受精卵全能性を統御する遺伝子群の単離と機能解析

2020 年度 実績報告書

• 研究領域: 全能性プログラム：デコーディングからデザインへ
• 研究課題/領域番号: 19H05750
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 伊川 正人 大阪大学, 微生物病研究所, 教授 (20304066)
• 研究分担者: 篠原 隆司 京都大学, 医学研究科, 教授 (30322770)
• 研究期間 (年度): 2019-06-28 – 2024-03-31
• キーワード: ゲノム編集 / 精子成熟 / 受精 / 卵活性化 / 全能性 / 不妊

研究実績の概要

本課題では、①生命起動メカニズムの解明、②卵活性化機構の解明をメインテーマとし、さらに③精子エピゲノム獲得機構の解明をサブテーマ として研究を進めている。
①生命起動メカニズムの解明：2020年度も引き続き、卵・卵巣特異的に発現する遺伝子について、CRISPR/Cas9 によりKOマウスを作製し、交配テストを実施した。その結果、PABPN1Lを欠損した卵では、GV期からMII期にかけて母性mRNAの分解が上手くいかず、受精後の発生が2細胞期に停止することを明らかにした(論文投稿準備中)。さらに、これら分解されるべきはずのmRNAについて着目しRNAseq解析を実施し、ZAR1L因子を見つけた。ホモログであるZAR1をKOすると初期胚発生停止することから、ZAR1LのKOマウスを作製したところ、残念ながら雌の妊孕性に異常は認められなかった。現在は、他因子のKOマウスを作製して解析中である。
②卵活性化機構の解明：受精卵は受精刺激により活性化される。PLCZ1 以外に受精・活性化に影響する因子を探索して機能解析している中で、卵との融合に必須な因子としてFIMP, SOF1, TMEM95, SPACA6の4因子を新たに同定して機能解析を行い、論文報告した。
③精子エピゲノム獲得機構の解明：分担者の篠原と協力して、精巣での精子形成から成熟に関わる因子を標的に受精・全能性発揮に必要な因子の探索を開始した。精巣由来で精巣上体の成熟を促すルミクリン現象に着目し、精巣で作られるNELL2がルミクリン因子として働き、受容体であるROS1が発現する精巣上体の上皮細胞の分化を促し、さらに分化した上皮細胞から分泌されるOVCH2プロテアーゼが精子ADAM3のトリミングを介して、精子受精能力と雄妊孕性に必須であることを明らかにした。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

卵特異的に発現する遺伝子群についてKOマウスの作製と解析は順調に進んでいる。すでに5つの因子が必須でないことを明らかにすると同時に、必須因子もいくつか同定しており、2021年度以降は解析に重点を移す。そのほか、40年来の謎であったルミクリンの機構を明らかにしてScience誌に報告、また精子成熟・受精因子をPNAS誌に3報報告するなど、順調に進んでいる。

今後の研究の推進方策

引き続き、篠原の得意とするGS細胞、伊川が得意とするゲノム編集のメリットを活用し、受精および卵活性化・受精後発生に寄与する因子の同定と機能解析を進める。しかしながら、コロナウイルス感染症対策もあり、動物飼育の見通しも不透明であるため、試験管培養を用いたアプローチなど代替策を検討する。

