ホップフィールドネットワーク（Hopfield Network）は昔から名前は知っているのですが、何かという理解は全くしていませんでした。そうこうするうちにホップフィールドさんは２０２４年度ノーベル物理学賞を獲ってしまいました。
わかりやすい巷の解説のリンク集をつくっておきます。
aptamerを用いてコルチゾールをリアルタイムで測定するための原理は、通常、アプタマーとターゲット分子（この場合はコルチゾール）との特異的な結合を利用します。アプタマーは、特定のターゲット分子に対して高い親和性と選択性を持つ短い一本鎖DNAやRNAのオリゴヌクレオチドです。この特性を利用して、以下のような手法でリアルタイム測定が行われます。
- アプタマーの結合と構造変化:
- アプタマーは、コルチゾールと結合することでその構造が変化します。この構造変化を検出するために、蛍光標識や電気化学的な検出システムを用いることがあります。
- 例えば、蛍光標識を用いる場合、アプタマーに蛍光物質と消光剤が結合しており、アプタマーがコルチゾールと結合することで蛍光が変化する仕組みです。これにより、蛍光の変化量をリアルタイムでモニタリングし、コルチゾール濃度を測定することが可能です。
- 電気化学的検出:
- アプタマーが電極上に固定され、コルチゾールと結合することで電気化学的な信号が変化することを利用する手法もあります。コルチゾールの結合によるアプタマーの構造変化が、電気的インピーダンスや電流応答に変化を与えるため、これをリアルタイムで測定してコルチゾール濃度を評価します。
- 比率型蛍光アプタマーセンサー:
- コルチゾールに応じて蛍光強度が変わるように設計された二重ラベルアプタマーを使うことで、環境条件や光路の影響を受けにくい安定したリアルタイム測定が可能になります。この方法では、蛍光の比率変化を測定することで、正確なコルチゾール濃度を得ることができます。
これらの方法のいずれも、アプタマーの高い特異性を利用してコルチゾールと選択的に結合させ、その結合の変化をリアルタイムで検出することで測定を行います。これにより、ストレスホルモンであるコルチゾールの変動をリアルタイムに追跡することが可能になります。
(ChatGPT 4o)
核酸アプタマーがコルチゾールのような小さな分子に結合できる理由は、主に以下のような核酸アプタマーの特性に基づいています。
1. 高い構造多様性と適応性:
- 核酸（DNAやRNA）は、塩基配列の組み合わせによって多様な三次元構造を形成することができます。これにより、アプタマーは特定のターゲット分子に適した形状や結合ポケットを形成できます。
- アプタマーは、一本鎖のDNAやRNAであるため、ランダムコイル状の構造から、ターゲット分子に結合する際に立体的に適した形に変化できます。これにより、コルチゾールのような小さな分子の形状や化学特性にぴったり合うように折りたたまれることが可能です。
2. 非共有結合的相互作用（特に水素結合や疎水性相互作用）:
- コルチゾールはステロイドホルモンで、疎水性の領域と極性を持つ部分（例えば、酸素や水酸基）があります。アプタマーの特定の塩基配列がこれに対応するような立体構造を形成することで、コルチゾールの疎水性部分とアプタマーの疎水性ポケットとの間で疎水性相互作用が発生します。
- また、コルチゾールの極性基（水酸基など）とアプタマーの塩基間で水素結合を形成することができ、これが結合の特異性と強さをもたらします。核酸の塩基（アデニン、シトシン、グアニン、チミンまたはウラシル）は、それぞれ特定の水素結合を形成する能力を持っているため、ターゲットに対して高い親和性を発揮します。
3. SELEX法による選択プロセス:
- アプタマーが特定の分子（コルチゾールなど）に強く結合する能力は、一般にSELEX（Systematic Evolution of Ligands by EXponential enrichment）という技術によって得られます。この技術では、ランダムな塩基配列からなる巨大なライブラリー（数十億種類のアプタマー）を使って、コルチゾールに強く結合するアプタマーを選び出します。
- SELEXプロセスでは、コルチゾールに対して最も強く、そして選択的に結合するアプタマーが繰り返し選択され、最終的には高い親和性と特異性を持つアプタマーが得られます。このようにして、核酸がコルチゾールのような分子に結合するための「形」や「結合部位」を持つようになります。
4. 結合の可逆性とリアルタイム測定:
- アプタマーとコルチゾールとの結合は非共有結合的な相互作用に基づくため、可逆的であり、リアルタイムでの濃度変化の測定が可能です。アプタマーは、コルチゾールが増減するたびに結合・解離を繰り返し、これを検出装置でモニタリングすることで、リアルタイムでの測定が実現します。
核酸が持つこのような柔軟性と選択的な相互作用の特性により、アプタマーはコルチゾールを含む様々な小分子をターゲットにできるのです。
(ChatGPT 4o)
コルチゾールに結合するアプタマーの具体的な例として、研究で報告されているものをいくつか挙げることができます。アプタマーの塩基配列や長さは、研究者によって最適化されたものが使われており、SELEX法によって選別されています。一般的に、コルチゾール結合アプタマーは20〜80塩基程度の長さで設計されていますが、より高い特異性や親和性を得るために、その長さや配列が調整されます。
1. 例：研究での報告例
- コルチゾールに特異的に結合するアプタマーの一例として、以下のような配列が報告されています（具体的な研究例を引用する形ではなく、一般的な範囲を示します）：
このような配列は、ターゲットであるコルチゾールとの結合部位を形成するために特定の二次構造（ステムループ構造やヘアピン構造など）を取るように設計されています。
