cDNAとは、mRNAを鋳型として逆転写酵素により合成したDNA（一重鎖）のことです。cDNAはcomplemantary DNA to mRNAという意味です。通常、実験するうえでcDNAを一重鎖のままにしておくことはなく、cDNAを鋳型としてDNA合成酵素を働かせて二重鎖を得ます。そうしないと、増やしたりできないので。最初につくった一本鎖のcDNAはアンチセンス鎖ですが、それを鋳型にして二重鎖にするために合成した方は、センス鎖になります。cDNAクローニングの論文で示される塩基配列は、センス鎖の塩基配列です。cDNAはmRNAを鋳型にして作った一本鎖DNAという言い方を見ると、論文でcDNA配列といったときの配列とは逆になるのでは？という疑問が湧いて、混乱を招きそうです。そのあたりを、ハッキリさせておきます。

ChatGPTに説明してもらいました。

cDNA is initially single-stranded after it is synthesized from mRNA, and there’s a subtle distinction when considering single- and double-stranded DNA.

Here’s a more precise breakdown of what happens:

1. Single-stranded cDNA:
   • cDNA is synthesized from the mRNA template by reverse transcriptase, making it complementary to the mRNA. Since mRNA is complementary to the anti-sense (template) strand of genomic DNA, the single-stranded cDNA is complementary to the mRNA, which essentially makes it analogous to the anti-sense strand of genomic DNA.
2. Double-stranded cDNA:
   • If the cDNA is made into a double-stranded molecule (which is often the case in practical applications), then the second strand is synthesized to be complementary to the first (single-stranded) cDNA. This newly synthesized strand is now complementary to the cDNA and, as a result, matches the sequence of the original mRNA (or the sense strand of genomic DNA).

Thus, when cDNA is single-stranded, it is effectively the anti-sense strand (complementary to mRNA). However, once you make it double-stranded, the complementary strand matches the sense strand of the original genomic DNA.

Summary:

• Single-stranded cDNA corresponds to the anti-sense strand of the genomic DNA.
• When cDNA becomes double-stranded, the newly synthesized second strand is the sense strand, which matches the original genomic DNA’s sense strand (with T instead of U).

通常、cDNA合成というときは、 first-strand synthesis, second-strand synthesisといった言い方をします。そのあたりをChatGPTに説明してもらいました。

J-STAGEによる日本語検索

キーワードとして、「唾液　心理ストレス　バイオマーカー」で検索したところ、31件の文献が得られました。タイトルを読んで自分の興味と照らし合わせていきます。

1. 卒業研究による長期的なストレスが生体内分泌に与える影響 野村 収作 日本感性工学会論文誌 2009年 8 巻 4 号 1075-1082 発行日: 2009/03/31　https://www.jstage.jst.go.jp/article/jjske2008/8/4/8_1075/_article/-char/ja　無料PDF

学会発表要旨が多くて、論文は数報しかありませんでした。総説はひっかからず、この検索はあまり効果的に思えません。

CINIIによる日本語論文検索

CINIIで「唾液　心理ストレス　バイオマーカー」で検索したところ、結果は0件でした。

PubMEDによる英語論文検索

saliva psychological stress biomarker　のキーワードで検索してみましたところ、757件ヒットしました。今度は多すぎて全部読むのは大変そうです。左側の際メニューでReviewのチェックボックスをオンにしたら54件に絞られました。いくつか関連性が少ないものを除外すればもっと減ります。30報弱ならひとつずつ要約をまず読んで、さらに吟味できる分量でしょう。これくらいの総説論文を読み込めば、総説論文がどのように書かれているものなのかのイメージもつかめると思います。

1. 1. Seizer L et al.,Timing matters: A meta-analysis on the dynamic effect of stress on salivary immunoglobulin Brain Behav Immun. 2024 Jul;119:734-740. doi: 10.1016/j.bbi.2024.04.039. Epub 2024 May 1. DOI:10.1016/j.bbi.2024.04.039　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0889159124003866?via%3Dihub　オープンアクセス
   2. Zarnegar R et al.,Nociception related biomolecules in the adult human saliva: A scoping review with additional quantitative focus on cortisol Mol Pain. 2024 Jan-Dec;20:17448069241237121. doi: 10.1177/17448069241237121. DOI:10.1177/17448069241237121　https://journals.sagepub.com/doi/full/10.1177/17448069241237121　オープンアクセス　痛みとストレスを刺激としたときのコルチゾール量の変化など
   3. Mohammadi et al., Recent advances in aptamer-based platforms for cortisol hormone monitoring Talanta . 2024 Jan 1;266(Pt 1):125010. doi: 10.1016/j.talanta.2023.125010. Epub 2023 Jul 31.  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0039914023007610 本文無料
   4. Špiljak B et al.,A Review of Psychological Stress among Students and Its Assessment Using Salivary Biomarkers Behav Sci (Basel). 2022 Oct 18;12(10):400. doi: 10.3390/bs12100400. DOI:10.3390/bs12100400　https://www.mdpi.com/2076-328X/12/10/400　オープンアクセス
   5. Stoffel M et al.,How to assess and interpret everyday life salivary cortisol measures: A tutorial on practical and statistical considerations Psychoneuroendocrinology. 2021 Nov;133:105391. doi: 10.1016/j.psyneuen.2021.105391. Epub 2021 Aug 14. DOI:10.1016/j.psyneuen.2021.105391　https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0306-4530(21)00265-1　本文有料
   6. Chojnowska S et al.,Salivary Biomarkers of Stress, Anxiety and Depression J Clin Med. 2021 Feb 1;10(3):517. doi: 10.3390/jcm10030517. DOI:10.3390/jcm10030517　読みやすい総説論文　✅
   7. Giacomello G et al.,Current methods for stress marker detection in saliva J Pharm Biomed Anal. 2020 Nov 30;191:113604. doi: 10.1016/j.jpba.2020.113604. Epub 2020 Sep 6. DOI:10.1016/j.jpba.2020.113604　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0731708520314904　本文無料
   8. Peña-Bautista C et al.,Non-invasive monitoring of stress biomarkers in the newborn period Semin Fetal Neonatal Med. 2019 Aug;24(4):101002. doi: 10.1016/j.siny.2019.04.002. Epub 2019 Apr 4. DOI:10.1016/j.siny.2019.04.002
   9. Wiegand C et al.,MicroRNAs in Psychological Stress Reactions and Their Use as Stress-Associated Biomarkers, Especially in Human Saliva Biomed Hub. 2017 Oct 10;2(3):1-15. doi: 10.1159/000481126. eCollection 2017 Sep-Dec. DOI:10.1159/000481126　https://karger.com/bmh/article/2/3/1/49419/MicroRNAs-in-Psychological-Stress-Reactions-and　本文無料
   10. Strahler J et al.,Simultaneous measurement of salivary cortisol and alpha-amylase: Application and recommendations Neurosci Biobehav Rev. 2017 Dec;83:657-677. doi: 10.1016/j.neubiorev.2017.08.015. Epub 2017 Aug 31. DOI:10.1016/j.neubiorev.2017.08.015
   11. Condon EM et al.,Psychosocial Influences on Acceptability and Feasibility of Salivary Cortisol Collection From Community Samples of Children Res Nurs Health. 2016 Dec;39(6):449-462. doi: 10.1002/nur.21744. Epub 2016 Sep 30. DOI:10.1002/nur.21744
   12. Aguiló J et al.,Project ES3: attempting to quantify and measure the level of stress Rev Neurol. 2015 Nov 1;61(9):405-15. DOI:
   13. Kozlov AI et al.,[Cortisol as a marker of stress] Fiziol Cheloveka. 2014 Mar-Apr;40(2):123-36. DOI:
   14. Slavish DC et al.,Salivary markers of inflammation in response to acute stress Brain Behav Immun. 2015 Feb;44:253-69. doi: 10.1016/j.bbi.2014.08.008. Epub 2014 Sep 7. DOI:10.1016/j.bbi.2014.08.008
   15. Obayashi K et al.,Salivary mental stress proteins Clin Chim Acta. 2013 Oct 21;425:196-201. doi: 10.1016/j.cca.2013.07.028. Epub 2013 Aug 9. DOI:10.1016/j.cca.2013.07.028
   16. van Andel HW et al.,Salivary cortisol: a possible biomarker in evaluating stress and effects of interventions in young foster children? Eur Child Adolesc Psychiatry. 2014 Jan;23(1):3-12. doi: 10.1007/s00787-013-0439-1. Epub 2013 Jun 15. DOI:10.1007/s00787-013-0439-1
   17. Wakida S et al.,[Research on stress measurement biochip for a single drop of saliva] Nihon Yakurigaku Zasshi. 2013 Jun;141(6):296-301. doi: 10.1254/fpj.141.296. DOI:10.1254/fpj.141.296
   18. Inder WJ et al.,Measurement of salivary cortisol in 2012 – laboratory techniques and clinical indications Clin Endocrinol (Oxf). 2012 Nov;77(5):645-51. doi: 10.1111/j.1365-2265.2012.04508.x. DOI:10.1111/j.1365-2265.2012.04508.x　https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1365-2265.2012.04508.x　本文無料
   19. Marques AH et al.,Evaluation of stress systems by applying noninvasive methodologies: measurements of neuroimmune biomarkers in the sweat, heart rate variability and salivary cortisol Neuroimmunomodulation. 2010;17(3):205-8. doi: 10.1159/000258725. Epub 2010 Feb 4. DOI:10.1159/000258725
   20. Nater UM et al.,Salivary alpha-amylase as a non-invasive biomarker for the sympathetic nervous system: current state of research Psychoneuroendocrinology. 2009 May;34(4):486-96. doi: 10.1016/j.psyneuen.2009.01.014. Epub 2009 Feb 26. DOI:10.1016/j.psyneuen.2009.01.014
   21. Hellhammer DH et al.,Salivary cortisol as a biomarker in stress research Psychoneuroendocrinology. 2009 Feb;34(2):163-171. doi: 10.1016/j.psyneuen.2008.10.026. Epub 2008 Dec 18. DOI:10.1016/j.psyneuen.2008.10.026
   22. Soo-Quee Koh D et al.,The use of salivary biomarkers in occupational and environmental medicine Occup Environ Med. 2007 Mar;64(3):202-10. doi: 10.1136/oem.2006.026567. DOI:10.1136/oem.2006.026567
   23. Yamada S et al.,[Assessment of mental condition by saliva level of 3-methoxy-4-hydroxyphenylglycol] Seishin Shinkeigaku Zasshi. 2005;107(7):712-7. DOI:
   24. Weibel L et al.,[Methodological guidelines for the use of salivary cortisol as biological marker of stress] Presse Med. 2003 May 24;32(18):845-51. DOI:
   25. King SL et al.,Stress hormones: how do they measure up? Biol Res Nurs. 2002 Oct;4(2):92-103. doi: 10.1177/1099800402238334. DOI:10.1177/1099800402238334

