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2021 年度 実施状況報告書

KOマウスを用いたミトコンドリア鞘形成メカニズムの解析

研究課題

研究課題/領域番号 20K16107
研究機関大阪大学

研究代表者

嶋田 圭祐  大阪大学, 微生物病研究所, 助教 (60779601)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
キーワード精子ミトコンドリア / 精子形成 / 液-液相分離
研究実績の概要

本研究ではSmdr3及びSmdr5遺伝子を欠損させたKOマウスの表現型を解析し,これら遺伝子がどのようにミトコンドリア鞘形成に関与しているのかを明らかにすることを目的としている。
SMDR3に対する抗体を作成し,免疫電子顕微鏡観察をしたところ,SMDR3は予想に反してミトコンドリアとは独立した2種類のnuageに局在していることが明らかになった。このnuageはpiRNAが局在するIntermitochondrial cementとは異なるnuageであり,これまでにその機能については全く解析されてこなかったものであった。本研究によりSMDR3に由来するnuageが精子ミトコンドリアの整列に関連することが明らかになった。SMDR3を培養細胞に過剰発現させると,SMDR3は単独で細胞質内にdropletを形成することから,SMDR3は細胞内に液-液相分離を引き起こすことで機能していることも明らかになった。

Smdr5 KOマウスは精子形成過程で精子ミトコンドリアの内部構造に異常を呈し,ミトコンドリア鞘形成がうまくいかないことで雄性不妊となる。今回Smdr5を生殖細胞のみで発現するトランスジェニック(Tg)マウスを作成し、Smdr5 KOマウスに導入すると、雄性不妊がレスキューできることが明らかになった。さらにユビキタスに発現するSmdr5のファミリー遺伝子についても、生殖細胞のみで発現するTgマウスを作成し、Smdr5 KOマウスに導入しても雄性不妊はレスキューできたため,SMDR5の機能はそのファミリータンパク質と同様の働きを有していることが考えられた。したがって,これら2つのタンパク質は発現場所のみ違いがあるものの,機能は同じタンパク質であることが示唆された。

現在までの達成度 (区分)
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

SMDR3は精子ミトコンドリア異常により雄性不妊となることから,ミトコンドリアに局在するタンパク質であると考えていたが,実際には生殖細胞の一時期のみに存在し,ミトコンドリアとは独立する2種類のnuageに局在することが分かった。これは精子ミトコンドリアの形態に全く関係ないと思われていたnuageが、ミトコンドリア鞘形成に必須であることを示しており,研究開始当初からは全く想像のできない結果であった。さらにこのnuageは培養細胞にSMDR3を発現させることでも誘導することができ,SMDR3をリン酸化酵素と同時に発現させるとnuageの誘導はなく,脱リン酸化酵素と同時に発現させると誘導できることなども分かっており,新たなnuage研究への応用も感じさせるものだった。
さらに精子ミトコンドリアに異常を呈するGm9999 KOマウスの解析により,この遺伝子から誘導される2種類のポリペプチドはそれぞれ精子ミトコンドリア鞘形成期の異なる時期に発現して,精子ミトコンドリアの鞭毛への巻き付きに関与していることを明らかにした。この研究は論文として報告をおこなった(Mise, S., Matsumoto, A., Shimada, K., et al., (2022) Kastor and Polluks polypeptides encoded by a single gene locus cooperatively regulate VDAC and spermatogenesis, Nat Commun. 13, 1071.)。

今後の研究の推進方策

SMDR3に関しては、SMDR3によって誘導されるnuageの機能についての解析を進める。nuageは電子顕微鏡で観察すると電子密度が高いことから,核酸が多く含まれていることが考えられる。そこでRNA免疫沈降法により,抗SMDR3抗体による免疫沈降複合体からRNAを抽出して,そこにRNAが含まれているかRNA-seqなどを用いて解析する。可能であればどのようなRNAが含まれているのかを明らかにし,どのようにしてミトコンドリアの局在に影響を与えているのかを考察する。
SMDR5については,SMDR5と特異的に反応する抗体を作製できていないため,その局在についてトランスジェニックマウスを活用して明らかにする。蛍光顕微鏡観察から精子ミトコンドリアに局在していることは分かっているが,さらにミトコンドリア内のどこに局在し,どのような過程を経て精子ミトコンドリアの内部構造の変化を引き起こしているのかを,免疫電子顕微鏡法により詳細に明らかにする。