2. 一般的な長さ
- アプタマーの長さは、通常20〜80塩基の範囲にあり、30〜50塩基が標準的な長さです。この範囲が一般的である理由は、短すぎると特異的な結合サイトを十分に形成できない一方、長すぎると非特異的な結合や構造が増えてしまうためです。したがって、コルチゾールに対して適切に結合するための二次構造を安定して形成できる長さが選ばれます。
3. 配列の役割
- アプタマーの配列は、コルチゾールの分子構造に合わせて、水素結合や疎水性相互作用を適切に行えるように設計されています。例えば、塩基配列中の特定のG（グアニン）やC（シトシン）の位置は、結合の強さを高めるための水素結合の形成に関与することが多いです。また、アプタマー全体の立体構造が、コルチゾールがフィットするポケットのような形状をとるように、選択された配列が配置されています。
具体的な研究文献や特許に基づく配列を示す場合、より詳細な情報を得るためには、各研究論文や特許文献を参照する必要があります。
(ChatGPT 4o)
下の動画は説明がうまくて非常にわかりやすい解説だと思いました。四肢の発生は複雑ですが、形態形成の概念、シグナル分子、遺伝子変異による形態の変化など、テンポ良く解説していってくれます。
Tetrapod limb development | Molecules and signaling pathways regulating Limb development| Embryology Animated biology With arpan チャンネル登録者数 29.3万人 （１７：２８）
The Embryology Behind Congenital Hand Differences Little Arms: a resource for parents and physicians チャンネル登録者数 2390人
Congenital deformities of the Upper Limb Orthopaedic Principles チャンネル登録者数 4.82万人
Congenital hand I: Embryology, classification, and principles
Activation of the WNT-BMP-FGF Regulatory Network Induces the Onset of Cell Death in Anterior Mesodermal Cells to Establish the ANZ Front. Cell Dev. Biol., 08 November 2021 Sec. Cell Death and Survival Volume 9 – 2021 | https://doi.org/10.3389/fcell.2021.703836
Front. Genet., 07 January 2019 Sec. Stem Cell Research Volume 9 – 2018 | https://doi.org/10.3389/fgene.2018.00705 This article is part of the Research Topic FGF10 in Development, Homeostasis, Disease and Repair After Injury View all 19 articles Fibroblast Growth Factor 10 and Vertebrate Limb Development https://www.frontiersin.org/journals/genetics/articles/10.3389/fgene.2018.00705/full
2017年 https://anatomypubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/dvdy.24480
Developmental Biology Volume 273, Issue 2, 15 September 2004, Pages 361-372 Developmental Biology The roles of Fgf4 and Fgf8 in limb bud initiation and outgrowth https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012160604004282 
Early developmental arrest of mammalian limbs lacking HoxA/HoxD gene function Save Related Papers Chat with paper Marie Kmita, Basile Tarchini, Jozsef Zàkàny, Malcolm Logan, Clifford J. Tabin & Denis Duboule Nature volume 435, pages1113–1116 (2005) Published: 23 June 2005 https://www.nature.com/articles/nature03648 
15 November 2002 growth arrest specific gene 1 acts as a region-specific mediator of the Fgf10/Fgf8 regulatory loop in the limb Ying Liu, Chunqiao Liu, Yoshihiko Yamada, Chen-Ming Fan Author and article information Development (2002) 129 (22): 5289–5300.