論文の引用文献から辿る方法

総説や原著論文のイントロなどでは、原著論文を引用して様々な主張が展開されます。なので、読むべき論文を見つける方法として、論文の最後にある引用文献一覧が非常に役立ちます。

ヘッケルが唱えた発生反復説「個体発生は系統発生を繰り返す」という言葉は、トカゲとヒトの胎児がそっくりな図とともに、自分の心に食い込んできました。ヒトが発生する途中で一度トカゲになるわけでも、一度サルになってから人間になるわけでもないので、「個体発生は系統発生を繰り返す」という言葉は誤解を招きやすい表現です。種に特異的な構造は発生の後期に現れるという解釈が妥当なのだと思います。

しかし、カエルの発生を学んだあとで哺乳類の発生を学ぶと、最初から全然違うことに啞然としてしまいます。カエルの場合は、精子侵入点の逆側が将来の背側になります。受精卵の時点で、背側の構造が、一見、一様な球体のどこにできるかが決定されてしまっているわけです。それに対して、哺乳類では、卵割が進んで胚盤胞のなったときに外側の細胞層（栄養膜）と内部細胞塊にまず分化します。つまり、卵割期においては哺乳類ではどちら側が背中側になるかは決定していないわけです。そもそも栄養膜は胎盤をつくったりするので、卵割した割球の全てが個体の体になる両生類とは全然、最初からして違うわけです。

そのような初期の違いにもかかわらず、中胚葉誘導の分子メカニズムを勉強すると、同じようなシグナル分子が使われていることにまた驚かされます。最初の多様さが、一度収斂して、普遍性を垣間見ることができるわけです。そしてもちろん発生が進んで体のそれぞれの臓器が作られるときにはまた生物種固有の多様性が生じます。このように多様性ー普遍性ー多様性という形をとることから、「発生反復説」に代わって、「砂時計仮説」というものが提唱されています。

1. ミニマル発生学　岡敦子

動物極と植物極の定義

カエルの卵の場合、卵黄が多い半球（色素が少なく白く見える部分）と卵黄が少なめの半球（表面に色素がたくさんあって黒っぽい色をしている部分）とがあります。受精前は、カエル卵はランダムな方向を向いていますが、受精すると動物極（つまり黒い半球）が上を向くようになります。これは受精膜の中で卵という球体が自由に回転できるようになって、卵黄が詰まっていて重い植物極が重力によって下に向くからでしょう。

1. 重力とカエル卵の発生　宇宙生物学　　Vol.2, No.1, 16-24 （１９８８）総説　https://www.jstage.jst.go.jp/article/bss/2/1/2_1_16/_pdf/-char/en

受精卵は、極体があるほうを動物極、その反対側を植物極といいます。受精卵の段階で、動物極は頭になり、植物極は尾部や足になることが決まっているのです。https://www.try-it.jp/chapters-15244/sections-15245/lessons-15255/

上のトライの説明は少し意外でした。受精して極体を放出するまえの卵母細胞の段階でカエル卵などはすでに卵黄分布の非常に大きな偏りが存在していて、植物極と動物極はそれで決まっているからです。

