Brachyury
January 6, 2017. Jun Inoue
ブラキュリー (Brachyury, Bra)
脊椎動物の骨や筋肉の基になる「中胚葉」と呼ばれる細胞をつくりだすのに必須の遺伝子.

総説

Reeves WM, Wu Y, Harder MJ, & Veeman MT (2017)
Functional and evolutionary insights from the Ciona notochord transcriptome. Development 144(18):3375-3387.

RNAseq によってCiona intestinalis の脊索に関わる 1364 遺伝子を判定.In situ によって発現を確認.脊索に関わる転写産物と Bracyury によって促進される遺伝子の間に顕著な重複がないことから,Brachyury は脊索の主要な調節遺伝子ではないと示唆.

Satoh, N. 2016.
Chordate Origins and Evolution, Acadmic Press, New York.


Annona G, Holland ND, & D'Aniello S (2015)
Evolution of the notochord. Evodevo 6:30.

脊索は 1) 脊索動物の共有派生形質なのか 2) 残された祖先形質なのか.ギボシムシが鍵を握る.ナメクジウオからゼブラフィッシュまで,成体と幼生の断面を比較 (Fig. 1).

Brunet T, Lauri A, & Arendt D (2015)
Did the notochord evolve from an ancient axial muscle? The axochord hypothesis. Bioessays 37(8):836-850.

脊椎動物に見られる脊索 (notochord) に相同な器官として,環形動物などで見られる axochord という筋を提案.左右相称動物のほとんどの門で axochord のような筋肉が見られるとし,共通祖先は脊索の相同器官をすでに持っていたと主張.脊索は,前正中に伸びた筋肉 (ventromedian muscle: 脊椎動物祖先の遊泳を支えていた体軸複合体に沿っていた) を改良することで進化した,とする.
 器官の相同性について Remane の基準に言及 (P836右).以下の Lauri et al (2014) Science の続編.

Corallo D, Trapani V, & Bonaldo P (2015)
The notochord: structure and functions. Cell. Mol. Life Sci. 72(16):2989-3008.

Fleming A, Kishida MG, Kimmel CB, & Keynes RJ (2015)
Building the backbone: the development and evolution of vertebral patterning. Development 142(10):1733-1744.

Hejnol A, Martín-Durán JM. 2015.
Getting to the bottom of anal evolution. Zoologischer Anzeiger - A Journal of Comparative Zoology. 2015;256:61-74.

腸の構造を左右相称動物の系統樹にマッピング.Brachyury 遺伝子は,nematode と planarians から見つかっていない (P67右中).

Lanna E (2015)
Evo-devo of non-bilaterian animals. Genet. Mol. Biol. 38(3):284-300.

Medeiros DM (2015)
Ancient origin for the axochord: A putative notochord homolog. Bioessays 37:834.

Satoh N, et al. (2014)
On a possible evolutionary link of the stomochord of hemichordates to pharyngeal organs of chordates. Genesis 52(12):925-934.

ギボシムシの口盲管 (stomochord) は脊索動物の咽頭前部 (anterior pharynx) と進化的に関連があると指摘.

Papaioannou, V. E. (2014).
The T-box gene family: emerging roles in development, stem cells and cancer." Development 141(20): 3819-3833.

転写因子の T-box family.T-boxu family の多くの遺伝子で見られる変異は発生障害を引き起こし癌と関わりがあるらしい.Brachyury は T-box family メンバでも最も古いと考えられている.Brachyury 遺伝子配列のドメインを詳細に解説.

Miyamoto N (2014)
海底に潜むムシから探る脊索動物の起源. 生命誌. Web.

脊椎動物の根源となる脊索をギボシムシに探す.

Lauri A, Brunet T, Handberg-Thorsager M, Fischer AHL, et al. 2014.
Development of the annelid axochord: insights into notochord evolution. Science 345: 1365–8. 日本語.

