文部科学省科学研究費特定領域研究「性分化機構の解明」 *

研究成果

山田 源 YAMADA, Gen
熊本大学生命資源研究・支援センター 
研究項目A03 「性分化異常症の解析」
研究課題 外生殖器発生を制御する泌尿生殖系構築過程の解析

Suzuki,K., Haraguchi,R., Ogata,T., Barbieri,O., Alegria,O., Vieux-Rochas,M., Nakagata,N., Ito,M., Mills,A., Kurita,T., Levi,G. and Yamada,G*. Abnormal urethra formation in mouse models of Split-hand/split-foot malformation type 1 and type 4. Eur J Hum Genet.(European Journal of Human Genetics), in press

研究内容概説―ヒト泌尿生殖系遺伝疾患と遺伝子改変マウスミュータントモデルは対照して研究が行われている。特にヒト疾患は多様な症状を示し、モディファイヤーなどの存在によってその症状がマスクされたりバリエーションが多々出るので、マウスモデル解析からヒト疾患の重要な基盤、疾患としての重要項目が示唆されるのは意義深いと考えられる。SHFM(裂肢症)は古来から有名な四肢において指異常を来す遺伝性疾患であるが、それらの原因遺伝子としてはp63,及びDlx5/6が原因遺伝子として示唆されてきた。これまでマウスモデルを含めてp63,及びDlx5/6が手の裂肢症を示すこと自体は明らかにされていた。
一方謎な要素としてヒト疾患としては裂肢症以外に多様な症状を示し、その中に尿道下裂など泌尿生殖系の異常も疾患本体として含まれるのか否かが重要課題であった。今回Dlx5/6遺伝子ノックアウトマウス解析により、尿道下裂が裂肢症のSHFM1型、および4型の重要な疾患症状であることが初めて明らかとなった。さらに外部生殖器において上皮性に発現する増殖因子のうちBmp7があるが、Bmp7KOマ ウスにおいても尿道下裂症状を示すことが初めて明らかとなった。


原腸陥入の停止制御とEMT:外生殖器、後肢を含む後方体幹部の発生機構

Ohta,S., Suzuki,K., Tachibana,K., Tanaka,H. and Yamada,G. Cessation of gastrulation is mediated by suppression of Epithelial-Mesenchymal Transition (EMT) at the Ventral ectodermal ridge. Development in press

研究内容概説―これまで発生学上の問題としてあまり取り上げられて来なかったが、原腸陥入はどのような分子メカニズムによって停止を迎えるか?
羊膜類の三胚葉形成(外胚葉、中胚葉、内胚葉)において、原始線条近傍のエピブラストは原始溝への陥入運動、すなわち原腸陥入を起こす。陥入したエピブラストは上皮―間充織細胞転換(Epithelial-mesemchymal transition:EMT)を経て、頭尾軸に沿った沿軸中胚葉、中間中胚葉、側板中胚葉などの中胚葉層を形成する。原始線条は胎児発生とともに大部分が退縮・消失する。しかし、一部が残存し、尾部腹側の肥厚した上皮組織へと寄与する。この組織はVentral ectodermal ridge (VER)と呼ばれ、原腸陥入が継続しているか、停止しているかはVERにおいてEMTが生じているか否かが問題であった。さらに原腸陥入を停止に向かわせる因子は何かについても今回解析した。原腸陥入においてEMTは最も肝要な素過程の1つである。EMTの分子機序は、Snail/SlugによるE-Cadherinの転写抑制を介して、上皮細胞間の接着能を解除し細胞が運動能を獲得するものでありTgf-βファミリーのいくつかはSnail/Slugの発現を誘導し、EMTを引き起こすことが知られている。これらを考察すると、EMTを引き起こす因子が阻害されるとEMTの抑制、引いては原腸陥入の停止を迎えることになるか検討した。VER近傍にはBmp2、Bmp4、Bmp7などのBMP遺伝子群の発現が観察され、Nogginの時間的・空間的発現パターンの変化に伴って、BMPシグナルに対する阻害が次第に顕在化し、EMTの抑制を経て原腸陥入の停止に至ると推察された。 
以上立証するために、ニワトリ胚を用いてVER近傍でNogginの過剰発現実験、またBmp2を過剰発現実験を行った。さらに、Noggin KOマウスを用いて解析を行った。その結果、原腸陥入がまだ停止していない時期(尾部形成初期)のNogginの発現量はBMPシグナルによるEMTの誘導を阻害するには十分ではないと考えられた。さらに発生が進むに従って、BMPシグナルは阻害され、EMTは抑制され、その結果として原腸陥入が停止するものと判明した。
原腸陥入の停止メカニズムを理解することは生物のボディープランというパズルに新たな重要なステップを見いだすばかりでなく、Caudal regression syndrome(尾部退行症候群)の発症メカニズムを解明する手がかり、さらには外生殖器、後肢を含む後方体幹部の発生機構の解明に繋がるものと考えられた。


