９９．初期発生と情報伝達 Ｉ

　ヒトは一人では生きられないといいますが、一般に多細胞生物の細胞は１個では生きられません。他の細胞が発したシグナルを受け取って、自分が何をすべきかを判断するというシグナル伝達のウェブのなかで多細胞生物の個々の細胞は生きています。情報はホルモン、フェロモン、サイトカインなどの生理活性物質、神経伝達物質、臭い、光などで細胞に伝えられますが、それらを細胞膜で受け取って細胞内に伝えるのがＧタンパク質共役受容体(G protein coupled receptor = ＧＰＣＲ)であり、これは生命の本質と極めてかかわりの深い物質と言えます（１）。
　ＧＰＣＲはヘビのようにクネクネと分子を折れ曲がらせて細胞膜を７回貫通しているタンパク質で、糖鎖（Ｎ-グリカン）と脂質（パルミトイルグループ）を結合しています（図９９－１）。細胞膜の外側にはみ出した部分に情報物質を受け取る受容体部分があり、ここにリガンドが結合することによってタンパク質全体が構造変化を起こして細胞内に情報を伝えます（図９９－１）。現在ヒトでは約８００種類のＧＰＣＲの存在が報告されています。ほとんどの動物は膨大なＧＰＣＲ分子群を保持していると考えられています（１）。この分子を発見した功績でブライアン・コビルカとロバート・レフコヴィッツは２０１２年のノーベル化学賞を受賞しました（２、図９９－１）。後に出てくる ｗｎｔ （ウィント）もＧＰＣＲグループの分子です。
　図９９－１はウィキペディアから借用した図で、細かいことが色々掲載されていますが、とりあえずＧＰＣＲには細胞外につきだした部分、細胞膜に埋め込まれた部分、細胞内に垂れ下がっている部分の３つの領域があること、そしてペプチド鎖が細胞膜を７回貫通していることを見ておいて下さい。

図９９－１　Ｇタンパク質共役受容体（ＧＰＣＲ）

　幹細胞などの未分化な細胞に何ができるかというと、それは分化と増殖です。それともうひとつ、なにも変化しないでそのまま待機するというのも大事な役割ではあります。極限的な幹細胞は卵ですが、卵も受精するまではなるべく変化しないで待機しているのが普通です。そして受精すると一気に活性化します。受精したばかりの卵は細胞分裂を行なうと共に、あらゆる細胞に分化するポテンシャルを持っており、さまざまなシグナルによって制御されながら分化への道を歩み始めます。細胞を導くシグナルは多様ですが、とりわけ Wｎｔ、ＴＧＦ-β、ＦＧＦなどのグループに所属する分子群は様々な指示を細胞に与える情報伝達物質で、初期発生においても重要な役割を果たしています。
　Ｗｎｔ１は例えばマウスでは３７０個のアミノ酸からなる分子量４１，０８６のタンパク質で、４ヶ所に糖鎖が結合し、１ヶ所に脂質が結合しています（３）。Ｗｎｔシグナル伝達経路は単細胞生物・植物・カビ・細菌などにはみられませんが、海綿を含むほとんどの動物（メタゾア＝後生動物）には存在すると考えられています（４）。また単細胞生物にもいくつかのモジュール（経路の一部）は存在するので、これらをうまく組み合わせることによって多細胞生物が成立し得たとも考えられます（４）。
　Ｗｎｔシグナルはショウジョウバエの ｗｉｎｇｌｅｓｓ変異体をショウプ（Shope）が発見したことが発見の契機となったと様々な文献に書いてあるのですが（４－６）、オリジナルの引用はありません。ひょっとするとヒンディー語で書いてあるので引用できないなどということがあるのでしょうか？ そういうわけで肖像写真も発見できず、図９９－２に載せられなくて残念です。Ｗｉｎｇｌｅｓｓ変異体群のなかにはWｎｔだけでなく、ｄｉｓｈｅｖｅｌｌｅｄ などさまざまなWｎｔシグナル伝達経路の要素となる分子の遺伝子変異体が網羅されていました。
　哺乳類の Wｎｔ はショウジョウバエのホモログを探索してみつかったのではなく、図９９－２に写真を掲載したヌッセとヴァーマスがマウスの乳がん原因遺伝子としてｉｎｔ－１をクローニングしたら（７）、それがたまたまショウジョウバエのｗｉｎｇｌｅｓｓのホモログらしいことがわかって、折半して Wｎｔ-１と改名したのが真相のようです（８）。現在では哺乳類においては１９種類のWｎｔが同定されています（９）。