1. https://ocw.u-tokyo.ac.jp/lecture_files/gf_02/1/notes/ja/asashima01.pdf

Wntシグナリングにはカノニカル経路と、非カノニカル経路とがあります。カノニカル経路は古くから研究が進んで明らかとなったほうの経路といった意味合いだと思います。具体的にはβ-カテニンが関与する経路の方です。それに対して非カノニカル経路の一つが、PCP経路です。PCPは、planer cell polarityの略で、平面上に並んだ上皮性の細胞の極性が揃うことを指します。

https://en.wikipedia.org/wiki/Planar_cell_polarity

PCP経路が阻害されると例えば細胞の線毛の向きが揃わないといった表現型が生じるようです。

https://www.tmd.ac.jp/mri/press/detail/id=58961

Wntシグナリング：カノニカル経路（β‐カテニンを経由する経路）

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352304223000557

• APC（adenomatous polyposis coli）タンパク質は、2843アミノ酸残基からなる大きなタンパク質で、がん化や形態形成に重要な役割を果たします。WNTシグナル経路のシグナル伝達因子であるβ-カテニンに結合して、その分解を誘導することでWNTシグナル経路を抑制します。
• Behrens, J; von Kries, JP; Kühl, M; Bruhn, L; Wedlich, D; Grosschedl, R; Birchmeier, W (15 August 1996). “Functional interaction of beta-catenin with the transcription factor LEF-1.”. Nature 382 (6592): 638–42.　https://www.nature.com/articles/382638a0
  • Wntシグナル伝達機構がβ-カテニンタンパク質の細胞質存在量を調節し、その結果としてβ-カテニンが細胞核へ移行することのみが知られていた。しかしながら、β-カテニンにはDNA結合ドメインが存在せず、核内でどのようにWnt標的遺伝子を調節しているのかは不明であった。この発見を受けて、Wntシグナルによって調節されたβ-カテニンは細胞核でTCF/LEF型DNA結合タンパク質に結合し、TCF/LEFが’CTTTG’からなるコア周辺のコンセンサス配列（Wnt応答エレメント [Wnt response element, WRE]）を認識しているというモデルが確立された（ウィキペディア）

https://www.embopress.org/doi/full/10.15252/embj.201798873

1. T-cell factor (TCF) and lymphoid enhancer-binding factor (LEF) transcription factors share homology in their DNA binding domain with members of the High Mobility Group (HMG) box transcription factors family. (Search Labs | AI による概要)
2. Wnt3a–/–like phenotype and limb deficiency in Lef1(–/–)Tcf1(–/–) mice. Genes Dev. 13, 709-717. Galceran, J., Farinas, I., Depew, M. J., Clevers, H. and Grosschedl, R. (1999).
3. 2016年6月20日 発表 掲載誌Journal of Clinical Investigation（2016） doi:10.1172/JCI84658 細胞外分泌タンパク質Dickkopf1 (Dkk1)は、Wntシグナル阻害因子として報告されており古くは腫瘍抑制因子と考えられていました。一方で、Dkk1は膵がんや肺がん、食道がん、乳がん等において過剰発現しており、近年Dkk1にはがん細胞の増殖を促進する機能があると推測されていましたが、そのメカニズムは不明でした。　https://www.med.osaka-u.ac.jp/activities/results/2016year/article16

Planer cell polarity平面内細胞極性とは

　Cartoon representation of Planar Cell Polarity in fly wing hair cells and mouse paw hair cellsFigure 1. (A and B) Drosophila cuticular wing hair cells of the adult wing. Wing hairs point distally (to the right) in wild-type (WT) animals (A) but lose orientation in PCP mutants (fz) (B). (C and D) Hairs on the mouse paw point away from the body (pointing up) in WT (C) but grow in a swirling pattern in PCP mutants (fz6) (D). Inspired by the work of Paul Adler (A and B) and Guo et al. (2004) (C and D).　https://en.wikipedia.org/wiki/Planar_cell_polarity

ヒトを含む幅広い生物種は、発生過程で特定の組織において平面内細胞極性（Planar Cell Polarity; PCP）を獲得することが知られています。平面内細胞極性とは、平面上に並んだ多数の細胞が一定方向に沿って形成する細胞極性のことで、哺乳類の体毛や魚類の鱗が一定の方向に生えそろうためにはこの平面内細胞極性の形成が非常に重要です。https://www.nibb.ac.jp/press/2022/07/13.html

Biophysics in oviduct: Planar cell polarity, cilia, epithelial fold and tube morphogenesis, egg dynamics　February 2019　Biophysics and Physicobiology 16:89-107 DOI:10.2142/biophysico.16.0_89 LicenseCC BY-NC-SA　　https://www.researchgate.net/figure/Formation-of-planar-cell-polarity-A-D-Establishment-of-planar-cell-polarity-PCP-is_fig1_331338403

Planar cell polarity pathway in kidney development, function and disease　Nature Reviews Nephrology volume 17, pages369–385 (2021)

Published: 15 March 2017 Planar cell polarity in development and disease　Nature Reviews Molecular Cell Biology volume 18, pages375–388 (2017)　https://www.nature.com/articles/nrm.2017.11

Planer cell polarity平面内細胞極性が生じるメカニズム

組織に働く張力が平面内細胞極性の形成を制御していることがわかりました。

雑誌名 Development 掲載日　2022年6月16日　オンライン公開 論文タイトル： Alignment of the cell long axis by unidirectional tension acts cooperatively with Wnt signalling to establish planar cell polarity 著者：Sayuki Hirano, Yusuke Mii, Guillaume Charras, Tatsuo Michiue DOI： 10.1242/dev.200515

https://www.nibb.ac.jp/press/2022/07/13.html

細胞生物学の総説を読んでいると「カノニカル経路」という言葉をよく目にします。

Wntの細胞内情報伝達機構にはいくつかの種類があります。カノニカル経路といわれるのはβ-カテニン経路です。カノニカル canonical とは「正規の」の意味。どっちを正規と呼ぶかは主観の問題なので、研究の歴史において早くから明らかになった経路がカノニカルなのでしょう。

総説などで、カノニカル経路が何なのかの説明をみかけることはありません。どういう意味なのか、一応確認しておきます。ChatGPTが的確に説明してくれました。

In cell biology, the term “canonical pathway” refers to the standard, well-characterized, or classical version of a signal transduction pathway that is typically the most commonly studied and understood version. In the context of signal transduction, when we refer to the canonical Wnt pathway, for example, it typically means the Wnt/β-catenin signaling pathway, which is the main or classical route by which Wnt signaling regulates gene expression.

Key Features of a Canonical Pathway:

• Main or classical pathway: It is the primary signaling route through which a ligand (e.g., Wnt, Hedgehog, etc.) exerts its effects on the cell.
• Specific downstream components: In a canonical pathway, specific downstream molecules are activated in a well-established sequence (e.g., Wnt binds to its receptor, leading to the stabilization of β-catenin, which translocates to the nucleus to regulate gene expression).
• General or broad role: Canonical pathways often have broader and more general roles in regulating various cellular processes such as differentiation, proliferation, and development.

Examples:

1. Canonical Wnt pathway: Refers to the Wnt/β-catenin pathway, where Wnt signaling stabilizes β-catenin to activate gene transcription.
2. Canonical TGF-β pathway: Involves the activation of Smad2 and Smad3, which translocate to the nucleus and regulate gene expression.

In contrast, non-canonical pathways are alternative signaling routes that do not follow the classical mechanism and often involve different downstream components and processes, like the Wnt/PCP (planar cell polarity) pathway or Wnt/Ca2+ pathway.