Haraguchi,R., Motoyama,J., Sasaki,H., Satoh,Y., Miyagawa,S., Nakagata,N., Moon,A. and Yamada,G. Molecular analysis of coordinated bladder and urogenital organ formation by Hedgehog signaling. Development 134, 525-533, 2007 doi: 10.1242/dev.02736

研究内容概説―臓器群の協調発生メカニズムについては一般にほとんど解明されていない。泌尿生 殖系器官は骨盤内において管腔状構造が連結形成され、雄では尿や精液、前立腺液などを産生し、体外に排するため外部生殖器と連結して協調発生する。ヘッジホッグの発現を総排泄腔から胎生中後期にかけて発現を見たところ、最初総排泄腔において発現し、その後外部生殖器中の尿道原器(尿道板)、将来の骨盤内尿 道、膀胱内腔上皮に発現していることが判明した。さらにヘッジホッグ系のミュータントマウスでは膀胱壁(平滑筋を有する)及び骨盤内尿道は低形成となり、外生殖器はほぼ形成されていなかった。ヘッジホッグシグナル受容細胞を遺伝的にラベルする系を含め遺伝的組織系譜解析を行った。この結果初めて未分化な総排泄腔近傍間葉(PCM)がヘッジホッグシグナルを受容後、複数の性質の異なる泌尿生殖系間葉に分化することを証明した。このように初めて複数器官、外部生殖器、膀胱や骨盤内尿道に連携する発生メカニズムがあり、発生異常の基盤を明らかにした。また、未分化間葉が性質の異る膀胱間葉、生殖器官に分化する点を解明しつつあることは今後再生医学研究基盤としても注目される結果と考えている。


2007年発表論文

Suzuki,K., Haraguchi,R., Ogata,T., Barbieri,O., Alegria,O., Vieux-Rochas,M., Nakagata,N., Ito,M., Mills,A., Kurita,T., Levi,G. and Yamada,G*. Abnormal urethra formation in mouse models of Split-hand/split-foot malformation type 1 and type 4. Eur J Hum Genet.(European Journal of Human Genetics), in press

Ohta,S., Suzuki,K., Tachibana,K., Tanaka,H. and Yamada,G. Cessation of gastrulation is mediated by suppression of Epithelial-Mesenchymal Transition (EMT) at the Ventral ectodermal ridge. Development in press

Haraguchi,R., Motoyama,J., Sasaki,H., Satoh,Y., Miyagawa,S., Nakagata,N., Moon,A. and Yamada,G. Molecular analysis of coordinated bladder and urogenital organ formation by Hedgehog signaling. Development 134, 525-533, 2007

2006年発表論文

Molecular genetic cascades for external genitalia formation: an emerging organogenesis program. G. Yamada, K. Suzuki, R. Haraguchi, S. Miyagawa, Y. Satoh, M. Kamimura, N. Nakagata, H. Kataoka, A. Kuroiwa, Y.P. Chen Dev. Dyn. 235, 1738-1752, 2006

Cloning and expression analysis of androgen receptor gene in chicken embryogenesis. H. Katoh, Y. Ogino, G. Yamada FEBS Lett. 6, 580, 1607-15, 2006

Trace Elements in Human Tendons and Ligaments. T. Kumai, G. Yamada, Y. Takekura, Y. Tohno, M. Benjamin Biol. Trace Elem. Res. (in press)

Efficient Gene Transduction Technique by Microbubble-Enhanced Sonoporation for embryology. in “Molecular Embryology”P. Sharpe, S. Ohta, K. Suzuki, M. Kamimura, Y. Norikoshi, Y. Zhang, N. Nakagata, K. Tachibana, G. Yamada Humana Press. (in press)

Sonoporation; Efficient Gene Transduction Technique for Embryos. In “DNA Deliver/Gene Transfer”T. Friedmann and J. Rossi, S. Ohta, Y. Ogino, K. Suzuki, M. Kamimura, K. Tachibana, G. Yamada Cold Spring Harbor Laboratory Press. Woodbury, New York. (in press)

