精子クロマチンの物性変化や核形態変化へのアクロソームと核膜孔の役割の解明

• 研究領域: ＤＮＡの物性から理解するゲノムモダリティ
• 研究課題/領域番号: 21H05743
• 研究種目: 学術変革領域研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 学術変革領域研究区分(Ⅲ)
• 研究機関: 東京医科歯科大学
• 研究代表者: 荒川 聡子 東京医科歯科大学, 統合研究機構, 教授 (90415159)
• 研究期間 (年度): 2021-09-10 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 13,000千円 (直接経費: 10,000千円、間接経費: 3,000千円); 2022年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2021年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
• キーワード: GOMED / ゴルジ / 精子形成 / 核膜孔 / 分化 / ゴルジ体 / オートファジー / 細胞分化 / タンパク質分解 / 雄性不妊 / アクロソーム

研究開始時の研究の概要

精子形成時のクロマチン凝集や核の形態変化に、アクロソームや核膜孔の変化が重要か解析するため[1]GOMED-1欠損精子におけるクロマチンの物性や核内局在分子の解析を行う。[2]アクロソームが、クロマチン凝縮や核の形態を制御するメカニズムを明らかにする。[3]核膜孔によるクロマチン凝縮の制御機構を明らかにする。加えて、[4]タンパク質分解機構GOMEDが精子形成に関わる役割を明らかにする。

研究実績の概要

ゴルジ体は小胞体から輸送されたタンパク質に、糖鎖修飾やリン酸化修飾などを加え、細胞外や細胞膜、リソソームへと輸送する。我々は、この過程が滞ると、ゴルジ体を用いた分解、GOMED機構 (Golgi Membrane Associated Degradation)が起きることを発見した。このGOMED機構は、酵母から哺乳動物まで保存された機構であり、ゴルジ体を経由したタンパク質がゴルジ体において滞留したときに機能する。このとき、1. トランスゴルジの膜が大きく変形する、2. 分解するタンパク顆粒やミトコンドリアを包み込む、3. ライソソームと融合して分解する、という過程を経る。
我々はすでにGOMEDに必要な分子を同定しており、そのノックアウトマウスは胎生致死や神経変性疾患、腸炎など重篤な表現型を示すことを見出している。今回、このGOMEDに関与するタンパク質のうち、GOMED-1を欠損させたマウスは雄性不妊となることを見出した。
この欠損マウスの出生割合は予測される25％を下回る7%以下であり、産仔数も非常に少ない。そこで、精巣及び精巣上体の微細構造解析を行った。その結果(1) ゴルジ体から形成されるアクロソーム形成の初期には異常がみられないこと、(2)アクロソームが変形し精子の核を取り囲む過程において、異常が見られること、(3)精子の核膜孔の分布に異常が見られること、(4) 核のクロマチン濃縮の遅滞することが判明した。
これらの解析結果から、GOMED-1欠損マウスの精子形成においては、アクロソームの分化異常と共に、核膜の形態変化やクロマチンの濃縮過程に異常が生じることが判明した。
また、新たに精巣特異的GOMED-1欠損マウスを作製した。現在、その解析中であるが、GOMED-1欠損マウスと表現型の違いを見出しており、このマウスについても解析を進めている。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] FLIP-based autophagy-detecting technique reveals closed autophagic compartments (2022)
  • 著者名/発表者名: Sakurai Hajime Tajima、Arakawa Satoko、Noguchi Saori、Shimizu Shigeomi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 22452-22452
  • DOI: 10.1038/s41598-022-26430-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Nickel particles are present in Crohn's disease tissue and exacerbate intestinal inflammation in IBD susceptible mice. (2022)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Matsuda, Yoichi Nibe-Shirakihara, Akiko Tamura, Emi Aonuma, Satoko Arakawa, Kana Otsubo, Yasuhiro Nemoto, Takashi Nagaishi, Kiichiro Tsuchiya, Shigeomi Shimizu, Averil Ma, Mamoru Watanabe, Motohiro Uo, Ryuichi Okamoto, Shigeru Oshima.
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications. 巻: 592 ページ: 74-80
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2021.12.111
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 多面的なin vivo 解析の最前線: Golgi体膜を用いた分解機構GOMEDの微細構造と生理機能の解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 荒川聡子、山口啓史、清水重臣
  • 学会等名: 第36回日本糖尿病・肥満動物学会年次学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞老化分化時に見られるオルガネラ変化の微細構造解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 荒川聡子、安原徳子、清水重臣
  • 学会等名: 第45回分子生物学会年会
• [学会発表] The role of acrosome and nuclear pore on the changes of physical properties and nuclear morphology of sperm chromatin (2022)
  • 著者名/発表者名: Satoko Arakawa, Hirofumi Yamaguchi, Shigeomi Shimizu
  • 学会等名: A Genome modality Understanding physical properties of the genome, annual meeting
• [学会発表] Discovery of Alternative Autophagy and its Physiological Role in the Brain (2022)
  • 著者名/発表者名: Satoko Arakawa, Hirofumi Yamaguchi, Shigeomi Shimizu
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会第７８回学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Discovery of Alternative Autophagy and its Physiological Role in the Brain (2022)
  • 著者名/発表者名: Satoko Arakawa, Hirofumi Yamaguchi, Shigeomi Shimizu
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会第78回学術講演会
• [学会発表] Wipi3 is essential for Golgi membrane-associated degradation (GOMED) pathway and its loss causes neurodegeneration (2021)
  • 著者名/発表者名: Satoko Arakawa, Hirofumi Yamaguchi, Shigeomi Shimizu
  • 学会等名: 第44回分子生物学会年会
• [学会発表] 電子顕微鏡からみた細胞死 (2021)
  • 著者名/発表者名: 荒川聡子、清水重臣
  • 学会等名: 第２回細胞死コロキウム
• [学会発表] The role of acrosome and nuclear pore on the changes of physical properties and nuclear morphology of sperm chromatin (2021)
  • 著者名/発表者名: Satoko Arakawa, Hirofumi Yamaguchi, Shigeomi Shimizu
  • 学会等名: A Genome modality Understanding physical properties of the genome, Online Meeting