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2020年5月27日

理化學研究所
大阪市立大學
ニューカッスル大學
IVFなんばクリニック

卵母細胞における染色體分配裝置の形成機構を解明

-マウスでは動原體が紡錘體形成の「土臺」として働く-

理化學研究所(理研)生命機能科學研究センター染色體分配研究チームの吉田周平上級研究員、橋本周客員研究員(大阪市立大學大學院醫學研究科特任準教授、IVFなんばクリニック研究部長)、北島智也チームリーダー、ニューカッスル大學のメアリー?ハーバート教授、IVFなんばクリニックの中岡義晴院長らの國際共同研究グループは、マウスの卵母細胞[1]では、染色體分配を擔う紡錘體[2]形成の際に、染色體上の動原體[3]が「土臺」として機能するものの、ヒトの卵母細胞では機能しないことを発見しました。

本研究成果は、ヒト卵子で高頻度に見られる染色體數異常の原因の理解につながると期待できます。

卵子[1]が正確につくられるためには、卵母細胞の減數分裂[4]時に二つの極を持つ紡錘體が形成され、それぞれの極に向かって正しい數の染色體が分配される必要があります。多くの動物の體細胞分裂では、中心體[5]が紡錘體の二極性の土臺として働きます。しかし、哺乳類の卵母細胞は中心體を持たないことから、紡錘體を形成するための土臺が何かはよく分かっていませんでした。

今回、國際共同研究グループは、マウス卵母細胞で二極性の紡錘體が形成されるためには、Ndc80[3]Prc1[6]の二つのタンパク質が染色體上の動原體で機能する必要があることを発見しました。そして、この動原體を土臺とする機構はマウス卵母細胞でのみ働き、正しく卵子に染色體を分配するために必須である一方、ヒト卵母細胞では働かないことが分かりました。

本研究は、オンライン科學雑誌『Nature Communications』(5?27?付??本時間5?27?)に掲載されます。

マウス卵母細胞における紡錘體の二極化モデル(二極は上下方向)の図

マウス卵母細胞における紡錘體の二極化モデル(二極は上下方向)

背景

卵子のもとになる細胞を卵母細胞といいます。卵子が正確につくられるためには、減數分裂の際に卵母細胞で二つの極を持つ「紡錘體」が形成され、それぞれの極に向かって正しい數の染色體が分配される必要があります。染色體分配に失敗すると、卵子の染色體數異常が引き起こされ、流産や先天性疾患の原因になります。特にヒトの卵母細胞では、染色體分配の失敗が高い頻度で起こります。

紡錘體は微小管[5]からなり、染色體を紡錘體の二つの極に向かって引っ張るため、紡錘體は二極性である必要があります。多くの動物の體細胞分裂では、中心體が「土臺」となって紡錘體は二極化されますが、哺乳類などの卵母細胞にはこの土臺となる中心體が存在しません。そのため、卵母細胞は體細胞とは異なる機構によって紡錘體を二極化していると考えられますが、その機構はよく分かっていませんでした。

また、同じ哺乳類でも、マウスの卵母細胞は二極性の紡錘體を正確に形成できるのに対し、ヒトの卵母細胞は紡錘體の二極化に失敗しやすく、これが染色體分配異常の主要な原因の一つとなっています。しかし、なぜヒト卵母細胞で紡錘體形成の失敗が多いのかは、明らかになっていませんでした。

研究手法と成果

國際共同研究グループは、細胞分裂時に染色體のくびれ部分に形成される「動原體」の機能に著目し、動原體を構成するタンパク質の一つ「Ndc80」を卵母細胞で欠失させるコンディショナルノックアウトマウス[7]を作製しました。そして、このマウスから得られた卵母細胞の紡錘體形成の様子を高解像度ライブイメージング[8]で観察し、解析しました。その結果、Ndc80を欠失させた卵母細胞は、減數第一分裂の際に紡錘體の二極化に失敗し、染色體がさまざまな方向に散らばってしまうことが明らかになりました(図1)。

體細胞分裂では、動原體を構成するNdc80は微小管と結合することが知られています。しかし、卵母細胞におけるNdc80の機能を詳しく解析したところ、紡錘體の二極化のために、Ndc80は微小管と結合する必要はないものの、動原體に局在しなければならないことが分かりました。これらは、卵母細胞の動原體は、減數第一分裂における紡錘體の二極化に必須であることを示しています。

Ndc80タンパク質を欠失させたマウス卵母細胞における紡錘體の図

図1 Ndc80タンパク質を欠失させたマウス卵母細胞における紡錘體

マウス卵母細胞の減數第一分裂中期のライブイメージング。紡錘體の観察は微小管結合タンパク質と緑色蛍光タンパク質の融合により、染色體の観察はヒストンと赤色蛍光タンパク質により、それぞれ可視化した。右のように、Ndc80を欠失した卵母細胞は、減數第一分裂時に紡錘體の二極化に失敗し、染色體が散らばってしまった。スケールバーは10マイクロメートル(μm、1μmは1,000分の1mm)。