Summary:

The term “canonical pathway” in signal transduction refers to the classical or standard version of a signaling pathway that involves well-defined molecules and mechanisms, widely studied and understood. (ChatGPTの解説）

左右軸形成の分子機構の解明に関する全てはこの論文から始まったといえるでしょう。この論文を見たとき自分は、左右を決めるだけのことなのに、こんなややこしいことが本当に起きているのだろうかとかなり懐疑的な気分になりました。それから２０年以上が経過して、このメカニズムは揺るぎないものとなり生物学の教科書に当然のように紹介されています。

Randomization of Left–Right Asymmetry due to Loss of Nodal Cilia Generating Leftward Flow of Extraembryonic Fluid in Mice Lacking KIF3B Motor Protein Shigenori Nonaka ∙ Yosuke Tanaka ∙ Yasushi Okada ∙ Sen Takeda ∙ Akihiro Harada ∙ Yoshimitsu Kanai ∙ Mizuho Kido ∙ Nobutaka Hirokawa*　Cell Volume 95, Issue 6p829-837December 11, 1998　https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(00)81705-5

訂正 In this paper (Cell 95[6], 829–837), we described the direction of the nodal cilia rotation as counterclockwise (Figure 6B). However, our recent analyses with higher spatiotemporal resolution revealed that the actual direction is clockwise when seen from the ventral side (above the nodal pit cells). In our previous observation with lower temporal resolution (10 frames per second), the direction of the rapid rotation (∼10 rounds per second) of the nodal cilia was misinterpreted due to the artifact caused by the strobe effect. ‥　For further details, refer to our recent paper Y. Okada et al. (Molecular Cell, 1999, in press). https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(00)80067-7

レビュー論文

1. Nodal Flow and the Generation of Left-Right Asymmetry Cell Volume 125, Issue 1, 7 April 2006, Pages 33-45 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S009286740600300X このレビュー論文では線毛が動く様子や蛍光ビーズが左側に流れていく様子などを示したわかりやすい動画も掲載されています。

左右軸形成に関する論文

1. Molecular anatomy of emerging Xenopus left–right organizer at successive developmental stages Natalia Petri, Alexandra Vetrova, Nikoloz Tsikolia, Stanislav Kremnyov Developmental Dynamics First published: 27 June 2024 https://doi.org/10.1002/dvdy.722
2. R-Spondin 2 governs Xenopus left-right body axis formation by establishing an FGF signaling gradient　Nature Communications  Published: 02 February 2024
3. A dual function of FGF signaling in Xenopus left-right axis formation Isabelle Schneider, Jennifer Kreis, Axel Schweickert, Martin Blum, Philipp Vick Development 01 January 2019  https://journals.biologists.com/dev/article/doi/10.1242/dev.173575/264844/am/A-dual-function-of-FGF-signaling-in-Xenopus-left
4. The Left-Right Coordinator: The Role of Vg1 in Organizing Left-Right Axis Formation Cell 3 April 1998; Volume 93, Issue 1, Pages 37-46
5. Developmental Biology Volume 189, Issue 1, 1 September 1997, Pages 68-78 Developmental Biology Regular Article Organizer Induction Determines Left–Right Asymmetry inXenopus

灰色新月環　gray crescent

http://digfir-published.macmillanusa.com/pol2e/asset/img_ch38/c38_fig01.html

アフリカツメガエルの原腸陥入

灰色新月環は下の動画だと良くわかりません。

Xenopus laevis; gastrulation through neurulation Oxford Academic (Oxford University Press) チャンネル登録者数 15.6万人

シュペーマンのオーガナイザーの定義

The organizer is a region of the gastrula embryo that can induce the formation of a second neural axis when transplanted to an undifferentiated region of a host gastrula stage embryo (1). https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC27625

　　原図（A～C) Hamburger, V. 1988. The Heritage of Experimental Embryology: Hans Spemann and the Organizer. Oxford University Press, Oxford. 図引用元：Scotte Gilbert Developmental Biology. 6th edition.　Axis Formation in Amphibians: The Phenomenon of the Organizer　https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK10101/

シュペーマンのオーガナイザーの今昔に関しては、International Journal of Developmental Biologyの特集号が非常に有益だと思います。2001年の特集号なので、今となってはそこからさらに24年の歳月が経過してはいますが、2001年当時の理解がわかります。Scott Gilbertの総説は非常に読み応えがありました。さすが大著のベストセラーの教科書を書いているだけのことはあります。読ませます。

1. The International Journal of Developmental Biology Volume 45 > Issue 1 (Special Issue) Cover Vol. 45 N. 1 The Spemann-Mangold Organizer Edited by: Eddy DeRobertis and Juan Aréchaga　https://ijdb.ehu.eus/issue/45/1

シュペーマンのオーガナイザーとして同定されたシグナル分子は驚くほど多数あります。オーガナイザーとして積極的に働く分子があるというよりも、デフォルトでは尾部を形成するシグナルとしてBMPシグナルとWntシグナルがあり、それらに対する阻害因子が頭部を形成するという図式になっています。そのため、オーガナイザー分子は、BMPシグナリングの阻害因子とWntシグナリングの阻害因子とに大別されます。BMPはTGF-βスーパーファミリーに属しています。

シグナル分子がやまのように出てきてかなり混乱させられるのでまずは主要なシグナル伝達経路を復習しておきます。

TGF-βファミリー分子のシグナル経路：R-SmadとCo-Smad

ちなみにTGF-βスーパーファミリーは、3つのサブファミリーに分かれ、TGF-βファミリー、アクチビンファミリー、BMP(bone morphogenetic protein)ファミリーがあります。TGF-βスーパーファミリーは、Smadがエフェクターとなる共通するシグナル経路によって特徴づけられています。まず受容体ですが、細胞膜上に存在する「2型受容体」と「1型受容体」の2種類の受容体があります。TGF-βが結合した2型受容体は1型受容体と複合体を形成します。2型受容体はセリン・スレオニンキナーゼで、1型受容体をリン酸化します。1型受容体もセリン・スレオニンキナーゼ型受容体でリン酸化によりキナーゼ活性をもち、R-Smadをリン酸化します。R-Smadにはいくつかの種類があります。Smad2、Smad3は、TGF-βやアクチビンのシグナルを伝えるエフェクターです。Smad1、Smad5、Smad8は、BMPのシグナルを伝えるエフェクターです。リン酸化されたR-Smadは、Co-Smadと呼ばれるSmad4と結合して複合体をつくります。R-SmadとCo-Smadの複合体は、細胞質から核に移行し、標的遺伝子の転写調節領域に存在するSBE(Smad binding element)に結合することにより、ほかの転写因子などと協同して標的遺伝子の発現を制御します。ほかに、R-SmadやCo-Smadの働きを抑制するI-Smadとしては、Smad6とSmad7があります。

1. https://www.md.tsukuba.ac.jp/epatho/privacy.html

上の文章による説明にピッタリ合う模式図が、下の論文にありました。

https://www.researchgate.net/publication/7654580_Non-smad_TGF-beta_signals

Non-Smad TGF-β signals J Cell Sci (2005) 118 (16): 3573–3584. https://journals.biologists.com/jcs/article/118/16/3573/28415/Non-Smad-TGF-signals

1. Antagonism between Smad1 and Smad2 signaling determines the site of distal visceral endoderm formation in the mouse embryo　J Cell Biol. 2009 Jan 26;184(2):323–334. doi: 10.1083/jcb.200808044 https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC2654303/　

nodalシグナリング：カノニカル経路と非カノニカル経路

nodalはTGF-βファミリーに属するので、カノニカル経路としてはSmadの活性化があります。

　Schematic Overview of Nodal and Cripto-1 Signaling Pathways. A) Canonical Nodal signaling using Cripto-1 as a co-receptor. Nodal can also activate this pathway, albeit less efficiently, independently of Cripto-1. B) Cripto-1 Nodal-independent signaling via binding with Glypican-1 and activating src/Ras/raf/PI3K downstream signaling. C) Possible signaling of Cripto-1 through binding to beta-integrins and signaling via FAK-dependent signaling pathway.

