上皮侵入の細胞システム

多細胞メカニズムとしての上皮侵入

動物の発生において、ごく初期の胚盤胞や胚葉の段階から器官発生の最後の段階まで、胚は自ら上皮層を形成しています。 上皮は広義に定義される。 立方体、柱状、扁平な細胞のシートであったり、高さの異なる細胞の形が混在して多層のように見えたり（仮層化）、あるいは上記のいずれかが多層になって真に層状になっていることもある。 しかし、すべての段階、すべての上皮タイプにおいて、解剖学的構造の精巧化は、上皮がひだ、隆起、くぼみ、管に自己曲げ能力を持つことに依存している。 形態形成の構成要素として、上皮の曲げ伸ばしが、原始的な腸管から皮膚の毛包である最も細かい孔まで、ほとんどすべての器官を作り上げている。 上皮曲げは、明らかに多細胞プロセスであり、複数のつながった細胞がそれぞれの行動を協調して組織の形を変えていく。 遺伝子ネットワークや古典的な細胞生物学（主にサブセルラー）では、上皮の曲げ伸ばしのプロセスを完全に捉えることはできないのだ。 驚くべきことに、上皮曲げは非常に広範囲なプロセスであるにもかかわらず、上皮曲げの詳細な記述やメカニズムの理解は、むしろ少数のケースやタイプに限られている。

上皮曲げの、内側に折れる（invagination）と外側に折れる（evagination）両方の側面をこれまでにレビューしてきた。 本総説では、細胞の挙動という観点から、上皮の侵襲をもたらす屈曲に焦点を当てる。 我々は、かなりよく説明されている頂膜の狭窄から、頂膜ケーブル駆動の座屈、他のメカニズムによる細胞の短縮、基底部の楔状構造、頂膜／基底部の束ね、垂直伸縮、比較的新しく、あまり特徴がない基底上インターカレーションまで、要約を開始する。 この順序は、単層から擬層化、そして最終的には層状構造へと至る上皮の複雑さの階層を反映している。

Apical constriction

Apical constrictionは、上皮細胞が体積をほぼ一定に保ちながら頂部を収縮させる機構と定義される。 最近、頂膜収縮に関する優れたレビューがいくつか出版されており、読者は包括的な分析を行うためにそれらを参照することができる。 ここでは、いくつかの顕著な特徴を概説する。

鋼棒やゴム管を用いた初期の二次元物理モデルにより、細胞の体積と高さが維持されていれば、上皮細胞の頂部表面と基底部表面の間の張力の差によって、上皮が曲がることが証明された。 さらに、さまざまな器官や生物における上皮の屈曲の初期の観察から、くさび形の屈曲組織の細胞は、湾曲の凹側に表層ゲル層を持っていることが示された . この収縮するゲル層は、後にアクチンフィラメントからなることが発見され、モータータンパク質であるミオシンIIと協調して上皮を曲げる働きをすることがわかった（図1）。 アピカルアクトミオシンの濃縮と収縮性は、アピカルコンストリクションの決定的な特徴となった。 アクトミオシン細胞骨格の制御は複雑であるが、数ある制御因子の中でも、ロックとシュルームは、この収縮装置の採用を著しく促進させる。 さらに、Shroomはアクトミオシン収縮ネットワークの頂膜分布に必要かつ十分であるが、他の分子はアクトミオシン収縮装置の異なる構成要素を正しい場所に配置するために非常によく機能することが示された。 例えば、Rho GTPaseとp120カテニンは、ミオシンIIを細胞の先端側に局在させるのに必要である。 BMPはニワトリの眼窩（神経上皮）の浸潤においてRockの上流で作用し、細胞型の特定における役割とは別にアクチンの頂部局在化に必要であるように思われる