次に、紡錘體の二極化に関わるNdc80の機能をさらに詳しく知るため、Ndc80と相互作用する因子の探索を行いました。その結果、微小管の制御因子として知られるタンパク質「Prc1」を同定しました。これまで中心體を持つ體細胞では、Prc1は紡錘體形成に必要とされないことは分かっていましたが、卵母細胞での機能は明らかになっていませんでした。そこで、マウス卵母細胞でのPrc1の観察や、Prc1のノックダウン[9]実験を行ったところ、Prc1はNdc80を介して動原體とその近傍の微小管に局在し、紡錘體の二極化に寄與することを見いだしました(図2)。

マウスの卵母細胞紡錘體におけるPrc1タンパク質の局在の図

図2 マウスの卵母細胞紡錘體におけるPrc1タンパク質の局在

マウス卵母細胞の減數第一分裂後期の蛍光染色像。Prc1は、動原體(*)とその近傍の微小管に局在する。スケールバーは10μm。

興味深いことに、このNdc80を介してPrc1を動原體に集積させる機構は、減數第二分裂における紡錘體の二極化には必須ではありませんでした。この理由の一つは、Prc1の発現量の違いにあり、減數第二分裂ではPrc1の発現量が高く、細胞全體で高濃度になっており、動原體によって局所的にPrc1を集積させる機構がなくても紡錘體が二極化できるからです。

Ndc80欠失卵母細胞にPrc1を人為的に高発現させたところ、減數第一分裂における紡錘體の二極化は回復したものの、染色體分配の失敗が高頻度で起きた(図3)ことから、動原體を使わない減數第二分裂における紡錘體の二極化機構は、減數第一分裂ではうまく働かないことが示されました。

Prc1の増加によるマウス卵母細胞における二極性紡錘體形成の回復の図

図3 Prc1の増加によるマウス卵母細胞における二極性紡錘體形成の回復

右のように、Ndc80を欠失させたマウス卵母細胞にPrc1を高発現させたところ、二極性の紡錘體形成が回復した。しかし、正しい位置に並ばない染色體も出現し、染色體分配の失敗が高頻度で起きた。スケールバーは10μm。

これらの結果から、マウス卵母細胞の減數第一分裂では、動原體を「土臺」としてPrc1を集積させることで、染色體を分配する裝置である紡錘體を二極化しており、また、このような機構は卵母細胞の減數第一分裂でのみ必要とされることが明らかになりました(図4)。

マウス卵母細胞における動原體が主導する紡錘體の二極化機構の図

図4 マウス卵母細胞における動原體が主導する紡錘體の二極化機構

  • (上)紡錘體微小管(緑)、動原體(赤)、Prc1(黃)、染色體(青)の関係を表した模式図。正常な減數第一分裂では、細胞內に少量存在するPrc1がNdc80の働きにより動原體に集積し、紡錘體の二極化(上下方向)が起きる。
  • (下)Prc1を増加させ、減數第二分裂と同様に細胞質內に大量のPrc1が存在する狀況を人為的に再現すると、動原體非依存的な紡錘體形成が生じ、染色體分配異常を引き起こす。

このような重要な機構がヒトの卵母細胞でも働いているかを調べるため、研究用に提供を受けたヒト卵母細胞を用いてPrc1の局在を調べました。その結果、Prc1の動原體局在は観察されなかったことから、マウスと異なり、ヒトではこの機構が働かないことが分かりました。

今後の期待

本研究から、マウスの卵母細胞において、染色體を分配する裝置である紡錘體の二極化には、動原體が土臺として働く機構が必須であることが明らかになりました。一方、紡錘體の二極化に失敗しやすいことが知られているヒト卵母細胞では、マウスのようなPrc1の動原體への局在が観察されませんでした。このような差異は、ヒト卵母細胞で紡錘體の二極化が失敗しやすいことに対する説明の一つといえます。

紡錘體の二極化の失敗は、卵子の染色體數異常の主要な原因の一つです。今後、さらにマウス卵母細胞とヒト卵母細胞における紡錘體形成機構の相違を明らかにしていくことで、卵子の染色體數異常の原因の理解につながると期待できます。

