精子が持つ「電気」を感じる特殊な仕組みを解明

2019-11-29生命科学・医学系

研究成果のポイント

・通常の細胞とは異なる、精子独自の「電気信号」を感じるメカニズムを発見した。
・これまで解析困難のため調べられてこなかった精子に着目することで明らかに。
・精子独自の「電気信号」が精子の運動機能に重要であることから、不妊治療などへの応用に期待される。

概要

大阪大学大学院医学系研究科の河合喬文助教、岡村康司教授(統合生理学)らの研究グループはマウスを用い、精子が「電気」を感じる特殊な仕組みをもっていることを明らかにしました (図1) 。私たちの身体では至るところで「電気信号」が作られています。この「電気信号」が受け取られると、細胞にイオンの流れが生じ、これが生命機能に重要であることは、これまでにも分かっていました。

しかし、今回岡村教授らの研究グループは精子が他の細胞とは異なる独自の「電気信号」を感じるシステムを備えており、さらにこれが精子の運動機能に重要であることを解明しました。精子では、「電気信号」を感じると、通常の細胞でイオンの流れが生じるのとは異なり、細胞内の酵素活性の変化をもたらす機構が働いていることがわかりました。この研究結果は、過去の教科書で常識と考えられてきた「電気信号」の有り様を覆すものであると同時に、将来的には不妊治療への応用にも期待されます。

本研究成果は、米国科学誌「Proc. Natl. Acad. Sci.U.S.A.」に、11月28日(木)に公開されました。

図1 精子は「電気信号」に応じて運動性を制御する
精子が「電気信号」を感じることで、細胞内の酵素活性が上昇する。

研究の背景

神経活動を見る「脳波」や、心臓の動きを調べる「心電図」に代表されるように、私たちの身体の至るところでは、「電気信号」が生成されています。このような「電気信号」の生成・感知メカニズムについては古くから研究がなされており、「電位依存性イオンチャネル 」と呼ばれる分子が「電気信号」を感知することで、細胞内へのイオンの流れを引き起こすことが知られてきました (図1左下) 。また、このような「電気信号」の感知システムは全ての細胞で共通しているものと考えられてきました。

これまでに、岡村教授らの研究グループは「電位依存性ホスファターゼ(VSP) 」という電位依存性イオンチャネルとは異なるユニークな分子を同定しました。電位依存性イオンチャネルは「電気信号」を感知するとイオンの流れを引き起こしますが、VSPはホスファターゼ活性と呼ばれる酵素活性を示し、「イノシトールリン脂質PIP2 」という重要な生理活性分子の量を変化させることを明らかにしていました (図1右下) 。また、以前よりVSPは精子に存在する可能性がマウスで示されていましたが、細胞サイズなどによる技術的制約から詳細な解析が困難であり、この分子がどのように精子の機能に関与しているのかは不明でした。

本研究の成果

今回、岡村教授らのグループは、独自の技術力の向上により上記の問題を克服しました。まず岡村教授らはマウスを用い、精子の鞭毛 にVSPが存在していることを見出しました。VSPを欠損した精子ではこの「イノシトールリン脂質」の量と分布に変化が生じ、その結果精子の運動能にも異常が生じました。したがって精子は自らの「電気信号」を酵素活性へと変換し、運動能の制御を行っていることが明らかとなりました。

この発見は、1世紀以上前から多くの研究者が着目してきた生体の「電気信号」のなかにも、まだまだ私たちの考えつかない奥深いメカニズムが存在している可能性を示唆しています。

本研究成果が社会に与える影響(本研究成果の意義)

本研究成果により、精子における「電気信号」が精子の運動能に重要であることが明らかになりました。将来的には不妊治療への応用にも期待されます。

特記事項

本研究成果は、2019年11月28日(木)に米国科学誌「Proc. Natl. Acad. Sci.U.S.A.」(オンライン)に掲載されました。

【タイトル】“Polarized PtdIns(4,5)P2 distribution mediated by a voltage-sensing phosphatase (VSP) regulates sperm motility.”
【著者名】Takafumi Kawai 1 , Haruhiko Miyata 2 , Hiroki Nakanishi 3 , Souhei Sakata 1,4 , Shin Morioka 5,6 , Junko Sasaki 5,7 , Masahiko Watanabe 8 , Kenji Sakimura 9 , Toyoshi Fujimoto 10,11 , Takehiko Sasaki 5,7 , Masahito Ikawa 2 and Yasushi Okamura 1,12
【所属】
1 大阪大学 大学院医学系研究科
2 大阪大学 微生物病研究所
3 秋田大学 生体情報研究センター
4 大阪医科大学 医学部 生理学教室
5 東京医科歯科大学 難治疾患研究所
6 広島大学 医歯薬保健学研究科
7 秋田大学 大学院医学系研究科
8 北海道大学 大学院医学研究院
9 新潟大学 脳研究所
10 名古屋大学 大学院医学系研究科
11 順天堂大学 大学院医学研究科
12 大阪大学 大学院生命機能研究科

なお本研究は、大阪大学・伊川正人教授のグループ、東京医科歯科大学・佐々木雄彦教授のグループ、名古屋大学・藤本豊士教授、新潟大学・崎村建司教授、北海道大学・渡辺雅彦教授の協力を得て行われました。

研究者のコメント(河合喬文助教)

本研究を行うにあたり、バックグラウンドの異なる多くの先生方に協力を頂きました。そちらで得られたデータと自分達の持っているデータがリンクした時の喜びは今でも鮮明に覚えています。本研究はどちらかというと基礎研究に近く、新たな生命原理を明らかにした点で価値の大きいものと思っています。今回の発見にも重要だった「オンリーワン」な視点を、これからも大切にしていきたいと思います。

参考URL

大阪大学 大学院医学系研究科 統合生理学教室
http://www.med.osaka-u.ac.jp/pub/phys2/okamura/index.html

用語説明

電位依存性イオンチャネル

膜電位と呼ばれる電気信号を感知するための「電位センサードメイン」、並びにイオンの透過を担う「ポアドメイン」よりなる。細胞の膜電位に応じてイオン透過を行う。様々な種類の電位依存性イオンチャネルが存在し、透過するイオンの種類もK+,Na+,Ca2+など様々である。

電位依存性ホスファターゼ(VSP)

膜電位を感知するための「電位センサードメイン」、並びにホスファターゼ活性(酵素活性)を担う「ホスファターゼドメイン」を有する。膜電位に応じてホスファターゼ活性が制御される。2005年にその分子機能が同定されたが、長い間その生体内での機能は分かっていなかった。

イノシトールリン脂質PIP2

細胞膜の構成成分であり、様々な生理機能を担う。脂肪酸部分とイノシトール環部分と呼ばれる部分よりなり、このイノシトール環のリン酸基が2つあるとPIP2と呼ばれる。このうち一つがホスファターゼ活性により脱リン酸化されるとPIPとなる。

鞭毛

毛状の構造を取り、これが動くことで遊泳に必要な推進力を生み出す。