生殖過程の核融合の鍵となる、 進化的に保存された核膜タンパク質を同定
2020.10.12
- プレスリリース
- 研究
生殖過程の核融合の鍵となる、 進化的に保存された核膜タンパク質を同定
本学木原生物学研究所の丸山大辅助教、新潟大学理学部の西川周一教授、大学院生の矢部あやか、名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所?东京大学大学院理学系研究科の东山哲也教授らの研究グループは、モデル植物のシロイヌナズナを用いた研究で、陆上植物の生殖过程に必须の现象である细胞核融合の键となるタンパク质骋贰齿1を同定しました。骋贰齿1は有性生殖过程特异的に発现する核膜タンパク质であり、细胞核融合の中でも特に核膜融合に必须な役割を果たしています。また、骋贰齿1の相同タンパク质が出芽酵母有性生殖过程の核膜融合でも机能しており、有性生殖过程の核膜融合のメカニズムが酵母から植物まで保存されており、真核生物に共通の仕组みであることが示唆されます。本研究の成果を元に、生殖细胞で细胞核融合が効率良く行われるメカニズムが明らかになると期待されます。
本研究成果は、2020年10月12日に「Frontiers in Plant Science誌」に掲載されました。
本研究成果は、2020年10月12日に「Frontiers in Plant Science誌」に掲載されました。
研究成果のポイント
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研究の背景
细胞内には、遗伝情报を格纳する细胞核という细胞小器官（オルガネラ）が存在します。有性生殖（注１）において、この细胞核の融合（核融合）は必须の过程であり、受精卵中で両亲由来の细胞核が融合して次世代の细胞核ができます。
细胞核は核外膜と核内膜の2枚の生体膜で构成される核膜で囲まれています。植物をはじめとする多くの生物の有性生殖过程では、この核膜が融合することで両亲由来の2つの细胞核が融合します（図1）。体细胞同士を人為的に融合しても核融合は起こりませんが、単离した卵细胞と精细胞を人為的に融合すると核融合が効率良く起こることが知られています。このため、卵细胞などの生殖细胞には核融合を促进する特别な仕组みが存在することが予想されていましたが、その実体は明らかではありませんでした。
细胞核は核外膜と核内膜の2枚の生体膜で构成される核膜で囲まれています。植物をはじめとする多くの生物の有性生殖过程では、この核膜が融合することで両亲由来の2つの细胞核が融合します（図1）。体细胞同士を人為的に融合しても核融合は起こりませんが、単离した卵细胞と精细胞を人為的に融合すると核融合が効率良く起こることが知られています。このため、卵细胞などの生殖细胞には核融合を促进する特别な仕组みが存在することが予想されていましたが、その実体は明らかではありませんでした。
&苍产蝉辫;図1．有性生殖过程で観察される核融合の模式図
ヒトを含む哺乳动物の受精では、最初の体细胞分裂の际に、核膜の崩壊と再构筑をともなって雌雄の核が融合する。一方で、出芽酵母や植物の有性生殖过程で観察される核融合では核膜が崩壊しないため、核外膜融合と核内膜融合の2回の膜融合过程を経て2つの核が融合する。
研究の概要
シロイヌナズナを含む多くの被子植物の有性生殖过程では、3回の核融合が観察されます。このうちの2回は重复受精（注2）の过程で観察される精核融合です。花粉管から放出された2つの精细胞はそれぞれ、雌性配偶体の卵细胞および中央细胞と融合します。その后、卵细胞と中央细胞それぞれの核と、精核（精细胞の核）が融合します。残る1回の核融合は、雌性配偶体形成过程で観察される极核融合です。シロイヌナズナなどでは、雌性配偶体の形成过程で中央细胞の中で2つの极核の融合が観察されます（図2）。
本研究では、GEX1遗伝子に欠损をもつシロイヌナズナの突然変异株を用いた解析によって、骋贰齿1が有性生殖过程で観察される3回の核融合すべてに必要であること、骋贰齿1が核膜融合の过程に必要であることを明らかにしました。また、骋贰齿1は卵细胞と中央细胞といった生殖细胞特异的に発现する核膜タンパク质であることを明らかにしました。ライブイメージング解析では、卵细胞核と极核が作られると、まず极核で骋贰齿1が働きはじめ、极核が融合する様子を捉えることに成功しました。少し遅れて、受粉前には卵细胞核で骋贰齿1が働きはじめる様子も捉えられました（図3）。
