2016年7月15日

本研究成果のポイント

・受精に必須のJUNOタンパク質の結晶構造を決定した。立体構造に基づく変異体解析により、卵子(JUNOタンパク質)が精子(IZUMO1タンパク質)と結合するメカニズムの一端を原子レベルで解明した。
・JUNO欠損マウス由来の卵子を用いた解析手法を確立し、変異体解析を行い、IZUMO1に結合するJUNOのアミノ酸残基を同定した。
・本研究は受精のメカニズムの解明につながることが期待される。

概要

卵子と精子の細胞融合※1 は哺乳類の受精において必須のステップであり、卵子の細胞膜上のJUNOタンパク質が精子の細胞膜上のIZUMO1と結合することにより引き起こされます。今回、東京大学大学院理学系研究科の加藤一希大学院生(研究当時)、西増弘志助教、濡木理教授、大阪大学の佐藤裕公助教、伊川正人教授らの研究グループは、JUNOタンパク質の結晶構造を決定しました。JUNOの立体構造からIZUMO1との相互作用に関わる部位を推定し、JUNO欠損マウスに由来する卵子を用いた変異体解析を行い、JUNOとIZUMO1との相互作用に重要な領域を明らかにしました。本研究成果は、哺乳類における受精のメカニズムの理解につながることが期待されます。

背景

受精は新しい生命が誕生するために必須の生命現象であり、卵子と精子が細胞融合することにより開始します。細胞融合の最初のステップである卵子と精子の接着を担っているのが卵子の細胞膜上に存在するJUNOタンパク質と精子の細胞膜上に存在するIZUMO1タンパク質です(図1)。JUNOあるいはIZUMO1のいずれかを欠損したマウスは不妊となることから、JUNOとIZUMO1の結合は受精に必須であることがわかっていました。しかし、JUNOとIZUMO1がどのように結合するかは不明でした。

今回の内容

今回、本研究グループは、JUNOの構造と機能を詳細に調べました。まず、マウス由来のJUNOタンパク質を結晶化し、SPring-8においてX線結晶構造解析を行い、JUNOの結晶構造を2.3Å分解能で決定しました(図2)。JUNOの立体構造は葉酸受容体※2 に似ていましたが、葉酸の結合にかかわる部分の構造は異なっていました。これは、JUNOは葉酸とは結合しないという性質と一致していました。

次にJUNOと葉酸受容体の構造を比較することにより、IZUMO1との相互作用に関わるJUNOのアミノ酸残基を推定しました。これらのアミノ酸残基が受精に重要かを確かめるために、CRISPR-Cas9システム※3 を用いてJUNOを遺伝的に欠損したマウスを作製し、JUNO欠損マウス由来の卵子を用いた新規の実験系を確立しました(図3)。JUNOを欠損した卵子は、マウス由来の精子と融合しなくなりますが、この卵子にJUNO遺伝子を導入すると、精子と細胞融合が引き起こされました(図3)。この実験系を用いてさまざまなアミノ酸に変異を持つJUNOの遺伝子を導入し、精子との融合を観察したところ、JUNOの62番目のトリプトファン残基(W62)が精子との結合に重要であることが明らかとなりました(図3)。したがって、JUNOはW62を介してIZUMO1と相互作用していることが示唆されました(図4)

意義

本研究においては、JUNOの結晶構造を決定し、JUNOのW62が卵子と精子の結合に重要であること初めて明らかにしました。さらに、今回確立したJUNO欠損マウスを用いた解析手法は、受精のメカニズムの全容解明に向けた今後の研究においても有用なツールとなることが期待されます。

発表雑誌

雑誌名:「Nature Communications」 論文タイトル:「Structural and functional insights into IZUMO1 recognition by JUNO in mammalian fertilization」
著者:加藤一希1*、佐藤裕公2*、西増弘志1*、倉林亜理沙1、森田純子1、藤原祥高2、大字亜沙美2、石谷隆一郎1、伊川正人2†、濡木理1†
*共同筆頭著者、責任著者
1東京大学大学院理学系研究科、2大阪大学微生物病研究所

参考図

図1 哺乳類における受精の模式図

図2 JUNOの結晶構造

3 JUNO欠損マウス卵子を用いた変異体解析

図4 JUNOの分子表面

用語解説

※1 細胞融合
2つの細胞が融合して1つの細胞になる現象。受精においては、精子と卵子が融合し受精卵となる。

※2 用語
ビタミンの1種である葉酸の取り込みを担う受容体タンパク質。JUNOに類似した構造をもつが、IZUMO1とは相互作用しない。

※3 CRISPR-Cas9(clustered regularly interspaced short palindromic repeats / CRISPR associated proteins)
Cas9タンパク質とガイドRNAを用いて2本鎖DNAを切断しゲノム情報を改変する技術。

参考URL

微生物病研究所伊川研究室HP
http://www.egr.biken.osaka-u.ac.jp/information/

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