次年度使用額が生じた理由

SMDR3の局在がnuageに局在するという発見により,in vitro解析を中心に新たな研究を模索する必要性が出てきた。液-液相分離に関連する実験やRNAの検出など新たな実験系を構築しなくてはならなくなったので,そのための期間を設けて次年度に実験をおこなう必要性が出てきた。
主にRNA-seqなどの核酸実験を中心に繰越金を使用する予定である。

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 4件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 6件) 学会発表 (1件)

  • [雑誌論文] CRISPR/Cas9-mediated genome editing reveals 12 testis-enriched genes dispensable for male fertility in mice2022

    • 著者名/発表者名
      Oyama Yuki、Miyata Haruhiko、Shimada Keisuke、Fujihara Yoshitaka、Tokuhiro Keizo、Garcia ThomasX、Matzuk MartinM、Ikawa Masahito
    • 雑誌名

      Asian Journal of Andrology

      巻: 0 ページ: 1-7

    • DOI

      10.4103/aja.aja_63_21

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Kastor and Polluks polypeptides encoded by a single gene locus cooperatively regulate VDAC and spermatogenesis2022

    • 著者名/発表者名
      Mise Shintaro、Matsumoto Akinobu、Shimada Keisuke、Hosaka Toshiaki、Takahashi Masatomo、Ichihara Kazuya、Shimizu Hideyuki、Shiraishi Chisa、Saito Daisuke、Suyama Mikita、Yasuda Tomoharu、Ide Toru、Izumi Yoshihiro、Bamba Takeshi、Kimura-Someya Tomomi、Shirouzu Mikako、Miyata Haruhiko、Ikawa Masahito、Nakayama Keiichi I.
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 13 ページ: 1-17

    • DOI

      10.1038/s41467-022-28677-y

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] FAM209 associates with DPY19L2, and is required for sperm acrosome biogenesis and fertility in mice2021

    • 著者名/発表者名
      Castaneda Julio M.、Shimada Keisuke、Satouh Yuhkoh、Yu Zhifeng、Devlin Darius J.、Ikawa Masahito、Matzuk Martin M.
    • 雑誌名

      Journal of Cell Science

      巻: 134 ページ: 1-11

    • DOI

      10.1242/jcs.259206

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] SPATA33 localizes calcineurin to the mitochondria and regulates sperm motility in mice2021

    • 著者名/発表者名
      Miyata Haruhiko、Oura Seiya、Morohoshi Akane、Shimada Keisuke、Mashiko Daisuke、Oyama Yuki、Kaneda Yuki、Matsumura Takafumi、Abbasi Ferheen、Ikawa Masahito
    • 雑誌名

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      巻: 118 ページ: 1-9

    • DOI

      10.1073/pnas.2106673118

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Endometrial receptivity and implantation require uterine BMP signaling through an ACVR2A-SMAD1/SMAD5 axis2021

    • 著者名/発表者名
      Monsivais Diana、Nagashima Takashi、Prunskaite-Hyyrylainen Renata、Nozawa Kaori、Shimada Keisuke、Tang Suni、Hamor Clark、Agno Julio E.、Chen Fengju、Masand Ramya P.、Young Steven L.、Creighton Chad J.、DeMayo Francesco J.、Ikawa Masahito、Lee Se-Jin、Matzuk Martin M.
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 12 ページ: 1-17

    • DOI

      10.1038/s41467-021-23571-5

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] LRRC23 is a conserved component of the radial spoke that is necessary for sperm motility and male fertility in mice2021

    • 著者名/発表者名
      Zhang Xin、Sun Jiang、Lu Yonggang、Zhang Jintao、Shimada Keisuke、Noda Taichi、Zhao Shuqin、Koyano Takayuki、Matsuyama Makoto、Zhou Shushu、Wu Jiayan、Ikawa Masahito、Liu Mingxi
    • 雑誌名

      Journal of Cell Science

      巻: 134 ページ: 1-14

    • DOI

      10.1242/jcs.259381

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] ARMC12は精子形成期においてミトコンドリア外膜上で接着因子として働くことでミトコンドリア鞘形成を可能にする2021

    • 著者名/発表者名
      嶋田圭祐, Soojin Park, 宮田治彦, Zhifeng Yu, 諸星茜, 大浦聖矢, Martin M. Matzuk, 伊川正人
    • 学会等名
      日本アンドロロジー学会第40回学術大会

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公開日: 2022-12-28  

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