京大、精子形成に必須な蛋白質がゲノムを転移性遺伝子から守るメカニズムを解明

精子形成に必須な蛋白質がゲノムを転移性遺伝子から守るメカニズムを解明


　京都大学、欧州分子生物学研究所（ＥＭＢＬ）、米マウントサイナイ医科大学の研究グループは、哺乳類の生殖細胞を利己的な転移性遺伝子から保護するＭＩＷＩ蛋白質の詳しいメカニズムを明らかにしました。この成果は男性不妊症やゲノム変異の原因解明、また有害な遺伝子の抑制方法の開発等に役立つことが期待されます。

　中馬新一郎　再生医科学研究所准教授・物質−細胞統合システム拠点（ｉＣｅＭＳ＝アイセムス）連携准教授らのグループは、ＥＭＢＬとの共同研究により、生殖細胞で特異的に発現するマウスＰＩＷＩ蛋白質ファミリーの一つであるＭＩＷＩ蛋白質の活性部位の点変異体マウスの作出と解析およびＭＩＷＩ蛋白質の詳細な生化学実験により、生殖細胞がゲノム情報をトランスポゾンから保護するための分子メカニズムの解明を行いました。今回の研究ではＭＩＷＩ蛋白質のＲＮａｓｅ活性の中心部位に遺伝子改変技術により点変異を導入することで、ＭＩＷＩ蛋白質を介したＲＮＡ分解がトランスポゾンのメッセンジャーＲＮＡの切断と抑制に必要であること、ＭＩＷＩによるトランスポゾンＲＮＡの認識には低分子ＲＮＡであるｐｉＲＮＡとの配列相同性が重要な働きを行うこと、これらの機能が精子細胞をトランスポゾンから保護し正常な成熟精子の産生に必須であることを明らかにしました。ＭＩＷＩ蛋白質がＲＮＡの分解活性を失うと精子細胞でレトロトランスポゾンの発現が亢進してゲノムが損傷を受ける結果、精子が形成されずに不妊になります。

　この成果により、基礎生物学的な観点からゲノムと利己的遺伝子の関係や進化の研究に役立つとともに、ヒト、家畜、野生生物等を含めた男性不妊症の原因解明、生殖医療の発展、またＲＮＡ認識を介した遺伝子制御の技術開発等に繋がることが期待されます。本論文はロンドン時間１１月２７日に英科学誌「Ｎａｔｕｒｅ（ネイチャー）」オンライン速報版で発表されました。

要旨
　・今回解析したＭＩＷＩ　（マウスｐｉｗｉ）　蛋白質は生殖細胞で利己的な転移性遺伝子（トランスポゾン）が増幅することを防ぐ。　
　・ＭＩＷＩ蛋白質がＲＮＡを分解する活性を持つ部位に変異を導入すると、雄マウスが不妊となり、特に半数体の精子細胞の分化途中に異常が起こり無精子症になる。　
　・ＭＩＷＩ蛋白質は生殖細胞に特徴的な低分子ＲＮＡであるｐｉＲＮＡと結合して、ｐｉＲＮＡと塩基配列が相補的なトランスポゾンＲＮＡを認識して切断することで、精子細胞をトランスポゾンによる損傷から保護する。　
　・今回の成果は生殖細胞のゲノム防御メカニズムや利己的遺伝子と進化の関係等の基礎生物学の研究に役立つとともに、ヒトや動物を含めた男性不妊症の原因究明や生殖医療への応用等に繋がることが期待される。　


研究の概要

１．背景
　哺乳類のゲノムのうち内在性の蛋白質を塩基配列で表す遺伝子領域は約１〜２％程度であり、その他の領域の約半分近く（４０〜５０％）を転移性遺伝子であるトランスポゾンの繰り返し配列が占めています。トランスポゾンにはゲノム上を転移するＤＮＡ型トランスポゾンとＲＮＡを介して増幅、転移を行うＲＮＡ型レトロトランスポゾンとがありますが、特に後者のレトロトランスポゾンが活性化するとゲノムの様々な部位に高い頻度で挿入が起こり、突然変異や染色体不安定性等を通じて細胞の性質が変化して様々な疾患の原因となります。特に生殖細胞でレトロトランスポゾンが増幅、転移すると本来の遺伝情報が変化して子孫に伝わることから、個体の重篤な発生異常や遺伝病が起こる危険性が高くなります。

