卵子と精子の細胞融合 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。

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、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 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 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） 。

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。

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

図1　哺乳類における受精の模式図

図2　JUNOの結晶構造

図 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