オーガナイジングシグナルと視蓋・小脳分化のコン
ピテンス
著者
仲村 春和
オーガナイジングシグナルと視蓋･小脳分化の
コンピテンス
課題番早: 13480243平成13年度∼平成14年度科学研究費補助金基盤研究(B)(ユ)
研究成果報告書
平成15年5月
研究代表者 東北大学大学院生命科学研究科 教授･仲村春和はしがき 脊椎動物の脳は複雑な構造をしているが,特異的神経回路網を持つことによ り高次機能を営む｡脊椎動物の脳も発生をたどっていくと,神経誘導を受けた 前神経組織が神経管を形成し:その後領域形成が起こり,領域内での位置特異 性の形成の後神経細胞はアイデンティティを獲得する｡その位置特異性に従っ て特異的なニューロンの分化と回路形成が起こる｡ 脳の各領域は特異的な組織発生を行う｡たとえばニワトリ中脳視蓋および′ト 脳はどちらも皮質構造をとるが,その組織発生は全く異なる｡視蓋は繊維層も 含めて16層からなるが,ニューロンはすべて脳室層の細胞が移動して分化し たものである｡一方,小脳の発生の非常に初期に一群の細胞は脳室層を離れ最 外層に移動しそこで分裂増殖する(外頼粒層)｡内側の脳室層からPurkirtie細 胞が分化し, PurkinJ'e細胞層まで移動するが,外の外頼粒層で最終分裂を終え た細胞は平行に突起を伸ばしつつ下降して, Purkirtie細胞層よりも内に位置す るようになる(内頼粒層)0 このように中脳視蓋と小脳では分化様式は全く異なるが,両者は峡部で境を 接しており,峡部からのオーガナイジングシグナルによって分化する｡最近オ ーガナイジングシグナルとしてFgf8が有力視されている｡本研究はFgf8シグ ナルをうける中脳胞と後脳胞がどうして視蓋と小脳という異なった脳の領域を 形成するかを追求した｡ 研究組織 研究代表者:仲村春和(東北大学大学院生命科学研究科･教授) 研究分担者:舟橋淳一(東北大学加齢医学研究所･助教授) 研究分担者:渡遵裕二(東北大学大学院生命科学研究科･助手) 研究分担者:佐藤達也(学術振興会特別研究員) 交付決定額(配分額) 金額単位:千円) 直接経費 亊I ｨﾆ N 合計 平成13年度 唐ﾃ 唐ﾃ 平成14年度 途ﾃ 途ﾃ 総計 Rﾃ Rﾃ
研究結果の概要
中脳胞と後脳胞の発生運命を決めるメカニズムに関して､以下のような結果 を得た｡総説1, 2, 5が全般的な解説である｡ 1.オーガナイザー分子Fgf8ノには8つのイソフォームが存在するが､峡部では Fgf8a, bが発現していることがFrr-PCRにより示された｡ 2. Fgf8aを強制発現すると､間脳胞が視蓋として分化し､結果的に視蓋が拡大 する｡ 3. Fgf8bを強制発現すると中脳胞では､本来中脳胞で発現するOtx2の発現が 押さえられ､本来後脳胞で発現するGbx2, Irx2の発現が誘導され､小脳が 分化する｡ 4.'定量的な実験により､このタイプの違いはシグナルの強弱によることが明ら かとなった｡ Fgf8bのシグナルは強く､ Otx2の発現を抑制し､ Irx2, Gbx2 の発現を誘導する｡ (以上原著1) 5. Fgf8bの下流では､ Ras-ERKシグナル伝達系が活性化されることがRasド ミナントネガティブタイプを強制発現させる実験により明らかとなった｡す なわち､ドミナントネガティブRasを強制発現させると､後脳胞は小脳と して分化せず､視蓋として分化した｡ (論文準備中) 6. Pax7の強制発現実験により､視蓋として分化するためには､ Fgf8で視蓋の 誘導が起こり､ Otx2, Enl/Pax2の重複した発現領域で､ Pax7が発現する 必要のあることがわかった｡ (原著2) 7.Lim-homeobox遺伝子Lmxlbは中脳胞後ろ側でWntlと重複して発現し ている｡ Lmxlbを強制発現させると､ Lmxlbを発現している細胞ではFgf8 の発現は抑制されるが､その周囲でFgf8が誘導された｡ LmxlbはWntl を誘導し､ WntlはFgf8を誘導することからこのような現象が生じる｡是 は正常発生で､ Fgf8が後脳胞で､ WntlとLnulbが中脳胞後ろで発現し､ これらの発現は明瞭な境界を作っていることをよく説明する｡ (原著5) 8.Grg4遺伝子は､峡部関連分子と括抗的に働いて､視蓋の領域形成に関与す ることが示されたが､レトロウイルスに組み込んで強制発現させることによ り､視蓋ニューロンの移動にも関係していることが示された｡すなわち､視 蓋ニューロンの移動先は解卵5日目を境として､異なるが､ Grg4は視蓋ニ ューロンに後期移動ニューロンとしての性質を付与する｡ (原著6)研究発表
(1) 学会蕗等
(a)原著
1. Sato, T., Araki, Ⅰ., Nakamura, H. (2001) Inductive signal and tissue responsiveness to