　このため、生殖細胞をレトロトランスポゾンから守るしくみはヒトを含めて個体の発生、種の維持に重要な働きをしています。レトロトランスポゾンを抑える分子メカニズムはＤＮＡメチル化等のエピジェネティクス制御による転写抑制と低分子ＲＮＡ等を介したＲＮＡ分解や翻訳抑制の経路が分かっています。しかしそれぞれの詳細な分子メカニズムの多くは未だ解明されていません。

２．研究手法
　ＭＩＷＩ蛋白質のＲＮａｓｅ活性部位（スライサードメイン）にアミノ酸置換型の点変異を導入した遺伝子改変マウスを作成し、雄性不妊の表現型解析、マイクロアレイ、次世代型超高速シークエンス、プロテオミクス実験等を組み合わせて調べることで、ＭＩＷＩ蛋白質が精子細胞の分化とレトロトランスポゾン抑制、ゲノム恒常性に与える影響を明らかにしました。また正常型、変異型のＭＩＷＩ蛋白質およびｐｉＲＮＡ複合体を精製して詳細な生化学解析を行うことで、ＭＩＷＩ蛋白質がｐｉＲＮＡを介して相補的なターゲットＲＮＡを厳密に認識して切断する分子メカニズムが明らかになりました。

３．研究成果
　当研究グループはこれまでに京都大学物質−細胞統合システム拠点（ｉＣｅＭＳ）中辻憲夫　拠点長（再生医科学研究所教授、幹細胞医学研究センター長）らのグループとともにｔｕｄｏｒドメイン蛋白質をコードするＴｄｒｄ遺伝子ファミリー等によるｐｉＲＮＡ経路とレトロトランスポゾン制御の解析を進めていますが（参考文献）、今回の研究はこれらＴＤＲＤ蛋白質と結合する主要なＰＩＷＩ蛋白質の一つ、ＭＩＷＩ蛋白質の具体的な分子機能を初めて明らかにしました。これまでにＭＩＷＩ蛋白質は低分子ＲＮＡであるｐｉＲＮＡの生成に必要であることが分かっていましたが、実際にＭＩＷＩ蛋白質がどの様な分子制御を通じてｐｉＲＮＡの生成に機能し、ターゲットとなるトランスポゾンＲＮＡを認識して分解するのか、何故ＭＩＷＩ蛋白質が精子形成に必要なのか、また精子細胞でトランスポゾンの抑制が行われるか否かについてこれまで実験的な証明はありませんでした。

　本研究では遺伝子改変技術を用いてＭＩＷＩ蛋白質に点変異を持つマウス系統を作成した結果、Ｍｉｗｉ遺伝子の点変異マウスでは同遺伝子を完全に欠損したＭｉｗｉノックアウトマウスと同じく、雄の半数体精子細胞の分化の途中で細胞死が起こり、機能的な精子は全く形成されないことが分かりました。Ｍｉｗｉ点変異マウス、Ｍｉｗｉノックアウトマウス、正常マウスを比較して詳細な解析を行った結果、Ｍｉｗｉ点変異マウスとＭｉｗｉノックアウトマウスの半数体精子細胞ではレトロトランスポゾンＬＩＮＥ−１の発現が異常に増加しており、ゲノムに大規模なＤＮＡ損傷が起きる結果、アポトーシスによる細胞死が誘起されることが明らかとなりました。哺乳類の他のＰＩＷＩファミリー蛋白質であるＭＩＬＩ、ＭＩＷＩ２（仲野徹　大阪大学教授、宮川さとみ　研究員らが同定、解析）は精子形成過程のより初期の段階である精原細胞、精母細胞の時期のトランスポゾン活性を主にエピジェネティクス修飾（ＤＮＡメチル化）を介して抑制します。

