神経細胞の形態変化に着目した哺乳類大脳皮質進化機構の解明
Exploring regulatory mechanisms of mammalian neocortical development andevolution（日本神経科学会推薦）

代表研究者 京都府立医科大学

野村協同研究者 先端医療研究センター 川内真Kyoto Prefectural University of Medicine

Tadashi Nomura

健史 Institute of Biomedical Research and Innovation Takeshi Kawauchi

The mammalian neocortex is a conspicuous brain structure characterized by a six-layered laminar organization. During
neocortical development, excitatory projection neurons migrate toward the brain surface by changing their shapes frommulti-polar to bi-polar morphology, which accomplishes an inside-out pattern of cortical development. In contrast, a
six-layered neocortex does not develop in non-mammalian species: all neurons exhibit multi-polar shape and organize athree-layered dorsal cortex in reptiles. However, molecular mechanisms underlying species-specific neuronal migration
patterns and cortical organization remain unclear. Here we identify that species differences in the regulation of Wnt
signaling plays an essential role in mammalian and reptilian corticogenesis. Temporal controls of Wnt signaling inmigratory neurons are crucial for multipolar-to-bipolar conversion in mammals, and manipulation of Wnt signaling
activity provides a phenocopy of species-specific neuronal morphology. Furthermore, we identified that reptilian andavian migrating neurons have differential potentials in responses to altered Wnt activity. We suggest that heterochronicchanges in Wnt activity contributed to the evolution of mammalian-type neuronal migration and an inside-out pattern ofcorticogenesis.

研究目的化した神経細胞が脳の外側である軟膜側に移動する

我々ヒトを含む哺乳類の大脳新皮質は、感覚—運動際、いくつかの移動形態をとることが知られている。

機能の統合、記憶学習や認知機能を司る最上位中枢

まず皮質発生の初期に移動する神経細胞の大半は、として機能している。哺乳類の大脳新皮質は膨大な神経前駆細胞が持っていた長い突起（放射状線維）数の神経細胞によって構築されているが、こうしたをそのまま維持して軟膜側へ移動する「細胞体トラ神経細胞は形態学的・機能的にいくつかのサブタインスロケーション」と呼ばれる移動形態を示す。しプに分類される。大脳新皮質には特徴的な６層構造

かし発生が進行すると、細胞体から短い突起を様々が形成されるが、この層構造は少なくとも６種類のな方向に伸展しながら移動する神経細胞が主流とな異なる種類の錐体神経細胞によって構築される。大る。この「多極性移動」を行う神経細胞は、一定時脳皮質の錐体神経細胞の多くは軟膜側に伸展した樹間が経過すると１本の長い突起（将来の頂上樹状突状突起（頂上樹状突起）を持つ興奮性の神経細胞で起）を軟膜側に伸展しつつ、放射状線維を足場としあるが、この神経細胞はすべて胎児期の大脳原基のて脳表面へと移動する「ロコモーション」型の移動脳室帯に存在する神経前駆細胞から産生される。哺形態をとる。ロコモーション型の移動を示す神経細乳類の大脳新皮質の発生過程において、脳室帯で分胞は「皮質板」と呼ばれる特殊な層を形成し、この皮質板が将来の皮質６層構造のもととなる。こうしでは細胞体トランスロケーションが比較的多く観察た大脳皮質に特徴的な解剖学的構造は長い進化の過されたが、発生中期以降はほぼすべての神経細胞が程の中で獲得されたと考えられるが、大脳皮質の進多極性移動の形態を示した。一方、多極性移動から化に寄与した発生遺伝学的基盤については未だ明らロコモーションへと転換するような移動形態の変化かとなっていない。

は一切観察されず、哺乳類大脳皮質においてロコモ一方、哺乳類と同じ羊膜類（胚が羊膜と呼ばれるーション型の神経細胞で構成される「皮質板」も爬膜で包まれた形態で発生する動物群）である爬虫類

虫類では全く形成されないことが明らかとなった。

では、３層からなるシンプルな組織構造が背側皮質すでに述べたように、皮質板は哺乳類大脳皮質の形に構築される。このような組織学的観察より、比較成過程において将来の６層構造となる重要な組織構

