ENU

Cilia in Vertebrate Cell-Cell Signaling

2003年、ENU変異導入スクリーニングにより、一次繊毛とIFTがShhシグナルに関与することが予期せぬ形で明らかになった。 マウスのIFT変異は、Shh経路の破壊に起因するものと同様の神経管および四肢芽のパターニング表現型をもたらした（Huangfuら、2003）。 一次繊毛は、ほとんどの脊椎動物の細胞から突出した非運動性の微小管ベースの小器官である。 一次繊毛は基底体から伸び、中央の軸糸の周りに特殊な膜（構造的に細胞膜から分離している）があり、この膜に沿ってIFT装置が繊毛基部と先端部の間の逆行性、前行性輸送を促進している。 繊毛形成またはIFTが阻害されると、様々な繊毛症症候群が引き起こされる。 一次繊毛障害の欠陥には、多指症、頭蓋顔面および脳の奇形、逆位性座位、多嚢胞性腎臓病、肥満、糖尿病、肝臓、脾臓および心臓の微妙な欠陥がある（Nigg and Raff、2009；Goetz and Anderson、2010；Hildebrandt et al.）。

繊毛形成と一次繊毛の分解は細胞周期機構と密接に関連している：一次繊毛は静止細胞上に存在するが、その分解は細胞周期への移行に必要である。 FgfとWntシグナルは、節／クッパー嚢（KV）、耳小胞、前葉管などいくつかの脊椎動物において繊毛形成の上流で必要とされている（Basu and Brueckner, 2009; Liu et al, 2011; Caron et al, 2012; Qian et al., 2013）。 これらのシグナル伝達経路の転写標的は、Ift88、Enc1-like、繊毛形成TFであるFoxj1とRfx2である（Neugebauerら、2009; Caronら、2012; Qianら、2013）。 KVのエピスタシス実験から、繊毛形成においてWntシグナルがFgfsの下流で機能していることが示唆されている(Caron et al., 2012)。

脊椎動物において、Shh経路は繊毛を特殊なシグナル伝達オルガネラとし、IFTによってGli処理とそれに伴う転写反応に必須なタンパク質局在変化を仲介する（図1・1B）。 Hh受容体であるパッチ（Ptc）は、Hhがない状態では一次繊毛の基部に存在する。 Hhが存在すると、Ptcは繊毛から抜け出し、Smoが入り込み、先端部に局在するGliが増加する。 Gli-Sufu複合体はSmo依存的に一次繊毛の先端に濃縮され、Shh経路の活性化には解離する必要がある（Humkeら、2010；Tukachinskyら、2010）。 Kif7はショウジョウバエのCi/Gliプロセッシングを促進し、Sufuと拮抗するが、Hhによって繊毛基部から先端へと前向きの輸送が行われる。 GliRへのタンパク質分解の前提条件としてGliをリン酸化するPKAは、一次繊毛の基部に局在し、先端に局在するGliのレベルを調節する(Pan et al., 2006; 2009; Tuson et al., 2011)。

Shhと繊毛/IFTに関する研究により、ヒト繊毛症形質のいくつかは、おそらくShhシグナルの障害によることが指摘されている。 さらに、繊毛の欠陥は、Shh経路の変異による発がんを促進または抑制することができる（Han et al.） 繊毛/IFT変異体は、繊毛を介したGliのGliAまたはGliRへの処理にそれぞれ文脈特異的に必要なため、しばしばLOFまたはGOF Shh変異体に類似している。 特徴的な表現型は、神経管の腹側化（GliRを利用）と多指症（四肢芽はGliAを利用；Goetz and Anderson, 2010で議論されている）である。 IFTや繊毛虫遺伝子の変異は、繊毛が発生期の細胞シグナル伝達に必要とされる新たな文脈の特定に役立っている。 場合によっては、これらの実験が、十分に理解されていないヒト繊毛症形質の病因に光を当てたこともある。 例えば、Rpgrip11（ヒト繊毛症遺伝子）とTtc21b変異マウスの研究から、前脳腹部のShhシグナルの伝達において一次繊毛が重要であることが示された。 Ttc21b変異体では、一次繊毛に異常があり、逆行性輸送は部分的に欠損しているが、前行性輸送は機能している。 この結果、GOF表現型は、繊毛先端にShhシグナル伝達機構が蓄積し、腹側終脳と距骨内帯にShhの発現／活性が拡大することで証明された（Tran et al.、2008；Stottmann et al.） Rpgrip1l変異体は、前脳神経上皮細胞が一次繊毛を欠き、Shh LOFで予想されるように、加工Gliの生産が欠損している（Besse et al.） 前脳腹部のShhシグナルの主な出力はGli3のリプレッサー型へのプロセッシングであるため、これらの変異は両方ともGli3変異体と同様に、淡蒼球を犠牲にして淡蒼球の拡大をもたらす（Stottmannら, 2009; Besseら, 2011）。 もし活性型Gli3Rタンパク質が遺伝的に導入されれば、この文脈で繊毛は不要となる（Besse et al.） 前脳腹部のパターン形成の欠陥は、いくつかの繊毛虫症における認知障害の背景にある可能性がある。 IFT/繊毛は、他の経路によるシグナル伝達を促進するために、ある状況下で使用されていることが明らかになっている。 哺乳類の皮膚発生において、一次繊毛は、Notch/Deltaシグナルによって開始されるプロセスである上皮細胞の末端分化に必須である（図1F；Blanpainら、2006年）。 基底上細胞の約60-70%では、Notchは一次繊毛膜に集中し、Notchを切断するγ-セクレターゼ複合体のタンパク質であるプレセニリンは基底小体に局在する (Ezratty et al., 2011)。 IFT遺伝子をノックダウンしたり、in vivoで繊毛をなくすと、Notchレポーター活性が低下し、基底細胞上部の分化が損なわれる。 さらに、Notchの活性切断型であるNICDは、遺伝的キメラにおいて繊毛化した細胞の核に観察されたが、無毛化した細胞には観察されなかった（Ezrattyら、2011）。