侵襲組織のライブイメージングは、頂部収縮がどのように行われるかのますます高度な画像を提供してきました。 例えば、長い間、細胞は頂部表面の円周のアクチン繊維の財布の紐のような収縮によって頂部収縮を受けると考えられていました。 しかし、ショウジョウバエの胃形成期のライブイメージングにより、周回する繊維ではなく、直径の異なる繊維からなるアピカルメッシュワークが、実はアピカル領域の収縮に主要な役割を果たしていることが明らかになった（ただし、脊椎動物では現在のところ同等のエビデンスはない）。 収縮の過程もまた、かつて考えられていたほど単純ではない。 スムーズで同期した収縮ではなく、個々の細胞が隣接する細胞と非同期でラチェット状の一過性の収縮パルスを起こすことが最近証明された 。 収縮が始まった後、収縮状態はパルス間で安定化し、最終的には細胞の頂端の面積が減少する。 これらの個々の収縮による張力は、少なくともショウジョウバエの中胚葉に見られるように、細胞質の変位によって頂膜側に伝達されると考えられる。同時に、張力は個々の細胞で組み立てられ、アドヘレンズジャンクションによって細胞間に接続されているアクトミオシンネットワークを介して組織の平面内に伝達されて、組織全体を曲げることになる。

基底弛緩

細胞の体積が保存されるためには、頂端の収縮は基底部の拡張か高さの増加（あるいは両方）のいずれかを伴わなければならない。 高さの増加は、ハエ胚の侵入前の気管や唾液腺プラコードで観察されており、ここで「基底弛緩」と呼んでいる、基底のアクチンやミオシンネットワークが活発に分解される現象（図2）は、ニワトリ耳プラコードの侵入やショウジョウバエ腹溝形成に関与していると報告されている 。 ニワトリの卵胞では、基底部の弛緩が頂部の収縮に先行し、基底部に提示されるFGFシグナルに依存するため、その後の収縮を含む頂部の事象とは必ずしも連動しないようである。 しかし、ショウジョウバエの胃捻転では、基底部のミオシン強度の減少、ひいては基底部の硬直が頂膜の収縮を伴い、基底面を拡大する。この段階は、細胞の柱状化から細胞の短縮と侵入への移行を開始する可能性が非常に高い . Lomakinらによる最近の論文では、移動中に細胞のある部分にアクトミオシンが蓄積すると、別の部分でアクトミオシンが枯渇することが示唆されている。 これは、基底部の弛緩が、その後の侵襲の際の頂膜の収縮の引き金となるか、あるいは必要となる方法である可能性がある。 翅殻上皮の折り畳みの未発表のコンピュータモデリングは、そのコンテキストにおける基底弛緩が、実際には頂部収縮よりも機械的に重要である可能性を示唆している（Guillaume Salbreux 2016, personal communication）。 基底弛緩。 基底弛緩は、いくつかの文脈で頂膜収縮に先行する段階として観察される。 細胞の基底端におけるF-アクチンの活発な分解は、これらの細胞の楔状移動を促進し、後にアクトミオシンケーブルが頂部に蓄積し、その後に上皮を変形させる。 赤実線はF-アクチン、赤点線は細胞基底側の分解されたアクチンフィラメント、青は基底ラミナ、紫は核。 アクトミオシンケーブルは個々の細胞内に含まれる超細胞構造で、隣接する細胞間で整列し、おそらく特定の接合部を介して接続されているが、それらが分子レベルでどのように接続されているかはまだ不明である。 アクトミオシンケーブルが駆動する侵襲の一例として、ニワトリの神経管閉鎖が挙げられる。縦方向に配向したミオシンケーブルが数細胞分走り、細胞の縦割り化を促進して神経管の伸長（収束伸展）と神経上皮の縦方向への屈曲の両方を実現している。 このアクトミオシンケーブルの平面的な極性収縮は、上流のPCPシグナルとCelsr1およびROCKの極性分布によって促進される。