2011 Sep 19. Published in final edited form as: Breast Dis. 2008;29:91–103. doi: 10.3233/bd-2008-29110 Emerging Roles of Nodal and Cripto-1: From Embryogenesis to Breast Cancer Progression　https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3175751/#ref-list1

Wnt経路

Wntの細胞内情報伝達機構にはいくつかの種類があります。カノニカル経路といわれるのはβ-カテニン経路です。

1. 細胞内除法伝達機構における「カノニカル経路」とは？

• 細胞はWnt-3aファミリーの分子を受容すると、その情報を細胞内情報伝達分子Dishevelled（Dvl）タンパク質へと伝えます（図１左）。これにより活性化したDvlはβ-catenin経路を活性化します。
• 細胞がWnt-5aファミリーの分子を受容した場合も、Dvlが活性化しますが、Wnt-5aの下流で活性化したDvlはPCP経路を活性化します。
• 細胞外情報伝達分子Wntは、動物の個体発生と恒常性の維持において、細胞の増殖・分化・極性・移動を制御します。

発癌に関与する細胞内情報伝達分子Dvlの新規調節機構を解明 https://www.tmd.ac.jp/mri/press/detail/id=58961

1. Wntシグナル研究の歴史と展望～その足跡と未来 2020年8月25日 Journal of Japanese Biochemical Society 92(4): 498-516 (2020) doi:10.14952/SEIKAGAKU.2020.920498 https://seikagaku.jbsoc.or.jp/10.14952/SEIKAGAKU.2020.920498/data/index.html Int1のトランスジェニックマウスが生後6か月で乳がんを発症することも示され18），Int1は原がん遺伝子であると位置づけられるようになった．さらに，1987年にInt1はショウジョウバエのDNAにも存在することが判明し，その塩基配列が決定され，Drosophila int1（Dint-1）は，同年に塩基配列が報告されたショウジョウバエのwinglessと同一であることが決定した19, 20）．ここで初めて，無脊椎動物の発生に関わる遺伝子と，哺乳動物のがんに関わる遺伝子が高い相同性（アミノ酸レベルで53％同一）を有することが明らかになった．‥　Int1欠損マウスは中脳と小脳の発生に異常が認められた．‥　MMTVプロウイルスを挿入することにより，活性化される遺伝子‥　Int1に類似している遺伝子群だけをWnt（Wingless-related integration site）と呼ぶようになった28）．

Canonical and Non-Canonical Wnt Signaling Generates Molecular and Cellular Asymmetries to Establish Embryonic Axes　J. Dev. Biol. 2024, 12(3), 20; https://doi.org/10.3390/jdb12030020　MDPI誌　https://www.mdpi.com/2221-3759/12/3/20

BMP（骨形成因子）の阻害因子

BMPはTGF-βスーパーファミリー（TGF-β、BMPs、Activin)のなかのサブファミリーの一つです。

Noggin

BMP4に高親和性で結合し、その活性を阻害する

1. Expression cloning of noggin, a new dorsalizing factor localized to the Spemann organizer in Xenopus embryos W C Smith 1, R M Harland　Cell 1992 Sep 4;70(5):829-40. doi: 10.1016/0092-8674(92)90316-5. 　要旨より zygotic transcripts are initially restricted to the presumptive dorsal mesoderm and reach their highest levels at the gastrula stage in the dorsal lip of the blastopore (Spemann organizer). In the neurula, noggin is transcribed in the notochord and prechordal mesoderm. The activity of exogenous noggin RNA in embryonic axis induction

最初の論文は１９９２年のセルペーパーでした。

Chordin

1. Xenopus chordin: A Novel Dorsalizing Factor Activated by Organizer-Specific Homeobox Genes Yoshiki Sasai 1, Bin Lu 1, Herbert Steinbeisser 1, Douglas Geissert 1, Linda K Gont 1, Eddy M De Robertis Cell. 1994 Dec 2;79(5):779–790. doi: 10.1016/0092-8674(94)90068-x https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3082463/ (無料著者原稿）Seventy years after the organizer experiment (Spemann and Mangold, 1924), the quest to isolate the factors released by the organizing centers to recruit neighboring cell continues. 要旨 Microinjection of chordin mRNA induces twinned axes

最初の論文は１９９４年のセル論文でした。

Follistatin

1. Follistatin, an antagonist of activin, is expressed in the Spemann organizer and displays direct neuralizing activity A Hemmati-Brivanlou 1, O G Kelly, D A Melton Cell . 1994 Apr 22;77(2):283-95. doi: 10.1016/0092-8674(94)90320-4.

最初の報告は１９９４年のCellペーパーでした。

Cerberus

1. Protein Related to DAN and Cerberus Is a Bone Morphogenetic Protein Antagonist That Participates in Ovarian Paracrine Regulation* Journal of Biological Chemistry Volume 279, Issue 22p23134-23141May 2004  https://www.jbc.org/article/S0021-9258(20)66678-9/fulltext

Wntシグナル経路の阻害因子

Cerberus

CerberusはWntシグナルを阻害するだけでなく、BMPの阻害やnodalシグナルの阻害もします。

Figrure 4. Model of the formation and function of anterior endoderm in Xenopus head development.

The head inducer Cerberus is a multifunctional antagonist of Nodal, BMP and Wnt signals　Nature volume 397, pages707–710 (1999)

https://www.nature.com/articles/17820

cerberusはWntリガンドと直接結合することによりWntシグナリングを抑制します。

https://www.sciencedirect.com/topics/biochemistry-genetics-and-molecular-biology/cerberus-protein

1. Cerberus is a head-inducing secreted factor expressed in the anterior endoderm of Spemann’s organizer Tewis Bouwmeester, Sung-Hyun Kim, Yoshiki Sasai, Bin Lu & Eddy M. De Robertis Nature volume 382, pages595–601 (1996) 15 August 1996.

最初の報告は１９９６年のネイチャー論文でした。

1. Head organizer: Cerberus and IGF cooperate in brain induction in Xenopus embryos Yagmur Azbazdar 1, Edgar M Pera 2, Edward M De Robertis 3 Cells Dev . 2023 Dec 16:203897. doi: 10.1016/j.cdev.2023.203897. イントロダクションより Cerberus induces small head structures containing brain, eyes, olfactory placodes, and sometimes a second heart, that are devoid of trunk-tail structures and posterior neural tissue.
2. Molecular link in the sequential induction of the Spemann organizer: direct activation of the cerberus gene by Xlim-1, Xotx2, Mix.1, and Siamois, immediately downstream from Nodal and Wnt signaling　Developmental Biology Volume 257, Issue 1, 1 May 2003, Pages 190-204
3. Expression of the mouse cerberus-related gene, Cerr1, suggests a role in anterior neural induction and somitogenesis William Shawlot 1, Jian Min Deng 1, Richard R Behringer 1,*　Proc Natl Acad Sci U S A. 1998 May 26;95(11):6198–6203. doi: 10.1073/pnas.95.11.6198

Dickkopf (Dkk)

1. Head inducer Dickkopf-1 is a ligand for Wnt coreceptor LRP6 Current Biology Volume 11, Issue 12, 26 June 2001, Pages 951-961  The Wnt family of secreted growth factors initiates signaling via the Frizzled (Fz) receptor and its candidate coreceptor, LDL receptor-related protein 6 (LRP6), presumably through Fz-LRP6 complex formation induced by Wnt. ‥　Dkk-1 is a high-affinity ligand for LRP6 and inhibits Wnt signaling by preventing Fz-LRP6 complex formation induced by Wnt. Dkk-1 binds neither Wnt nor Fz, nor does it affect Wnt-Fz interaction.　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960982201002901

Frzb (Frizzled-related protein)