脊索の起源は,左右相称動物の祖先が持っていた収縮性の正中線組織にあると考察.この正中線組織に相同と考えられる中胚葉細胞の一群を,環形動物,Platynereis dumerilii で同定.この一群の細胞を,縄のような形状で軸上に存在しすることから,axochord と命名 (P1365右中).脊椎動物の脊索と環形動物の axochord が,発生過程を追って同じ位置にあることを図示 (Fig. 1).
 Axochord が筋肉の性質を持つこととナメクジウオの脊索が筋肉細胞でできていることは,axochord と脊索を相同とする考えを支持すると指摘 (P1365右中).Deuterostome 進化の過程で,非収縮性の空砲は次第に一定した長さを持つ硬い棒に変化したとみなし,ナメクジウオの脊索は収縮性から軟骨性への変換の痕跡と見なせると主張 (P1368中).

Satoh N, Tagawa K, & Takahashi H (2012)
How was the notochord born? Evolution & Development 14(1):56-75.

Brachyury に注目して,脊索の起源や形成の分子メカニズムを議論.Brachyury の持つ二つの機能,原腸形成と脊索形成のうち,後者の分子メカニズムに注目.

Satoh N (2012)
ホヤの卵が教えてくれること. 生命誌 18.

Lemaire P (2011)
Evolutionary crossroads in developmental biology: the tunicates. Development 138(11):2143-2152.

Satoh N, Kawashima T, & Shoguchi E (2009)
ナメクジウオのゲノム解読と脊索動物の進化. 蛋白質 核酸 酵素 54(1):20–28. Web.

解読したナメクジウオゲノムの初期的な解析結果を紹介.

Satoh N (2009)
An advanced filter-feeder hypothesis for urochordate eGvolution. Zoolog Sci 26(2):97-111.1.

Satoh N (2008)
An aboral-dorsalization hypothesis for chordate origin. Genesis 46(11):614-622.

6. Christiaen L, et al. (2007)
Evolutionary modification of mouth position in deuterostomes. Semin. Cell Dev. Biol. 18(4):502-511.

Naiche, L. A., Harrelson, Z., Kelly, R. G., and Papaioannou, V. E. 2005.
T-box genes in vertebrate development. Annu. Rev. Genet. 39: 219–239.

Technau, U., Rudd, S., Maxwell, P., Gordon, P. M., Saina, M., Grasso, L. C., Hayward, D. C., Sensen, C. W., Saint, R., Holstein, T. W. et al. (2005).
Maintenance of ancestral complexity and non-metazoan genes in two basal cnidarians. Trends Genet. 21, 633-639.

Minguillon C & Logan M (2003)
The comparative genomics of T-box genes. Brief Funct Genomic Proteomic 2(3):224-233.

Technau U (2001)
Brachyury, the blastopore and the evolution of the mesoderm. Bioessays 23(9):788-794.

Brachyury は刺胞動物から脊椎動物,昆虫にまで見つかっている.Brachyury の祖先的な機能は,原口の領域を指定することと示唆.Brachyury は脊椎動物・中胚葉の分化に深く関わる.Brachyury 遺伝子が含まれるネットワークの上流と下流の要素を調べる必要があると指摘.

Stach T (1999)
The ontogeny of the notochord of Branchiostoma lanceolatum. Acta Zool-Stockholm 80(1):25-33.


無脊椎動物

Yasuoka Y, Shinzato C, & Satoh N (2016)
The Mesoderm-Forming Gene brachyury Regulates Ectoderm-Endoderm Demarcation in the Coral Acropora digitifera. Curr. Biol.

二胚葉動物であるサンゴ (刺胞動物) で,Brachyury が口を作るのに必要なことを示す.Brachyury 遺伝子 (中胚葉の細胞を作り出すのに必須) はすべての動物に存在するが,中胚葉の無い二杯葉動物でどのような働きを持つのかはほとんどわかっていなかった.
 サンゴの Brachyury は初期発生期に原口の外胚葉側で発現する.発現比較解析から,Brachyury は外胚葉の遺伝子を活性化し,内胚葉の遺伝子を抑制する働きがあることを示す.三胚葉動物である脊椎動物の中胚葉の起源が,二胚葉動物の祖先の外胚葉にあると示唆.

Jose-Edwards DS, et al. (2015)
Brachyury, Foxa2 and the cis-Regulatory Origins of the Notochord. PLoS Genet. 11(12):e1005730.