https://blogs.cuit.columbia.edu/postdocsociety/2023/03/
https://www.nature.com/articles/cdd201311
https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fwww.sciencedirect.com%2Fscience%2Farticle%2Fpii%2FS0012160615302037&psig=AOvVaw3qCn9BWEFinOa3eNpXTrAj&ust=1733497257045000&source=images&cd=vfe&opi=89978449&ved=2ahUKEwirmonT8pCKAxU_hVYBHUAfDwcQjhx6BAgAEBo
https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fwww.nature.com%2Farticles%2Fnrg2681&psig=AOvVaw1-txHm7BqoBdO_77zfX8Vu&ust=1733497575697000&source=images&cd=vfe&opi=89978449&ved=2ahUKEwjRlYLr85CKAxX3hVYBHfQmHMQQjhx6BAgAEBo
ArticlePDF Available Chordin regulates primitive streak development and the stability of induced neural cells, but is not sufficient for neural induction in the chick embryo Save Related Papers Chat with paper March 1998Development 125(3):507-19 DOI:10.1242/dev.125.3.507
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925477304001303
神経誘導に必要なシグナル経路はBMP、FGF、WNTのどれでしょうか？カエルやマウスやニワトリの論文をバラバラに読むと、いろいろなシグナルの重要性が報告されており、どれが本当のところ重要なのか整理がつきにくくなってきます。
The molecular mechanism that initiates the formation of the vertebrate central nervous system has long been debated. Studies in Xenopus and mouse demonstrate that inhibition of BMP signaling is sufficient to induce neural tissue in explants or ES cells respectively, whereas studies in chick argue that instructive FGF signaling is also required for the expression of neural genes.
The response of early neural genes to FGF signaling or inhibition of BMP indicate the absence of a conserved neural induction module BMC Developmental Biology volume 11, Article number: 74 (2011)https://bmcdevbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/1471-213X-11-74
ニワトリ胚の神経誘導はカエルほど単純ではないようです。
In Xenopus, the release from the inhibitory, epidermal inducing signal bone morphogenetic protein-4 (BMP-4) by antagonizing secreted factors such as chordin, noggin, and follistatin, or by simple cell dissociation, seems to be sufficient to make ectodermal cells develop into neural tissue. Several lines of evidence in amniotes suggest a much higher degree of complexity. In the chick, inhibition of the BMP signaling pathway does not lead to neural differentiation, nor can BMPs prevent initial induction. However, antagonism between BMP-4 and chordin seems to play a role in controlling the extent of the neural plate once it is formed.
