分野紹介
染色体制御分野

減数分裂は、第一分裂に半数化の染色体分配が余分に組み込まれている点が体細胞分裂と異なる。第二分裂は基本的に体細胞分裂と同様の機構が働いているので、基本的には第一分裂が減数分裂と体細胞分裂との違いを決定付けている。とりわけ、減数第一分裂においては体細胞に見られない特有の染色体構造が見られるが、高等動物ではその構成因子について未だ不明な点も多く長年の懸案とされていた。以下に述べるように、当分野長の石黒はマウス生殖細胞の減数分裂期に特異的な染色体因子について研究を行ってきた。奇しくもこれらはすべてデータベースに眠る未解析の因子であったが、欠損マウスの解析から減数分裂における染色体動態の制御に極めて重要な役割を果たしていることが明らかとなった。

 

体細胞分裂から減数分裂への細胞周期の切替え機構

 体細胞分裂から減数第一分裂への切替えが何によって制御されているのかという問題は、生物種を問わず長年の懸案とされていた。マウスではレチノイン酸に応答して一過的に発現誘導されるSTRA8タンパク質が減数分裂の進行に必須であることが2000年代半ばの先行研究により示唆されていたが、その分子機構の解明は国際的にも攻め倦んでいた。

 最近、我々は減数分裂にコミットした生殖細胞集団から効率良くSTRA8を精製できる遺伝子改変マウスを開発し、STRA8と相互作用する新規の因子を同定した。この因子はID番号だけを付されたゲノムに眠る未解析の遺伝子にコードされていた。我々がMEIOSIS initiator (MEIOSIN)と名付けたタンパク質はHMG-likeドメインをもつDNA結合因子と推測されるが、これを欠損させると雄雌ともに精巣・卵巣の萎縮を伴って体細胞分裂から減数分裂への切替えが見らず不妊になる(図7)。このMeiosin を欠損させた精母細胞では、細胞周期の維持に関与する体細胞型Cyclinの異所的発現やM期様染色体構造など体細胞様の特徴を示す細胞の蓄積が観察される。さらにChIP-seq解析により、MEIOSINはSTRA8と複合体を形成して減数分裂関連遺伝子の転写開始点近傍に結合することが判明した。この事実と符合してMeiosin を欠損させた生殖細胞では多くの減数分裂関連遺伝子の発現低下が見られた。興味深いことに、Meiosin欠損マウス卵巣では僅かながらも見かけは卵子によく似たoocyte-like cellが採取される。野生型の卵子がキアズマを持つ20対の二価染色体を示すのに対して、驚くべきことにこのoocyte-like細胞は40本の姉妹染色分体を示すことが判明した。この事実はMeiosin欠損マウスでは、減数分裂のプロセスを経由せずに生き延びた卵子前駆細胞が見かけ卵子様の分化を遂げながらも体細胞と同じ染色体構成を示すことを示唆している。

 本研究によりMEIOSINは減数分裂の開始に決定的な役割を担う転写活性化因子であることが明らかとなった。さらに本研究の成果から“減数分裂の細胞周期”が卵子の分化とは遺伝学的に分離されるプロセスであることが強く示唆される。体細胞分裂と減数分裂との本質的な違いを決定付けるメカニズムの全容解明に向けて、国際的にも圧倒的に有利な状況で研究を推進できることが期待される。

 

 

 

Ishiguro et al, Dev Cell 52 (2020) “MEIOSIN Directs the Switch from Mitosis to Meiosis in Mammalian Germ Cells”

Bio-station研究紹介文

発生研New Press

実験医学5月号  カレントトピックス38(8)1369-1373,2020.

Veritas  https://www.veritastk.co.jp/sciencelibrary/researcher/researcher20.html

Presentation slide (GRC meiosis)  https://www.youtube.com/watch?v=47NhxgLdOmQ

 

 

減数分裂に特異的な新型コヒーシン複合体

 コヒーシン複合体はS期において複製された姉妹染色分体がばらばらとならないように接着する機能とクロマチンloopingによるenhancer-promoter相互作用を介した遺伝子発現制御という2つの大きな機能が知られている。さらに、コヒーシン複合体には体細胞型(RAD21サブユニット型)と減数分裂型 (REC8サブユニット型)の使い分けがある。(J.Cell Science 120 : 367-369, 2007)
マウス生殖細胞クロマチン画分からの質量分析スクリーニングにより、卵巣・精巣で特異的な発現を示す未解析の因子が同定された。これに対する抗体が減数第一分裂の染色体を軸状に染めること、さらにヒーシンサブユニットRAD21と相同性を示す新規の減数分裂型コヒーシンサブユニットであることが判明し、RAD21Like (RAD21L)として公表した(図1)(EMBO rep. 12 : 267-275, 2011)。