発達中のショウジョウバエの上皮は、細胞再編成と丸みを帯びた収縮と組み合わせて複数の気管孔の侵入を達成する。 プラコードの細胞は、侵入が始まる前に、有糸分裂の休止期に入る。 アクトミオシンケーブルの短い円弧が、形成中のピットの周りに数個の細胞群が（同様に円周方向に）インターカレートする際に一過性に形成される。 この後、プラコードの中心にある細胞の先端が強く収縮し、すぐ周りの細胞の先端はあまり強く収縮せず、浅い気管孔が形成される。 中心部の侵入細胞は有糸分裂による細胞の丸みを帯び、細胞の高さが急激に低下することでプロセスが加速され、侵入は急速な段階で終了する . 侵襲の急速な段階を促すのは、細胞分裂ではなく、有糸分裂細胞の丸みであることが明らかにされた。 丸みを帯びた細胞は、上皮を構造的に弱くすると推測することができる。 丸みを帯びた細胞は、皮質細胞骨格が硬くなく、柱状でもなく（上皮が薄くなる）、おそらく隣接する細胞との結合が弱くなるのであろう。 したがって、これらの細胞は、周囲の非分裂細胞の周回ケーブルによって維持される張力に対する抵抗力が弱く、上皮が曲がる座屈点として機能する可能性があります（図3）。 頂端ケーブル駆動の座屈、ケース1。 ショウジョウバエの気管孔では、アピカルケーブル（隣接する細胞に並ぶアクトミオシン構造）が収縮を起こし、細胞の分裂による丸みによって上皮シートを曲げたり座屈させたりしている。 (a）気管プラコードの細胞は、侵入の直前に細胞分裂の休止期を迎える。 (b）プラコードの中心にある限られた数の細胞は、その後、先端に向かって収縮する。 アクトミオシンケーブルの収縮力は、中心からさらに離れた弧を描く（側面図の赤い点はケーブルの断面図、右の箱はケーブルの弧の正面図）ため、細胞を陥入の中心に向かって圧縮することができる。 (c) 有糸分裂の際に細胞が丸くなり、細胞の高さが急速に低下すると同時に、隣接する細胞が変形していく。 赤はアクトミオシン、青は基底膜、紫は核／有糸分裂紡錘体、*は頂端狭窄、赤はアクトミオシンケーブル円弧の断面図。 ショウジョウバエの脚部上皮の形態形成過程では、アポトーシスは頂膜の収縮が起こるために必要であるが、十分ではない。比較的最近の報告では、折りたたみプラコードの細胞の中心を垂直に走る頂膜底アクトミオシン「ケーブル」（図4）が、隣の細胞の頂膜表面に対して下向きに垂直な牽引力を発揮しているかのように見えることが記述されている … これらの垂直な「ケーブル」は、§4で言及したアクトミオシンケーブルの平面的な円弧と混同されることはなく、その構造とダイナミクスがまだ研究されていない全く新しい単細胞構造体である。 分裂して丸くなる細胞と同様に、アポトーシス細胞は非アポトーシスに隣接する細胞よりも構造的に弱く、したがって座屈点として機能すると考えられる。しかし、頂膜基底「ケーブル」は、アポトーシス細胞が押し出されないという事実と同様に、より活発な機構を示唆している。