1. Genes Dev. 1999 Sep 1;13(17):2328–2336. doi: 10.1101/gad.13.17.2328 Axis determination by inhibition of Wnt signaling in Xenopus Keiji Itoh 1, Sergei Y Sokol 1,1 we interfered with Wnt signaling in the embryo using the extracellular domain of Xenopus Frizzled 8 (ECD8), which blocks Wnt-dependent activation of a target gene in Xenopus ectodermal explants. Expression of ECD8 in ventral blastomeres resulted in formation of secondary axes この論文は内在的な分子の話ではなく、Wntシグナリングを阻害したときの効果（２次軸形成）をみるための実験

nodalの阻害因子

cerberus

cerberusは、Wntの阻害因子でもあり、BMP（TGF-βスーパーファミリー）の阻害因子でもありますが、nodal（TGF-βスーパーファミリー）の阻害因子でもあります。多才ですね。

Human Cerberus Prevents Nodal-Receptor Binding, Inhibits Nodal Signaling, and Suppresses Nodal-Mediated Phenotypes PLOS ONE January 201510(1):e0114954 DOI:10.1371/journal.pone.0114954 SourcePubMed LicenseCC BY 4.0 https://www.researchgate.net/publication/271219306_Human_Cerberus_Prevents_Nodal-Receptor_Binding_Inhibits_Nodal_Signaling_and_Suppresses_Nodal-Mediated_Phenotypes

https://www.researchgate.net/figure/The-Nodal-signaling-pathway-Genetic-interaction-and-co-Immunoprecipitation-co-IP_fig10_271219306

1.  Nodal antagonists regulate formation of the anteroposterior axis of the mouse embryo. Yamamoto M, Saijoh Y, Perea-Gomez A, Shawlot W, Behringer RR, Ang SL, Hamada H, Meno C. Nature. 2004;428:387–392. doi: 10.1038/nature02418. Abstract Patterning of the mouse embryo along the anteroposterior axis during body plan development requires migration of the distal visceral endoderm (DVE) towards the future anterior side by a mechanism that has remained unknown. Here we show that Nodal signalling and the regionalization of its antagonists are required for normal migration of the DVE. Whereas Nodal signalling provides the driving force for DVE migration by stimulating the proliferation of visceral endoderm cells, the antagonists Lefty1 and Cerl determine the direction of migration by asymmetrically inhibiting Nodal activity on the future anterior side. https://www.nature.com/articles/nature02418 本文読めた　To confirm the role of Nodal antagonists in A–P patterning, we analysed mutant mice lacking Lefty1 or Cerl. Lefty1^-/- (ref. 13) and Cerl^-/- (refs 6, 14, 15) embryos undergo normal gastrulation, whereas Cerl^-/-,Lefty1^-/- embryos develop multiple primitive streaks⁸, suggestive of functional redundancy between Lefty1 and Cerl. We first examined expression of the AVE marker Hex (Fig. 5a, b, h, i). The Hex expression domain was expanded slightly in Cerl^-/- and Lefty1^-/- mutants (data not shown) and markedly in the Cerl^-/-,Lefty1^-/- double mutant (Fig. 5b, i), in which cells positive for Hex transcripts occupied the entire anterior half of the VE at E6.5 (n = 4). These results reveal that the Nodal antagonists restrict the size or location of the AVE, perhaps by inhibiting the proliferation of AVE cells.

nodalはTGF-βファミリーの一員です。cereberusとLeftyはnodalの阻害因子として働きます。ちなみにcereberusはWntも阻害します。

a Following implantation, Nodal is expressed throughout the epiblast and plays a role in specifying the underlying distal visceral endoderm (DVE). The DVE in response secretes Nodal inhibitors Cerberus and Lefty, generating a posterior-distal gradient of Nodal and forming one of the earliest patterns in the embryo. ExE extra-embryonic ectoderm, VE visceral endoderm, P-D proximal-distal. b The DVE migrates anteriorly to become the anterior visceral endoderm (AVE) concentrating Nodal further to the proximal and newly formed posterior axis by continued secretion of Nodal inhibitors. A-P anterior-posterior. c In a process that requires high levels of Nodal, gastrulation begins with formation of the early primitive streak. Epiblast cells undergo EMT and migrate with subsequent differentiation into mesoderm and endoderm lineages. Inset: Pro-Nodal expressed in the epiblast upregulates Furin, Pace4, and BMP4 within the ExE. Furin and Pace4 subsequently process pro-Nodal and BMP4 stimulates Wnt3 signaling in the epiblast. Wnt3 acts on a Nodal proximal epiblast enhancer to increase Nodal expression. Nodal also amplifies its own signal through an enhancer region in intron 1 stimulated by Smad2/3-FoxH1, collectively increasing levels of Nodal in the proximal epiblast.

Plasticity underlies tumor progression: Role of Nodal signaling March 2016 Cancer and Metastasis Reviews 35(1) DOI:10.1007/s10555-016-9605-5 https://www.researchgate.net/figure/Role-of-Nodal-in-the-early-mouse-embryo-a-Following-implantation-Nodal-is-expressed_fig8_297661953

Epiblastの細胞がnodalを発現して分泌し、distal visceral endoderm (DVE)に働きかけます。するとDVEではnodalの阻害因子であるcerberus とLeftyを発現して、近くの細胞でのnodalの発現を抑制します。DVEは移動してAVEになりますが、するとAVE側のepiblastにおいてもnodalの発現は抑制されるので、AVEの反対側でnodalの発現が高いという状況が生まれます。このnodalシグナルがprimitive streakを引き起こすと考えられています。

1. Nodal signaling from the visceral endoderm is required to maintain Nodal gene expression in the epiblast and drive AVE migration Amit Kumar 1,†, Margaret Lualdi 2, George T Lyozin 3, Prashant Sharma 1, Jadranka Loncarek 1, Xin-Yuan Fu 4, Michael R Kuehn　Dev Biol. Author manuscript; available in PMC: 2016 Apr 1. Published in final edited form as: Dev Biol. 2014 Dec 20;400(1):1–9. doi: 10.1016/j.ydbio.2014.12.016 https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4806383/　要旨より  The Nodal gene is expressed in both the VE and in the pluripotent epiblast, which gives rise to the germ layers. Previous findings have provided conflicting evidence as to the relative importance of Nodal signaling from the epiblast vs. VE for AP patterning.

その他

Goosecoid

アクチビン、Vg1、Xwnt-8、ノギンなどは、それぞれの細胞表面受容体を介して異なる細胞内シグナル伝達経路を開始し、最終的にgoosecoid (gsc) 遺伝子の発現を誘導

1. Molecular Nature of Spemann’s Organizer: the Role of the Xenopus Homeobox Gene goosecoid Ken W Y Cho 1,*, Bruce Blumberg 1, Herbert Steinbeisser 1, Eddy M De Robertis 1 Cell. 1991 Dec 20;67(6):1111–1120. doi: 10.1016/0092-8674(91)90288-a https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3102583/ 著者原稿無料PDF https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/009286749190288A 本文有料

goosecoid (gsc)がオーガナイザーの正体なのだとしたら、gsc遺伝子をノックアウトすれば、体軸を形成できないはずと予想されますが、予想に反してgscノックアウトマウスの表現型は、それほど大きくなかったようです。不思議です。

1. Nasal and pharyngeal abnormalities caused by the mouse goosecoid gene mutation　Biochem Biophys Res Commun . 1997 Apr 7;233(1):161-5. doi: 10.1006/bbrc.1997.6315.　https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/9144415/

Lim-1

1. Role of the LIM class homeodomain protein Xlim-1 in neural and muscle induction by the Spemann organizer in Xenopus M Taira 1, H Otani, J P Saint-Jeannet, I B Dawid Nature . 1994 Dec 15;372(6507):677-9. doi: 10.1038/372677a0. https://www.nature.com/articles/372677a0
2. Requirement for Lim1 in head-organizer function W Shawlot 1, R R Behringer Nature  1995 Mar 30;374(6521):425-30. doi: 10.1038/374425a0.　Embryos homozygous for the null allele lacked anterior head structures but the remaining body axis developed normally.