図９９－２　Ｗｎｔシグナル研究のパイオニア　ロエル・ヌッセとハロルド・ヴァーマス

　標準的なＷｎｔシグナル伝達系で重要な役割を果たすのが β-カテニンというタンパク質です。β-カテニン（β-Ｃａｔ）は通常は構造タンパク質として図９９－３の左図のように、カドヘリンに結合して細胞接着を実行する複合体の一部に組み込まれています。このとき余剰のβ-Ｃａｔは分解複合体に吸収されてリン酸化され、これが目印となって分解されてしまいます（１０、図９９－３）。ところが Wｎｔ シグナルが存在するとβ-Ｃａｔ分解複合体が形成されず、細胞質に浮遊するβ-Ｃａｔ は核にとりこまれて転写因子として機能します（１１－１２、図９９－３）。同じ分子に全く異なる機能を持たせるというのは危険な選択だと思いますが、このようなやり方を生物は選択したわけです。

図９９－３　Ｗｎｔシグナル（標準型）の作用機構

　Ｗｎｔシグナル伝達系はβ-カテニンを介した転写制御以外にも、プロフィリンをはじめとするアクチン結合因子などを介して細胞骨格を制御する機能も持っています（１３－１５、図９９－３）。胞胚から嚢胚に移行する過程で細胞は変形したり、テンションを与えたり、移動したりするので、Ｗｎｔシグナル伝達系は様々な方法でこのようなプロセスを制御していると考えられます。Ｗｎｔ に関してはＮｕｓｓｅがＷｎｔホームページを運営しているようなので、わからないことがあれば訪問してみると良いかもしれません（１６）。　
　Ｗｎｔシグナル伝達系には標準的（canonical）経路以外に、いくつかの非標準的（noncanonical）なβ－Ｃａｔを介さない経路も報告されています。発展途上の分野でもありこれらの経路について詳しく述べることはできませんが、アクチン結合タンパク質を介してアクチンの重合を制御し、細胞骨格の再編成をおこなうという効果をもたらす経路があるようです（１７、図９９－４）。胞胚から嚢胚に至る過程で、細胞はさかんに形態変化や移動を行なうので、活発な細胞骨格の活動は欠かせません。

図９９－４　Ｗｎｔシグナル（非標準型）の作用機構

　さてＷｎｔシグナルに続いて重要な情報伝達系としてＴＧＦ-β スーパーファミリーが関与するものがあります。最初の発見者はアソイアンらとされています（１８）。リチャード・アソイアンは現在ペンシルベニア大学で薬理学の教授をやっていますが、若い頃ニューヨーク市街をドライヴ中に銃撃され左目を失うという悲劇を経験しています（１９）。運が悪かったのでしょうか、それとも命があっただけ運が良かったのでしょうか？
　Ｗｎｔと同様ＴＧＦ-βも様々な多細胞生物にユニバーサルに存在し、２３の異なる遺伝子がみつかっています（２０）。アンドリュー・ヒンクによって、それらの分子進化的な関係も明らかにされています（２１、図９９－５）。

図９９－５　ＴＧＦ－βスーパーファミリーのメンバー

　これらのＴＧＦ-β スーパーファミリーのなかから、まずＢＭＰをみてみましょう。ＢＭＰはbone morphogenetic protein = 骨形成因子の略称で、ウォズニーらによって１９８８年に遺伝子が同定されて、ＴＧＦ-β スーパーファミリーのメンバーであることがわかりました（２２）。現在ＢＭＰと名前が付けられている分子はヒトでは１２種類あるそうですが（図９９－５でＧＤＦという名前がつけられているものも含めると１５種類）、それらが本当に近縁なグループではかならずしもありませんし（図９９－５）、またすべてに骨形成活性があるわけでもありません。モノマーの分子量は多くは２～３万程度です。
　このファミリーのタンパク質は ｗｎｔ と同様、細胞の外から細胞膜の受容体に結合することによって生理作用を惹起するリガンドです。その受容体はｗｎｔ とはことなり、１回膜貫通タンパク質です（図９９－６）。細胞内の領域にはセリン・スレオニンキナーゼの活性部位があります。ＢＭＰは骨形成促進作用とは別に、初期発生においても中胚葉の誘導などに重要な役割を果たしていることが示唆されています（２３－２５）
　ＢＭＰ受容体（レセプター）単分子には１型と２型があり、それぞれ２分子づつ合計４分子でリガンドを受け止めます（図９９－６）。４つの分子が受容体のサブユニットのような形になっています。リガンドが結合すると２型のセリン・スレオニンキナーゼによって１型のＧＳボックスという部位がリン酸化されて、１型のセリン・スレオニンキナーゼ酵素活性部位が活性化されます（２３、図９９－６）。これによってｓｍａｄ１、ｓｍａｄ５、ｓｍａｄ９がリン酸化され，次いでこれらがｓｍａｄ４と複合体を作ることによって核へ移行し，転写活性を制御することになります。またｓｍａｄ を介さない経路もあることがわかっています（２３、図９９－６）。