神経解剖学の分野では長きに渡って爬虫類の背側皮造である。また DNA 複製の際に取り込まれる EdU質が羊膜類祖先型の形質を保持しており、哺乳類型を用いて神経細胞の誕生時期依存的な分布と移動様大脳新皮質６層構造は爬虫類型の「古代型」３層皮式を検討すると、以前の報告と同様に爬虫類（ヤモ質から進化してきたと推測されてきた。これに対し

リ）背側皮質では早産まれの神経細胞は皮質の外側て我々の研究グループを含めた最近の研究により、に、遅産まれの神経細胞は皮質のより内側に分布す

爬虫類皮質の発生プログラムは祖先的な性質と派生ることが明らかとなった。またカメの背側皮質に的な性質の両方を備えていることが示されてきた

GFP 発現ベクターを導入したのち、脳のスライス標(Nomura et al. Nature Communications 2013)。哺乳類以本を作製し共焦点顕微鏡によるタイムラプス観察を外の大脳構造がどのように構築されるのかを明らか行ったところ、カメの神経細胞は脳室帯から離脱しにすることは、我々哺乳類の大脳皮質の進化的起源て分化した後はほとんどその位置を変えず移動が停に関して重要な知見をもたらすと考えられる。そこ滞していることも明らかとなった（東京都医学総合で本研究では、爬虫類の大脳発生過程を比較し、脳研究所・丸山千秋博士との共同研究）。こうした実験室帯から軟膜側へと移動する神経細胞の形態を解析

結果を総合すると、爬虫類の背側皮質では分化したすることによって、哺乳類大脳皮質における神経細神経細胞は後から産生される神経細胞によって徐々胞の移動形態が進化の過程でどのようにして獲得さに外側へと押し出されつつ、将来の第２層に集積しれてきたのか、さらにその背景となった分子基盤をていくことが示唆された。さらに、分化し移動を終明らかにすることを試みた。

え た 神 経 細 胞 で 発 現 す る 転 写 因 子 (Ctip2 お よ びSatb2)の発現様式を哺乳類と爬虫類・鳥類とで比較研究経過したところ、哺乳類では層特異的な発現を示すこれ

現在地球上に生息する爬虫類は鱗竜類（ヘビ、トらの転写因子が爬虫類や鳥類では１つの神経細胞でカゲなどを含む系統）と主竜類（ワニ、トリなどを重複して発現していることも明らかとなった含む系統）という２つの系統から構成されている。

(Nomura et al. Cell Reports 2018)。すなわち、爬虫類

また最近のゲノム解析からカメ類は主竜類に近い系の３層構造の皮質は哺乳類とは全く異なるプロセス統であることが明らかとなっている（爬虫類というによって構築されるものであり、発生過程を観察す

呼び名は側系統を含むため分岐分類学的には適切でる限り爬虫類の背側皮質が哺乳類大脳新皮質の祖先はないが、本論では一般読者のためこの名称を使用型とは言い難いことが示された。

する）。本研究では、まず爬虫類の異なる系統にそれそれでは、哺乳類の大脳新皮質と爬虫類の背側皮ぞれ属するソメワケササクレヤモリおよびスッポン

質の発生プロセスや遺伝学的プログラムにはまったの大脳背側皮質の発生過程の組織学的解析を行った。

く共通点が無いのだろうか？神経細胞の移動形態の発生の各ステージの段階を追った免疫組織化学的観観察結果では、少なくとも細胞体トランスロケーシ

察、および蛍光タンパク質を発現するベクターを電ョンと多極性移動に関しては共通していることから、気穿孔法によって皮質原基に導入することにより移これらが共通の分子基盤によって駆動されている可動中の神経細胞の可視化を行った結果、爬虫類の大能性が考えられる。先行研究によって、哺乳類大脳脳発生過程における神経細胞の移動形態を詳細に観皮質の発生過程において神経細胞が多極性から双極察することができた。爬虫類の背側皮質の発生初期性のロコモーション型移動に転換する際には Wnt シグナル活性が低下することが必要であることが報告

おける Gsk3β のゲノム配列を比較したところ、Gsk3βされている（Boitard et al. 2015）。我々がこの結果をの 5’側プロモーター領域の保存性が大きく異なるこ追試したところ、哺乳類大脳皮質の発生過程では特と、特に哺乳類間での保存性が高い領域が存在するに多極性の移動形態を示す神経細胞において Wnt シことを見出した。さらに、恒常活性化型の Gsk3β