 

 

 減数第一分裂前期においてRAD21L型およびREC8型コヒーシン複合体は染色体上で相互排他的な軸状の局在パターンを示す。減数第一分裂前期には2本の相同染色体が対合して二価染色体が形成されるが、興味深いことに両者の分布パターンは対合しつつある2本の相同染色体間で対称性を示すことが判明した (図2)。これらの観察から、減数第一分裂前期においてRAD21L型およびREC8型コヒーシン複合体はゲノム上でそれぞれ別々のドメインを形成していることが示唆された。 (興味のある方は総説を参照ください。実験医学31, 2578-2585, 2013)

 

 

減数分裂に特有の染色体構造と相同染色体の相互作用

 減数第一分裂前期においては染色体上にAxial elementと呼ばれる軸状の構造が形成される(図3)。このような軸状の染色体構造は、体細胞では見られず、減数第一分裂の時だけに見られる特徴の一つである。RAD21Lあるいは REC8いずれかを欠失させると、この軸状の染色体構造の形成が不完全となってしまう。さらにRAD21Lと REC8を同時に欠失させると、この軸状の染色体構造が完全に消失する(図4)。すなわち、減数分裂型のRAD21L およびREC8コヒーシンは、この染色体の軸状構造の形成において骨組みとしての役割を果たしている。
RAD21Lあるいは REC8いずれかを欠失させると、二価染色体の形成過程に支障が生じ雌雄ともに不妊となってしまう(図5)。特定の染色体領域を蛍光標識するimmuno-FISH法を駆使した手法で、不妊を示すさまざまな遺伝子改変マウスと正常個体において相同染色体のペアリングを解析した結果、RAD21Lが破壊されたマウスの生殖細胞では、減数分裂の進行過程で相同染色体のペアリングがまったく起きないことが明らかとなった(Genes&Dev. 594-607, 2014)。RAD21Lコヒーシンタンパク質は、生殖細胞において減数分裂に特化した染色体構造を構築する主要因子でもあることから、相同染色体のペアリングはRAD21Lコヒーシンに依存して構築される構造を介している可能性が示唆された。一方REC8型コヒーシンは減数分裂組換えにおいて、組換えの鋳型を姉妹染色分体ではなく相同染色体にバイアスをかける働きが示唆された。このように減数分裂型コヒーシンは、減数分裂期に特有の染色体構造と相同染色体の相互作用において極めて重要な役割を果たしていることが明らかとなった。 ( http://www.u-tokyo.ac.jp/public/public01_260306_j.html) 

 

 

 

 

減数第一分裂に特異的な動原体タンパク質

体細胞分裂では、姉妹染色分体の動原体がそれぞれ両極から伸びてくるスピンドル微小管によって反対方向の位置から捕捉されることにより姉妹染色分体が反対方向に均等に分配される。これに対して、減数第一分裂では、姉妹染色分体の動原体はあたかも一つの融合した動原体のように振る舞うことで一方向から伸びてくるスピンドル微小管によって捕捉されるようになり、キアズマによって物理的につながった相同染色体がそれぞれ反対方向に分配される。さらに減数第一分裂では、姉妹染色分体のセントロメア領域近傍の接着が維持されることにより動原体同士が接着したままであることが特徴である。
 動原体タンパク質CENP-Cの相互作用因子として同定されたMEIKINは、精母細胞、卵母細胞の減数第一分裂前期のパキテン期から第一分裂中期にかけて動原体に局在し、第二分裂時に消失する (図6)。MEIKIN欠損マウスでは、減数第一分裂の進行時に体細胞分裂型の染色体分配様式となってしまうために雌雄共に不妊となる。さらにMEIKINはPolo-like キナーゼとの相互作用により、減数第一分裂の動原体制御を担っていることが結論された(Nature 517, 466-471,2015)。

 

 

(興味のある方は総説を参照ください。実験医学33, 1427-1431,2015 : ライフサイエンス新着論文レビュー, 2015 http://first.lifesciencedb.jp/archives/9704)