四肢類における後肢の位置の多様性の基盤となる、GDF11による仙椎–後肢ユニットの協調的な構造統合
Anatomical integration of the sacral–hindlimb unit coordinated by GDF11 underlies variation in hindlimb positioning in tetrapods
2017年8月31日 Nature Ecology & Evolution 1 : 1392 doi: 10.1038/s41559-017-0247-y
さまざまな原基に由来する体の各部位が発生中にどうやって組み立てられていくのかを解明することは、形態進化の本質を理解するために不可欠である。四肢類の進化では、後肢の位置が脊椎式とともに多様化したが、両者の協調を担った機構はよく分かっていない。しかし、こうした同期は、側板中胚葉由来の後肢骨格の位置決めを体節由来の仙椎の位置決めと協調させる、進化的に保存された発生機構の存在を示唆している。今回我々は、後軸中胚葉から分泌されるGDF11が、2つの異なる原基でHox遺伝子の発現を誘導することによって仙椎と後肢の位置決めを統合する重要な因子であることを明らかにする。ニワトリ胚でGDF11の活性発動を操作すると、後肢の位置が変化したことから、Gdf11の発現開始が仙椎と後肢の位置決めを協調させていることが示された。他の脊椎動物胚との比較解析により、Gdf11の発現開始時期が四肢類種ごとに固有であり、その時期が後肢芽の前後レベルと厳密に相関していることも明らかになった。後肢の位置決めの進化的多様性がGdf11発現の異時的変化によって生じ、それが前後軸に沿った仙椎–後肢ユニットの協調的移行につながったのだと我々は結論付ける。
Corresponding Authors
Elucidating how body parts from different primordia are integrated during development is essential for understanding the nature of morphological evolution. In tetrapod evolution, while the position of the hindlimb has diversified along with the vertebral formula, the mechanism responsible for this coordination has not been well understood. However, this synchronization suggests the presence of an evolutionarily conserved developmental mechanism that coordinates the positioning of the hindlimb skeleton derived from the lateral plate mesoderm with that of the sacral vertebrae derived from the somites. Here we show that GDF11 secreted from the posterior axial mesoderm is a key factor in the integration of sacral vertebrae and hindlimb positioning by inducing Hox gene expression in two different primordia. Manipulating the onset of GDF11 activity altered the position of the hindlimb in chicken embryos, indicating that the onset of Gdf11 expression is responsible for the coordinated positioning of the sacral vertebrae and hindlimbs. Through comparative analysis with other vertebrate embryos, we also show that each tetrapod species has a unique onset timing of Gdf11 expression, which is tightly correlated with the anteroposterior levels of the hindlimb bud. We conclude that the evolutionary diversity of hindlimb positioning resulted from heterochronic shifts in Gdf11 expression, which led to coordinated shifts in the sacral–hindlimb unit along the anteroposterior axis.
