ ぞ れ の 領 域 に 発 四 肢 と同 じ よ うな 性 質 を も っ て い るが 発 生 が 進 む に 現 し は じめ る ニ ワ ト リ胚 を用 い た 実 験 で は 本 来 後 つ れ て そ の 性 質 が 抑 制 さ れ る こ と を示 唆 して い る そ 肢 に発 現 して い るTbx4を し て そ れ は 遠 い 昔 脊 椎 動 物 の 進 化 の過 程 の ご く初 期 の 軟 骨 の 分 節 パ タ ー ンが 後 肢 の 分 節 パ タ ー ン を とる よ 段 階 で わ き腹 に肢 う に な っ た り 本 来 ニ ワ ト リの 前 肢 鰭 が で き な い よ う に何 らか の 抑 制 が か け られ た こ と を反 映 し て い る の か も しれ な い 翼 には ない爪 が 指 の 先 に形 成 さ れ た りす る 逆 に 本 来 前 肢 に発 現 して い るTbxSを Ⅲ.前足と後ろ足を区別するもの 前 肢 に強 制 発 現 させ る と 指 後 肢 に強 制 発 現 させ る と 後 肢 が前 肢 の よ う に 羽 に 覆 わ れ る い わ ゆ る 前 肢 後 肢 の 形 質 の 転 換 を ひ き起 こす の で あ る Tbx4とTbxSは わ れ わ れ ヒ トの 四 肢 は い う まで もな く手 と足 で あ る Tボ ともに ッ ク ス フ ァ ミ リー に属 す る転 写 調 節 因 子 で あ るが 他 の 多 くの 動 物 と 同 じ よ う に ヒ トの 手 足 も肢 芽 が 発 マ ウス に お け る遺 伝 子 の マ ッ ピ ン グの 結 果 な どか ら こ 生 す る初 期 の 段 階 で は そ の 形 態 は ほ と ん ど 区 別 が つ れ ら の 遺 伝 子 は も と も と1つ か な い しか し そ れ が 伸 長 し て 指 が 出 来 上 が る こ ろ 過 程 の あ る時 点 で 遺 伝 子 重 複 を起 こ して 分 離 し や が に は 手 足 の 形 態 に 明 瞭 な 差 違 が 現 わ れ る 手 と足 は て それ ぞれが 別 の遺伝 子 として機能 す る ように なった 大 まか な 骨 の 数 こ そ 違 わ な い が 太 さ も違 え ば 関 節 と考 え られ て い る8 Tbx4 5が 574 の遺 伝 子 で あ り 進 化 の 後 肢 と前 肢 で そ れ ぞ れ

1) Shu, D.-G. et al. : Nature, 402, 42-46 (1999) 2) Yonei-Tamura, S., Endo, T., Yajima, H., Ohuchi, H., Ide, H., Tamura, K. : Dev. Biol., 211, 133-143 (1999) 3) Furthauer, M., Thisse, C., Thisse, B. : Development, 124, 4253-4264 (1997) 4) Bodenstein, D. : J. Exp. Zool., 120, 213-245 (1952) 5) Searls, R. L., Janners, M. Y. : Dev. Biol., 24, 198-213 (1971) 6) Takeuchi, J. K., Koshiba-Takeuchi, K., Matsumoto, K., Vogel-Hopker, A., Naitoh-Matsuo, M., Ogura, K., Takahashi, N., Yasuda, K., Ogura, T. : Nature, 398, 810-814 (1999) 7) Rodoriguez-Esteban, C., Tsukui, T., Yonei, S., Magallon, J., Tamura, K., Izpisua-Belmonte, J. C. : Nature, 398, 814-818 (1999) 8) Agulnik, S. I., Garvey, N., Hancock, S., Ruvinsky, I., Chapman, D. L, Agulnik, I., Bollag, R., Papaioannou, V., Silver, L. M. : Genetics, 144, 249-254 (1996) 9) Tamura, K., Yonei-Tamura, S., Izpisua-Belmonte, J. C. : Mech. Dev., 87, 181-184 (1999) 10) Thorogood, P.: in Developmental Patterning of the Vertebrate Limb (ed. Hinchliffe, J. R., Huerle, J. M., Summerbell, D.), pp. 347-354, Plenum, New York (1991) 11) Sordino, P., van der Hoeven, F., Duboule, D. : Nature, 375, 678-681 (1995) 12) Coates, M. I.: Curr. Biol., 5, 844-848 (1995) 13) Shubin, N. : Evol. Biol., 28, 39-86 (1995) 14) Pagan, S. M., Ros, M. A., Tabin, C., Fallon, J. F. : Dev. Biol., 180, 35-40 (1996) 15) Janvier, P. : in Early Vertebrate, pp.83-225, Oxford University Press, New York (1996) 16) Jarvik, E. : in Basic Structure and Evolution of Vertebrates, Vol. 2, pp. 109-145, Academic Press, London (1981) 17) Carroll, R. L.: in Pattern and Processes of Vertebrate Evolution, pp. 212-265, Cambridge University Press, Cambridge (1997)