転写因子である Bra と Foxa2 などの転写因子の結合領域を含む 14 のシス調節モジュール (CRMs = エンハンサー) をホヤ 2 種で判定.ホヤ脊索 CRMs の構造を既存の mouse, zebrafish のものと比較.結合モチーフは一定ではないが,付近に ACAC... という繰り返し配列を発見.
 結合サイトの組み合わせは,脊索遺伝子の発現に関与しないか,さらには,近縁種でも保存されていない場合もあった.このことから,脊索動物の結合領域を探索する場合は,種間で保存された非転写領域を検討するだけでは限りがあり,モチーフ配列に固執せずブロック領域を探索すべきと示唆.

Leininger S, et al. (2014)
Developmental gene expression provides clues to relationships between sponge and eumetazoan body plans. Nat. Commun. 5.

Sycon (Calcispongiae,石灰海綿綱) ゲノムから bilaterians で知られる発生遺伝子の有無を検証.Bra 2 コピー発見.

Sebe-Pedros A, et al. (2013)
Early evolution of the T-box transcription factor family. Proc Natl Acad Sci U S A 110(40):16050-16055.

T-box 遺伝子がいくつかの単細胞生物でも見られると指摘.T-box 転写因子は後生動物だけに存在すると考えられていた.特に,Capsaspora という単細胞動物で,後生動物と同じ機能を保持した Brachyury 遺伝子を発見 (Xenopus で機能を確認).T-Box クラスの機能分化は後生動物の出現と同時期に起きたと示唆.
 Brachyury が T-box ファミリーでもっとも古い.T-box ファミリーが後生動物の出現前に多様化したことを示す (Figs. 1, S1).T-box 遺伝子の特異性は,異なる共同因子との新たな相互作用を通して確立したと主張 (P16054右中).

Jose-Edwards DS, Oda-Ishii I, Nibu Y, & Di Gregorio A (2013)
Tbx2/3 is an essential mediator within the Brachyury gene network during Ciona notochord development. Development 140(11):2422-2433.

Voskoboynik A, et al. (2013)
Identification of a colonial chordate histocompatibility gene. Science 341(6144):384-387.

Paps J, Holland PW, & Shimeld SM (2012)
A genome-wide view of transcription factor gene diversity in chordate evolution: less gene loss in amphioxus? Brief Funct Genomics 11(2):177-186.

脊索動物祖先種ですでに存在していた遺伝子ファミリの複雑さ (遺伝子欠失で評価) に注目すると,頭索類のゲノムは他の脊椎動物よりも安定していると示唆.脊索動物 5 系統で 4 つの転写因子スーパークラスを解析し,lancelets では遺伝子ファミリの欠失が比較的少なかったと指摘.
 Hydra で Bra のコピーを見つけた Bielen et al. (2007) と同様に,遺伝子重複を意識.
 ほとんどの転写因子スーパクラスでは,動物進化の初期,しばしば bilaterian の多様化の前に,遺伝子ファミリは遺伝子重複によって多様化した.これと一致して,遺伝子ファミリは概して,bilaterians の共通祖先に存在した 1 つの祖先遺伝子から進化したと定義される.それぞれの動物 phyla 内で,これらの遺伝子ファミリは,引き続き生じた遺伝子重複によってさらに多様化した (P177右).

Martin-Duran JM, Romero R. 2011.
Evolutionary implications of morphogenesis and molecular patterning of the blind gut in the planarian Schmidtea polychroa. Dev Biol. 2011;352:164-76.

扁形動物 (Platyhelminthes) の盲腸形成.扁形動物に Brachyury は存在しないと示唆(Abst, P170右下, Fig. 7).

Kugler JE, Kerner P, Bouquet JM, Jiang D, & Di Gregorio A (2011)
Evolutionary changes in the notochord genetic toolkit: a comparative analysis of notochord genes in the ascidian Ciona and the larvacean Oikopleura. BMC Evol. Biol. 11:21.

オタマボヤとカタユウレイボヤで脊索形成に関わる 50 遺伝子のコピー数を比較.

Sebé-Pedrós A, de Mendoza A, Lang BF, Degnan BM, Ruiz-Trillo I (2011)
Unexpected repertoire of metazoan transcription factors in the unicellular holozoan Capsaspora owczarzaki. Mol Biol Evol 28(3):1241–1254.