図９９－６　ＢＭＰシグナル受容体と情報伝達

　次にＦＧＦについてもふれておきましょう。ＦＧＦはfibroblast growth factor = 繊維芽細胞増殖因子）の略称で、最初はフーゴ・アーメリンによって報告されました（２６）。現在脊椎動物には２２種類のＦＧＦが報告されており、ヒトも２２種類のＦＧＦを持っています（２７－２８）。分子量は１７ｋＤａ～３４ｋＤａで様々であり、ＦＧＦグループに所属する分子種間の相同性は高くないようですが、それぞれの分子種の動物種間での相同性は極めて高いそうです（２８）。ＮＣＢＩのデータバンクで fibroblast growth factor 遺伝子の塩基配列を検索すると３３６１０件ヒットしたのでびっくりしました（２９）。
　ＦＧＦ受容体は免疫グロブリンスーパーファミリーに所属するタンパク質で１回膜貫通タンパク質です。脊椎動物は４種類のＦＧＦ受容体を持つことが知られています。受容体分子は細胞外に免疫グロブリン様ドメインを２または３個持っています（オルタナティヴスプライシングによって変化する）。免疫グロブリンでは抗原を結合するサイトですが、ＦＧＦ受容体ではＦＧＦを結合します（２９－３０、図９９－７）。
　免疫グロブリンドメインは図７のようにβシートがいくつも折り重なったような構造になっています。ＦＧＦ受容体は細胞内にチロシンキナーゼドメインを１分子について２個づつ持っており、これでさまざまな分子をリン酸化することによって最終的に転写因子を核内に送り込む役割を持つカスケードを発動します。