グナルの活性化レベルが高く、この傾向が羊膜類の(Gsk3βS9A)をソメワケササクレヤモリ胚大脳に強制種を超えて保存されていることを見出した。またソ発現すると、Wnt シグナルの機能阻害実験と同様にメワケササクレヤモリの神経細胞をマウス大脳皮質細胞体トランスロケーション型の神経細胞移動様式に移植すると、移植されたヤモリの細胞は多極性のをヤモリ大脳に誘導することができた。一方、一旦ままマウス皮質内で停滞し、高い Wnt 活性を維持し多極性の移動様式を示した細胞で Tet-On システムを続けていることも明らかとなった。こうした事実よ用いて Gsk3βS9A を強制発現してもロコモーションり、神経細胞の形態変化と Wnt シグナル活性の変化型の細胞移動様式は誘導されなかった。これらの結に種を超えた保存性があり、特に細胞自律的な Wnt果は、哺乳類大脳皮質の発生過程におけるロコモー活性の制御が種特異的な神経細胞移動形態に寄与しション型の神経細胞移動には多数の分子基盤が関与ている可能性が考えられた。そこで、移動する神経しており、爬虫類の皮質発生プログラムにはこの神細胞自律的な Wnt シグナル活性を人為的に操作する経細胞移動様式を可能にする十分なコンピテンスがことによって、移動中の神経細胞の形態が変化する備わっていない可能性を示唆している。

かどうかを検証した。Wnt シグナルは細胞内におい最後に、羊膜類の中の主竜類の一群である鳥類胚て LEF/TCF 等の転写因子を介して下流遺伝子の発の大脳原基における神経細胞移動様式を哺乳類や爬現制御が行われる。そこで、ドミナントネガティブ虫類と比較した。その結果、鳥類（ニワトリ）胚の型の Tcf4 (dnTcf4)を発現するベクターをマウスおよ大脳の発生過程ではほぼすべての神経細胞が多極性

びソメワケササクレヤモリの大脳に導入し細胞内在の移動様式を示し、移動中の神経細胞は高い Wnt シ的な Wnt シグナル活性を阻害したところ、多極性のグナル活性を示した。一方、dnTcf4 の強制発現によ神経細胞が多数を占める発生段階において細胞体トり Wnt シグナルを阻害したところ、移動細胞の突起ランスロケーション型の神経細胞移動を誘導するこが消失し神経細胞移動が著しく障害されたが、爬虫とに成功した。一方、薬剤投与による誘導型遺伝子類で見られるような細胞体トランスロケーション型発現系 (Tet-On システム)を用いて一旦多極性の移の神経細胞移動様式は誘導されなかった。この結果

動形態に移行した神経細胞で dnTcf4 を発現させるより、移動中の神経細胞における Wnt シグナルの役ことにより Wnt シグナル活性を阻害しても、ソメワ割は爬虫類と鳥類で異なる可能性が示唆された。

ケササクレヤモリ大脳においてロコモーション型のごく最近、哺乳類と鳥類の大脳発生過程において細胞移動形態を誘導することはできなかった。これ異なる神経細胞の移動様式が報告されたらの結果から、細胞体トランスロケーションおよび(Garcia-Moreno et al. 2018)。こうした神経細胞の分化多極性の神経細胞移動に関わる Wnt シグナルの機能には多数の転写因子が関与していると予測される。

は羊膜類の種を超えて保存されていること、これに我々はこうした転写因子の中でも Pax6 が哺乳類と対してロコモーション型の神経細胞移動には Wnt シ

鳥類大脳の神経分化において異なる機能を担っていグナルの阻害だけでは不十分なことが推測された。

ることを見出した。さらに、Pax6 の下流制御遺伝子

Wnt シグナル活性を負に制御する分子の一つとしとして Dbx1 を同定したが、この遺伝子の発現様式て Gsk3β (Glycogen synthase kinase 3β)が知られていが哺乳類と鳥類で大きく異なっているにもかかわらる。 一方、哺乳類大脳皮質の発生過程では Gsk3βず、哺乳類特異的な発現を制御するゲノム領域が高は Wnt シグナル以外のシグナル経路を介してロコモ度に保存されていることも見出した (Yamashita et al.

