「Y染色体遺伝子Zfy1、Zfy2の精子形成における相補的で多段階にわたる機能を解明」をPloS Geneticsに発表

私たちは、Y 染色体遺伝子 Zfy1,2 が相補的にかつ多段階に精子形成を制御していることを明らかにしました。

Y染色体は雄にしか存在せず、精子形成において重要な役割を担っていると考えられていますが、その構 造上の特殊性から、従来の相同組み換えを用いた方法ではノックアウトマウスの作製が困難であり、個々の 遺伝子機能解析が十分に進んでいませんでした。

Zfy1とZfy2は1980年代に雄の性決定遺伝子候補として注目を浴びましたが、その後Y染色体上の Sryという遺伝子が真の性決定遺伝子であることが判明したためと、ノックアウトマウス解析が困難であったため十分な情報が得られていませんでした。

私たちは新しいゲノム編集技術であるTALENや CRISPR/Cas9 systemを用いてY染色体上にある遺伝子のノックアウトマウスを作製しその機能解析を用いて、今までも世界に率先してY染色体の機能を明らかにしてきています。今回、このゲノム編集技術をさらに改良することで Zfy1 ノックアウト(KO)マウス、Zfy2KO マウス、Zfy1 と Zfy2 のダブルノックアウト(Zfy1/2DKO)マウスを高効率に作製することに成功しました。

解析の結果、Zfy1KO マウス、Zfy2KO マウスは自然交配により産仔を得ることができましたが Zfy1/2DKO マウスは不妊で した。この原因を調べていくと Zfy2KO、Zfy1/2DKO の精子は奇形や運動率の低下を認め、その程度は Zfy2KO よりも Zfy1/2DKO の方が重度でした。これらのことから Zfy1 と Zfy2 は相補的に精子形成に関与していることが示されました。

Zfy1/2DKOマウスは体外受精を行っても受精卵を得ることができませんでした。精子の奇形や運動率の低 下以外の原因を調べていくと、Zfy1/2DKO精子はcapacitationという雌性生殖器内や培養液中で起こる受精に必要な変化が起こっておらず、それに続いて起こる先体反応も起こっていないことがわかりました。

さらにZfy1/2DKO精子の受精能を調べるために顕微授精を行ったところ、Zfy1/2DKO精子の受精率は非常に低く、未受精卵の一部は活性化が起こる前の段階で発生が停止していました。これは精子に含まれる卵の活性化因子に異常があることを示しています。

またZfy1/2DKO精子を用いて顕微授精によって受精した胚を移植しても産仔を得ることができず、同様の胚を培養した結果、胚盤胞まで到達することなく発育を停止ししてし まいました。この原因を調べるために受精卵の染色体染色を行ったところ、精子由来の染色体が断片化を起こ していることが分かりました。

Zfy1とZfy2は遺伝子発現を制御する転写因子と考えられています。今回の研究で認められたさまざまな表 現型はZfy1とZfy2が制御する下流遺伝子の発現量が変化したために起こったものと考えられます。この下流遺伝子を同定するため、網羅的にタンパク質を調べることができる質量分析を行った結果、野生型(正常型)の精子タンパク質に比べてZfy1/2DKO精子タンパク質で発現量が低下していたもののうち今回の表現型を説明 しうる4つのタンパク質が含まれていました。その4つの遺伝子とは卵活性化因子であるPLCZ1、先体反応に関わるPLCD4,PRSS21、精子奇形に関わるHTTです。

以上の研究より、 Zfy1 と Zfy2 が相補的に精子形成を多段階に制御していることが明らかになりました。ヒトにはホモログと して ZFY が Y 染色体上に存在していますが、不妊症との関連はまだ不明で、今後の更なる研究が不妊症などの原因解明へとつながることが期待されます。

この研究成果は、国際科学誌 PLOS Genetics に、2017 年 1 月 23 日に暫定版がオンラインで公開され、2 月 6 日に完全版が公開されました。

Nakasuji, T., et al., Complementary Critical Functions of Zfy1 and Zfy2 in Mouse Spermatogenesis and Reproduction. PLoS Genet, 2017. 13(1): p. e1006578.

http://www.tmd.ac.jp/archive-tmdu/kouhou/20170203_1.pdf

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東京医科歯科大学 医歯学総合研究科 システム発生・再生医学分野

​教授 浅原弘嗣

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