Cell Lineage and Fate Determination 1999, Pages 437-449 29 – More to Neural Induction Than Inhibition of BMPs Andrea Streit , Claudio D. Stern https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B9780125052559500304?via%3Dihub
Consensus.aiに訊いてみました。
神経誘導に必要なシグナル：BMPかFGFか
神経誘導は、胚の外胚葉から脊椎動物の神経系を生成する最初のステップです。この過程において、BMP（骨形成タンパク質）とFGF（線維芽細胞成長因子）のシグナルがどのように関与しているかについて、多くの研究が行われています。
主要な知見
BMPの抑制が必要だが不十分
FGFシグナルの重要性
BMPとFGFの相互作用
モデル生物間の違い
結論
神経誘導にはBMPシグナルの抑制が必要ですが、それだけでは不十分であり、FGFシグナルも重要な役割を果たします。これらのシグナルは相互に作用し、神経運命の指定を促進します。したがって、神経誘導にはBMPの抑制とFGFシグナルの両方が必要です。
カエル
ニワトリ
Post-transcriptional tuning of FGF signaling mediates neural crest induction Jacqueline Copeland and Marcos Simoes-Costa simoescosta@cornell.eduAuthors Info & Affiliations PNAS December 21, 2020 117 (52) 33305-33316https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2009997117
15 June 2000 Region-specific activation of the Xenopus Brachyury promoter involves active repression in ectoderm and endoderm: a study using transgenic frog embryos Walter Lerchner, Branko V. Latinkic, Jacques E. Remacle, Danny Huylebroeck, James C. Smit
Brachyury Knockdown Phenotype in Xenopus
Brachyury (Xbra) is a crucial gene involved in mesoderm formation and notochord differentiation in vertebrates, including Xenopus. The following synthesis presents the key findings from multiple research papers on the phenotype observed when Brachyury is knocked down in Xenopus.
Key Insights
- Failure in Gastrulation Movements:
- Down-Regulation of Downstream Genes:
- Morphological Defects:
- Both genetic knockout (KO) and morpholino-mediated knockdown (KD) of Brachyury in Xenopus result in virtually identical morphological defects, indicating the critical role of Brachyury in early development2.
- Off-Target Effects and Immune Response:
- Morpholino-mediated knockdown of Brachyury can induce off-target splicing defects and a systemic immune response, which can be mitigated but not entirely eliminated by optimizing morpholino dosage and incubation conditions2.
Conclusion
Knockdown of Brachyury in Xenopus leads to significant developmental issues, primarily characterized by the failure of gastrulation movements due to disrupted convergent extension. This is accompanied by the down-regulation of key downstream genes like Xwnt11. While both genetic knockout and morpholino-mediated knockdown produce similar morphological defects, the latter can also cause off-target effects and immune responses. These findings underscore the essential role of Brachyury in early vertebrate development and the complexities involved in gene knockdown studies.
(consensus.ai)
Consensus.aiによるまとめ。
Introduction
The transplantation of the node, a critical embryonic structure, has been studied for its ability to induce ectopic body axes in both mice and chicks. This research explores the node’s role in axis formation and its potential to organize and pattern embryonic development when transplanted to non-native locations.
Key Insights
- Induction of Ectopic Neural Axis in Mice:
- Transplanting the mouse node to a posterolateral location in a host embryo induces a second neural axis and ectopic somites. The graft predominantly forms notochord and endoderm, while the host contributes to neurectoderm and somites.
- Induction of Ectopic Axis in Chicks:
- Hensen’s node in chick embryos can induce a complete embryonic axis, including a fully patterned central nervous system, when transplanted to an ectopic site. This includes host-derived neural tissue.
- Role of Node in Axis Formation:
- The mouse node is crucial for the formation of the notochord, floor plate, and gut endoderm. Its ablation leads to the recruitment of surrounding tissues to restore the neural tube and paraxial mesoderm, although the body axis may be foreshortened and somite formation delayed.
- Synergistic Activity in Axis Induction:
- In mice, the combination of the early gastrula organizer (posterior epiblast), anterior visceral endoderm, and anterior epiblast is necessary to induce anterior neural structures and form an ectopic axis. The anterior germ layer tissues alone do not act as a classical organizer5.
- Molecular Mechanisms in Chicks:
- The protein Tsukushi (TSK) in chicks inhibits BMP signaling, which is essential for the formation of Hensen’s node and the induction of an ectopic node when combined with the middle primitive streak7.
Conclusion
The transplantation of the node in both mice and chicks can induce the formation of ectopic body axes, demonstrating its critical role in embryonic patterning. In mice, the node primarily contributes to the notochord and endoderm, while（全然対比になっていない。。） in chicks, Hensen’s node can induce a complete axis including neural tissues. The induction of anterior neural structures in mice requires a combination of specific germ layer tissues, highlighting the complexity of axis formation. Molecular mechanisms, such as BMP inhibition by Tsukushi in chicks, further elucidate the processes involved in node-induced axis formation.
