四肢の形成の分子シグナル

ニワトリ胚を使った実験で、FGF4産生細胞を脇腹（本来四肢が生じない場所）に移植すると、そこにエキストラの肢芽が生えてきて脚になるということが示されています。

1. An Additional Limb Can Be Induced from the Flank of the Chick Embryo by FGF4 Biochemical and Biophysical Research Communications Volume 209, Issue 3, 26 April 1995, Pages 809-816

肢芽 limb budの細胞は上皮間葉転換によって生じた間葉系細胞か

consensus.aiに訊いてみました。

The formation of vertebrate limb buds is a critical process in developmental biology, involving the transformation of specific cells to initiate limb development. This process is believed to be driven by epithelial-to-mesenchymal transition (EMT), where epithelial cells convert into mesenchymal cells, which are more migratory and capable of forming the limb structure.

Key Insights

• Localized EMT Initiates Limb Bud Formation:
  • Limb buds form through a localized EMT of the coelomic epithelium within the presumptive limb fields, regulated by genes such as Tbx5 and Fgf101 2.
  • The mesenchymal limb progenitors arise specifically from this EMT process, rather than from differential cell proliferation1 2.
• Role of Lateral Plate Mesoderm (LPM):
  • The somatic LPM undergoes EMT to produce mesenchymal cells that contribute to limb bud formation. This process is driven by transcriptional regulators like PRRX1 and TWIST1, although further functional data are needed to fully understand these mechanisms2.
• Epithelial-Mesenchymal Interactions:
  • Limb bud development involves interactions between the mesenchymal cells of the lateral plate mesoderm and the overlying ectodermal cells, highlighting the importance of epithelial-mesenchymal interactions in early morphogenesis4 5.
• In Vitro Limb Bud Formation:
  • Limb bud-like tissues can be induced from murine pluripotent stem cells in vitro, demonstrating the potential to recreate the mesenchymal/epithelial complex tissues necessary for limb development3.

Conclusion

The origin of limb buds is indeed mesenchymal cells derived from epithelial-to-mesenchymal transition. This process is initiated by localized EMT in the coelomic epithelium and the somatic lateral plate mesoderm, regulated by specific genes and involving critical epithelial-mesenchymal interactions. These findings underscore the fundamental role of EMT in the early stages of limb bud formation.

1. Vertebrate Limb bud formation is initiated by localized Epithelial to Mesenchymal Transition Jerome Gros 1,#, Clifford J Tabin　Science. 2014 Mar 14;343(6176):1253–1256. doi: 10.1126/science.1248228 https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4097009/

遺伝子発現やクロマチンの話で、H3K4me3というものをしばしば見かけますが、これは何を意味するのでしょうか？

consensus.appに訊いてみました。

ヒストン修飾は、遺伝子発現の調節において重要な役割を果たします。特に、ヒストンH3のリジン4のトリメチル化（H3K4me3）とリジン27のトリメチル化（H3K27me3）は、遺伝子の活性化と抑制に関連しています。本分析では、これらの修飾が遺伝子発現にどのように影響を与えるかについての研究結果をまとめます。

主要な研究結果

• H3K4me3は遺伝子活性化、H3K27me3は遺伝子抑制に関連
  • H3K4me3は遺伝子の転写開始部位に存在し、遺伝子の活性化に関連している1 2 5 7。
  • H3K27me3は遺伝子の抑制に関連し、特に発生過程や幹細胞の分化において重要な役割を果たす1 2 5 7 9。
• H3K4me3とH3K27me3のバランスが遺伝子の「ポイズド」状態を維持
  • H3K4me3とH3K27me3の両方が同時に存在する「バイバレンシー」は、遺伝子が「ポイズド」状態にあることを示し、発生や分化のシグナルを受け取ると遺伝子の活性化または抑制が起こる2 6。
• 発生過程におけるH3K4me3とH3K27me3の動的変化
  • 発生初期の胚では、H3K4me3が迅速に再構築され、H3K27me3は遅れて再構築される1 5。
  • H3K27me3は、特定の組織や細胞タイプにおいて遺伝子の抑制を動的に調節し、分化過程で特定の遺伝子の発現を許可する10。
• がんにおけるH3K4me3とH3K27me3の役割
  • 前立腺がんでは、H3K4me3とH3K27me3のエピジェネティックなスイッチが遺伝子発現の変化と関連している3。

