九州大学(九大)は4月24日、代表的なエピゲノム修飾の1つである「DNAメチル化」について、マウスを用いた動物実験で、卵(卵子)および精子のDNAに正確に付加するタンパク質の機能的役割を明らかにしたことを発表した。
同成果は、九大 生体防御医学研究所の久保直樹特任講師(現・大阪大学 微生物病研究所 遺伝子機能解析分野 特任講師)、同・佐々木裕之特別主幹教授(九大 高等研究院 兼任)らの研究チームによるもの。詳細は、英オンライン科学誌「Nature Communications」に掲載された。
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マウス卵の免疫染色。通常は核内のDNAにメチル化修飾を付加するため、DNMT3AとDNMT3Lタンパク質の存在を示す強いシグナルが核内に観察できるが(左)、DNMT3AとDNMT3Lの両方のADDドメインの機能を欠損したマウスの卵では、そうしたシグナルが核内に見られなくなる(出所:九大プレスリリースPDF)
ヒトをはじめとする二性生物は、卵による母親由来の遺伝子と、精子による父親由来の遺伝子が受精によってそろうことで、両方の遺伝情報を受け継いだ新たな個体を誕生させる仕組みを持つ。受精後に両親由来の遺伝情報が正確に機能することで、受精卵が分裂や分化を繰り返し、最終的にその生物個体の1つ1つの細胞が形成されることになる。
エピゲノム制御とは、ゲノムに対して後天的に付加される情報のことであり、DNAメチル化修飾はその重要な1つで、受精後の遺伝子の働きを制御する重要な役割を担う。DNAの4塩基(アデニン、チミン、シトシン、グアニン)のうちのシトシンにメチル基という化学修飾を加えることで、遺伝子の発現が調節される(通常、遺伝子の活性が抑制される)。これにより、細胞分化や発生が影響を受け、たった1つの受精卵から始まって、さまざまな細胞が生まれるのである。
メチル化修飾は受精後に働くが、実は受精卵となる前、卵と精子の段階ですでに、そのDNAの各領域に的確に同修飾が付加されていることが明らかにされている。DNAメチル化修飾の確立機序を解明するため、これまで世界中で数多くの研究が行われてきたが、同修飾を担う2つのタンパク質(DNAメチル化酵素)「DNMT3A」と「DNMT3L」が、いかにDNAの各領域で的確にメチル化修飾を付加するのか、その詳細な機序についてはまだ不明な点が数多く残されているとする。
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卵(上)と精子(下)のDNAメチル化解析。DNAメチル化修飾がどのくらいのレベルで付加されているか、正常な卵と精子と合わせて、そのゲノム領域の一部が示されてる。DNMT3AとDNMT3LのADDドメイン機能欠損マウスでは、卵と精子で程度は異なるが、いずれもそのDNAメチル化修飾が著しく損なわれている(出所:九大プレスリリースPDF)
そこで研究チームは今回、DNMT3AとDNMT3Lの両タンパクが共通して持つ「ADDドメイン」に着目。そのタンパク部位の機能的役割を実際に生物(マウス)で解析するため、ゲノム編集によりそれぞれのADDドメインに変異を導入し、両方の機能が欠損したマウスと、その卵と精子の詳細な解析を行うことにしたという。
解析の結果、両タンパク質のADDドメインの機能を喪失した雄マウスでは、精巣が縮小しており、精子の数、運動能も有意に低下していることが判明。それに対し、雌マウスの卵巣、卵のサイズ、形態は、野生型と比較してほとんど変化は見られなかったとした。
ところが、DNAメチル化修飾を全ゲノムで解析したところ、両タンパク質のADDドメイン機能が欠損した卵と精子のどちらも、DNAメチル化修飾が正しくゲノムに付加されておらず、特に形態上は変化がなかった卵で、より重度なDNAメチル化修飾の喪失が観察されたという。これは、両タンパク質のどちらか一方のADDドメインが機能欠損した場合の影響よりも、遥かに重度なものだったとした。
最後に、今回の変異型の卵に対し、野生型の正常な精子を受精させ、その後の発生の観察が行われた。しかし、DNAメチル化修飾の喪失の影響で、マウス胎仔への正常な発生が強く障害されていることが確認されたとした。
今回の研究により、2つのDNAメチル化を担うタンパク質のDNMT3AとDNMT3Lの協調的な機能的役割が解明され、卵と精子の遺伝子が受精後にどのように働くかを決める仕組みの一端が解明された。今回着目された両タンパク質は、DNAメチル化修飾を担う主要なタンパク質であり、ほ乳類の発生、疾患などのあらゆる遺伝子制御にも関与するものだ。そのようなタンパク質の機能に迫った今回の研究成果は、基礎研究から疾患研究まで、広範な貢献が期待されるという。特に今回は、生物モデルとして実際のマウスの卵と精子の詳細な解析が行われたことから、今後の発生・生殖の研究や、生殖医療など、広い分野での貢献が期待されるとしている。
