精子DNAを捨てないで -受精卵における精子染色体の放出防止機構を発見-(伊川研がJournal of Cell Biologyに発表)

遺伝子機能解析分野の森雅志 元助教、伊川正人 教授らの共同研究グループは、受精胚に精子DNAの局在制御機構が存在することを明らかにしました。

 

初期胚は母方と父方からゲノムを1セットずつ継承し、合計2セットを保持している2倍体となります。初期胚が正常に発生するためには2倍体を正確に維持することが必須であり、その破綻は流産や出生異常という結果をもたらします。しかしながら、1倍体の成熟精子が受精する相手の成熟卵子は、減数第二分裂中期で細胞周期を停止した2倍体であるため、受精直後の哺乳類初期胚は一過的にゲノムを3セット保持する3倍体となることが知られています(図1)。受精後、卵子の染色体は紡錘体によって分配されますが、ゲノム1セットは極体として放出され、もう1セットが受精卵に残ります。残された卵子由来の1セットと精子由来の1セットが融合し、2倍体として発生を開始します。

 

哺乳類の卵子は光感受性が高いことから、蛍光マーカーを用いて受精過程を経時的かつ立体的に解析することが困難でした。我々はレーザー出力を抑えながらも高感度検出器を用いることでマウス受精過程をライブイメージングすることで、本発見に成功しました。まず、精子の融合時期をライブイメージングで観察し、精子は卵子染色体の近傍には受精しないことを見出しました(図2中央)。受精に必要な膜タンパク質Junoの局在を観察したところ、卵子の細胞膜上で3つの局在パターンを示し、卵子染色体の近傍(NAエリア)ではドット状の構造体(以後Juno構造体)が観察されませんでした(図2右)。卵子染色体の近傍でJuno構造体の形成が阻害されることで、卵子染色体に近い部分には精子が融合できなくなります。

 

次に、受精後の精子染色体の挙動を観察しました。精子染色体は融合場所から局在を大きく変化させますが、卵子染色体の近傍には移動しませんでした。アクチン繊維の重合阻害剤で受精胚を処理すると、卵子および精子染色体が接近し一塊の染色体グループを形成することから、アクチン構造物が近接の防止に必須であることを明らかにしました。そこで、不妊治療に汎用されるICSI (intracytoplasmic sperm injection)法により人為的に精子染色体を卵子染色体の近傍に注入したところ、多くの受精卵で精子染色体が卵子染色体と一緒に極体へと捨てられてしまいました(図3)。

 

精子が受精できる場所を限ること、受精後に精子の染色体を卵子染色体に近づけないという2つの機構により、哺乳類は精子と卵子から1倍体ずつを引き継いだ2倍体として発生することを保証していることを明らかにしました。本研究の成果は、安全安心な不妊治療法の開発にも貢献することが期待されます。

 

本研究成果は、米国科学誌「Journal of Cell Biology」に掲載されました。

タイトル:“RanGTP and the actin cytoskeleton keep paternal and maternal chromosomes apart during fertilization”

著者名:Masashi Mori*, Tatsuma Yao, Tappei Mishina, Hiromi Endoh, Masahito Tanaka, Nao Yonezawa, Yuta Shimamoto, Shigenobu Yonemura, Kazuo Yamagata, Tomoya S. Kitajima, Masahito Ikawa*

* 責任著者

 

  • 図1. 哺乳類の受精卵は一過的に3倍体となる。その後、卵子ゲノム1セットのみが極体として捨てられて、2倍体として発生する。

  • 図2. 精子は卵子染色体の近傍には受精しない。精子の受容体である膜タンパク質JunoおよびCD9はアクチン繊維の働きにより卵子染色体の近傍に局在しない。

  • 図3. ICSI法により精子を卵子染色体の近傍に注入すると、約30%の受精卵で精子染色体は極体に捨てられる。