カエルで発見されマウスでも役割が確認され、それぞれ１９９４年、１９９５年のネイチャー誌に報告されました。

1. Functional domains of the LIM homeodomain protein Xlim-1 involved in negative regulation, transactivation, and axis formation in Xenopus embryos I Hiratani 1, T Mochizuki, N Tochimoto, M Taira Dev Biol . 2001 Jan 15;229(2):456-67. doi: 10.1006/dbio.2000.9986.

シュペーマンのオーガナイザーを誘導するシグナル

アクチビン、Vg1、Xwnt-8、ノギンがそれぞれの細胞表面受容体を介して異なる細胞内シグナル伝達経路を開始し、最終的にgoosecoid (gsc) 遺伝子の発現を誘導

Wntシグナル経路

Siamois Siamois遺伝子はWntシグナル経路のターゲットで、オーガナイザー活性を誘導する。Siamoisは中胚葉誘導を経ずにオーガナイザー特異的遺伝子を活性化し、背側化シグナルを生み出す

Xenopus nodal-related (Xnr) : Xnr因子はアクチビン様分子によって誘導され頭部オーガナイザーを形成。

TGF-β経路とWntシグナル経路のクロストーク

シュペーマンのオーガナイザーの形成には、TGF-βシグナル経路とWntシグナル経路の相互作用が必要です。これらの経路は、胚の動物極から植物極にかけての細胞の運命を決定します。

オーガナイザー分子ではないが重要な中胚葉マーカー

Brachyury

（マウス） anterior visceral endodermで発現する分子

Otx2

1. Sequential roles for Otx2 in visceral endoderm and neuroectoderm for forebrain and midbrain induction and specification M Rhinn 1, A Dierich, W Shawlot, R R Behringer, M Le Meur, S L Ang Development . 1998 Mar;125(5):845-56. doi: 10.1242/dev.125.5.845.

nodal

1. Nodal is a novel TGF-beta-like gene expressed in the mouse node during gastrulation X Zhou 1, H Sasaki, L Lowe, B L Hogan, M R Kuehn Nature . 1993 Feb 11;361(6412):543-7. doi: 10.1038/361543a0. 本文有料　要旨より Here we isolate a candidate for the mutated gene which encodes a new member of the transforming growth factor-beta (TGF-beta) superfamily. Expression is first detected in primitive streak-stage embryos at about the time of mesoderm formation. It then becomes highly localized in the node at the anterior of the primitive streak. This region is analogous to chick Hensen’s node and Xenopus dorsal lip (Spemann’s organizer), which can induce secondary body axes when grafted into host embryos (reviewed in refs 5 and 6).

ノーダル遺伝子の同定もネイチャー論文でした。

1. Nodal signalling in the epiblast patterns the early mouse embryo J Brennan 1, C C Lu, D P Norris, T A Rodriguez, R S Beddington, E J Robertson Nature . 2001 Jun 21;411(6840):965-9. doi: 10.1038/35082103.  要約より　Nodal signals from the epiblast also pattern the visceral endoderm by activating the Smad2-dependent pathway required for specification of anterior identity in overlying epiblast cells.

ノーダルのマウス初期発生における役割の解析もネイチャー論文になりました。

1. Nodal signaling from the visceral endoderm is required to maintain Nodal gene expression in the epiblast and drive AVE migration　Dev Biol. 2014 Dec 20;400(1):1–9. doi: 10.1016/j.ydbio.2014.12.016 https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4806383/　conditional mutagenesis of the Nodal gene specifically within the VE leads to reduced Nodal expression levels in the epiblast and incomplete or failed AVE migration
2. Nodal Signaling Activates Differentiation Genes During Zebrafish Gastrulation James T Bennett 1, Katherine Joubin 1,3, Simon Cheng 1,2, Pia Aanstad 4,5, Ralf Herwig 4, Matthew Clark 3,4, Hans Lehrach 4, Alexander F Schier 1,6　Dev Biol. 2007 Jan 12;304(2):525–540. doi: 10.1016/j.ydbio.2007.01.012　https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC1885460/
3. Nodal specifies embryonic visceral endoderm and sustains pluripotent cells in the epiblast before overt axial patterning Development . 2006 Jul;133(13):2497-505. doi: 10.1242/dev.02413. Epub 2006 May 25. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/16728477/  (B,C) The PrE also expresses the DVE markers Lefty1 (B), Hex and a HexP-GFP reporter transgene(C), whereas Cer1 mRNA is below detectable levels (B). Lefty1 and Hex transcripts are clearly downregulated between E5.0 and 5.25 before they reappear together with Cer1 mRNA in the most distal VE cells at E5.5. https://journals.biologists.com/dev/article/133/13/2497/52434/Nodal-specifies-embryonic-visceral-endoderm-and
4. Multiple roles for Nodal in the epiblast of the mouse embryo in the establishment of anterior-posterior patterning Cindy C Lu 1, Elizabeth J Robertson　Dev Biol . 2004 Sep 1;273(1):149-59. doi: 10.1016/j.ydbio.2004.06.004. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15302604/
5. The Foxh1-dependent autoregulatory enhancer controls the level of Nodal signals in the mouse embryo Dominic P. Norris, Jane Brennan, Elizabeth K. Bikoff, Elizabeth J. Robertson　15 July 2002 　https://journals.biologists.com/dev/article/129/14/3455/41736/The-Foxh1-dependent-autoregulatory-enhancer
6. nodal expression in the primitive endoderm is required for specification of the anterior axis during mouse gastrulation I Varlet 1, J Collignon, E J Robertson Development . 1997 Mar;124(5):1033-44. doi: 10.1242/dev.124.5.1033.
7. A Xenopus nodal-related gene that acts in synergy with noggin to induce complete secondary axis and notochord formation K. D. Lustig, K. Kroll, E. Sun, R. Ramos, H. Elmendorf, M. W. Kirschner Author and article information Development (1996) 122 (10): 3275–3282.　　https://journals.biologists.com/dev/article/122/10/3275/38985/A-Xenopus-nodal-related-gene-that-acts-in-synergy

Cripto

Criptoはアクチビンと結合してアクチビンシグナリングを抑制することはあるようです。しかし、ノーダルに関しては、ノーダルシグナリングの重要な要素コレセプターcoreceptorとしてポジティブに働くようです。ただし、Criptoを介さないノーダルシグナリングもあり得るようです。

1. Cripto-independent Nodal signaling promotes positioning of the A-P axis in the early mouse embryo. G. Liguori, A. Borges, A. Borges+9 more · Developmental Biology Volume 315, Issue 2, 15 March 2008, Pages 280-289　2008年3月15日　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012160607016351

その他の論文

1. The HPE gene CRIPTO/oep physically interacts with the ligand–receptor complex, and is required for Nodal signal transduction, positioning this protein as a Nodal co-receptor [40–43]. https://en.wikipedia.org/wiki/Nodal_signaling_pathway
2. EGF-CFC proteins are membrane bound extracellular factors that serve as essential cofactor in Nodal signaling and in vertebrate development as a whole. This family of cofactors includes One-eyed Pinhead (oep) in Zebrafish, FRL1 in Xenopus, and Cripto and Criptic in mouse and human. https://en.wikipedia.org/wiki/Nodal_signaling_pathway
3. the activity of Nodal requires epidermal growth factor-Cripto/FRL-1/Cryptic (EGF-
   CFC) co-receptors such as Cripto and Cryptic (Tdgf1 and Cfc1 –
   Mouse Genome Informatics) (Reissmann et al., 2001; Yan et al.,
   2002; Yeo and Whitman, 2001). In particular, membrane-bound
   Cripto appears to recruit Nodal to an activin receptor complex
   composed of a dimer of the type I serine-threonine receptor Alk4
   (Acvr1b) and a dimeric type II activin receptor, either ActRII or
   ActRIIB (Acvr2a or Acvr2b – Mouse Genome Informatics). https://www.researchgate.net/publication/51591179_Regulation_of_extra-embryonic_endoderm_stem_cell_differentiation_by_Nodal_and_Cripto_signaling