define the tectum and the cerebellum･ Development, 128: 2461 -2469･
2. Matsunaga, E., Araki, I., Nakamura, H･ (2001) Role of Pax3/7 inthe tectum
reglOnalization･ Development, 1 28, 4069-4077･
3. Ye W, Bouchard M, Stone D, Liu X, Vella F, Lee J, Nakamura H, Ang SL･ Busslinger
M, Rosenthal A･ Distinct regulators control the expression of the mid-hindbrain organizer slgnal FGF8･ Nat Neurosci･ 4, 1 175-I 181, 2001
4. Kishimoto KN, Watanabe Y, Nakamura H, Kokubun S (2002) Ectopic bone formation
by electroporatic transfer of bone morphogenetic proteinl4 gene･ Bone Aug
31(2):340-7
5. Matsunaga, E., Katahira, T., Nakamura, H･ (2002) Role of Lmxlband Wntl in
mesencephalon and metencephalon development･ Development, 1 29: 5269-5277･
6. Sugiyama, S., Nakamura, H. (2003) The role of Grg4 in tectal laminarfomation･
Development, 130, 45 1 -462
(b)稔説
1. Hamkazu Nakamura (2001) Regionalisation of the optic tectum: Combination of the
gene expressionthat defines the tectum･ Trends Neurosci･ 24･ 32-39･
2. Hamkazu Nakamura, Jun-ichi Funahashi (2001) Introduction of DNA into chick
embryos by in ovo electroporation･ Methods･ 24, 43-48, G･ Eichele･ ed･, Academic
Press
3. Harukazu Nakamura (2001) Regionalisation and polarity fomation of the optic tectum･ Prog･Neurobiol･, 65 473-188 4.杉山清任､仲村春和(2001)中脳領域の特異化 生体の科学, 52, 177-181･ 5.佐藤達也､仲村春和(2002)視蓋/小脳の分化とFGFシグナル､実験医学増 刊｢ここまでわかった形づくりのシグナル｣竹縄忠臣､帯刀益夫編､ 213-220 6.仲村春和 中枢神経系の領域はどのようにして形成されるか､実験医学増刊 ｢脳･神経研究のフロンティア｣仲村春和､村上富士夫編(2002)､ 12-20､ 7.松永英治､仲村春和 視蓋領域形成におけるPax6とPax3/7の役割､実験 医学増刊｢脳･神経研究のフロンティア｣仲村春和､村上富士夫編(2002)､
( 34-40 (C)著書 1.実験医学増刊｢脳･神経研究のフロンティア｣仲村春和､村上富士夫編(2002) (2)学会発表 (a)特別講演 1.仲村春和:中枢神経系のパターン形成:遺伝子強制発現による研究,日耳鼻宮 城県地方部会第112回例会･学術講演会､ 2003.3.23,仙台 (b)シンポジウム､ワークショップ 1.佐藤達也､仲村春和:中脳視蓋の領域特異性および位置特異性の形成､ ｢網膜 の発生･分化･再生｣ 2001年2月23-24日､基生研
2･ Nakamura, H･: Regionalizatiom of theoptic tectum: Analysis by misexpression with in
ovo electroporation, Wわrkshop: Emerglng genetic technology in developmental biology･
organizer, 14th lntemational Congress of Developmemtal Biology, 8-12, July, 2001, Kyoto.