研究成果

• [国際共同研究] Baylor College of Medecine/University of Hawai(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Baylor College of Medecine/University of Hawai
• [国際共同研究] Seoul National University(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: Seoul National University
• [国際共同研究] Fudan University(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Fudan University
• [雑誌論文] ARMC12 regulates spatiotemporal mitochondrial dynamics during spermiogenesis and is required for male fertility. (2021)
  • 著者名/発表者名: Shimada K, Park S, Miyata H, Yu Z, Morohoshi A, Oura S, Matzuk MM, Ikawa M.
  • 雑誌名: Proc Natl Acad Sci U S A. 巻: 118 ページ: e2018355118
  • DOI: 10.1073/pnas.2018355118.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Baek SH. Protocol for isolation of spermatids from mouse testes. (2021)
  • 著者名/発表者名: Kim CR, Noda T, Okada Y, Ikawa M.
  • 雑誌名: STAR Protoc. 巻: 2 ページ: 100254
  • DOI: 10.1016/j.xpro.2020.100254.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] An interplay of NOX1-derived ROS and oxygen determines the spermatogonial stem cell self-renewal efficiency under hypoxia (2021)
  • 著者名/発表者名: Morimoto H, Yamamoto T, Miyazaki T, Ogonuki N, Ogura A, Tanaka T, Kanatsu-Shinohara M, Yabe-Nishimura C, Zhang H, Pommier Y, Trumpp A, Shinohara T.
  • 雑誌名: Genes Dev . 巻: 35 ページ: 250-260
  • DOI: 10.1101/gad.339903.120
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] OGG1 protects mouse spermatogonial stem cells from reactive oxygen species in culture (2021)
  • 著者名/発表者名: Mori Y, Ogonuki N, Hasegawa A, Kanatsu-Shinohara M, Ogura A, Wang Y, McCarrey JR, Shinohara T.
  • 雑誌名: Biol Reprod . 巻: 104 ページ: 706-716
  • DOI: 10.1093/biolre/ioaa216
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] CRISPR/CAS9-mediated amino acid substitution reveals phosphorylation residues of RSPH6A are not essential for male fertility in mice†. (2020)
  • 著者名/発表者名: Miyata H, Abbasi F, Visconti PE, Ikawa M.
  • 雑誌名: Biol Reprod. 巻: 103 ページ: 912-914
  • DOI: 10.1093/biolre/ioaa161.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] PHF7 Modulates BRDT Stability and Histone-to-Protamine Exchange during Spermiogenesis. (2020)
  • 著者名/発表者名: Kim CR, Noda T, Kim H, Kim G, Park S, Na Y, Oura S, Shimada K, Bang I, Ahn JY, Kim YR, Oh SK, Choi HJ, Kim JS, Jung I, Lee H, Okada Y, Ikawa M, Baek SH.
  • 雑誌名: Cell Rep. 巻: 32 ページ: 107950
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2020.107950.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Bi-allelic DNAH8 Variants Lead to Multiple Morphological Abnormalities of the Sperm Flagella and Primary Male Infertility. (2020)
  • 著者名/発表者名: Liu C, Miyata H, Gao Y, Sha Y, Tang S, Xu Z, Whitfield M, Patrat C, Wu H, Dulioust E, Tian S, Shimada K, Cong J, Noda T, Li H, Morohoshi A, Cazin C, Kherraf ZE, Arnoult C, Jin L, He X, Ray PF, Cao Y, Touré A, Zhang F, Ikawa M.
  • 雑誌名: Am J Hum Genet. 巻: 107 ページ: 330-341
  • DOI: 10.1016/j.ajhg.2020.06.004.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Knockout of family with sequence similarity 170 member A (Fam170a) causes male subfertility, while Fam170b is dispensable in mice†. (2020)
  • 著者名/発表者名: Devlin DJ, Nozawa K, Ikawa M, *Matzuk MM.
  • 雑誌名: Biol Reprod. 巻: 103 ページ: 205-222
  • DOI: 10.1093/biolre/ioaa082.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] CRISPR/Cas9-based genome editing in mice uncovers 13 testis- or epididymis-enriched genes individually dispensable for male reproduction†. (2020)
  • 著者名/発表者名: Sun J, Lu Y, Nozawa K, Xu Z, Morohoshi A, Castaneda JM, Noda T, Miyata H, Abbasi F, Shawki HH, Takahashi S, Devlin DJ, Yu Z, Matzuk RM, Garcia TX, Matzuk MM, Ikawa M.
  • 雑誌名: Biol Reprod. 巻: 103 ページ: 183-194
  • DOI: 10.1093/biolre/ioaa083.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] CRISPR/Cas9-mediated genome-edited mice reveal 10 testis-enriched genes are dispensable for male fecundity. (2020)
  • 著者名/発表者名: Park S, Shimada K, Fujihara Y, Xu Z, Shimada K, Larasati T, Pratiwi P, Matzuk RM, Devlin DJ, Yu Z, Garcia TX, Matzuk MM, Ikawa M.
  • 雑誌名: Biol Reprod. 巻: 103 ページ: 195-204