垂直伸縮と頂部／基底束

興味深いことに、神経管のある前後方向領域では、基底束も（チトカラシン感受性）頂部収縮も伴わない背外ヒンジポイントも存在する。 曲がるメカニズムとして、側面の外胚葉からの外力による押し出しが示唆されてきましたが、最近の証拠ではそれに反論し、マウスの神経管では、細胞の増殖と移動によって生じる細胞のパッキング差によって、構造が折り畳まれると示唆されています。 この「トラクタリング」という用語は、さらに2つの論文で、ウニの胃形成における上皮の屈曲という文脈で取り上げられ、再び使われるようになりました。 この3つの論文の内容は、詳しく検討する価値があります（次の段落をご覧ください）。 残念ながら、「トラクタリング」という用語は、同じ 1986 年の論文で、そのような細胞行動だけでなく、そ れを駆動しうる推測上の細胞内機構を説明するためにも使われています。 この推測的な「トラクタリング」という用語の使い方では、細胞皮質が細胞の周りをキャタピラ・トラックのように流れて、細胞を隣の細胞に対して相対的に移動させるというものである。 タイトジャンクションを持つ上皮では、皮質の移動が妨げられるため、皮質のトラクターを想像するのは難しく、このアイデアはこれまで追究されてこなかった（ただし、胚上皮、特に哺乳類の胚では、しばしばタイトジャンクションがなく、もっと不安定な接着をしている可能性がある）。 最近の論文で、限られた空間を移動する孤立した細胞のために、皮質牽引の考え方が復活した。 混乱を避けるために、私たちは「トラクターリング」という言葉を完全に捨てます（これらの著者が使った引用符の中は除きます）。 その代わりに、2つの新しい用語、すなわち、垂直伸縮と基底（または頂端）束状化という、実際に関与する2つの細胞行動があることを提示します。 このことを説明するもう一つの有効な方法は、侵襲の中心を中心に組織化された細胞間の垂直変位、事実上のせん断によって、上皮が下方に伸びるというもので、ちょうど望遠鏡がその断面をスライドさせることによって伸びるのと同じ方法です（図6a）。 私たちは、このプロセスを表す用語として「垂直伸縮」を提案し、垂直方向の「せん断」だけでなく、同心円状に配置されていることも表現している。 細胞間の実際の剪断はありそうにない。細胞の垂直方向の動きは、細胞が固定された接着点の上を這ったり転がったりする古典的な細胞移動によく似ており、基底または頂点の突起の伸長によって動きがもたらされる（図6b,c）。 私たちは、歯の形態形成や唾液腺の浸潤において垂直方向の伸縮が起こるという予備的な証拠を持っている（E. Panousopoulou, J.Li and J.B.A. Green 2016, unpublished data）。 前述のマウス外側神経管での観察結果はこの種のメカニズムと一致するが、垂直方向の剪断的な動きはまだ直接観察されていない

「牽引」という言葉で説明されてきた別のメカニズムは、ウニの胃形成にあり、細胞の頂端突起が自分自身を求心的に「引きずり」、細胞を求心的に傾く向きに強制し、結果として上皮が曲がる（図6d）ことからなる。 この過程は、「tractoring」という用語を使った2番目の論文で、収縮性の頂膜細胞伸長として最も明確にモデル化されている。ここではこの過程を「頂膜束化」（図6d）と改名し、「束化」という言葉には、外側から（隣接する細胞の頂膜突起が側方に伸びて）圧迫することによって細胞頂を集めるという考え方が含まれている。 バンチングは垂直方向の変位を伴わない形状変化であり、垂直方向の伸縮は逆に形状変化を伴わない垂直方向のせん断と定義される点で垂直方向の伸縮と異なる。 しかし、これらの定義は理論的なものであり、実際には、頂膜突起の横方向への這い出しは、隣接する細胞を同時に変形させ、凹ませる可能性がある（図6d）。

Jacobson らは、神経板の細胞の基底突起が基底ラミナに沿って横方向に進み、隣の細胞の下にまで到達することも示唆した。 その結果、これらの細胞の基部が横方向に圧縮され、神経褶曲が脱出する（神経板の隣接部分に受動的に凹状の侵入様の湾曲が生じる）ようである。 これは、頂点のバンチングに対して「基部のバンチング」と表現できる。しかし、この現象の存在を確認するための実験的な明確なライブ観察はまだ行われていない。