　今回研究を行ったＭＩＷＩ蛋白質はＭＩＬＩ、ＭＩＷＩ２蛋白質が雄生殖細胞の初期の段階で働いた後に、更に精子細胞が成熟する際に生殖細胞のゲノムをＲＮＡ制御によってトランスポゾンから守るために重要な役割を果たします。すなわち生殖細胞の形成過程ではゲノムを利己的なトランスポゾンから守るために多段階の防御システムが働くこと、この内の一つでも破綻すると生殖細胞が死滅して不妊となることから、ＭＩＷＩ蛋白質を含めてゲノム保護システムの重要性と連携が明らかとなりました。

４．今後の期待　Ｍｉｗｉ遺伝子は生殖細胞が次世代に伝える大切なゲノム情報を利己的なトランスポゾンによる損傷や障害から守る重要な役目を果たします。特にレトロトランスポゾンは白血病や癌等の原因となるレトロウィルスとＲＮＡを中間体とする機能が類似することから、本研究成果はレトロウィルスの活性を抑える新たな手法の研究開発に繋がる可能性があります。

　一方、トランスポゾンの転移活性を人為的にコントロール出来る様になれば、ゲノムの様々な部位に挿入、変異のある一連のモデル動物を作出して病気との関係を調べることに役立ちます。

　また低分子ＲＮＡによる配列認識を介して特定のターゲットＲＮＡの発現を制御する機構は一般にＲＮＡ干渉と呼ばれますが、今回明らかとなったＭＩＷＩ蛋白質によるトランスポゾンＲＮＡ制御の分子機能は、ＲＮＡ干渉のメカニズムについての新たな分子基盤として、基礎生物学またゲノム機能操作の技術発展にも大きく貢献することが期待されます。


図１．ＭＩＷＩのＲＮＡ切断活性部位の点変異マウス（写真上）ではコントロールマウス（写真下）と比較して、精子細胞（ＲＳ）でレトロトランスポゾン（緑）の発現が異常に増加し、ゲノムＤＮＡ損傷（赤）が広範に観察される。　
　※　関連資料参照
　

用語解説


レトロトランスポゾン
　ゲノム中に非常に多数存在する転移性の反復配列の一種であり、ＲＮＡに転写された後にＤＮＡに逆転写されることでゲノムの別の部位への組み込みや増幅が行われる。哺乳類ではＬＩＮＥ、ＳＩＮＥ、ＬＴＲタイプ等のレトロトランスポゾンがそれぞれ数十万コピー以上存在することからゲノムサイズの大半を占め、生殖細胞での発現が特に高い。

ｐｉＲＮＡ
　生殖細胞に特異的に発現する長さ２５−３０塩基程度の低分子１本鎖ＲＮＡ。ｐｉＲＮＡ配列の大部分はレトロトランスポゾンＲＮＡが分解されることで生成される。ｐｉＲＮＡはＲＮＡ代謝の他に相同塩基配列の認識を通じてゲノムのエピジェネティクス修飾の制御にも関与する。

エピジェネティクス
　ゲノムＤＮＡの塩基配列の変化を伴わずにＤＮＡメチル化やヒストン蛋白質等の化学修飾の後生的変化により遺伝子情報発現、ゲノム構造等の制御が行われる現象。


