精子を介した世代間継承
Sperm-Mediated Transgenerational Inheritance

強調オフ

ワクチン関連論文進化生物学・進化医学

サイトのご利用には利用規約への同意が必要です

pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29255455

2017年12月4日

コラード・スパダフォラ※1

要旨

ほぼすべての種の精子無力症は、外来性のDNAやRNA分子を自発的に取り込み、核内に内在させることができる。この論文では、内在化した核酸分子の運命と世代間継承に、LINE-1レトロトランスポゾンがコードする逆転写酵素(RT)活性が重要な役割を果たしていることを示す証拠について概説する。

精子頭部に存在するLINE-1由来のRTは、内在化した分子をcDNAコピーに逆転写することができる。外来RNAは一段階の反応で逆転写されるが、DNAはまずRNAに転写され、その後に逆転写される。RNAとcDNAの両分子は、受精時に精子細胞から卵母細胞に送られ、胚発生を通じてさらに増殖し、成体動物の組織で非メンデル的に遺伝することができる。逆転写された配列は、染色体外に、低量に、モザイク状に分布し、成体個体の組織で多様に発現している。これらの「レトロジェンヌ」は転写能があり、動物に新しい表現形質をもたらす。

がん組織がDNAやRNAを含むエクソソームを産生することを示す証拠は増え続けている。このことは、染色体外RNAの世代を超えた流れが、体細胞から生殖細胞へ、さらには次世代胚へとつながっているという新たな見解と一致している。精子細胞は、このプロセスにおいて重要な橋渡し役を担っている。体細胞情報の収集者として、また次世代への伝達ベクターとして機能する。この現象は、全体としてラマルク的な考え方に合致し、ダーウィンのパンゲネシスに酷似している。

キーワード 精子、LINE-1レトロトランスポゾン、逆転写酵素、エクソソーム、世代間継承、進化

GPT-4:

この文章は、精子無力症のある種の生物が外来性のDNAやRNA分子を取り込む現象と、これがどのように遺伝情報が受け継がれるかに関連する研究について説明している。

LINE-1レトロトランスポゾンとは、遺伝情報の一部であり、逆転写酵素(RT)という酵素をコードしている。逆転写酵素は、RNAをDNAに戻す役割を果たす。精子頭部に存在するこの酵素は、外来性のRNAやDNAを遺伝情報の一部に変換することができる。RNAは一度に逆転写されるが、DNAはまずRNAになり、その後に逆転写される。

受精時に、精子細胞から卵母細胞に送られたRNAとcDNAは、胚発生を通じて増殖し、成体動物の組織で非メンデル的に遺伝することができる。つまり、これらの遺伝子は一般的な遺伝の法則に従わず、個体の組織でさまざまな形で発現する。これらの遺伝子は、「レトロジェンヌ」と呼ばれ、新しい特性を動物にもたらすことができる。

さらに、がん組織がDNAやRNAを含むエクソソームを生成することが示されており、体細胞から生殖細胞へ、そして次世代胚へと情報が伝達されることが示唆されている。このプロセスでは、精子細胞が重要な役割を果たしている。

この現象は、ラマルク的な考え方(遺伝子以外の形質が子孫に受け継がれるという考え)や、ダーウィンのパンゲネシス(体細胞から生殖細胞へ情報が伝達されるという理論)に似ている。

