心臓発達における血流の重要な役割

哺乳類の心臓は最初はシンプルなチューブから始まって、複雑な4室構造に発展するんだって。マウスでは、この変化が胚発生の約9.5日目に感じられるようになるんだ。この時期に、心臓の主なチューブの特定の部分が急速に成長して、心臓の働く筋肉が形成されるんだ。一方で、他のエリアは異なる発展を遂げて、流出路や心房-心室管のような部分ができるんだ。

9.5日から10.5日の間に、心臓の特定の部分の細胞は内皮から間葉への転換（EMT）というプロセスを経て、心内クッションと呼ばれる構造を作るのに役立つんだ。このクッションは、心臓の室を分けたり、弁を形成するのに重要なんだよ。このクッションに問題があると、人間に先天性心疾患が起こることがあるんだ。

#心臓発達におけるシグナル経路

いくつかのシグナル経路が協力して、心臓の形成や細胞の変化を導いているんだ。例えば、心房-心室管や流出路にあるBMP2という蛋白質がTBX2という他の蛋白質を活性化させ、さらにTGFβ2を活性化するんだ。これらの蛋白質はSnail1の発現を高めてEMTを促進するのに役立つんだ。

NotchシグナルもEMTに必要な重要な経路なんだ。9.5日目には、Notch1の細胞内ドメイン（NICD）が心房-心室管や流出路の内皮細胞で最も活発なんだ。心室のような部分ではNICDは限られて現れるんだ。NotchシグナルはSnail2を活性化し、細胞接着に必要なVE-カドヘリンの発現を減少させるんだ。Notchシグナルが妨げられると、心房-心室管でのEMTが止まることから、心臓形成における経路の重要な役割がわかるんだ。

Notchが心臓の発達に重要だってことはわかるけど、具体的にEMTが進行するエリアでNotchが特に活性化する理由はまだはっきりしないんだ。Notch1、Dll4、Jag1のような異なるNotch受容体やリガンドがEMT開始時にこれらのエリアで表現されているんだ。Notch1は内皮全体に均等に広がっているけど、Dll4は主に心室内皮に見られるんだ。Jag1は心筋全体で高レベルだけど、心房-心室管内の内皮細胞の中で表現されるのは少数なんだ。

研究者たちがDll4をすべての内皮細胞から削除したとき、EMTの典型的なマーカーが欠如し、心房-心室クッションがなくなっていることに気づいたんだ。でも、この欠如が完全にDll4-Notchシグナルの喪失によるものなのか、それともDll4の削除に関連する血流の問題によるものなのかはまだ不明なんだ。これで、内皮でのNotchシグナル活性化に関する私たちの現在の理解が未完成であることがわかるんだ。

#機械感受性イオンチャネルの役割

ゼブラフィッシュの胚に関する研究から、特定のイオンチャネルが血流の変化に応じて内皮におけるNotch1bの発現をコントロールするのに役立つことがわかっているんだ。でも、発達中のマウスでは、Notch1は内皮全体に均等に表現されていて、心房-心室管や流出路のような他のエリアでは限られた存在なんだ。

血流がNotchシグナルの活性化にどのように影響するかを調べるために、科学者たちは心臓の筋肉細胞の電流を選択的に妨害するドフェチリドという薬を使って、発達中のマウス胚の心拍をブロックしたんだ。心拍を止めた後、内皮におけるNotchの活性化はDll4に依存していることがわかったんだ。内皮のDll4の減少が血流の増加に応じたNotch活性化を促進する条件を作り出すんだ。弁が発生するエリアでの高いせん断応力が細胞膜構造を変化させ、強いリガンド刺激がなくてもNotchシグナルを促進する経路を活性化するんだ。

これらの発見は、血流の機械的力が心臓発達に重要な役割を果たすことを示唆しているんだ。これにより、内皮の問題に起因する先天性心疾患のさまざまな説明が可能になるかもしれないんだ。

#内皮におけるNotch活性化パターン

Dll4、Jag1、Notch1が内皮でNotchを活性化する重要な役割を果たすことが知られているけど、特定のエリアでのNotch活性とリガンド発現との関係はあまり詳しく調べられていないんだ。それを探るために、研究者たちは異なる段階で内皮のNICD、Dll4、Jag1の発現を調べたんだ。

初期の発達中は、Dll4とNICDが内皮全体に均等に表れているんだ。しかし、9.5日目になると、Dll4とNICDのレベルに基づいて内皮が3つのタイプに分かれるパターンが現れるんだ。タイプIはDll4とNICDが多く、EMTが起こらない。タイプIIはNICDが多いけどDll4が少なくて、これらの細胞はEMTを経ることになる。タイプIIIは両方とも少なくて、やっぱりEMTが起こらない。

以前の研究では、EMTがDll4に依存していることが示されたんだ。Dll4の役割をさらに調べるために、科学者たちは内皮細胞で特にDll4を削除したんだ。これにより、Dll4が通常高い領域でNICDがほぼ完全に失われて、Dll4とNotch活性化との強い結びつきが示されたんだ。しかし、心房-心室管や流出路のようなエリアではNICDは減少したけど完全には消えなかったから、そこでは他の要因もNotch活性化に影響を与える可能性があるんだ。