Chiba S, Jiang D, Satoh N, & Smith WC (2009)
Brachyury null mutant-induced defects in juvenile ascidian endodermal organs. Development 136(1):35-39.

Brachyury の異所性発現は ,内胚葉の細胞の発生的運命が脊索細胞に変化するように促進する.カタユウレイボヤの brachyury ヌル変異体を作成.

Martin BL & Kimelman D (2008)
Regulation of canonical Wnt signaling by Brachyury is essential for posterior mesoderm formation. Dev. Cell 15(1):121-133.

Bielen H, et al. (2007)
Divergent functions of two ancient Hydra Brachyury paralogues suggest specific roles for their C-terminal domains in tissue fate induction. Development 134(23):4187-4197.

ヒドラで Brachyury 2 コピーを報告.2 遺伝子は metazoans の遺伝子系統樹上で大きく離れたため,5 億年以上前の刺胞動物祖先種で重複したと推定 (P4190右上).オリジナルは中胚葉を誘導する一方で,コピーは cis 調節とコーディング配列が異なることで,新たな機能を持つ.コピーの C 末端領域が変化をもたらしたと推定.ヒドラからマウスの配列アライメントを表示し,各サイトの機能を示す (Fig. 1).
 遺伝子重複による進化,DDC モデル (Forece et al. 1999) を意識 (P4187).刺胞動物の形態は単純だが,遺伝子セットはほとんど脊椎動物と変化しない.刺胞動物のゲノムを複雑にしているのは,比較的多く見られる独立に生じた遺伝子重複である (P4187左下).動物の体制の進化にパラロガス遺伝子が寄与すると指摘 (P4187右下).

Matsumoto, J., Kumano,G., and Nishida, H. 2007.
Direct activation by Ets and Zic is required for initial expression of the Brachyury gene in the ascidian notochord. Dev. Biol. 306: 870–882.

マボヤの Brachyury 遺伝子上流域にある認識配列に Ets が結合する.

Showell C, Binder O, Conlon FL (2004)
T-box genes in early embryogenesis. Dev Dyn 229(1):201–218.

Takatori N, et al. (2004) T-box genes in the ascidian Ciona intestinalis: characterization of cDNAs and spatial expression. Dev. Dyn. 230(4):743–753.

カタユウレイボヤ Tbx 遺伝子 superclass の系統樹を表示.

Marcellini S, Technau U, Smith JC, & Lemaire P (2003)
Evolution of Brachyury proteins: identification of a novel regulatory domain conserved within Bilateria. Dev. Biol. 260(2):352-361.

Minguillon C, Jimenez-Delgado S, Panopoulou G, & Garcia-Fernandez J (2003)
The amphioxus Hairy family: differential fate after duplication. Development 130(24):5903-5914.

Scholz CB, Technau U (2003)
The ancestral role of Brachyury: Expression of NemBra1 in the basal cnidarian Nematostella vectensis (Anthozoa). Dev Genes Evol 212(12): 563–570.

Lartillot N, Lespinet O, Vervoort M, & Adoutte A (2002)
Expression pattern of Brachyury in the mollusc Patella vulgata suggests a conserved role in the establishment of the AP axis in Bilateria. Development 129(6):1411-1421.

Dehal P, et al. (2002)
The draft genome of Ciona intestinalis: Insights into chordate and vertebrate origins. Science 298(5601):2157–2167.

ホヤゲノム論文.

Holland LZ, et al. (2001)
Characterization and developmental expression of the amphioxus homolog of Notch (AmphiNotch): evolutionary conservation of multiple expression domains in amphioxus and vertebrates. Dev. Biol. 232(2):493-507.

Gross JM & McClay DR (2001)
The role of Brachyury (T) during gastrulation movements in the sea urchin Lytechinus variegatus. Dev. Biol. 239(1):132-147.

Brachyury がウニ (Lytechinus variegatus) でも原腸形成運動に関わると示唆.

Ruvinsky I, Silver LM, & Gibson-Brown JJ (2000)
Phylogenetic analysis of T-Box genes demonstrates the importance of amphioxus for understanding evolution of the vertebrate genome. Genetics 156(3):1249-1257.