逆転写酵素を介した染色体外情報源としての精子無力症:過去への考察

成熟精子には、外来DNA分子を取り込み、核内に内在化させる自発的な能力があるという考え方が確立されている(Spadafora, 1998による総説)。この伝染性は、ヒトを含むほぼすべての動物種の精巣上体および射精(精液の洗浄後)の精子の特徴である(Smith and Spadafora, 2005)。このように、精子細胞は、核が非常にコンパクトで入り込めない構造になっているにもかかわらず、実際には、異物の侵入に対して高い伝染性を持っている。この現象に関する熱心な研究により、外来DNA分子と精子細胞との相互作用、およびそれに続く核内への侵入は、特定の因子のネットワークによってうまく制御されたプロセスであることが明らかになった(Spadafora, 1998)。精子はRNA分子も取り込み、核内に取り込むことができることが、並行して行われた研究で明らかになった。少し意外なことに、これらのRNAは、LINE-1レトロトランスポゾンがコードする生物学的に活性な逆転写酵素(RT)活性によってcDNAコピーに逆転写され、精子の核に存在する(Giordano et al, 2000;Spadafora, 2008).LINE-1由来のRTは、同じく精子に存在するDNA依存性RNAポリメラーゼと相互作用し(Fuster et al., 1977)、一緒になってcDNAのコピー数を増幅し、「自然の」PCR/RT-PCRプロセスを模倣する。新しく生成されたcDNAコピーのほとんどは、精子から培地に放出され、さらなる精子によって再び取り込まれ、その核に内在化されることができる。この継続的な循環プロセスにより、cDNAコピーは大多数の精子細胞懸濁液に均一に分布する。マウスモデルを用いた研究では、RTで生成されたcDNAは、受精時に卵母細胞へ送られ(Giordano et al 2006)、発生を通じて低コピー数(1コピー/ゲノム以下)の非統合染色体外配列として維持され、創始個体の組織でモザイク的に伝播し、最終的には非メンデル様式で次世代に伝わり、転写能が高く両世代の動物に表現型の変化をもたらす(Siamanna et al., a03Pittoggi et al., i06)。これらの結果は、精子が、染色体遺伝子とは関係なく、これまで認識されていなかったRTを介した情報源を提供し、同時に、世代を超えて伝播するベクターとして機能することを示唆している。

これらの結果は、いくつかの不可解な問題を提起している。第一に、精子細胞が外来核酸分子を取り込む能力は、in vitroアッセイの条件下でRNAと接触したときに強制される行動を反映しているのか、それとも精子は生体内試験の生理的条件下で自然に外来分子を収集し運ぶのだろうか?第二に、精子に蓄積されたRT活性は、祖先のレトロトランスポゾン活性の無機能な残骸であり、時折侵入する異物に反応して新しい命を吹き込むのか、それとも発生における現存の生理的役割を発揮するのか。これら2つの問題、すなわち、外来RNAに対する精子の伝染性と、後者を再転写の基質とする精子RTは、これらの現象が生理学的に適切か、言い換えれば、新しい情報源を生み出すために自然界で起こるか、という第3の重要な問題を提起する。これらの問題に着手するためには、精子に貯蔵されているRNA集団の特徴を明らかにし、その起源を特定することが不可欠であった。近年、ハイスループット技術と次世代配列解析により、精子RNAの非常に複雑な構成が明らかになり、その構成要素がエピジェネティックな遺伝過程のキープレーヤーとしてますます浮上していることが、以下のパラグラフでより深く理解されるだろう。