  • DOI: 10.1093/biolre/ioaa084.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Tmprss12 is required for sperm motility and uterotubal junction migration in mice†. (2020)
  • 著者名/発表者名: Larasati T, Noda T, Fujihara Y, Shimada K, Tobita T, Yu Z, Matzuk MM, Ikawa M.
  • 雑誌名: Biol Reprod. 巻: 103 ページ: 254-263
  • DOI: 10.1093/biolre/ioaa060.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] NELL2-mediated lumicrine signaling through OVCH2 is required for male fertility. Science. (2020)
  • 著者名/発表者名: Kiyozumi D, Noda T, Yamaguchi R, Tobita T, Matsumura T, Shimada K, Kodani M, Kohda T, Fujihara Y, Ozawa M, Yu Z, Miklossy G, Bohren KM, Horie M, Okabe M, Matzuk MM, Ikawa M.
  • 雑誌名: Science. 巻: 368 ページ: 1132-1135
  • DOI: 10.1126/science.aay5134.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] CIB4 is essential for the haploid phase of spermatogenesis in mice†. (2020)
  • 著者名/発表者名: Xu Z, Miyata H, Kaneda Y, Castaneda JM, Lu Y, Morohoshi A, Yu Z, Matzuk MM, Ikawa M.
  • 雑誌名: Biol Reprod. 巻: 103 ページ: 235-243
  • DOI: 10.1093/biolre/ioaa059.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Sperm proteins SOF1, TMEM95, and SPACA6 are required for sperm-oocyte fusion in mice. (2020)
  • 著者名/発表者名: Noda T, Lu Y, Fujihara Y, Oura S, Koyano T, Kobayashi S, Matzuk MM, Ikawa M.
  • 雑誌名: Proc Natl Acad Sci U S A. 巻: 117 ページ: 11493-11502
  • DOI: 10.1073/pnas.1922650117
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Knockout of serine-rich single-pass membrane protein 1 (Ssmem1) causes globozoospermia and sterility in male mice†. (2020)
  • 著者名/発表者名: Nozawa K, Zhang Q, Miyata H, Devlin DJ, Yu Z, Oura S, Koyano T, Matsuyama M, Ikawa M, Matzuk MM.
  • 雑誌名: Biol Reprod. 巻: 103 ページ: :244-253
  • DOI: 10.1093/biolre/ioaa040.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Prss55 but not Prss51 is required for male fertility in mice†. (2020)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi K, Endo T, Matsumura T, Lu Y, Yu Z, Matzuk MM, Ikawa M.
  • 雑誌名: Biol Reprod. 巻: 103 ページ: 223-234
  • DOI: 10.1093/biolre/ioaa041.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Spermatozoa lacking Fertilization Influencing Membrane Protein (FIMP) fail to fuse with oocytes in mice. (2020)
  • 著者名/発表者名: Fujihara Y, Lu Y, Noda T, Oji A, Larasati T, Kojima-Kita K, Yu Z, Matzuk RM, Matzuk MM, Ikawa M.
  • 雑誌名: Proc Natl Acad Sci U S A. 巻: 117 ページ: 9393-9400
  • DOI: 10.1073/pnas.1917060117
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Testis-enriched kinesin KIF9 is important for progressive motility in mouse spermatozoa. (2020)
  • 著者名/発表者名: Miyata H, Shimada K, Morohoshi A, Oura S, Matsumura T, Xu Z, Oyama Y, Ikawa M.
  • 雑誌名: FASEB J. 巻: 34 ページ: 5389-5400
  • DOI: 10.1096/fj.201902755R.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Autologous transplantation of spermatogonial stem cells restores fertility in congenitally infertile mice (2020)
  • 著者名/発表者名: Kanatsu-Shinohara M, Ogonuki N, Matoba S, Ogura A, Shinohara T.
  • 雑誌名: Proc Natl Acad Sci U S A . 巻: 117 ページ: 7837-7844
  • DOI: 10.1073/pnas.1914963117
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] CD2 is a surface marker for mouse and rat spermatogonial stem cells (2020)
  • 著者名/発表者名: Kanatsu-Shinohara M, Chen G, Morimoto H, Shinohara T.
  • 雑誌名: J Reprod Dev. 巻: 66 ページ: 341-349
  • DOI: 10.1262/jrd.2020-019
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] ゲノム編集と受精研究への応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 伊川正人
  • 学会等名: 第17回熊本大学生命資源・研究センターシンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] ルミクリンシステムによる精子成熟の制御メカニズム (2020)
  • 著者名/発表者名: 伊川正人
  • 学会等名: 配偶子インテグリティの構築』『全能性プログラム』合同公開シンポジウム2020
• [学会発表] CRISPR/Cas9 Mediated Genome Editing and Its Application for the Study of Fertilization in Mice (2020)
  • 著者名/発表者名: Masahito Ikawa
  • 学会等名: The University of Kansas Medical Center seminar
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ゲノム編集マウスが切り開く受精研究の最前線 (2020)
  • 著者名/発表者名: 伊川正人
  • 学会等名: 第38回日本受精着床学会総会・学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] ゲノム編集マウスが切り開く受精研究の最前線 (2020)
  • 著者名/発表者名: 伊川正人
  • 学会等名: 第113回日本繁殖生物学会大会
  • 招待講演
• [備考] 研究室ホームページ
  • URL: https://egr.biken.osaka-u.ac.jp/