繊毛もPDGFシグナル伝達に関与していることが示唆されている。 培養線維芽細胞では、PDGFRαは一次繊毛膜で観察され、RTK活性化シグナル伝達タンパク質MEK1/2とAktはそれぞれ繊毛に沿って、繊毛基部に局在している（Schneiderら、2005年）。 野生型およびIft88変異体（一次繊毛なし）の線維芽細胞の研究により、先導細胞の一次繊毛は創傷部位に向き、in vitroでのPDGF-AA誘発化学走性およびphospho-Akt反応に必要であることが示された（Schneider et al.、2010）。 特に、Ift88変異マウスは、創傷修復に欠損を示す（Schneider et al.） PDGFRαを介したPDGFシグナルもまた、繊毛の分解およびG1-S相転移に関与している（Christensenら、2012年に議論されている）が、この観察のin vivoでの意義はまだわかっていない。 Ift88およびIft72変異マウスおよびゼブラフィッシュの研究では、胚発生中のWntシグナル伝達には繊毛が必須ではないことが示唆され、Kif3a変異マウスにおけるWntシグナルの研究では矛盾する結果が得られた（Huang and Schier、2009；Ocbinaら、2009；Lancasterら、2011b）。 逆行性IFT変異体では、あるグループはWntシグナルに変化がないと報告したが、別のグループは、繊毛を維持する文脈ではWnt活性が低下し、繊毛を失った文脈ではWntシグナルが増加することを示した（Ocbinaら, 2009; Lancasterら, 2011b）。 毛様体／繊毛症タンパク質であるInversin、Chibby、Jouberinの研究は、特定の発生状況において、繊毛が正準Wntシグナル伝達に関与していることを裏付けている。 ヒトのII型ネフローゼ患者で変異しているインバーシンは、脊椎動物の単繊維で発現し、ディシェベリード（Dsh）と物理的に相互作用し、in vitroでDshの下流の正準Wntシグナルを阻害する（渡辺ら、2003；Simonsら、2005）。 インバーシン変異マウスは、Wnt/Frz表現型を思わせる腎臓および毛髪のパターニング表現型と、ノードモノシリアの機能障害によると思われる左右のパターニング表現型を示す（Watanabe et al.） 繊毛形成と基底体ドッキングに必要な基底体タンパク質であるChibbyは、β-カテニンと物理的に相互作用し、ショウジョウバエ胚、哺乳類肺上皮、培養哺乳類細胞においてカノニカルWntシグナルを負に制御する（Takemaruら、2003；Voroninaら、2009；Loveら、2010）。 最後に、ヒト繊毛症タンパク質Jouberinは、マウスにおいて、小脳正中線における正常なWntシグナル伝達と増殖に必要である。 このことは、ヒトのジュベール症候群患者やジュベリン欠損マウスで観察される小脳半球融合不全に寄与していると思われる（Lancaster et al.、2011a）。 Wntに曝された繊毛細胞では、ジュベリンはβ-カテニンとともにIFT依存的に基底部に隔離される。 ジュベリンはβ-カテニンの核移行を促進し、その基底体隔離はβ-カテニンの核移行を妨げ、Wntシグナルの正常な応答を弱める（Lancaster et al.、2011b）。 これらの知見を総合すると、胚発生において繊毛はWntシグナル伝達にグローバルには必要ではないが、特定の状況下ではWntシグナル伝達の結果に影響を与えることが示唆された

複数の種類のシグナルが調整される特殊な感覚構造を提供するという仮説がある。 もう一つのモデルは、繊毛が経路特異性を示し（後述のサイトネームのように）、それによって細胞の反応性を制限したり、シグナル伝達の反応を空間的に分離したりするというものである。 毛様体シグナルの経路特異性は、シグナル伝達タンパク質の毛様体へのターゲティングの違い、および/または軸糸輸送のためのIFTタンパク質の異なるサブセットまたは貨物特異的アダプターの利用によって媒介されると考えられる（Boehlkeら、2010； Mukhopadhyayら、2010； Christopherら、2012）

．