成熟した精子無力体の複雑な転写風景

従来の見解では、精子は転写的に沈黙した細胞であり(Grunewald et al., 2005)、精子RNAは精子形成中に生成される無視できる残骸と考えられていた。しかし、最近のデータでは、これらの見解とは対照的に、成熟した精子には、実際にはコーディングRNA、低分子ノンコーディングRNAクラス、そして最後にLINE-1、SINE/Alu、LTRリピート関連転写物が複雑に混在していることが示されている(Jodar et al., r13;Sendler et al., r13;Miller, 2014).小分子非コードRNAは精子RNAのかなりの割合を占め(Krawetz et al., 2011;Kawano et al., 2012)、主に精子形成時に生成されるpiRNAに代表され、tsRNA(tRNA由来)、そしてより少ない範囲でマイクロRNA(miRNA)は代わりに副睾丸精子で優勢である(Chen et al., 2016b)。重要なことに、精子RNA集団の組成は、様々なストレス条件に父親がさらされることに応じて変化し(Rodgers et al., s13;Brieno-Enriquez et al., z15)、この状況は、子孫の運命と健康に対して重大な結果をもたらし得る。最も重要なことは、体細胞由来のRNAも精子RNAカーゴの構成に寄与していることで、体細胞から精子への細胞間コミュニケーションに由来する選択的保持RNAの形で、データが増えつつあることである。この流れは、副睾丸と呼ばれる特殊なクラスの副睾丸由来のナノ小胞によって媒介され、副睾丸組織から成熟精子細胞へmiRNAやtRNA断片をシャトルする(Belleannée et al., 2013;Vojtech et al., 2014;Sharma et al., 2016)。シャトルされた精子RNAは、数100個の発生関連小RNAを含み、そのプロファイルが周囲のソーマのものと異なることから、「ふるい分け」プロセスの産物である(Reilly et al., 2016)。精子RNA含有量の調節は、精巣上体の近位部と遠位部の間で精子が成熟する間に起こり、精子エピゲノムの確立に重要な部位として精巣上体を特定する(Nixon et al., 2015)

私たちは最近、精巣上体の精子が体細胞から放出されたエクソソームからRNAを取り込むことができることを報告した。実際に、EGFPを発現するように操作したヒトメラノーマ細胞をヌードマウスに接種すると、動物の血流中にEGFP RNA含有ナノビクルを放出し、その一部が精巣上体に到達して精子の頭部に内在化することを明らかにした(Cossetti et al., 2014).この発見は、精子に届けられるRNAの流れが、周囲の精巣上体だけでなく、遠く離れた体内の関係ない地区からも発信されることを示している。ナノ粒子は、そのような送達の理想的なベクターとして機能する。精子の頭部は、前述のように外来分子を自発的に取り込む能力があるため、この染色体外情報の最終的な受け取り手となる。これらのデータは、長い間、現代遺伝学の基礎と考えられてきた不可解なワイスマン障壁が、ナノ粒子を介した染色体外RNAの流れによって実際に突破できることを示している(Eaton et al., 2015)

ワイスマンの壁を破る:精子を介したRNAベースの流れが、ソーマと次世代胚をつなぐ

Krawetzとその共同研究者(Ostermeier et al., 2004)は、受精時に精子特異的RNAカーゴが卵母細胞に運ばれることを初めて報告した。この発見は、雄ゲノムだけでなく、精子が運ぶ染色体外RNAも接合体の形成に寄与していることを証明した。しかし、精子RNA自体は胚発生に厳密には必要ではなく、ハプロイド、あるいは二卵性胚性幹細胞をマウス卵子にマイクロインジェクションすることで単為生殖マウスをうまく作製できる(Li et al., 2016;Zhong et al.)後者の発見は、受精から成体までの発生プログラムを支える基本的な情報が、すべて染色体遺伝子と結びついていることを示している。

精子RNAの組成が生活習慣を反映し、父方の経験の「記憶」を運ぶことを示す最近のデータによって、この分野に新たな展開がもたらされている。RNAベースの記憶は、父方が獲得した特性として子孫に伝達され、子孫の健康や生物学的運命全体に影響を与える可能性がある(Liebers et al., s14;Klosin and Lehner, 2016によるレビュー)。注目すべきは、親の環境条件やストレス条件に応じて、世代を超えた修飾因子としての精子RNAの可能性を評価した最近の実験である(Caron et al、2013,2015)食事(Fullston et al., 2013;Chen et al., 2016a;Huypens et al., 2016)タバコの煙(Marczylo et al., 2012)匂い感受性(Dias and Ressler, 2014)認知・行動条件付け(Rodgers et al., 2013;Gapp et al., 2014)などに反応する。RNAは、精子RNAをマイクロインジェクションした正常な接合体から生成された子孫が、RNAドナー動物の表現形質を再現することを示す、説得力のある実験データの大規模セットにおいて、世代間修飾因子として明確に特定された(Rassoulzadegan et al., n06;Gapp et al., p14;Grandjean et al., n15;Chen et al., n16A)。

