Elucidating the molecular mechanisms of fertilization common to vertebrate animal models

• Project/Area Number: 20KK0155
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 42:Veterinary medical science, animal science, and related fields
• Research Institution: National Cardiovascular Center Research Institute
• Principal Investigator: 藤原 祥高 国立研究開発法人国立循環器病研究センター, 研究所, 部長 (70578848)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 伊川 正人 大阪大学, 微生物病研究所, 教授 (20304066) ; 江森 千紘 大阪大学, 微生物病研究所, 助教 (10868136) ; 櫻井 伸行 国立研究開発法人国立循環器病研究センター, 研究所, 特別研究員 (10808281) ; 吉田 恵一 地方独立行政法人大阪府立病院機構大阪国際がんセンター(研究所), その他部局等, 次世代がん医療開発センター 副センター長 (90365437)
• Project Period (FY): 2020-10-27 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥18,720,000 (Direct Cost: ¥14,400,000、Indirect Cost: ¥4,320,000); Fiscal Year 2023: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000); Fiscal Year 2022: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2021: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2020: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: 精子膜タンパク質 / 受精 / 透明帯通過 / 進化 / 種特異性 / 受精膜融合

Outline of Research at the Start

本研究では、受精膜融合と異種間受精を制御する精子膜タンパク質の探索と機能解析を目的に、実験動物の小型魚類とマウスを用いて取り組む。国際共同研究先のウィーンバイオセンターへ出向き、研究代表者らと共同研究者が小型魚類を用いた解析を行う。研究代表者らはその成果をマウス解析へと還元することで、魚類から哺乳類までの脊椎動物間で広く保存される受精の分子メカニズムの解明に挑む。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、受精膜融合と異種間受精を制御する精子膜タンパク質の探索と機能解析を目的に、実験動物の小型魚類とマウスを用いて取り組む。研究代表者と若手研究者らがチームを組んで国際共同研究先のオーストリア・ウィーンバイオセンターにて小型魚類の解析を行い、その成果を国内でマウス解析へと還元することで、魚類から哺乳類まで脊椎動物間で広く保存される受精の分子メカニズムの解明に挑む。

最終年度は、新型コロナウイルス感染症の影響で延期していた国際共同研究先への訪問を2023年6月に果たし、現地で研究交流と若手研究者による研究発表を実施した。その他に、スイス、フィンランド、アメリカ、カナダでも招待講演や成果発表を行うことができた。本課題では、精子膜タンパク質SPACA4の解析を通して哺乳類受精の中でも精子の透明帯通過に着目して解析を進めてきた（Fujihara et al. PNAS. 2021）。新たに開発したTEX46-KOマウスも精子頭部の形成不全により雄性不妊となった。詳細な解析の結果、TEX46-KOマウス精子は透明帯を通過できないことが分かった（Fujihara et al. PNAS Nexus. 2024）。

