精子や卵子といった生殖細胞を作る過程では、体細胞とは異なる遺伝子が働いています。生殖細胞の形成過程で特異的に発現する遺伝子が体細胞で誤って働いてしまうと、染色体分配異常や腫瘍形成が引き起こされることが知られています。生殖細胞で特異的に働く遺伝子群の発現を厳密に制御する仕組みに注目が集まっていますが、そこには不明な点が数多く残されていました。モデル生物である分裂酵母を用いたこれまでの研究から、生殖細胞形成に欠かせないプロセスである減数分裂に関わる遺伝子群が、転写のオンオフという制御に加えて、転写産物の時期特異的な分解制御によって発現調節されていることが分かっていました。しかし、減数分裂期特異的に働く遺伝子の転写産物のみを、選択的に分解する機構の詳細は明らかにされていませんでした。今回、基礎生物学研究所の七野悠一研究員(現 理化学研究所)、山本正幸名誉教授、核融合科学研究所 大坪瑶子特任助教、自然科学研究機構 新分野創成センター 山下朗特任准教授は、減数分裂特異的な遺伝子群の転写産物と結合する因子が、MTREC/NURSと呼ばれる複合体を介して、RNAを分解するタンパク質群と物理的に相互作用し、その結果、体細胞における減数分裂転写産物の選択的な除去が行われることを明らかにしました(図1)。本研究成果は2020年2月3日付でPlos Genetics誌に掲載されました。

図1. MTREC/NURS複合体による減数分裂転写産物の選択的な分解誘導
体細胞分裂期の分裂酵母細胞では、減数分裂転写産物中の目印配列をRNA結合タンパク質Mmi1が認識し、Red1を含むMTREC/NURS複合体を介してRNA分解複合体エクソソームが呼び込まれ、選択的なRNA分解が誘導される。

【研究の背景】
生体を構成する全ての細胞は、状況に応じて柔軟、かつ適切に遺伝子の発現を切り換えて、増殖、分化といった活動を行います。精子や卵子などの生殖細胞は体細胞から生み出されますが、その形成過程では減数分裂という、遺伝情報を半減させる特別な細胞分裂が行われます。この特別な細胞分裂を実現するため、減数分裂期の細胞では、体細胞では発現していない遺伝子群が発現しています。しかし減数分裂期のみに一群の遺伝子が発現する仕組みには不明な点が多く残されていました。

酵母の一種である分裂酵母Schizosaccharomyces pombeを用いた研究から、減数分裂期に特異的に発現してくる一群の遺伝子の転写産物には、目印となる特別な配列があることが示されていました。体細胞分裂期の細胞では、その目印配列にMmi1という名前のRNA結合タンパク質が結合して、RNA分解複合体であるエクソソームによるRNA分解が誘導されます。その結果、減数分裂遺伝子の発現が厳格に抑制されていることが明らかにされていました。Mmi1はまた、ヘテロクロマチン形成、転写終結調節、転写産物の核外排出阻害という複数の機構によって減数分裂遺伝子の発現を調節しています。Mmi1が機能を失うと、体細胞分裂期であるにもかかわらず減数分裂期に特異的な遺伝子が発現してしまい、分裂酵母細胞は増殖することができなくなります。このことからも、Mmi1を中心とする減数分裂遺伝子の発現抑制機構の重要性が強く示唆されます。しかし、減数分裂遺伝子の転写産物に結合したMmi1がRNA分解複合体エクソソームによるRNA分解を引き起こす仕組みは明らかにされていませんでした。
 
【研究の成果】
Mmi1と協調的に働く複合体MTREC/NURSの構成因子であるRed1は、Mmi1とエクソソームの両者と結合することが示されていました。そこで、Red1を含むMTREC/NURS複合体が、Mmi1とエクソソームの相互作用を仲介している可能性を検討しました。Mmi1は体細胞分裂期の細胞の核内で複数の点状構造体を形成します。エクソソームも同じ構造体に局在することが示されていましたが、Red1を欠く変異体ではエクソソームの点状構造体への局在が著しく損なわれていました。分裂酵母の細胞抽出液を用いた共免疫沈降実験によって確認されたMmi1とエクソソームの相互作用は、Red1を欠く変異体では大幅に低下することが分かりました。さらに、精製したMmi1とエクソソームの試験管内での弱い相互作用が、精製Red1タンパク質を加えることで増強されることも分かりました。Red1を欠く変異体では、体細胞分裂期であっても減数分裂遺伝子の転写産物が分解されず、安定化してしまいます。この表現型は、Mmi1とエクソソームの融合タンパク質を発現することで抑圧することができました。このことから、Red1がなくても、Mmi1とエクソソームが相互作用すれば、減数分裂遺伝子の転写産物が分解されることが分かります。

これらの結果から、減数分裂特異的な遺伝子の転写産物と結合したMmi1が、Red1を含むMTREC/NURS複合体を介してエクソソームと相互作用することで、減数分裂転写産物の選択的な分解が起きることが明らかになりました。
 
【今後の展望】
減数分裂に関連した遺伝子は酵母のみならず、高等真核生物でもやはり厳密な発現制御を受けています。今回解析を行ったMTREC/NURS複合体に対応する複合体がヒトにも存在しており、やはり選択的な転写産物の分解に関わっていることが報告されています。しかし、ヒトを含む高等真核生物における減数分裂遺伝子の発現制御に関してはまだまだ謎が多い状況です。酵母の研究から得られる情報を手がかりに、他の生物種での減数分裂遺伝子の発現制御機構が明らかになることが期待されます。
 
【発表雑誌】
雑誌名 Plos Genetics
掲載日 2020年2月3日
論文タイトル： Meiotic gene silencing complex MTREC/NURS recruits the nuclear exosome to YTH-RNA-binding protein Mmi1
著者： Yuichi Shichino*, Yoko Otsubo*, Masayuki Yamamoto, Akira Yamashita
(*同等に貢献)
https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1008598 

【研究サポート】
本研究は、科学研究費基盤研究B(15H04333、山下朗)、基盤研究C(19K06649、大坪瑶子)、
内藤記念女性研究者研究助成金(大坪瑶子)、および日本学術振興会特別研究員制度(七野悠一)による支援を受けて行われました。
 
【本研究に関するお問い合わせ先】
自然科学研究機構 新分野創成センター プラズマバイオ研究分野
特任准教授 山下朗
TEL: 0564-55-7512
E-mail: ymst@nibb.ac.jp
 
【報道担当】
基礎生物学研究所 広報室
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