研究領域名：頭部形成

1．研究領域名：

頭部形成

2．研究期間：

平成13年度～平成16年度

3．領域代表者：

相沢　慎一（独立行政法人理化学研究所ボディプラン研究グループ・グループディレクター）

4．領域代表者からの報告

（1）研究領域の目的及び意義

　脊椎動物の頭部は脳（終脳、間脳、中脳）と神経堤細胞が作る構造（頭蓋骨、脳神経）によって特徴づけられる。すべての動いて餌を求める後生動物は頭から形成され、体の最吻側の構造である頭部の形成は前後軸形成に始まる。しかし、菱脳・咽頭弓部並びに体幹部形成の分子機構解明がHox（ホックス）群遺伝子などを得て進んだのに対し、頭部形成の分子機構は発生学の中心課題でありながら永らく未知の領域として残された。頭部形成に働く遺伝子が点として解析された時代に引き続いて、平成13年度に発足した本特定領域研究では、頭部形成に働く遺伝子間のネットワーク、上流・下流の遺伝子カスケード解明へと研究を展開することを目指した。
　脊椎動物は顎を持たない魚として生まれ、川に逃れ顎を得て繁栄、劇的に進化の道を歩み、両棲類で四肢を獲得＝陸へ進出、爬虫類で羊膜を獲得＝陸を制覇、鳥類で空へ進出、そして哺乳類で卵黄を捨て、生物体最高の所産である新皮質を獲得した。終脳、耳小骨にみるよう頭部は脊椎動物の進化の過程で最も劇的に変化した構造である。脊椎動物は進化の過程で、後に獲得された構造を、発生の後期過程のみならず嚢胚形成以前の発生初期過程を改変することによって作りだした。このため、各脊椎動物の間で保たれた前後軸形成、頭部誘導の基本機構と各綱脊椎動物形成のためのデフォルメの機構はわかりにくい。本特定領域研究はまた、4年間の研究によって、各綱脊椎動物での頭部形成の分子発生学的研究から、脊椎動物各綱での頭部形成の多様化、綱レベルの頭部進化の研究へと道を拓くことを期した。

（2）研究成果の概要

　魚類軸形成に関わる分子機構として、βcatenin（カテニン）経路の制御に関わるtkk遺伝子座を同定、またこの下流にあってbozozok（ボゾゾク）は腹側特異的転写因子の発現を抑制することで背側化に働くこと、腹側化表現型変異体ogon（オゴン）はsizzled（シズルド）をコードし、chordin（クローディン）依存性にBMPシグナルを阻害することを明らかにした。また、マウス胚原始内胚でOtx2はmdkk1などを制御し、Wntシグナルを抑制することによって前後軸形成に働き、その上流にはフォークヘッドファミリーの転写因子が働くことを明らかにした。神経形成領域のパターンを決める新たな転写因子としてher3（ハースリー）,her9（ハーナイン）を同定した。神経外胚葉の前後パターニングにはWnt3a/Wnt8a及びFgfが後方化シグナルとして働き、その下流で働くcdx1a,cdx4,pnxを同定した。これら後方化シグナルの阻害に働く因子としてshisa（シーサ）,sfrpなどを同定し、Lim1-Ldb1（リムワンエルディービーワン）を活性化して脊索前板形成に働くSsdp1を同定した。Shisa（シーサ）はERでWnt及びFGFレセプターの成熟を制御することによって両シグナルを制御し頭部形成に働く新たな因子として注目される。誘導された吻側神経外胚葉でOtx2は後方化シグナルを抑制して、その維持に働く。この下で同外胚葉の初期領域化におけるSix3/Irx3,Emx2/Pax6/Otx2,Fez/Fez-likeなどの転写因子の役割、FGF/Wntシグナルの役割、新規細胞膜因子pgnの役割を明らかにした。新皮質、皮質下を生む吻側前脳は7体節期迄にOtx2発現の消失する最吻側領域として形成される。脳の領域化と対応してその境界に各パイオニア軸索が形成されるが、その機構として、中脳／後脳境界ではOtx2/Gbx2作用のもとSema3F（セーマスリーエフ）,neuropilin2（ニューロピリンツー）が発現し滑車神経軸索路の決定されることを明らかにした。また、各新皮質、脳の各神経核の形成には特異な細胞移動が必要で、特に皮質から最初に起こる嗅索道票細胞の移動、corticalhem（ダイノウハンキュウ）からのCajal（カハール）Retzuis（レツイ）細胞の移動、皮質での放射状移動、間脳神経核形成の移動、小脳顆粒細胞の移動を解析し、Emx1/Emx2などの領域化転写因子の役割、SHHシグナルの役割、細胞外環境としてのDNER（ディーエヌイーアール）、細胞内でのCdk5/p53などの役割を明らかにした。

5．審査部会における所見

A（期待どおり研究が進展した）
　設定した目標はほぼ達成されている。最小の研究単位で十分な成果を上げたと評価できる。頭部形成の理解という目標において頭部オーガナイザーの分子的理解と前後軸形成に関しては期待以上の達成度であるが、神経堤の成立などの面ではやや足りない。この領域とほぼ並行して進められていた発生に関わる領域と比較すると独創性が見出しにくい。領域内の研究者の大部分が理化学研究所に集中してしまったのは予想外であったとはいえ、研究組織としては全国的広がりを失うという問題を生じた。発生生物学にシグナル研究を導入し進展した点では世界的に大きな貢献をしたと言える。今後の展開、他の発生学分野への貢献も期待される。