3. Nakamura, H: Mechanisms that define the tectum andthe cerebellum. The 4th Annual
Meeting of the Korean Society f♭r Brain and Neural Sciences･ Symposium I: Genes in the Developing Brain. Nov. 30-Dec 1, 2001, Seoul
4.仲村春和:発生学モデル動物としてのニワトリ､第24回日本分子生物学会シ
ンポジウム､ポストゲノムを支えるモデル生物:カエル､ホヤ､ニワトリなど
2001年12月9-12日､横浜
5.佐藤達也: ｢小脳の分化｣第2 7回加齢医学研究所ミニシンポジウム｢中枢神 経系のダイナミズムと加齢疾患｣ 2002年2月28日,仙台
6･ Nakamura, H･ : Fgf8 signaling for differentiation of the cerebellum and the optic tectum･
第25回日本分子生物学会年会 シンポジウム｢中枢神経系の領域形成｣横浜, 2002, 12, ll-14. 7.松永英治,仲村春和:ニワトリ腔視蓋領域形成の分子機構.第2 5回日本分子 生物学会年会 ワークショップ｢発生学モデル動物としてのニワトリ腔｣横浜, 2002, 12, 1ト14. 8.仲村春和:神経形成と脳研究の今後の展開､第17回｢大学と科学｣公開シン ポジウム､動物の形作り-その最前線と展開 2002､ ll. 19-20､東京
( 9.仲村春和:視蓋分化における遺伝子発現のタイミング､第108回日本解剖学会 総会､全国学術集会､シンポジウム｢生体と時間:遺伝子発現のタイミング｣ 世話人岡村均､仲村春和､福岡､ 2003､ 4.1-3 一般演題 (a)国際学会
1 ‥Katahira, T., Kimura, ∫., Nakamura, H∴ Expression pattem of actin-binding protein
coactosin during chick embryogenesis･ 14th Intemational Congress of Developmental
Biology, 8-12, July, 2001.
2. Maatsunaga, E., Araki, Ⅰ., Nakamura, H.: Role of Pax3/7 in the tectum reglOnalization･
14th lntemational Congress of Developmental Biology, 8- 12, July, 2001 ･
3. Kimura, ∫., Araki., Ⅰ., Nakamura, H.: Isolation and analysis of genes down regulated by Engrailed in the chicken embryonic mesencephalon･ 14th IntemationalCongress of
Developmental Biology, 8-12, July, 2001.
4･ Sugiyama, S･, Nakamura, H･: Analysis of cytoarchitectonic development in chick optlC teCtum･ 14th lntemational Congress of Developmental Biology, 8-12, July, 2001 ･
5. Sato, T, Araki, Ⅰ., Nakamura, H.: Role of Fgf8 fわr development of the mesencephalon
and metencephalon. 14th lntemational Congress of Developmental Biology, 8- 12, July,
2001.
