京都大学は1月15日、酸素による活性酸素の制御が、正常な精子形成の維持に重要な役割を果たすことをモデルマウスによる実験で発見したと発表した。

同成果は、京大大学院 医学研究科 遺伝医学講座分子遺伝学分野の森本裕子助教、同・田中敬助教、同・宮嵜岳大助教、同・篠原美都助教、同・篠原隆司教授、京大 iPS細胞研究所の山本拓也准教授、京都府立医科大学 病態分子薬理学教室の矢部千尋教授、理化学研究所 バイオリソース研究センター 遺伝工学基盤技術室の越後貫成美専任技師、同・小倉淳郎室長、米国国立国立がん研究所のHongliang Zhang氏、同・Yves Pommier氏、独ハイデルベルグ幹細胞実験医学研究所のAndreas Trumpp氏らの国際共同研究チームによるもの。詳細は、国際学術誌「Genes and Development」にオンライン掲載された。

精子幹細胞は、毎日膨大な数の精子を作り続けることで知られる。同幹細胞は一生に渡って分裂し続けるが、実はそのメカニズムはあまり解明されていない。共同研究チームは2013年に、精子幹細胞の分裂に関わる分子として、「Nox1」という活性酸素を生じる「NADPHオキシダーゼ酵素」が重要な役割を果たしていることを発見した。

NADHPオキシダーゼは、電子運搬体であるNADPHから電子を受け取り、酸素分子を1電子分還元することで活性酸素を産生する酵素。Nox1は、NADHPオキシダーゼ酵素の複数あるファミリー分子のひとつである。

2013年の実験では、Nox1を欠損した精子幹細胞は正常な細胞に比べて分裂速度が低下していることから、Nox1が産生する活性酸素が精子幹細胞の分裂に必要であることが示された。一般的に活性酸素は、精子形成に悪影響を与えるとそれまで考えられていたため、その結果は予想外のだという。国際共同研究チームは今回、その作用機序を明らかにするため、Nox1欠損マウスから精子幹細胞を培養する実験を実施した。

Nox1を欠損した精子幹細胞の培養が試験管内で行われたところ、野生型細胞と変わらず増殖することが確認された。この結果は、これまでの研究で得られたマウス生体内での観察結果と矛盾するものだった。

そこで、その違いを生む原因を調べるため、培養条件に関してのさまざまな検討が行われた。その結果、生体内の酸素濃度に近い1％の酸素濃度でNox1欠損細胞を培養したときのみ、幹細胞の自己複製能がさらに低下することが見出されたという。

その自己複製脳の低下について詳しく調べるため、転写因子「HIF1A」を欠損したマウスの解析が行われた。HIF1Aは、細胞が低酸素になったときに活性化する転写因子だ。解析の結果、HIF1Aが別の転写因子「MYC」を介して、細胞分裂のブレーキ分子「CDKNA1」を用いて細胞分裂を抑制していることが判明した。

ところがNox1欠損細胞は、活性酸素を生じる酵素であるNox1を欠損しているにも関わらず、細胞内の活性酸素の量はさらに増えていることが確認されたのである。活性酸素は細胞が正常な代謝を行う過程で生じるもので、細胞に害を与えるものとして知られるが、同時に生体内のシグナル伝達に必要であるものでもある。活性酸素は細胞内小器官のミトコンドリアで大量に発生し、またNADPHオキシダーゼという酵素からも産生される。この両者により細胞内の活性酸素量が決まるのである。

そこで、活性酸素を大量に産生するもうひとつの源であるミトコンドリアが分析された。すると、低酸素状況下ではミトコンドリアが増えていることが判明。さらにミトコンドリアが精子幹細胞に与える影響を調べるため、ミトコンドリアに特異的な遺伝子修復酵素である「Top1mt」を欠損するマウスの解析も行われた。

Top1mt欠損マウスではミトコンドリアにDNA突然変異が集積するため、ミトコンドリアの機能が細胞分裂と共に悪化するという特徴を有する。そのため、Top1mt欠損マウスは若いときには正常に子孫を作ることが可能だ。しかし、加齢と共に精子形成が減弱し、不妊症になることが確かめられた。また、それにも関わらずこのマウスの精子幹細胞は正常に分裂していることもわかったのである。

これらのことから、精子幹細胞では酸素が活性酸素の産生を制御し、(1)NADPHオキシダーゼNox1由来の活性酸素が幹細胞の自己複製分裂に重要な役割を果たすこと、(2)精子形成の分化段階が進むと今度はミトコンドリアがより大きな役割を果たし、正常なミトコンドリア機能が精子形成に必要であること(ミトコンドリアがないと精子形成細胞が消失する)の2点が明らかとなった。ヒトの場合も、加齢と共に精子形成が減弱して不妊になることがあるが、ミトコンドリアの機能不全がそのようなケースの原因となっている可能性があるという。

国際共同研究チームは今後、ミトコンドリアとNADPHオキシダーゼという異なる起源の活性酸素が、精子形成の過程でどのように使い分けられているのかを明らかにしていきたいとしている。

  • 精子形成の模式図

    今回の研究成果の模式図 (出所:京大Webサイト)