陥入
陥入中の細胞シート

陥入とは、表面が折り重なって空洞、袋、または管を形成する過程である。発生生物学では、上皮シートの陥入は胚発生のさまざまな状況で起こる。陥入は、多くの生物の原腸形成の際の原始的な腸の形成、脊椎動物の神経管の形成、および無数の臓器と感覚構造の形態形成に重要である。最も徹底的に研究されてきた陥入モデルには、キイロショウジョウバエの腹側溝、神経管形成、および多くの海洋生物の原腸形成がある。陥入の細胞メカニズムは状況によって異なるが、その核心では、この圧力によって組織が曲がるように、細胞シートの片側の力学を変化させることが関わっている。

この用語はもともと発生学で使用されていましたが、他の分野でも採用されています。

歴史

組織の陥入のプロセスは、1世紀半以上も科学者を魅了してきました。当初から、科学者たちは、陥入のプロセスを、胚に作用する力によって生じる機械的プロセスとして理解しようと努めてきました。[ 1 ]たとえば、スイスの生物学者ヴィルヘルム・ヒスは、ニワトリの神経管の陥入を観察し、さまざまな材料のシートを使用してこのプロセスのモデル化を実験し、神経板の側端からの押す力が陥入を促進する可能性を示唆しました。[ 2 ]次の世紀を通じて、科学者たちは陥入のメカニズムについて推測し、多くの場合、物理的な類似物、 [ 3 ]、または特に近年では、数学的および計算モデルを使用して、このプロセスのモデルを作成しました。

細胞メカニズム

陥入は細胞レベルで様々なメカニズムによって引き起こされる。上皮の屈曲を引き起こす力発生メカニズムに関わらず、陥入のほとんどの事例では典型的な細胞形状の変化がみられる。上皮の環境にさらされる側（頂端側）では細胞表面が収縮し、基底膜に接する側（基底側）では細胞表面が膨張する。そのため、細胞はくさび形になる。これらの細胞の形状変化に伴い、組織は頂端面の方向に屈曲する。多くの場合（全てではないが）、このプロセスにはアクチン-ミオシン細胞骨格による頂端面の能動的な収縮が関与している。さらに、陥入過程のほとんどでは頂端面が収縮するが、ゼブラフィッシュの眼杯形成や中脳後脳境界の形成など、逆の現象、すなわち基底面が収縮し頂端面が拡張するケースも観察されている。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]

頂端狭窄

頂端狭窄により単層の細胞が陥入する

頂端収縮は、細胞の頂端側を収縮させる能動的なプロセスである。これにより、細胞の形状は柱状または立方体からくさび形に変化する。頂端収縮は、アクチンとミオシンというタンパク質がアクチン-ミオシン細胞骨格として知られる複雑なネットワークで相互作用することによって起こる。モータータンパク質であるミオシンは、アクチンフィラメントを引っ張ることで力を生み出す。ミオシンの活動は、そのサブユニットの一つであるミオシン調節軽鎖のリン酸化によって制御される。したがって、ミオシンをリン酸化させるRho関連コイルドコイルキナーゼ（ROCK）などのキナーゼや、ミオシンを脱リン酸化させるホスファターゼは、細胞内のアクチンミオシン収縮の調節因子である。[ 7 ]

細胞皮質におけるアクチンとミオシンの配置とそれらが力を生み出す方法は、状況によって異なる可能性がある。胚および細胞培養上皮における頂端狭窄の古典的なモデルは、アクチン-ミオシン束が細胞間の接着結合に関連して細胞の円周に沿って組み立てられることを示した。したがって、アクチン-ミオシン束の収縮は、財布の紐を締めることに例えられるプロセスで頂端表面の狭窄をもたらす。[ 7 ]最近では、マウスのコルチ器官由来の培養上皮の状況において、細胞円周に沿ったアクチンとミオシンの配置が、ミオシンの繰り返し単位が反平行なアクチン束に結合している筋肉のサルコメアに似ていることも示された。[ 8 ]他の細胞では、頂端面中央のミオシンとアクチンのネットワークも頂端収縮を引き起こすことがあります。例えば、ショウジョウバエの腹溝細胞では、アクチンとミオシンの組織化は、放射状に配置された筋サルコメアに類似しています。[ 9 ] [ 10 ]状況によっては、アクチンとミオシンの「皮質流」がそれほど明確に組織化されていない場合でも、頂端面の収縮を引き起こすことがあります。[ 8 ]