以上より、これまで精子頭部の形態が受精、特に透明帯通過に影響を及ぼすことは知られていたが、実際にどのような精子異常（形態、運動性、量など）がどの程度起こると受精障害を呈するのかは分かっていなかった。今回、国際共同研究によって精子膜タンパク質SPACA4, TEX46が精子の透明帯通過に重要な役割を持つことを明らかにした。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ウィーンバイオセンター(オーストリア)
• [Int'l Joint Research] ベイラー医科大学(米国)
• [Int'l Joint Research] オウル大学(フィンランド)
• [Int'l Joint Research] ウィーンバイオセンター(オーストリア)
• [Int'l Joint Research] ベイラー医科大学(米国)
• [Int'l Joint Research] オウル大学(ノルウェー)
• [Int'l Joint Research] ウィーンバイオセンター(オーストリア)
• [Int'l Joint Research] ベイラー医科大学(米国)
• [Int'l Joint Research] ウィーンバイオセンター(オーストリア)
• [Int'l Joint Research] ベイラー医科大学(米国)
• [Journal Article] Tex46 knockout male mice are sterile secondary to sperm head malformations and failure to penetrate through the zona pellucida (2024)
  • Author(s): Fujihara Y、Miyata H、Abbasi F、Larasati T、Nozawa K、Yu Z、Ikawa M、Matzuk MM.
  • Journal Title: PNAS Nexus Volume: 3 Issue: 3 Pages: 108-108
  • DOI: 10.1093/pnasnexus/pgae108
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Testis-enriched ferlin, FER1L5, is required for Ca ²⁺ -activated acrosome reaction and male fertility (2023)
  • Author(s): Morohoshi Akane、Miyata Haruhiko、Tokuhiro Keizo、Iida-Norita Rie、Noda Taichi、Fujihara Yoshitaka、Ikawa Masahito
  • Journal Title: Science Advances Volume: 9 Issue: 4
  • DOI: 10.1126/sciadv.ade7607
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Sperm membrane proteins DCST1 and DCST2 are required for sperm-egg interaction in mice and fish (2022)
  • Author(s): Noda Taichi、Blaha Andreas、Fujihara Yoshitaka、Gert Krista R.、Emori Chihiro、Deneke Victoria E.、Oura Seiya、Panser Karin、Lu Yonggang、Berent Sara、Kodani Mayo、Cabrera-Quio Luis Enrique、Pauli Andrea、Ikawa Masahito
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 5 Issue: 1 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1038/s42003-022-03289-w
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] TULP2 deletion mice exhibit abnormal outer dense fiber structure and male infertility (2022)
  • Author(s): Oyama Yuki、Miyata Haruhiko、Shimada Keisuke、Larasati Tamara、Fujihara Yoshitaka、Ikawa Masahito
  • Journal Title: Reproductive Medicine and Biology Volume: 21 Issue: 1 Pages: 1-8
  • DOI: 10.1002/rmb2.12467
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The testis-specific E3 ubiquitin ligase RNF133 is required for fecundity in mice (2022)
  • Author(s): Nozawa K、Fujihara Y、Devlin DJ、Deras RE、Kent K、Larina IV、Umezu K、Yu Z、Sutton CM、Ye Q、Dean LK、Emori C、Ikawa M、Garcia TX、Matzuk MM.
  • Journal Title: BMC Biology Volume: 20 Issue: 1 Pages: 161-161
  • DOI: 10.1186/s12915-022-01368-2
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Advancing ASMS with LC‐MS/MS for the discovery of novel PDCL2 ligands from DNA‐encoded chemical library selections (2022)
  • Author(s): Ye Q、Belabed H、Wang Y、Yu Z、Palaniappan M、Li JY、Kalovidouris SA、MacKenzie KR、Teng M、Young DW、Fujihara Y、Matzuk MM.
  • Journal Title: Andrology Volume: - Issue: 5 Pages: 808-815
  • DOI: 10.1111/andr.13309
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] PDCL2 is essential for sperm acrosome formation and male fertility in mice (2022)
  • Author(s): Fujihara Y、Kobayashi K、Abbasi F、Endo T、Yu Z、Ikawa M、Matzuk MM.
  • Journal Title: Andrology Volume: - Issue: 5 Pages: 789-798
  • DOI: 10.1111/andr.13329
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] CRISPR/Cas9‐mediated disruption of <i>lipocalins</i> , <i>Ly6g5b</i> , and <i>Ly6g5c</i> causes male subfertility in mice (2022)
  • Author(s): Sakurai N、Fujihara Y、Kobayashi K、Ikawa M.
  • Journal Title: Andrology Volume: - Issue: 5 Pages: 981-990
  • DOI: 10.1111/andr.13350
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] CRISPR/Cas9-mediated genome editing reveals 12 testis-enriched genes dispensable for male fertility in mice (2022)
  • Author(s): Oyama Yuki、Miyata Haruhiko、Shimada Keisuke、Fujihara Yoshitaka、Tokuhiro Keizo、Garcia ThomasX、Matzuk MartinM、Ikawa Masahito
  • Journal Title: Asian Journal of Andrology Volume: in press Issue: 3 Pages: 0-0
  • DOI: 10.4103/aja.aja_63_21
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The conserved fertility factor SPACA4/Bouncer has divergent modes of action in vertebrate fertilization (2021)