補足説明

  • 1.卵母細胞、卵子
    卵原細胞が増加した後、分化してできた雌性生殖細胞を卵母細胞と呼ぶ。卵母細胞は大きく成長した後、減數分裂を経て受精可能な卵子となる。
  • 2.紡錘體
    細胞分裂の際に染色體を分配するための細胞內構造で、主に微小管から構成される。
  • 3.動原體、Ndc80
    動原體は染色體のくびれ部分上に形成されるタンパク質複合體で、Ndc80はその構成タンパク質の一つ。染色體分配の際に、微小管が染色體を動かすための牽引部位となる。體細胞分裂では姉妹染色分體のそれぞれに動原體が一つずつ形成され、減數第一分裂では相同染色體のそれぞれに動原體が一つずつ形成される。
  • 4.減數分裂
    真核生物の生殖器官(精巣や卵巣)にある生殖細胞で見られる、配偶子(精子や卵子)を作るための特別な様式の細胞分裂。途中でDNAが複製されることなく、2回の細胞分裂(減數第一分裂、減數第二分裂)が起こる。染色體セットの數が半分に減少して配偶子にもたらされるために、減數分裂と呼ぶ。
  • 5.中心體、微小管
    「微小管」は細胞內で繊維狀の構造をとる細胞骨格の一つである。α/βチューブリンの重合體で、重合?脫重合を可逆的に行うことで形態を変化させる。チューブリン重合の核となる構造を「微小管形成中心」と呼び、多くの動物の體細胞分裂では、主に「中心體」がその役割を果たす。
  • 6.Prc1
    Prc1は逆方向性微小管の架橋タンパク質で、體細胞分裂では染色體分配後の細胞質分裂に必要である。
  • 7.コンディショナルノックアウトマウス
    特定の細胞や時期特異的に、標的遺伝子をノックアウトすることができるマウス。
  • 8.ライブイメージング
    生きた細胞や組織、個體の生命活動を継時観察すること。特に、GFPなどの蛍光タンパク質を用いて特定のタンパク質や細胞を標識し、蛍光顕微鏡でその動きや変化を詳細に観察する手法は、生命科學の必須の手法となっている。
  • 9.ノックダウン
    mRNAの分解や翻訳抑制などの操作により、遺伝子機能の発現を大幅に低下させること。本研究では、RNA干渉(RNAi)と呼ばれる手法を卵母細胞に適用した。

國際共同研究グループ

理化學研究所 生命機能科學研究センター
染色體分配研究チーム
上級研究員 吉田 周平(よしだ しゅうへい)
客員研究員 橋本 周(はしもと しゅう)
(大阪市立大學大學院醫學研究科特任準教授、IVFなんばクリニック研究部長)
大學院生リサーチ?アソシエイト 西山 翠(にしやま すい)
訪問研究員 三品 達平(みしな たっぺい)
研究員(研究當時)オレリアン?クートワ(Aurelien Courtois)
研究員 京極 博久(きょうごく ひろひさ)
チームリーダー 北島 智也(きたじま ともや)
生體モデル開発チーム
技師 阿部 高也(あべ たかや)
テクニカルスタッフⅡ 白石 亜紀(しらいし あき)

ニューカッスル大學 Newcastle Fertility Centre
研究員 リサ?リスター(Lisa Lister)
婦人科學コンサルタント チャウダリー?ミーナクシ(Choudhary Meenakshi)
教授 メアリー?ハーバート(Mary Herbert)

IVFなんばクリニック
院長 中岡 義晴(なかおか よしはる)

研究支援

本研究は、日本學術振興會(JSPS)科學研究費補助金若手研究(A)「卵母細胞に特有な動原體の役割(研究代表者:北島智也)」、同新學術領域研究(研究領域提案型)「配偶子インテグリティの構築(領域代表者:林克彥)」などによる支援を受けて行われました。

原論文情報

  • Shuhei Yoshida, Sui Nishiyama, Lisa Lister, Shu Hashimoto, Tappei Mishina, Aurélien Courtois, Hirohisa Kyogoku, Takaya Abe, Aki Shiraishi, Meenakshi Choudhary, Yoshiharu Nakaoka, Mary Herbert and Tomoya S. Kitajima, "Prc1-rich kinetochores are required for error-free acentrosomal spindle bipolarization during meiosis I in mouse oocytes", Nature Communications, 10.1038/s41467-020-16488-y

発表者

理化學研究所
生命機能科學研究センター 染色體分配研究チーム
チームリーダー 北島 智也(きたじま ともや)
上級研究員 吉田 周平(よしだ しゅうへい)
客員研究員 橋本 周(はしもと しゅう)
(大阪市立大學大學院醫學研究科特任準教授、IVFなんばクリニック研究部長)

IVFなんばクリニック
院長 中岡 義晴(なかおか よしはる)

報道擔當

理化學研究所 広報室 報道擔當
Tel: 048-467-9272 / Fax: 048-462-4715
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大阪市立大學 広報課
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Email: t-koho [at] ado.osaka-cu.ac.jp

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尾本 優里子(おもと ゆりこ)
Tel: 06-6534-8825 / Fax: 06-6534-8826
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