基礎弛緩

頂端収縮中に細胞容積を一定に保つには、細胞は高さを変えるか、細胞の基底表面を拡張する必要があります。基底弛緩の過程は十分に研究されていませんが、頂端収縮の過程が細胞基底表面におけるアクチン-ミオシンネットワークの積極的な分解と並行して起こり、細胞の基底側が拡張することを直接観察した例もあります。例えば、ショウジョウバエの腹側溝陥入[ 11 ] [ 12 ]やニワトリの耳板形成[ 13 ] [ 14 ]において、この現象が観察されています。

細胞の高さの変化

陥入は細胞の高さの変化を伴い、またその変化によって引き起こされることもある。頂端狭窄が起こると、一定の細胞容積を維持するために細胞が伸長し、その結果上皮が肥厚する。しかし、頂基底軸に沿った細胞の短縮も、陥入中に形成される窪みを深くするのに寄与する。[ 15 ]細胞短縮を引き起こす細胞形状の能動的な変化が、いくつかのケースで陥入に寄与することが示されている。例えば、ショウジョウバエの脚上皮では、アポトーシスを起こした細胞が収縮し、アクチンとミオシンでできた頂基底ケーブルを介して上皮の頂端表面を引っ張る。[ 16 ]ホヤの原腸陥入で起こる陥入では、細胞はまず頂端狭窄を起こし、次に形状が丸くなるように（つまり頂基底軸に沿って短くなるように）変化し、これが陥入運動の完了を担っている。[ 17 ]細胞分裂の過程で、細胞は自然に丸みを帯びた形態をとる。有糸分裂中の細胞の丸み化によって引き起こされる細胞高の急激な低下は、ショウジョウバエの気管プラコードの陥入にも関与していることが示唆されている。[ 18 ]

細胞上ケーブル

細胞上アクチンミオシンケーブルは、隣接する細胞間を整列し、細胞接合部によって接続されたアクチンとミオシンの構造である。[ 12 ]これらのケーブルは、胚発生中の形態形成において多くの役割を果たしており、陥入もその一つである。[ 19 ]陥入は、個々の細胞の頂端収縮のみに依存するのではなく、ショウジョウバエの唾液腺陥入の場合のように、陥入部位の周囲で収縮するこのケーブルからの圧縮力によって駆動されることもある。[ 20 ] [ 21 ]ニワトリ胚の神経管形成では、陥入部位を横切るように伸びる細胞上ケーブルの列が組織を引っ張り、管状に曲がりやすくする。[ 19 ] [ 22 ] [ 23 ]

注目すべき例

ショウジョウバエの腹溝

ショウジョウバエ胚における腹溝の形成。細胞核（青）、膜（緑）、ミオシン（赤）が染色されている。

陥入の最もよく研​​究されているモデルの一つは、キイロショウジョウバエ（Drosophila melanogaster）の腹側溝である。この構造の形成は、ショウジョウバエの原腸形成における最初の主要な細胞運動の一つである。この過程では、将来の中胚葉（胚の腹側正中線に沿った細胞領域）が内側に折り畳まれ、腹側溝を形成する。この溝は最終的に胚内部で挟まれて管状になり、最終的には平らになって腹側表面の下に組織層を形成する。[ 24 ]

腹側溝の形成は、将来の中胚葉細胞の頂端収縮によって促進され、細胞はまず頂端表面に沿って平らになり、次に頂端膜が収縮する。この文脈における頂端収縮の作用機序に関する古典的なモデルは、頂端細胞表面の円周に沿ってアクチン-ミオシン帯が収縮する「巾着」機構に基づいていた。[ 25 ] しかし、最近の研究では、細胞側面の細胞接合部にはアクチンの円周帯があるものの、頂端収縮を駆動するのは実際には頂端表面全体に放射状に配置されたアクチン-ミオシンネットワークであることが明らかになっている。[ 26 ]この構造は、筋サルコメアの放射状バージョンのように機能する。[ 10 ]ミオシンによって生成された力は、細胞の中心に向かって収縮を引き起こす。細胞は連続的に収縮するのではなく、パルス状に収縮する。収縮の合間には、細胞の周囲のアクチンネットワークが細胞の縮小したサイズを安定化させ、頂端面のサイズが徐々に縮小することを可能にする。[ 26 ]頂端収縮に加えて、接着結合を介した細胞間の接着は、これらの個々の細胞レベルの収縮を組織全体の変形に変換する上で重要である。

遺伝学的には、腹側溝の形成は、溝形成前に将来の腹側中胚葉で発現する転写因子twistとsnailの活性に依存しています。 [ 25 ] twistの下流にはFogシグナル伝達経路があり、細胞の頂端領域で起こる変化を制御します。[ 27 ]