参考文献
　Ｔａｎａｋａ，　Ｔ．，　Ｈｏｓｏｋａｗａ，　Ｍ．，　Ｖａｇｉｎ，　Ｖ．Ｖ．，　Ｒｅｕｔｅｒ，　Ｍ．，　Ｈａｙａｓｈｉ，　Ｅ．，　Ｍｏｃｈｉｚｕｋｉ，　Ａ．Ｌ．，　Ｋｉｔａｍｕｒａ，　Ｋ．，　Ｙａｍａｎａｋａ，　Ｈ．，　Ｋｏｎｄｏｈ，　Ｇ．，　Ｏｋａｗａ，　Ｋ．，　Ｋｕｒａｍｏｃｈｉ−Ｍｉｙａｇａｗａ，　Ｓ．，　Ｎａｋａｎｏ，　Ｔ．，　Ｓａｃｈｉｄａｎａｎｄａｍ，　Ｒ．，　Ｈａｎｎｏｎ，　Ｇ．Ｊ．，　Ｐｉｌｌａｉ，　Ｒ．Ｓ．，　Ｎａｋａｔｓｕｊｉ，　Ｎ．，　Ｃｈｕｍａ，　Ｓ．　（２０１１）　Ｔｕｄｏｒ　ｄｏｍａｉｎ　ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ　７　（Ｔｄｒｄ７）　ｉｓ　ｅｓｓｅｎｔｉａｌ　ｆｏｒ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｒｉｂｏｎｕｃｌｅｏｐｒｏｔｅｉｎ　（ＲＮＰ）　ｒｅｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　ｃｈｒｏｍａｔｏｉｄ　ｂｏｄｉｅｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ｓｐｅｒｍａｔｏｇｅｎｅｓｉｓ．　Ｐｒｏｃ．　Ｎａｔｌ．　Ａｃａｄ．　Ｓｃｉ．　ＵＳＡ，　１０８，　１０５７９−１０５８４．

　Ｗａｔａｎａｂｅ，　Ｔ．，　Ｃｈｕｍａ，　Ｓ．，　Ｙａｍａｍｏｔｏ，　Ｙ．，　Ｋｕｒａｍｏｃｈｉ−Ｍｉｙａｇａｗａ，　Ｓ．，　Ｔｏｔｏｋｉ，　Ｙ．，　Ｔｏｙｏｄａ，　Ａ．，　Ｈｏｋｉ，　Ｙ．，　Ｆｕｊｉｙａｍａ，　Ａ．，　Ｓｈｉｂａｔａ，　Ｔ．，　Ｓａｄｏ，　Ｔ．，　Ｎｏｃｅ，　Ｔ．，　Ｎａｋａｎｏ，　Ｔ．，　Ｎａｋａｔｓｕｊｉ，　Ｎ．，　Ｌｉｎ，　Ｈ．，　Ｓａｓａｋｉ，　Ｈ．　（２０１１）　ＭＩＴＯＰＬＤ　ｉｓ　ａ　ｍｉｔｏｃｈｏｎｄｒｉａｌ　ｐｒｏｔｅｉｎ　ｅｓｓｅｎｔｉａｌ　ｆｏｒ　ｎｕａｇｅ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｉＲＮＡ　ｂｉｏｇｅｎｅｓｉｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｏｕｓｅ　ｇｅｒｍｌｉｎｅ．　Ｄｅｖ．　Ｃｅｌｌ，　２０，　３６４−３７５．

　Ｋｕｒａｍｏｃｈｉ−Ｍｉｙａｇａｗａ，　Ｓ．，　Ｗａｔａｎａｂｅ，　Ｔ．，　Ｇｏｔｏｈ，　Ｋ．，　Ｔａｋａｍａｔｓｕ，　Ｋ．，　Ｃｈｕｍａ，　Ｓ．，　Ｋｏｊｉｍａ−Ｋｉｔａ，　Ｋ．，　Ｓｈｉｒｏｍｏｔｏ，　Ｙ．，　Ａｓａｄａ，　Ｎ．，　Ｔｏｙｏｄａ，　Ａ．，　Ｆｕｊｉｙａｍａ，　Ａ．，　Ｔｏｔｏｋｉ，　Ｙ．，　Ｓｈｉｂａｔａ，　Ｔ．，　Ｋｉｍｕｒａ，　Ｔ．，　Ｎａｋａｔｓｕｊｉ，　Ｎ．，　Ｎｏｃｅ，　Ｔ．，　Ｓａｓａｋｉ，　Ｈ．，　ａｎｄ　Ｎａｋａｎｏ，　Ｔ．　（２０１０）　ＭＶＨ　ｉｎ　ｐｉＲＮＡ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ａｎｄ　ｇｅｎｅ　ｓｉｌｅｎｃｉｎｇ　ｏｆ　ｒｅｔｒｏｔｒａｎｓｐｏｓｏｎｓ．　Ｇｅｎｅｓ　Ｄｅｖ．，　２４，　８８７−８９２．