結論

H3K4me3は遺伝子の活性化に、H3K27me3は遺伝子の抑制に関連しています。これらの修飾は、発生や分化、がんなどのさまざまな生物学的プロセスにおいて重要な役割を果たします。特に、H3K4me3とH3K27me3のバランスが遺伝子の「ポイズド」状態を維持し、適切なシグナルを受け取ると遺伝子の活性化または抑制が起こることが示されています。

転写が活性化される場合に、ヒストンH3の中に多数含まれるリジンのうちの4番めのリジンがトリメチル化（H3K4me3）されます。

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1097276514002044

逆に、転写が抑制される場合に、ヒストンH3の中に多数含まれるリジンのうちの27番めのリジンがトリメチル化（H3K27me3）されます。

下の論文の纏めの模式図は、逆みたいなので、生物種や文脈で異なるのかもしれません。

https://www.researchgate.net/publication/266084583_Poised_chromatin_in_the_mammalian_germ_line/figures?lo=1

K4は4番目のアミノ酸残基という意味ではありません。4番目のリジンという意味です。アミノ酸の配列を見てみましたが、確かに4番めのアミノ酸残基はリジンではありませんでした。

遺伝子発現の制御機構は結構複雑なようです。

植物を用いた研究から、真核生物に広く保存されたヒストン修飾であるH3K9メチル化が、これまでの常識に反して転写の抑制のみならず促進する機能を持つことを明らかにしました。　https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/10403/

1. ヒストンH3（ウィキペディア）
2. Histone H3 lysine 4 methylation is mediated by Set1 and required for cell growth and rDNA silencing in Saccharomyces cerevisiae　doi: 10.1101/gad.940201 Genes & Dev. 2001. 15: 3286-3295　https://genesdev.cshlp.org/content/15/24/3286.long
3. Strahl B.D., Ohba R., Cook R.G., Allis C.D.(1999) Methylation of histone H3 at lysine 4 is highly conserved and correlates with transcriptionally active nuclei in Tetrahymena. Proc. Natl. Acad. Sci. 96:14967–14972.　https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.96.26.14967

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）

左右差を生み出すものが線毛だったという1998年のセル論文は自分には大きな驚きでしたが、その発見は突然現れたものではなく、状況証拠がありました。左右が逆転する突然変異体の原因遺伝子が軸糸ダイニン（axonemal dynein）だったという論文が1997年にでています。

1. Mutation of an axonemal dynein affects left-right asymmetry in inversus viscerum mice D M Supp 1, D P Witte, S S Potter, M Brueckner　Nature 1997https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/9353118/

Mechanism of Ciliary Movement || Structure of Cilia || How do Cilia Move? || Mucociliary Clearnace Nonstop Neuron チャンネル登録者数 13.9万人

How Do Cilia and Flagella Move? XVIVO Scientific Animation チャンネル登録者数 5.64万人

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

当初は繊毛の動きを反時計回りと報告したが、それはビデオの時間解像度が悪くて逆向きに動いたようにみえただけで、もっと高速で撮影したら時計まわりだったということです。

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原著論文・総説論文

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. Physical limits of flow sensing in the left-right organizer　Jun 14, 2017 https://doi.org/10.7554/eLife.25078　Two hypotheses have been proposed for asymmetric flow detection. According to the chemosensing hypothesis, the directional flow establishes a LR asymmetric chemical gradient that is detected by signaling systems which leads to LR asymmetric gene expression and cell responses in the LRO (Okada et al., 2005). The mechanosensing hypothesis, on the other hand, proposes that the LRO cells can detect the mechanical effects of flow. It has been suggested that this mechanosensing is mediated by a particular type of sensory cilia that is able to trigger a local, asymmetric response of the so-called crown cells, which are located at the periphery of the node (mouse LRO) (McGrath et al., 2003; Tabin and Vogan, 2003).
5. Cerberus–Nodal–Lefty–Pitx signaling cascade controls left–right asymmetry in amphioxus Save Related Papers Chat with paper Guang Li, Xian Liu, Chaofan Xing, +2, and Yiquan Wang PNAS March 20, 2017; 114 (14) 3684-3689 https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.1620519114
6. 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
7. Developmental Biology Volume 189, Issue 1, 1 September 1997, Pages 68-78 Developmental Biology Regular Article Organizer Induction Determines Left–Right Asymmetry inXenopus