6. Funahashi, J., Pfaff, S. L., Nakamura, H.: Functional analysis of a G-protein coupled
receptor expressed in the developlng Chick ventral splnal cord neurons and floor plate･
14th Intemational Congress of Developmental Biology, 81 12, July, 2001 ･
7. Watanabe, Y., Ishikawa, S., Nakamura, H.: Screelng Of novel genes for controlling
cell proliferation in chick midbrain･ 14th Intemational Congress of Developmental
Biology, 8- 12, July, 2001 ･
8. Sato T, Funahashi ∫, Nakamura H : Role of Ra島-ERR pathway f♭r development of tectum and cerebellum. 32md Annual Meeting of Society fb∫ Neuroscience, Orlando, 2-7･
November. 2002.
9. Sato T, Funahashi ∫, Nakamura H : Role of Ras-ERR pathway fわr development of tectum and cerebellum. 32md Annual Meeting of Society fわr Neuroscience, Orlando, 2-7
November. 2002.
10.Watanabe Y, Nakamura H : Axon guidance of chick trochlear nerve by Sema3F
along midbrain-hindbrain bound∬y･ 32nd Annual Meeting of Society for Neuroscience･
(B)国内学会
1.岸本光司､渡追裕二､仲村春和､国分正一: ｢in vivo electroporationを用
いたBMP導入による骨誘導｣ 第24回日本分子生物学会年会 2001年 12月9-12日,横浜 2.佐藤達也､仲村春和: ｢中脳胞および後脳胞の発生運命とFgトRas-ERK経 路｣ 日本発生生物学会第35回大会 2002年5月2ト23日,横浜 3.鈴木明日香､佐藤達也､木村浮､仲村春和: ｢中脳/後脳境界領域における Sprouty2の解析｣日本発生生物学会第35回大会 2002年5月21-23日, 横浜 4.木村浮､荒木功人､仲村春和: ｢ニワトリ腔中脳においてEngrailedによっ て制御される遺伝子として単離したA-14及びCl37の解析｣日本発生生物 学会第35回大会 2002年5月2ト23日,横浜 5.豊田礼子､仲村春和､渡遵裕二: ｢ニワトリ中脳における細胞増殖と分化に 関わる新規遺伝子のスクリーニング｣日本発生生物学会第35回大会 2002 年5月21-23日,横浜 6.舟橋淳一､小谷徳生､ Sam Pfaff､仲村春和: ｢ニワトリ腰神経管で発現す るGタンパク共役レセプター様タンパクの機能解析｣日本発生生物学会第35 回大会 2002年5月21-23日,横浜 7.渡遵裕二､仲村春和: ｢中脳後脳境界における滑車神経の軸索ガイダンス機 構｣日本発生生物学会第35回大会 2002年5月21-23日,横浜 8.杉山晴任､仲村春和: ｢中脳視蓋層形成におけるGrg4の作用｣日本発生生 物学会第35回大会 2002年5月21-23日,横浜 9.杉山清任､仲村春和: ｢Grgの中脳視蓋層形成における作用｣第25回日本 神経科学大会 2002年7月7-9日,東京 10.佐藤達也､仲村春和: ｢視蓋および小脳の分化とFgトRas-ERK経路｣第25 回日本神経科学大会 2002年7月7-9日,東京 ll.渡遵裕二､仲村春和: ｢ニワトリ中脳後脳境界における滑車神経の軸索誘 導｣第25回日本神経科学大会 2002年7月7-9日,東京 12.佐藤達也､仲村春和: ｢中脳/後脳領域の分化におけるFGF-Ras-ERK経 路の役割｣第25回日本分子生物学会年会 2002年12月11-14日,横浜
13.片平立矢､木村淳､仲村春和: ｢ニワトリHesホモログの神経管発生にお(
ける役割｣第25回日本分子生物学会年会 2002年12月11-14日,横浜
14. Yuji Watanabe､ Harukazu Nakamura : ｢Axon Guidance of Trochlear
Motor Axons ln Vivo by Sema3F and neuropilin-2｣第25回日本分子生
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