2005年発表論文

Shim,JH., Xiao,C., Paschal,AE., Bailey,ST., Rao,P., Hayden,MS., Lee,KY., Bussey,C., Steckel,M., Tanaka,N., Yamada,G., Akira,S., Matsumoto,K., Ghosh,S. TAK1, but not TAB1 or TAB2, plays an essential role in multiple signaling pathways in vivo. Genes Dev.19(22):2668-81.2005. doi:10.1101/gad.1360605

Tanaka,H., Nagaike.K., Takeda,N., Itoh,H., Kohama,K., Fukushima,T., Miyata,S., Uchiyama,S., Uchinokura,S., Shimomura,T., Miyazawa,K., Kitamura,N., Yamada,G. and Kataoka,H. Hepatocyte Growth Factor Activator Inhibitor Type 1 (HAI-1) is Required for Branching Morphogenesis in the Chorioallantonic Placenta. MCB.25:5687-5698,2005. doi:10.1128/MCB.25.13.5687-5698.2005

Yamada,G. Reproductive/urogenital organ development and the molecular genetic cascades; glamorous developmental processes of bodies. J.Biochem.137(6):665-669,2005.doi:10.1093/jb/mvi085

Kamikawa-Miyado,M., Ogi,H., Ogino, Y., Katoh,H., Suzuki,K., Uemura,M., Kitoh,J., Oda,S. and Yamada,G. The morphological and histological characters of the male external genitalia of the house musk shrew, Suncus murinus. Zoolog Sci. 22:463-8, 2005

Ogi,H., Suzuki,K., Ogino,Y., Kamimura,M., Miyado,M., Ying,X.,Zhang,Z.,Shinohara,M., Chen,YP. and Yamada,G. The ventral abdominal wall dysmorphogenesis of Msx1/Msx2 double-mutant mice. Anatomical Record 31;284A:424-430, 2005

Kuroda,N., Mitani,T., Takeda,N., Ishimaru,N., Arakaki,R., Hayashi,.Y, Bando.,Y, Izumi,K., Takahashi,T., Nomura.,T, Sakaguchi,S., Ueno.T, Takahama,Y., Uchida,D., Sun,S., Kajiura,F., Mouri.,Y, Han,H., Matsushima,A., Yamada,G., and Matsumoto,M. Development of Autoimmunity against Transcriptionally Unrepressed Target Antigen in the Thymus of Aire-Deficient Mice. J.Immunology 174: 1862-1870,2005.

Alappat,SR., Zhang,Z., Suzuki,K., Zhang,X., Liu,H., Jiang,R., Yamada,G. and Chen,Y. The cellular and molecular etiology of the cleft secondary palate in Fgf10 mutant mice. Dev Biol. 277:102-13, 2005.

2004年発表論文

Ogino,Y., Katoh,H. and Yamada,G. Androgen dependent development of a modified anal fin, gonopodium, as a model to understand the mechanism of secondary sexual character expression in vertebrates. FEBS Lett. 575:119-26, 2004.

Satoh,Y., Haraguchi,R., Wright,T.J., Mansour,S.L., Partanen,J., Hajihosseini,M.K., Eswarakumar,V.P., Lonai,P., Yamada,G. Regulation of external genitalia development by concerted actions of FGF ligands and FGF receptors. Anat Embryol (Berl). 208:479-86, 2004.

Suzuki,K., Shiota,K., Zhang,Y., Lei,L., Yamada,G. Development of the mouse external genitalia: unique model of organogenesis. Adv Exp Med Biol.545:159-72, 2004.

Tucker,A., Watson,R.P., Lettice,L.A., Yamada,G. and Hill2, R.E. Bapx1regulates patterning in the middle ear: Altered regulatory role in the transition from the proximal jaw during vertebrate evolution. Development 131, 1235-45, 2004.

Itoh,H., Naganuma,S., Takeda,N., Miyata,S., Uchinokura,S., Fukushima,T., Uchiyama,S., Tanaka,H., Nagaike,K., Shimomura,T., Miyazawa,K., Yamada,G., Kitamura,N., Koono,M. and Kataoka,H. Regeneration of injured intestinal mucosa is impaired in hepatocyte growth factor activator-deficient mice. Gastroenterology. 127:1423-35, 2004.