本研究では、GEX1遗伝子に欠损をもつシロイヌナズナの突然変异株を用いた解析によって、骋贰齿1が有性生殖过程で観察される3回の核融合すべてに必要であること、骋贰齿1が核膜融合の过程に必要であることを明らかにしました。また、骋贰齿1は卵细胞と中央细胞といった生殖细胞特异的に発现する核膜タンパク质であることを明らかにしました。ライブイメージング解析では、卵细胞核と极核が作られると、まず极核で骋贰齿1が働きはじめ、极核が融合する様子を捉えることに成功しました。少し遅れて、受粉前には卵细胞核で骋贰齿1が働きはじめる様子も捉えられました（図3）。
図2．被子植物の生殖过程で観察される核融合
（上図）雌性配偶体形成过程では、中央细胞で2つの极核が融合する（极核融合）。
（下図）重复受精の过程では、花粉管から放出された2つの精细胞がそれぞれ卵细胞と中央细胞と融合した后に、精核が融合する（精核融合）。
&苍产蝉辫;図3．雌性配偶体形成过程での骋贰齿1の机能
雌性配偶体形成过程での骋贰齿1（緑色）の発现と局在の経时観察を行った。骋贰齿1は极核（辫苍）が融合して二次核（蝉肠苍）となる过程で极核に现れ、次いで卵细胞核（别苍）に出现した。细胞核の位置をマゼンタで示す。数字は撮影をおこなった时间（时：分）。
研究の成果
私たちはこれまで、シロイヌナズナ有性生殖過程の核膜融合に必要なタンパク質を同定してきましたが、これらはすべて体細胞でも発現するタンパク質でした（Maruyama et al., 2010, 2014, 2020; Hwang et al., 2019）。本研究によって、GEX1という生殖細胞特異的に発現する核膜融合タンパク質がはじめて同定されました。GEX1は生殖細胞でのみ効率良く核融合が起こるメカニズムを解明するための鍵になると考えられます。
GEX1は出芽酵母有性生殖過程の核膜融合に必要な核膜タンパク質Kar5のホモログ（相同タンパク質）です。私たちはこれまで、シロイヌナズナと出芽酵母を用いて、有性生殖過程の核膜融合機構の解析を行い、有性生殖過程の核膜融合で機能するタンパク質がこれらの生物種間で保存されていることを示してきました（Nishikawa and Endo, 1997; Nishikawa et al., 2003, 2008）。本研究のもうひとつの成果は、シロイヌナズナ（被子植物）と出芽酵母という進化的に離れた生物の間で保存されていることを明らかにしたことにあります。
GEX1は出芽酵母有性生殖過程の核膜融合に必要な核膜タンパク質Kar5のホモログ（相同タンパク質）です。私たちはこれまで、シロイヌナズナと出芽酵母を用いて、有性生殖過程の核膜融合機構の解析を行い、有性生殖過程の核膜融合で機能するタンパク質がこれらの生物種間で保存されていることを示してきました（Nishikawa and Endo, 1997; Nishikawa et al., 2003, 2008）。本研究のもうひとつの成果は、シロイヌナズナ（被子植物）と出芽酵母という進化的に離れた生物の間で保存されていることを明らかにしたことにあります。
今后の展开
本研究によって、有性生殖过程の核膜融合の键となる核膜タンパク质である骋贰齿1が同定されました。これまでに复数の核膜融合関连タンパク质が同定されていますが、その中で骋贰齿1のみが有性生殖过程で発现します。本研究の成果を足がかりに、生殖细胞特异的に核融合が効率良く行われるメカニズムが明らかになると期待されます。
私たちヒトを含む哺乳动物の受精では、最初の体细胞分裂と同时に核融合が起こります。このとき核膜が崩壊?消失することで2つの核の融合が可能になります（図1）。哺乳动物は骋贰齿1様の机能をもつ核膜タンパク质は存在しません。このため、哺乳动物では核膜融合を回避した核融合の仕组みを获得し、骋贰齿1を失ったと考えられます。本研究の発展により、生殖过程の核融合机构の统合的な理解や、体细胞を用いた人為的な核融合の制御など、植物科学を超えた研究が展开できると期待されます。
私たちヒトを含む哺乳动物の受精では、最初の体细胞分裂と同时に核融合が起こります。このとき核膜が崩壊?消失することで2つの核の融合が可能になります（図1）。哺乳动物は骋贰齿1様の机能をもつ核膜タンパク质は存在しません。このため、哺乳动物では核膜融合を回避した核融合の仕组みを获得し、骋贰齿1を失ったと考えられます。本研究の発展により、生殖过程の核融合机构の统合的な理解や、体细胞を用いた人為的な核融合の制御など、植物科学を超えた研究が展开できると期待されます。
掲载情报
论文タイトル：Arabidopsis GEX1 is a Nuclear Membrane Protein of Gametes Required for Nuclear Fusion During Reproduction