#血流の重要性

ゼブラフィッシュの以前の研究では、心臓の収縮が内皮におけるNotchシグナルに影響を与えることが示されたんだ。発達中のマウスの心臓で血流がNotchを調節しているかを確認するために、研究者たちは妊娠中のマウスに9.5日目にドフェチリドを投与して、治療後のさまざまな時間で胚を観察したんだ。

血流をブロックすると、近位流出路や心房-心室管の内皮でNICDの喪失が見られたけど、Notch1受容体の全体的なレベルは変わらなかったんだ。血流が再開された後、NICDのレベルは正常に戻ったんだ。これは流れとNotch活性化の直接的な関係を示しているんだ。治療後、Dll4とJag1のレベルに大きな変化はなかったんだ。血流が止まると、心房-心室管の内皮でEMTに関連するいくつかのマーカーが減少したけど、背側大動脈のNICDレベルは変わらなかったんだ。

遺伝子変化によって心臓の活動が減少した胚を調べたところ、これらの胚でもNICDレベルが低下していて、血流の減少が内皮におけるNotch活性化を減少させることが確認されたんだ。他の治療法でも心拍を止めた場合、Notch活性化に似た影響があったんだ。

低酸素レベルがNotchに影響を与えていないか確認するために、研究者たちは赤血球が欠如しているけどNICDレベルが正常な胚をテストしたんだ。それに加えて、高酸素条件下でもドフェチリドを使用し、低酸素がNICD喪失の原因ではないことを確認したんだ。

これらの発見は、血流の機械的力がクッション内皮でのNotch活性化とEMTに重要な影響を与えていることを示唆しているんだ。

#Notch活性化のメカニズム

血流を止めた後にNICDがすぐに失われたので、研究者たちはリン酸化のような翻訳後修飾が重要な役割を果たすと考えたんだ。PKC、AKT、ERKなどの蛋白質はせん断応力に応じて変化することが知られているんだ。さらに研究した結果、ドフェチリド治療後にPKCとAKTのリン酸化が減少し、ERKは内皮では検出されなかったんだ。

研究者たちがAKTをwortmanninで阻害したとき、Notch活性化は止まらなかったけど、PKCをstaurosporineでブロックすると活性化は止まったんだ。これはPKCがNotch調節に不可欠であることを示しているんだ。さらなる証拠として、特定のPKC遺伝子をノックアウトするとNICDレベルが減少して心臓欠陥が増加したんだ。

研究者たちが妊娠中のマウスにPKC活性化剤を投与したことで、Notch活性化に対するドフェチリド治療の悪影響を逆転させることができたんだ。これはPKCの活性が内皮でのNotchシグナルにとって重要であることを確認するものだったんだ。

また、PKCとmTORC2の関係も調べたんだ。重要なmTORC2の構成要素を削除すると、PKCとAKTの両方の活性化が減少し、内皮でのNICDレベルも減少したんだ。これはmTORC2が血流とNotch活性化をつなぐシグナル経路に関与していることを示しているんだ。

#せん断応力が膜構造に与える影響

他の研究では、科学者たちが血流が内皮細胞内の細胞構造であるカベオラエを増加させることを発見したんだ。これらの構造はコレステロールが豊富で、シグナルに関与しているんだ。研究者たちが胚をドフェチリドにさらしたとき、カベオラエが細胞表面から接着部位に移動し、PKCやNotchに関連するシグナル経路に影響を与えることが分かったんだ。

胚にコレステロールを投与することで、カベオラエが細胞表面に保持され、NICD活性化が改善されたんだ。これはコレステロールとカベオラエがせん断応力の影響を受けるNotchシグナルに重要な役割を果たしていることを示唆しているんだ。

#遺伝子と環境の相互作用

多くの先天性心疾患の原因は複雑で、単一の遺伝要因に結びつかないことが多いんだ。研究者たちは、Notch1の量を減らすことが内皮への正常な血流を妨げる要因とどのように相互作用するかを探求したんだ。彼らはNotch1ヘテロ接合体マウスと野生型マウスを交配して、ドフェチリド治療を行ったんだ。この組み合わせによって心臓欠陥の大幅な増加が見られたんだ。これは遺伝的および環境的要因が相互作用する可能性があることを示しているんだ。

#結論

この研究は、血流が哺乳類の心臓発達中にNotchシグナルを活性化する重要な役割を果たしていることを明らかにしたんだ。特定の心臓の領域での高いせん断応力が、適切な心機能に必要な構造の形成を導くのを助けるんだ。これらのメカニズムを理解することは、これらのプロセスがうまくいかないときに起こる先天性心疾患への洞察をもたらす可能性があるから大事なんだ。血流、シグナル経路、遺伝的要因の相互作用を調査することで、心臓の奇形を引き起こす複雑な影響の網を少しずつ解きほぐすことができるんだ。