神経管形成

マウスの胚における神経管形成の漫画。中央ヒンジポイントと側面に沿った組織座屈ポイントを示しています。

科学者たちは 1800 年代後半から脊椎動物の胚における神経管形成の過程を研究してきた。[ 2 ]両生類、爬虫類、鳥類、哺乳類を含む脊椎動物グループ全体で、神経管 (脊髄の胚の前駆細胞) は神経板が管状に陥入することで形成され、これを一次神経管形成という。魚類(および状況によっては他の脊椎動物) では、神経管は陥入を介さない二次神経管形成という過程によっても形成される。[ 24 ]脊椎動物の種間で一次神経管形成のメカニズムに若干の違いはあるものの、全体的な過程は同様である。神経管形成では神経板の中央に内側ヒンジ ポイントが形成され、そこで組織の曲がりが開始される。内側ヒンジ ポイントの細胞はくさび形になる。アフリカツメガエルの胚など、いくつかの状況では、この細胞の形状変化は頂端収縮によるものと思われます。[ 28 ] [ 29 ]しかし、ニワトリやマウスでは、このヒンジポイントでの曲がりは頂端収縮ではなく、基底くさび形成と呼ばれるプロセスによって媒介されています。[ 12 ] [ 30 ] [ 31 ]この場合、細胞は非常に薄いため、核が細胞の基底側に移動することで、細胞の基底部分が膨らみます。このプロセスは、細胞分裂がどのように起こるかによって制御されている可能性があります。アクチン-ミオシンケーブルの収縮も神経板の陥入に重要です。神経板全体に伸びる細胞上アクチンケーブルは、組織を引っ張るのに役立ちます（§ 細胞上ケーブルを参照）。さらに、隣接する組織から神経板に押し付けられる力も神経板の折り畳みに役割を果たしている可能性がある。[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]

ウニの原腸形成

ウニの原腸形成中の原腸陥入

ウニの原腸陥入は、発生学における陥入のもう一つの古典的なモデルである。ウニにおける初期の原腸陥入運動の一つは、胚の植物側（植物板）の細胞領域が陥入し、原腸、すなわち将来の腸管となる部分が形成されることである。原腸の陥入には複数の段階があり、第一段階では組織が最初に折り畳まれ、第二段階では原腸が伸長し、そして種によっては第三段階では原腸が細胞腔の反対側に接触し、伸長を完了する。[ 24 ]

頂端狭窄は原腸陥入で起こり、植物板中央の「ボトル細胞」と呼ばれる細胞の輪がくさび形になる。[ 35 ]しかし、陥入はボトル細胞の頂端狭窄によってのみ駆動されるとは思われず、アクチン重合の阻害[ 36 ]またはボトル細胞の除去では陥入が完全にブロックされない。[ 35 ]このプロセスに関与するいくつかの他のメカニズムが提案されており、胚体外細胞外マトリックスの役割も含まれる。[ 37 ]このモデルでは、異なるタンパク質でできた細胞の頂端表面に2層の細胞外マトリックスがある。植物板の細胞が吸水性に優れた分子（コンドロイチン硫酸プロテオグリカン）を内層に分泌すると、この層が膨張し、組織が内側に座屈する。[ 36 ]このプロセスにはいくつかの遺伝的経路が関与している。非典型的な平面細胞極性経路を介したWntシグナル伝達は重要であることが示されており、その下流標的の一つは低分子量GTPase RhoAである。FGFシグナル伝達もまた陥入に役割を果たしている。[ 38 ]

ナメクジウオの胚葉形成

ナメクジウオの陥入過程

ナメクジウオにおける陥入は、原腸形成における最初の細胞移動である。この過程はコンクリンによって初めて記述された。原腸形成の過程で、胞胚は陥入によって変形する。内胚葉は内側に向かって折り畳まれ、胞胚腔は二重壁を持つカップ状の構造に変化する。内壁は原腸（アーケンテロン） 、すなわち原始的な腸と呼ばれる。アーケンテロンは原口を通して外部に開口する。外壁は外胚葉となり、後に表皮と神経系を形成する。[ 39 ]

尾索動物の胚葉形成

ホヤ類では、胚葉陥入は原腸形成の過程で最初に起こるメカニズムである。4つの最も大きな内胚葉細胞が、ホヤ類における陥入過程を誘導する。陥入は、細胞シート（内胚葉）の形状変化に基づく内部運動から構成される。ホヤ類の胞胚は、栄養極においてやや扁平化しており、円柱状から楔形へと形状を変化させる。一旦陥入した内胚葉細胞は、外胚葉の下で移動し続ける。その後、原口が形成され、これによって陥入過程が完了する。原口は中胚葉に四方から囲まれる。 [ 40 ]

その他の陥入形態

生物学

地質学

地質学では、陥入は地層の深い陥没を表すために使用されます。ドナルド・L・バーズは「コロラド高原」の中でこの用語を使用しています。

参照

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