図９９－７　ＦＧＦシグナル

参照

１）Wikipedia: G protein-coupled receptor
https://en.wikipedia.org/wiki/G_protein-coupled_receptor
２）Kungul. Vetenskapsakademien, Press release, The Nobel Prize
https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2012/press-release/
３）UniProtKB - P04426　http://www.uniprot.org/uniprot/P04426
４）Thomas W. Holstein, The Evolution of the Wnt Pathway., Cold Spring Harb Perspect Biol. (2012)  Jul; 4(7): a007922. doi:  10.1101/cshperspect.a007922
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3385961/
５）太田 訓正、河野 利恵、脳科学辞典「ｗｎｔ」　
https://bsd.neuroinf.jp/wiki/Wnt
６）wikipathologica WntタンパクとWnt/βカテニン経路
http://www.ft-patho.net/index.php?Wnt%20protein
７）R Nusse, H E Varmus,  Many tumors induced by the mouse mammary tumor virus contain a provirus integrated in the same region of the host genome. ,
Cell: vol. 31(1); pp. 99-109 (1982)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/6297757
８）濃野勉　「Wntファミリーと形態形成」　現代医療　vol. 32, pp. 1912-1921 (2000)
http://www.kawasaki-m.ac.jp/molbiol/WntRevMS00.pdf
９）山本英樹　「Wnt シグナル伝達経路の活性制御と発がんとの関連」　生化学第８０巻第１２号，pp.１０７９-１０９３，（２００８）
１０）Liu C, Li Y, Semenov M, Han C, Baeg GH, Tan Y, Zhang Z, Lin X, He X. Control of beta-catenin phosphorylation/degradation by a dual-kinase mechanism. Cell  Vol. 108: pp. 837–847. (2002)
http://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(02)00685-2?_returnURL=http%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0092867402006852%3Fshowall%3Dtrue
１１）Miranda Molenaar et al., XTcf-3 Transcription Factor Mediates β-Catenin-Induced Axis Formation in Xenopus Embryos., Cell Vol. 86, Issue 3, pp.391–399, (2009)
https://www.morebooks.de/store/gb/book/role-of-tcf-in-body-axis-formation/isbn/978-3-8383-2052-6
１２）Behrens, J., von Kries, J. P., Kuhl, M., Bruhn, L., Wedlich, D., Grosschedl, R., and Birchmeier, W.,  Functional interaction of beta-catenin with the transcription factor LEF-1. Nature 382, pp. 638-642.　(1996)
１３）Patricia C. Salinas, Modulation of the microtubule cytoskeleton: a role for a divergent canonical Wnt pathway., Trends in Cell Biology., Vol. 17, Issue 7, pp. 333–342,  (2007)  http://dx.doi.org/10.1016/j.tcb.2007.07.003
http://www.cell.com/trends/cell-biology/fulltext/S0962-8924(07)00136-5
１４） Stamatakou E, Hoyos-Flight M, Salinas PC, Wnt Signalling Promotes Actin Dynamics during Axon Remodelling through the Actin-Binding Protein Eps 8.
PLoS One. 2015 Aug 7;10(8):e0134976. doi: 10.1371/journal.pone.0134976. eCollection (2015)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26252776
１５）Akira Sato, Deepak K. Khadka, Wei Liu, Ritu Bharti, Loren W. Runnels, Igor B. Dawid, Raymond Habas, Profilin is an effector for Daam1 in non-canonical Wnt signaling and is required for vertebrate gastrulation., Development  Vol. 133:  pp. 4219-4231 (2006)  doi: 10.1242/dev.02590
１６）Roel Nusse：The Wnt homepage:
https://web.stanford.edu/group/nusselab/cgi-bin/wnt/node/269
１７）Yuko Komiya and Raymond Habas, Wnt signal transduction pathways., Organogenesis. , Vo. 4 (2):  pp. 68–75. (2008)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2634250/#__sec4title
１８）Assoian RK, Komoriya A, Meyers CA, Miller DM, Sporn MB,  "Transforming growth factor-beta in human platelets. Identification of a major storage site, purification, and characterization". J. Biol. Chem. vol. 258 (11): pp. 7155–7160. (1983)
１９）Todd S. Purdum, The New York Times, Professor loses eye in shooting on broadway., http://www.nytimes.com/1987/03/21/nyregion/professor-loses-eye-in-shooting-on-broadway.html
２０）Wikipedia: Transforming growth factor beta superfamily.,
https://en.wikipedia.org/wiki/Transforming_growth_factor_beta_superfamily
２１）Andrew P. Hinck, Structural studies of the TGF-βs and their receptors – insights into evolution of the TGF-β superfamily., FEBS Letters, Vol. 586, Issue 14, pp. 1860-1870 (2012)
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0014579312004036
２２）JM Wozney et al., Novel regulators of bone formation: molecular clones and activities., Science Vol. 242, Issue 4885, pp. 1528-1534 (1988)
DOI: 10.1126/science.3201241
http://science.sciencemag.org/content/242/4885/1528
２３）三品 裕司、BMPシグナルの多彩な機能̶̶　初期発生から骨格形成まで.,  生化学 第８９ 巻第３号，pp. 400‒413（2017）
https://seikagaku.jbsoc.or.jp/10.14952/SEIKAGAKU.2017.890400/data/index.html
２４）Mishina, Y., Suzuki, A., Ueno, N., & Behringer, R.R., Bmpr encodes a type I bone morphogenetic protein receptor that is essential for gastrulation during mouse embryogenesis. Genes Dev., vol. 9, pp. 3027‒3037. (1995)
http://genesdev.cshlp.org/content/9/24/3027
２５）Beppu, H., Kawabata, M., Hamamoto, T., Chytil, A., Minowa, O., Noda, T., & Miyazono, K. , BMP type II receptor is required for gastrulation and early development of mouse embryos. Dev. Biol., 221, 249‒258. (2000)  https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10772805
２６）Hugo A. Armelin, Pituitary Extracts and Steroid Hormones in the Control of 3T3 Cell Growth., Proc Natl Acad Sci U S A.,  Vol. 70(9): pp. 2702–2706. (1973)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC427087/
２７）Wikipedia: Fibroblast growth factor, https://en.wikipedia.org/wiki/Fibroblast_growth_factor
２８）David M Ornitz and Nobuyuki Itoh, Fibroblast growth factors.,  Genome Biology vol. 2: reviews 3005.1 (2001)
https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/gb-2001-2-3-reviews3005
２９）https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/?term=fibroblast+growth+factor
３０）Wikipedia: Fibroblast growth factor receptor,
https://en.wikipedia.org/wiki/Fibroblast_growth_factor_receptor