細胞質の顆粒状構造が減数分裂の進行を制御
すでに北大のプレスリリースでも公開されています通り、生殖発生生物学系の小谷友也先生の研究グループが、マウス卵形成における新たな制御機構を発見し、論文発表しました。本研究は、当学科出身で当時は大学院生命科学院博士課程だった武井夏海さんが中心となって行ったものです。具体的な発見としては、mRNAとタンパク質からなる顆粒状構造がマウス卵母細胞に複数種類存在することと、その構造が減数分裂を進行させる重要な制御機構となることを見出したものになります（図1）。今回、小谷先生が学科ホームページ用に解説文を寄せてくださいましたので、以下に掲載します。
図1 マウス卵母細胞における顆粒構造の形成と減数分裂進行のモデル図。Cyclin B1 mRNA（赤）とEmi2 mRNA（緑）の顆粒構造には、それぞれPum1とTdrd3が特異的に含まれる。GVは卵の核（germinal vesicle）を示す。
有性生殖を行う動物は卵と精子を形成します。これら生殖細胞は体細胞の半分の数の染色体を持ちます。染色体の数を半分とするために特に重要な過程は、「減数分裂の第一分裂を終了したのちにDNA複製を行わず第二分裂を進行させる」ことです。Emi2タンパク質は、減数分裂の第一分裂が終了する時期に発現量が増加し、DNA複製を防ぐとともに第二分裂を正常に進行させます。さらに、このタンパク質は卵が受精なしに発生する単為発生を防ぐ役割を持ちます。
武井さんは本研究で、Emi2タンパク質がどのように「発現量を増加させるのか」を研究しました。その結果、Emi2タンパク質は減数分裂を開始する前には合成されておらず、第一分裂の終了時にmRNAから活発に合成されることを明らかにしました。すなわち、減数分裂開始前の卵母細胞はEmi2をコードするmRNAの翻訳を抑制しており、時期が来ると翻訳抑制を解き、翻訳を活性化することが分かりました。
当研究室では、減数第一分裂の進行に重要なCyclin B1タンパク質をコードするmRNAが顆粒状の構造をとることを明らかにしてきました。Emi2 mRNAはCyclin B1 mRNAと同じく顆粒状構造をとりましたが、興味深いことにそれぞれのmRNAは異なる顆粒を形成しました。さらに、これらRNA顆粒はいくつかのRNA結合タンパク質を共通して持つこと、一方で、それぞれに特有のタンパク質を含むことも明らかとなりました。武井さんはTdrd3と呼ばれるタンパク質がEmi2 mRNAに特異的に結合することを見出し、さらに、Emi2のRNA顆粒に含まれることを示しました（図1、図2）。最も興味深いのは、Tdrd3タンパク質を人為的に分解し機能を阻害すると「卵母細胞は減数分裂の第一分裂を正常に進行するが、第二分裂に入らずに前核様の構造を形成する（図3）」ことです。この卵母細胞ではEmi2タンパク質が減少しており、かつ、Emi2タンパク質を強制発現させると第二分裂は正常に進行しました（図3）。以上の結果から、Tdrd3はEmi2 mRNAの翻訳を第一分裂終了時に活性化し、第二分裂を正常に進行させる機能を持つと結論されました。
図2 Tdrd3タンパク質はEmi2 mRNAが形成する顆粒構造と共局在する。矢印は共局在部位を示す。スケールバーは2 µmを示す。
図3 正常な卵母細胞は減数分裂を開始して14時間後に第二分裂の紡錘体（赤）を形成する（上段）。Tdrd3を分解した卵母細胞は、第一分裂を終了後に前核様の構造を形成する（中段）。Tdrd3を分解した卵母細胞でも、Emi2タンパク質を発現させると第二分裂の紡錘体を形成する（下段）。スケールバーは10 µmを示す。
今回の成果は、個体を生み出すために卵に秘められた謎の一つを解明したものです。
発表論文：Natsumi Takei, Keisuke Sato, Yuki Takada, Rajan Iyyappan, Andrej Susor, Takehiro Yamamoto, and Tomoya Kotani (2021) Tdrd3 regulates the progression of meiosis II through translational control of Emi2 mRNA in mouse oocytes. Current Research in Cell Biology 2: 100009.（doi: 10.1016/j.crcbio.2021.100009）