基底層間充織：多層上皮を曲げる

上記のメカニズムのほとんどは、単層または仮層上皮に関係しています。したがって、歯のプラコード、毛包、乳腺などの器官形成初期に非常によく現れる層状上皮は、どのようにして芽またはチューブ状の器官原基へと曲がるのか、一つの謎が残っています。 最近の研究では、これらの屈曲上皮において、アクチンやリン酸化ミオシンは、楔状の基底層細胞において頂部に濃縮されておらず、核も基底部に優位に位置していないことが明らかにされた 。 したがって、このプロセスには頂膜の収縮も基底層の楔状化も関与していないようである。図7. 基底膜上部のインターカレーション。 (a)わずかに円柱状の細胞を持つ平坦な上皮単層。 (b)細胞分裂により上皮が厚くなり、プラコードが形成される。 (c) プラコードの端の細胞（オレンジ色）は内側に曲がり、より中央の細胞とインターカレーションして、曲げにつながる張力を生み出す。層状化により基底細胞上（薄緑と濃緑）が生じ、その一部がインターカレーションして（濃緑細胞）、上皮を完全に曲げるためにさらなる張力を生み出す；右のボックスはインターカレーションする細胞；矢印は細胞の動く方向を示す。 青は基底膜、緑は基底上細胞、オレンジは肩細胞、紫は核／分裂紡錘体。

結論

第1節で述べたように、ここでは上皮の侵入に関与すると考えられる主要機構について簡潔かつ最新の要約を提供しようと努めた。 ここで論じた様々なメカニズムは必ずしも相互に排他的ではないことを述べておく。 例えば、層状上皮の基底膜上インターカレーションには増殖が必要条件であり、基底膜の弛緩は通常頂膜の収縮に先行し、頂膜または基底膜の束化は頂膜の収縮または基底膜のくさびと一緒に作用することがある。 これらのメカニズムの階層構造は、我々の知識の限界をも表している。 頂膜の収縮は、おそらく、実験室のモデル生物の初期発生において明白であったという理由で、一般的であると想定されている。 しかし、他のメカニズムは、後期発生や多様な種において、これまで評価されてきた以上に一般的かつ重要である可能性があり、より平等な立場で検討されるに値する。 侵入は、上皮の曲げ伸ばしの一種に過ぎない。 我々は、紙面の都合上、最も明らかに関連する形態形成過程、すなわち、例えば基底部の収縮によって組織が外側に折り畳まれる退形成についての議論を割愛した。 また、このレビューでは、内在的な力によって駆動される曲げに焦点を絞ることにした。 内在的」とは、上皮自体の内部で発生する力を意味する（ただし、ケーブル駆動の座屈に代表されるように、必ずしも曲がる箇所だけとは限らない）。 内在的な力の他に、腸や心臓のような管の曲げは、上皮の外側の力、例えば、上皮自体が成長する際に、付着したり包含する非弾性組織で発生する抵抗力によって駆動されることがあります。

例えば、上皮の曲げの生物力学的側面に注目したり、上皮の形態形成を全体として包括的にレビューするのではなく、協調的なアンサンブル行動によって必要な解剖学を生み出すさまざまな細胞システムのスケッチを提供しました。 これらのうちのいくつかについては、分子メカニズムがある程度理解されていますが、ほとんどの場合、細胞内の分子プロセスと細胞上の組織レベルの結果との関連は、まだ粗いものです。 しかし、明らかなのは、細胞上または多細胞のスケールでメカニズムを考察することは、示唆に富むということである。 このように上皮の侵入を細胞のシステムとみなすことで、目もくらむほど多様な発生事象が、扱いやすい少数のモチーフに還元される可能性がある。

著者らの貢献

すべての著者は、原稿の構想、下書き、図表作成、編集に貢献した

競合利益

競合利益はない

資金

この仕事はBBSRC助成番号によって提供されました。 BB/L002965/1 to J.B.A.G.

Footnotes

One contribution of 13 to a theme issue ‘Systems morphodynamics: understanding the development of tissue hardware’.

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