ーション型の神経細胞移動に必須の役割を果たすこDevelopment 2018)。これらの事実は、羊膜類の大脳とも報告されている (Morgan-Smith et al. 2014)。そこ

発生過程において哺乳類とそれ以外の系統においてで、Gsk3β の発現を哺乳類と爬虫類の大脳で比較し神経細胞の分化や移動に関わる分子機構が系統特異たところ、爬虫類大脳では Gsk3β の発現レベルが低的に大きく変化していることを示唆している。

いことが明らかとなった。また哺乳類と非哺乳類に考察
今回の研究結果から明らかにされた事実を基に、

of cortical neurogenesis contribute to encephalization
during amniote brain evolution. Nature Communications

哺乳類型大脳皮質の進化過程に関して幾つかの新し4: 2206 (2013).

い知見を得ることができた。まず 1) 哺乳類の大脳新M. Boitard, R. Bocchi, K. Egervari, V. Petrenko, et al.

皮質と爬虫類の背側皮質の発生プロセスは大きく異なっていることが判明した。爬虫類の皮質３層構造は哺乳類の大脳皮質６層構造とはまったく異なる方

Wnt signaling regulates multipolar-to-bipolar transitionof migrating neurons in the cerebral cortex. Cell Reports
10, 1349-1361 (2015).
M. Morgan-Smith, Y. Wu, X. Zhu, J. Pringle, W. D.

式で構築されており、この事実は爬虫類皮質が哺乳

Snider. Gsk-3 signaling in developing cortical neurons is類大脳新皮質の祖先型であるという見方は正しくな

essential for radial and dendritic orientation. eLife 3,

いことを意味している。2) 哺乳類大脳皮質におけるe02663 (2014).

神経細胞の移動様式の１つであるロコモーション型

F. Garcia-Moreno, E. Anderton, M. Jankowska, J.の細胞移動が爬虫類背側皮質の発生過程では観察されなかった。したがって、このタイプの神経細胞移

Encinas, et al. Absence of tangentially migrating
glutamatergic neurons in the developing avian brain. Cell
Reports 22, 96-109 (2018).

動を可能とする発生プログラムは哺乳類でのみ獲得された新規な発生機構であることが示唆された。3)

研究の発表

Wnt シグナルに依存した細胞体トランスロケーショ

口頭発表

ン、および多極性の細胞移動様式は哺乳類大脳新皮1.

た発生プログラムの解明」北海道大学電子科学

質および爬虫類の背側皮質の発生過程で共通してい研究所セミナーたことから、哺乳類と爬虫類の共通の祖先系統において、これらの細胞移動様式を可能とする発生プロ

2.

2018 年 4 月 19 日

T. Nomura. “Molecular mechanisms underlying
mammalian-specific neocortical development andグラムが既に獲得されていた可能性が考えられた。

evolution.” The 19th International Congress of

さらに 4) 鳥類の大脳発生過程ではほぼすべての移動神経細胞が多極性の移動様式によって移動を行っ野村真「哺乳類型大脳皮質構造の進化に寄与しNeuropathology. Tokyo Sep 26th 20183.

野村真「神経細胞の分化・移動機構の変化と哺ていること、Wnt シグナルを阻害した場合の表現型

乳類型大脳皮質構造の進化」第 41 回日本分子生が哺乳類や爬虫類とは大きく異なることが明らかと物学会ワークショップ、横浜 2018 年 11 月 29 日なった。したがって、鳥類における多極性の神経細胞移動は Wnt シグナルに大きく依存しているが、

誌上発表
1.

T. Nomura, W. Yamashita, H. Gotoh, K. Ono.
Species-specific mechanisms of neuron subtype

Wnt シグナル依存的な細胞体トランスロケーション

specification reveal evolutionary plasticity ofの発生プロセスは鳥類の進化過程において二次的にamniote brain development. Cell Reports 22,失われた可能性が示唆された。こうした結果より、

3142-3151 (2018).

羊膜類の祖先系統の胚発生ですでに獲得されていたWnt シグナル依存的な神経細胞の移動様式とその分子基盤をさらに改変することにより、羊膜類の各系
統に特異的な大脳構造が進化した可能性が考えられた。
参考文献
T. Nomura, H. Gotoh, K. Ono. Changes in the regulation

2.

W. Yamashita, M. Takahashi, T. Kikkawa, H. Gotoh,
N. Osumi, K. Ono, T. Nomura. Conserved anddivergent functions of Pax6 underlie species-specificneurogenic patterns in the developing amniote brain.
Development 145, dev159764.
doi:10.1242/dev.159764 (2018).