  • Author(s): Fujihara Yoshitaka、Herberg Sarah、Blaha Andreas、Panser Karin、Kobayashi Kiyonori、Larasati Tamara、Novatchkova Maria、Theussl Hans-Christian、Olszanska Olga、Ikawa Masahito、Pauli Andrea
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 118 Issue: 39
  • DOI: 10.1073/pnas.2108777118
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] ゲノム編集技術を応用した精子受精能力の制御メカニズムの解明 (2021)
  • Author(s): 藤原祥高
  • Journal Title: ゲノム編集技術を応用した製品開発とその実用化 Volume: 1 Pages: 489-495
• [Journal Article] Large-scale discovery of male reproductive tract-specific genes through analysis of RNA-seq datasets (2020)
  • Author(s): Robertson MJ, Kent K, Tharp N, Nozawa K, Dean L, Mathew M, Grimm SL, Yu Z, Legare C, Fujihara Y, Ikawa M, Sullivan R, Coarfa C, Matzuk MM, Garcia TX.
  • Journal Title: BMC Biology Volume: 18 Issue: 1 Pages: 103-103
  • DOI: 10.1186/s12915-020-00826-z
  • NAID: 120006957462
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Tmprss12 is required for sperm motility and uterotubal junction migration in mice (2020)
  • Author(s): §Larasati T., §Noda T., Fujihara Y., Shimada K., Tobita T., Yu Z., Matzuk M.M., Ikawa M.
  • Journal Title: Biology of Reproduction Volume: - Issue: 2 Pages: 254-263
  • DOI: 10.1093/biolre/ioaa060
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] CRISPR/Cas9-mediated genome-edited mice reveal 10 testis-enriched genes are dispensable for male fecundity (2020)
  • Author(s): Park Soojin、Shimada Keisuke、Fujihara Yoshitaka、Xu Zoulan、Shimada Kentaro、Larasati Tamara、Pratiwi Putri、Matzuk Ryan M、Devlin Darius J、Yu Zhifeng、Garcia Thomas X、Matzuk Martin M、Ikawa Masahito
  • Journal Title: Biology of Reproduction Volume: 103 Issue: 2 Pages: 195-204
  • DOI: 10.1093/biolre/ioaa084
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 遺伝子改変技術を用いた疾患モデル動物開発法の進歩と循環器病研究への貢献 (2020)
  • Author(s): 藤原祥高
  • Journal Title: 循環器病研究の進歩 Volume: 41 Pages: 67-74
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Screening male contraceptive targets using CRISPR/Cas9-mediated KO mice (2023)
  • Author(s): Yoshitaka Fujihara
  • Organizer: 2023 National Contraception Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Molecular mechanism of mammalian fertilization revealed by genome-edited mice (2023)
  • Author(s): Yoshitaka Fujihara
  • Organizer: The Fibrobesity Visitor Program and Kontinkangas Campus Seminar Series 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Molecular mechanisms of mammalian spermatogenesis and fertilization revealed by genome-edited mice (2023)
  • Author(s): Yoshitaka Fujihara
  • Organizer: The Fifth Annual David H. Yawn Commemorative Lecture
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] PDCL2 is essential for sperm acrosome formation and male fertility in mice (2023)
  • Author(s): Yoshitaka Fujihara
  • Organizer: 56th Annual Meeting of the Society for the Study of Reproduction (SSR)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] PDCL2 is essential for sperm acrosome formation and male fertility in mice (2023)
  • Author(s): Yoshitaka Fujihara
  • Organizer: The 22nd European Testis Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] PDCL2 is essential for sperm acrosome formation and male fertility in mice (2023)
  • Author(s): Haga S, Kobayashi K, Abbasi F, Endo T, Yu Z, Ikawa M, Matzuk MM, and Fujihara Y.
  • Organizer: 第70回日本実験動物学会総会
• [Presentation] 遺伝子改変マウスを用いた精子膜タンパク質FIMPの機能解析 (2020)
  • Author(s): 藤原祥高、Yonggang Lu、野田大地、大字亜沙美、Tamara Larasati、北加奈子、Zhifeng Yu、Ryan M. Matzuk、Martin M. Matzuk、伊川正人
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会
• [Remarks] Researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/Yoshitaka_Fujihara/?lang=japanese
• [Remarks] 国立研究開発法人国立循環器病研究センター先端医療技術開発部HP
  • URL: https://www.ncvc.go.jp/res/divisions/amt/
• [Remarks] INFRAFRONTIER News
  • URL: https://www.infrafrontier.eu/news/successful-launch-of-fibrobesity-visitor-programme-with-the-visit-of-dr-yoshitaka-fujihara/
• [Remarks] 大阪大学微生物病研究所遺伝子機能解析分野HP
  • URL: https://egr.biken.osaka-u.ac.jp/
• [Remarks] Researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/Yoshitaka_Fujihara
• [Remarks] 国立研究開発法人国立循環器病研究センター分子生物学部HP
  • URL: https://www.ncvc.go.jp/res/divisions/bioscience/
• [Remarks] 国立研究開発法人国立循環器病研究センター分子生物学部HP
  • URL: http://www.ncvc.go.jp/res/divisions/bioscience/index.html