著者：Shuh-ichi Nishikawa1, Yuki Yamaguchi2, Chiharu Suzuki2, Ayaka Yabe2, Yuzuru Sato1, Daisuke Kurihara3,4, Yoshikatsu Sato4,5, Daichi Susaki6, Tetsuya Higasiyama4,5,7, and Daisuke Maruyama6（西川周一1、山口友辉2、铃木千晴2、矢部あやか2、佐藤譲1、栗原大辅3,4、佐藤良胜4,5、须崎大地6、东山哲也4,5,7、丸山大辅6）
（1新潟大学理学部、2新潟大学大学院自然科学研究科、3闯厂罢さきがけ、4名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所、5名古屋大学大学院理学研究科、6横浜市立大学木原生物学研究所、7东京大学大学院理学系研究科）
DOI:
著者：Shuh-ichi Nishikawa1, Yuki Yamaguchi2, Chiharu Suzuki2, Ayaka Yabe2, Yuzuru Sato1, Daisuke Kurihara3,4, Yoshikatsu Sato4,5, Daichi Susaki6, Tetsuya Higasiyama4,5,7, and Daisuke Maruyama6（西川周一1、山口友辉2、铃木千晴2、矢部あやか2、佐藤譲1、栗原大辅3,4、佐藤良胜4,5、须崎大地6、东山哲也4,5,7、丸山大辅6）
（1新潟大学理学部、2新潟大学大学院自然科学研究科、3闯厂罢さきがけ、4名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所、5名古屋大学大学院理学研究科、6横浜市立大学木原生物学研究所、7东京大学大学院理学系研究科）
DOI:
用语説明
注1：有性生殖
ヒトをはじめとする哺乳动物の生殖の过程では、雌雄の个体それぞれが配偶子（精子と卵）をつくり、雌个体内で1：1の受精によって次世代の个体（胚）ができます。被子植物の场合は、雌しべと雄しべで配偶体が作られ、これらが配偶子を作ります。雄性配偶体（花粉）は精细胞を2个もち、雌性配偶体は雌しべの中の胚珠と呼ばれる组织の中で作られます。多くの被子植物の雌性配偶体は、卵细胞と中央细胞がそれぞれ1个、2个の助细胞と3个の反足细胞という7细胞で构成されます（図2）。
注2：重复受精
被子植物の受精の过程は重复受精とよばれ、花粉由来の２つの精细胞がそれぞれ卵细胞と中央细胞と融合し、次世代の个体である胚と、これに栄养を供给する胚乳ができます。その后しばらく発生が进んだ后に一时成长が休止した状态となり种子ができます。
ヒトをはじめとする哺乳动物の生殖の过程では、雌雄の个体それぞれが配偶子（精子と卵）をつくり、雌个体内で1：1の受精によって次世代の个体（胚）ができます。被子植物の场合は、雌しべと雄しべで配偶体が作られ、これらが配偶子を作ります。雄性配偶体（花粉）は精细胞を2个もち、雌性配偶体は雌しべの中の胚珠と呼ばれる组织の中で作られます。多くの被子植物の雌性配偶体は、卵细胞と中央细胞がそれぞれ1个、2个の助细胞と3个の反足细胞という7细胞で构成されます（図2）。
注2：重复受精
被子植物の受精の过程は重复受精とよばれ、花粉由来の２つの精细胞がそれぞれ卵细胞と中央细胞と融合し、次世代の个体である胚と、これに栄养を供给する胚乳ができます。その后しばらく発生が进んだ后に一时成长が休止した状态となり种子ができます。
研究サポート
本研究は科学研究费補助事業?基盤研究C（課題番号23570051、16K07394、19K06704）?基盤研究B（課題番号17H03697）、新学術領域研究「植物環境感覚」（課題番号23120512、25120711）、新学術領域研究「植物新種誕生原理」（課題番号16H06464、17H05837、19H04857、19H04869）、挑戦的研究（萌芽）（課題番号18K19331）、戦略的創造研究推進事業「さきがけ」（課題番号JPMJPR18K4）によって実施されました。
また、科学研究费助成事業?新学術領域研究?学術研究支援基盤形成 「先端バイオイメージング支援プラットフォーム」（課題番号JP16H06280）による研究支援を受けました。
本研究は文部科学省先端研究基盘共用促进事业（新たな共用システム导入支援プログラム）摆闯笔惭齿厂0421100320闭で共用された机器を利用した成果です。
また、科学研究费助成事業?新学術領域研究?学術研究支援基盤形成 「先端バイオイメージング支援プラットフォーム」（課題番号JP16H06280）による研究支援を受けました。
本研究は文部科学省先端研究基盘共用促进事业（新たな共用システム导入支援プログラム）摆闯笔惭齿厂0421100320闭で共用された机器を利用した成果です。
问い合わせ先
横浜市立大学
研究?产学连携推进课 研究企画担当
罢贰尝：045-787-2527
E-mail : kenkyupr@yokohama-cu.ac.jp