Woollard A, Hodgkin J. 2000.
The caenorhabditis elegans fate-determining gene mab-9 encodes a T-box protein required to pattern the posterior hindgut. Genes Dev. 2000;14:596-603.

C. elegans の mab-9 が Brachyury と類似した機能を持つと示唆 (P597左下).
 C. elegans に Brachyury ホモログがないことを指摘.Drosophila byn をクエリとした Blast 解析では,mab-9 がヒット.C. elegans の mab-9 と,Drosophila など昆虫の byn  が,少なくとも後腸の発達に関しては類似した機能を保持するのは印象深い (P600右下).

Takahashi H, et al. (1999)
Brachyury downstream notochord differentiation in the ascidian embryo. Genes Dev. 13(12):1519-1523.

カタユウレイボヤで,Brachyury 遺伝子が誤って発現しても,内胚葉が脊索に変化すると示唆.Brachyury の標的遺伝子を推定.

Peterson KJ, Harada Y, Cameron RA, & Davidson EH (1999)
Expression pattern of Brachyury and not in the sea urchin: Comparative implications for the origins of mesoderm in the basal deuterostomes. Dev. Biol. 207(2):419-431.

アメリカムラサキウニの胚形成期間に Brachyury が発現すると指摘.

Tagawa K, Humphreys T, & Satoh N (1998)
Novel pattern of Brachyury gene expression in hemichordate embryos. Mech Dev 75(1-2):139-143.

ギボシムシの幼生の 2 領域,archenteron invagination region と stomodeum invagination region で Brachyury が発現していることを確認.

Terazawa K & Satoh N (1997)
Formation of the chordamesoderm in the amphioxus embryo: Analysis with Brachyury and fork head/HNF-3 genes. Dev. Genes Evol. 207(1):1-11.

2 コピーある Brachyury は脊椎動物とは独立に (おそらく Lancelet の祖先種で) 重複したことを,遺伝子系統樹から示唆.
 アジアナメクジウオ,B. belcheri,で Brachyury と head/HNF-3 の cDNA 配列を解読.B. floridae の 2 コピーの配列 (Holland et al. 1995) と比較して Brachyury と判定.
 脊椎動物・胚形成の進化に伴う遺伝的カスケードの変化を検討するために,Brahyury と fork head/HNF-3 遺伝子をプローブとして用いて,ナメクジウオで脊椎中胚葉の形成を調査.発現解析は Brachyury 2 コピー配列両方を合わせた結果になったとし (P4 左上),両者の発現領域に差異を見出すことはできなかった.

Corbo JC, Levine M, & Zeller RW (1997)
Characterization of a notochord-specific enhancer from the Brachyury promoter region of the ascidian, Ciona intestinalis. Development 124(3):589-602.

カタユウレイボヤの Brachyury プロモーター領域から,脊索の分化に関わるエンハンサーを特定.

Holland PW, Koschorz B, Holland LZ, & Herrmann BG (1995)
Conservation of Brachyury (T) genes in amphioxus and vertebrates: developmental and evolutionary implications. Development 121(12):4283-4291.

ナメクジウオには,異なる遺伝子座に属する 2 つの Brachyury 遺伝子, AmBra-1 と AmBra-2,があるとを指摘.これらは最近生じた遺伝子重複に由来すると推定.
  両コピーの 3' UTR プローブを用いて遺伝子特異的な発現パターンを検証したが失敗.理由は不明とする.両者で保存的なコーディング領域に作成した共通のプローブを用いたため,両遺伝子の発現を区別できていない (P4290左上).

Terazawa K & Satoh N (1995)
Spatial Expression of the Amphioxus Homolog of Brachyury (T) Gene during Early Embryogenesis of Branchiostoma-Belcheri. Dev. Growth Differ. 37(4):395-401.

ナメクジウオで Brachyury 遺伝子を発見 (P396右上).ナメクジウオでは,原腸胚と神経胚の中胚葉領域で Brachyury 遺伝子が発現すると指摘.

Yasuo H & Satoh N (1993)
Function of vertebrate T gene. Nature 364(6438):582-583.

Brachyury 遺伝子が Primordial notochord cell (始原脊索細胞) で発現することをホヤ胚を用いて示唆.中胚葉の形成で Bra が重要な役割を演じていることは示唆されていたが,この遺伝子のより根源的な役割はわかっていなかった.