　Ｓｈｏｊｉ，　Ｍ．，　Ｔａｎａｋａ，　Ｔ．，　Ｈｏｓｏｋａｗａ，　Ｍ．，　Ｒｅｕｔｅｒ，　Ｍ．，　Ｓｔａｒｋ，　Ａ．，　Ｋａｔｏ，　Ｙ．，　Ｋｏｎｄｏｈ，　Ｇ．，　Ｏｋａｗａ，　Ｋ．，　Ｃｈｕｊｏ，　Ｔ．，　Ｓｕｚｕｋｉ，　Ｔ．，　Ｈａｔａ，　Ｋ．，　Ｍａｒｔｉｎ，　Ｓ．Ｌ．，　Ｎｏｃｅ，　Ｔ．，　Ｋｕｒａｍｏｃｈｉ−Ｍｉｙａｇａｗａ，　Ｓ．，　Ｎａｋａｎｏ，　Ｔ．，　Ｓａｓａｋｉ，　Ｈ．，　Ｐｉｌｌａｉ，　Ｒ．Ｓ．，　Ｎａｋａｔｓｕｊｉ，　Ｎ．，　ａｎｄ　Ｃｈｕｍａ，　Ｓ．　（２００９）　Ｔｈｅ　ＴＤＲＤ９−ＭＩＷＩ２　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｉｓ　ｅｓｓｅｎｔｉａｌ　ｆｏｒ　ｐｉＲＮＡ−ｍｅｄｉ
ａｔｅｄ　ｒｅｔｒｏｔｒａｎｓｐｏｓｏｎ　ｓｉｌｅｎｃｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｏｕｓｅ　ｍａｌｅ　ｇｅｒｍｌｉｎｅ．　Ｄｅｖ．　Ｃｅｌｌ，　１７，　７７５−７８７．


関連リンク

ｉＣｅＭＳウェブページ
　http://www.icems.kyoto-u.ac.jp/j/pr/2011/11/28-nr.html

論文は以下に掲載されております。
　http://dx.doi.org/10.1038/nature10672

論文情報
　“Ｍｉｗｉ　ｃａｔａｌｙｓｉｓ　ｉｓ　ｒｅｑｕｉｒｅｄ　ｆｏｒ　ｐｉＲＮＡ　ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ−ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　ＬＩＮＥ１　ｔｒａｎｓｐｏｓｏｎ　ｓｉｌｅｎｃｉｎｇ”
Ｍｉｃｈａｅｌ　ＲＥＵＴＥＲ，　Ｐｈｉｌｉｐｐ　ＢＥＲＮＩＮＧＥＲ，　Ｓｈｉｎｉｃｈｉｒｏ　ＣＨＵＭＡ，　Ｈａｒｄｉｋ　ＳＨＡＨ，　Ｍｉｈｏｋｏ　ＨＯＳＯＫＡＷＡ，　Ｃｈａｒｌｏｔｔａ　ＦＵＮＡＹＡ，　Ｃｌａｕｄｅ　ＡＮＴＯＮＹ，　Ｒａｖｉ　ＳＡＣＨＩＤＡＮＡＮＤＡＭ，　ａｎｄ　Ｒａｍｅｓｈ　Ｓ．　ＰＩＬＬＡＩ
ＤＯＩ：　１０．１０３８／ｎａｔｕｒｅ１０６７２

　京都新聞（１１月２８日　２３面）、産経新聞（１１月２８日　２６面）および日本経済新聞（１１月２８日　１１面）に掲載されました。　


　※　参考資料は、関連資料参照