Mature Nodal binds to the Activin receptors I and II and the co-receptor Cripto/Criptic and phosphorilates Smad2 /3. https://en.wikipedia.org/wiki/Nodal_signaling_pathway

nodalもアクチビンもTGF-βスーパーファミリーの一員です。アクチビン受容体の種類としては、Nodalに特化した受容体としてはALK7があります。Activinは主にALK4を介してシグナルを伝達します。

1. The orphan receptor ALK7 and the Activin receptor ALK4 mediate signaling by Nodal proteins during vertebrate development. document Genes & developmentEva Reissmann et al.

TGF-βファミリー分子に対する受容体として，7種類のI型受容体，5種類のII型受容体が存在し，それらすべての受容体は細胞内領域にセリン／トレオニンキナーゼドメインを持つ．ジスルフィド結合により二量体を形成しているTGF-βは，2分子のTGF-β I型受容体と2分子のTGF-β II型受容体からなるヘテロ四量体に結合する（図2）．リガンドがTGF-β II型受容体に結合すると，TGF-β II型受容体キナーゼはTGF-β I型受容体の膜貫通領域直下に存在するGS領域と呼ばれるグリシンとセリンに富んだドメインのセリンとトレオニン残基をリン酸化し，I型受容体内で不活性化されていたセリン／トレオニンキナーゼ酵素活性が出現する．TGF-βと同様にアクチビンは，アクチビンI型受容体（ALK4）とアクチビンII型受容体（ActRIIまたはActRIIB）が複合体を形成し，BMPの場合BMPI型受容体（ALK2, 3, 6）とBMP II型受容体（ActRII，ActRIIBまたはBMPRII）が複合体を形成する．活性化したI型受容体キナーゼはR-Smad（receptor-regulated Smad）タンパク質のC末端に存在する2個のセリン残基をリン酸化する．

Journal of Japanese Biochemical Society 89(2): 145-153 (2017) doi:10.14952/SEIKAGAKU.2017.890145 TGF-βシグナルを抑制するTMEPAIファミリー 2017年4月25日　https://seikagaku.jbsoc.or.jp/10.14952/SEIKAGAKU.2017.890145/data/index.html

HEX

HEXはHHEXと呼ばれることもありますが同一の遺伝子です（ChatGPT 4o）。hematopoietically expressed homeobox gene から、HexまたはHhexと呼ばれます。

• Hhex has been found to be an important transcription factor in embryogenesis because Hhex^−/− mice display embryonic lethality starting at embryonic day E10.5 to E11.5 due to impaired forebrain, liver, and thyroid development.^8–10
• Hhex expression is initially seen in the blood islands of the yolk sac at the same time Flk-1 expression is initiated.⁹

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC2938236/

HEXが転写因子として、Cerberus(Wnt, BMP, Nodalのアンタゴニスト)やLefty（TGF-β superfamilyメンバーでNodal signalingを調節）の遺伝子を直接（プロモーターに結合して）制御するのかと思ったのですが、そういうわけではないようです。Cerberusに関しては、HEXによる遺伝子の制御は間接的に起こるようです。Leftyに関しては、遺伝子制御に関する報告がなさそうです（ChatGPT4oの回答）。

1.  AVE protein expression and visceral endoderm cell behavior during anterior–posterior axis formation in mouse embryos: Asymmetry in OTX2 and DKK1 expression　Hideharu Hoshino, Go Shioi, Shinichi Aizawa　Developmental Biology Volume 402, Issue 2, 15 June 2015, Pages 175-191 Developmental Biology　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012160615001748
2. An anterior signalling centre in Xenopus revealed by the homeobox gene XHex C.Michael Jones1 jonesm@icr.ac.uk ∙ Joanne Broadbent2 ∙ Paul Q. Thomas3 ∙ James C. Smith4 ∙ Rosa S.P. Beddington3　Current Biology　Volume 9, Issue 17p946-S1-954September 09, 1999 https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(99)80421-7　　 (f) Animal pole view of stage 10.5 gastrula shows that cerberus expression is detected in a wider domain of the deep endoderm than is XHex (b). 背景より In Xenopus, the putative head inducer cerberus is expressed initially in deep endodermal cells adjacent to the involuting tissues of Spemann’s organiser [7]. Is this tissue the equivalent of the anterior visceral endoderm in the early mouse and rabbit embryo? Here, we have addressed this question by analysing the expression and function of XHex, the Xenopus cognate of murine Hex (also known as Prh) [8,9].

DEVからAVEへの細胞移動

1. Nodal signaling from the visceral endoderm is required to maintain Nodal gene expression in the epiblast and drive AVE migration　Dev Biol. 2014 Dec 20;400(1):1–9. doi: 10.1016/j.ydbio.2014.12.016　https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4806383/　
2. Induction and migration of the anterior visceral endoderm is regulated by the extra-embryonic ectoderm Tristan A Rodriguez 1, Shankar Srinivas, Melanie P Clements, James C Smith, Rosa S P Beddington　Development . 2005 Jun;132(11):2513-20. doi: 10.1242/dev.01847. Epub 2005 Apr 27.

中胚葉誘導と体軸形成との関係

Mesoderm induction and axis formation are tightly correlated processes in developmental biology, particularly during early embryogenesis. Here’s how they are interconnected:

1. Mesoderm Induction: This process begins during gastrulation, where signaling molecules like Nodal, BMP, and Wnt help induce the formation of mesoderm from the epiblast. The mesoderm gives rise to various tissues, including muscles, bones, and the circulatory system.
2. Organizer and Axis Formation: The Spemann-Mangold organizer (in amphibians) or the Hensen’s node (in mammals) plays a central role in both mesoderm induction and the formation of the body axis. The organizer secretes BMP antagonists (such as Chordin, Noggin, and Follistatin) that create a dorsal-ventral gradient essential for patterning the mesoderm and establishing the anterior-posterior and dorsal-ventral axes.
3. Signaling Pathways:
   • Nodal signaling: Initiates mesoderm formation and is essential for the primitive streak formation, which defines the body axis (anterior-posterior).
   • BMP inhibition by molecules like Chordin and Noggin, secreted from the organizer, is crucial for dorsalization and axis formation. Without this inhibition, mesoderm would not form correctly, leading to a lack of proper axis formation.

In summary, mesoderm induction and axis formation are closely linked, with key signaling molecules from the organizer region guiding both the formation of mesodermal tissue and the establishment of the body axis during early development.

1. ChatGPT 4o

In mice, around embryonic day (E) 6.0, at the time when gastrulation begins, mouse PGCs (mPGCs) are specified as about 10 cells in the most posterior part of epiblast, the cup-shaped simple pluripotent epithelium, from which all of the embryonic portion are derived (Fig. 1.1). This process occurs in response to bone morphogenetic protein 4 (BMP4) [25] produced by the extraembryonic ectoderm (ExE), an extraembryonic part of conceptus in intimate contact with the edge of the epiblast (Fig. 1.1).　https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/extraembryonic-ectoderm