Wilkinson DG, Bhatt S, & Herrmann BG (1990)
Expression pattern of the mouse T gene and its role in mesoderm formation. Nature 343(6259):657-659.


脊椎動物

Yao Y, et al. (2016)
Cis-regulatory architecture of a brain signaling center predates the origin of chordates. Nat. Genet. 48(5):575-580.

脊椎動物の前脳発生に関わる Cis 調節配列がギボシムシでも保存されていた.

Faial T, et al. (2015)
Brachyury and SMAD signalling collaboratively orchestrate distinct mesoderm and endoderm gene regulatory networks in differentiating human embryonic stem cells. Development 142(12):2121-+.

Bra の標的遺伝子に関する網羅的解析 1.ヒト ES 細胞で ChiP-Seq 解析.

Lolas M, Valenzuela PDT, Tjian R, & Liu Z (2014)
Charting Brachyury-mediated developmental pathways during early mouse embryogenesis. Proc Natl Acad Sci USA 111(12):4478-4483.

Bra の標的遺伝子に関する網羅的解析 2.Bra が仲介する分子経路の解明を目指す.ChIP-seq などによって Bra が結合するエンハンサー領域とその配列を網羅的に特定.マウス ES 細胞の ChiP-Seq.マウス,Xenopus, ゼブラフィッシュ間で共有される Bra 標的遺伝子をリスト化 (Fig. 1F).

Gentsch GE, et al. (2013)
In Vivo T-Box Transcription Factor Profiling Reveals Joint Regulation of Embryonic Neuromesodermal Bipotency. Cell Rep 4(6):1185-1196.

Bra の標的遺伝子に関する網羅的解析 3.Xenopus の Bra のオーソログを ChIP-chip 解析によって判定.Xenopus ではパラロガスな関係にある Brachyury,Xbra と Xbra3 があると指摘 (P1187右中央).

Evans AL, et al. (2012)
Genomic targets of Brachyury (T) in differentiating mouse embryonic stem cells. Plos One 7(3):e33346.

マウス ES 細胞での Bra ChIP-on-ChIP 論文.TCACACCT という Bra 結合モチーフに疑問.ACACAC... という繰り返し配列が,げっ歯類では Bra の結合に関与している可能性を示唆.

Morley RH, et al. (2009)
A gene regulatory network directed by zebrafish No tail accounts for its roles in mesoderm formation. Proc Natl Acad Sci USA 106(10):3829-3834.

Bra の標的遺伝子に関する網羅的解析 4.ゼブラフィッシュの Bra のオーソログを ChIP-chip 解析によって判定.Bra 遺伝子は哺乳類では T だが真骨類では ntl という名前らしい.

Conlon FL, Fairclough L, Price BM, Casey ES, & Smith JC (2001)
Determinants of T box protein specificity. Development 128(19):3749-3758.

T box タンパク質 (Xbra, VegT, eomesodermin) の特異性は,主に DNA 結合部位 (T box) の配列が微妙に異なることで決まると指摘.Xenopus の初期発生で検証.

Strong, C. F., Barnett, M. W., Hartman, D., Jones, E. A. and Stott, D. (2000).
Xbra3 induces mesoderm and neural tissue in Xenopus laevis. Dev. Biol. 222, 405-419.

Hayata, T., Eisaki, A., Kuroda, H. and Asashima, M. (1999).
Expression of Brachyury-like T-box transcription factor, Xbra3 in Xenopus embryo. Dev. Genes Evol. 209, 560-563.

Knezevic, V., DeSanto, R. and Mackem, S. (1997).
Two novel chick T-box genes related to mouse Brachyury are expressed in different, non-overlapping mesodermal domains during gastrulation. Development 124, 411-419.

Kispert et al. (1993) [3876]

Brachyury が結合する 20bp からなる回文配列, T- site (5'-AGGTGTGAAATT-3' を含む) を発見.


シンテニー
Trachtulec Z & Forejt J (2001)
Synteny of orthologous genes conserved in mammals, snake, fly, nematode, and fission yeast. Mamm. Genome 12(3):227-231.
結合配列
Farley EK, et al. (2015)
Suboptimization of developmental enhancers. Science 350(6258):325-328.