これらのデータを総合すると、遺伝は染色体遺伝子にのみ関連するものではないことがわかる。実際、体組織と次世代胚の間には、微妙だが効果的なRNAの流れが確立されている。精子細胞は、父方の染色体外RNAの収集者であると同時に、子孫への媒介者としての二重の役割を担っており、その中心的存在である。RNAに基づく情報が体細胞から生殖細胞へと伝達されるという新たな証拠は、ワイスマンの理論を覆し、後天的形質の遺伝の基礎を提供し、進化の過程に多大な影響を与えるものである。

初期胚発生のモジュレーターとしてのLine-1レトロトランスポゾンにコードされるRT

LINE-1コード化RTは成熟精子に蓄積されるだけでなく、初期胚でも豊富に発現し、染色体外情報の発生と伝播に関与していることが知られている。私たちは、LINE-1レトロトランスポゾンがコードするRTは、受精後すぐに両方の接合体前核で、主に父方の前核で引き起こされ(Vitullo et al., 2012)、着床前の初期胚でも活性を維持することを発見した(Pittoggi et al., 2003).RTは初期発生に重要な役割を果たしている。実際、薬理学的なRT阻害剤(Pittoggi et al., 2003)、あるいは接合体前核にアンチセンスオリゴヌクレオチドをマイクロインジェクションしてLINE-1の発現をダウンさせる(Beraldi et al., 2006)ことによりRT阻害すると、2細胞または4細胞の段階で胚の発生が劇的に停止する。これらの結果は、最初の切断が卵母細胞に蓄積された母性RNAを利用するため、RTが第2細胞分裂からの発生プログラムの展開に厳密に必要であることを示唆している(Tang et al., 2007)

胚性RTの具体的な役割や作用機序はまだ完全には解明されていないが、新たなデータでは、RTの発現上昇と同時に、胚発生初期に一過性ながらグローバルに抑制されるRNAの一種であるmiRNAの生合成を制御するPittoggi et al., 2003;Vitullo et al.

LINE-1がコードするRTとmiRNAの生合成の関連性は、がん細胞においてある程度深く研究されている。初期胚との顕著な類似性から、RTはほとんどのがん種で非常に早い段階から高度に発現している(Sinibaldi-Vallebona et al., a11;De Luca et al., a16によるレビュー)。高いRT活性と並行して、LINE-1由来のmiRNA(Lu et al., 2005)およびsiRNA(Chen et al., 2012)の生合成は、正常細胞に比べてがんでは世界的に減少し、それに伴って遺伝子発現制御ネットワークが変化していることがわかっている。がん細胞をRT阻害剤にさらすと、miRNAの正常な発現プロファイルが回復し、グローバルな遺伝子発現に直接影響を与える(Sciamanna et al., a132014)。これらの証拠から、高RT発現は、(i)胚発生初期においてmiRNAの生合成を生理的に制御し、(ii)腫瘍形成に向かう細胞において、miRNAの生産を阻害し、それに伴う下流標的の調節障害や転写変動の増大という病理的役割を発揮することが示唆される。

胚性エピジェネティック・ランドスケープの再構築とその進化への示唆 モデル

これまで述べてきたことを再確認すると、ある枠組みが見えてきた:

  • (1) RNAを含むナノベシクルが体組織から血流に放出される。
  • (2) 精巣上体の精子がナノベシクルを取り込み、核内に取り込む。
  • (3) 取り込まれたRNA分子は、RT/DNA依存性RNAポリメラーゼの相互作用により、処理されてそのコピー数が増幅する。

最初の3つのステップは、精子の頭部に保存されているRNAを継続的に更新するものである。最後のステップ、すなわち、処理された体細胞RNAを卵母細胞に送り込むことは、受精のたびに繰り返される可能性がある。このプロセスを通じて、精子RNAは世代を超えて伝達され、胚のフィットネスに貢献し、原理的には新生児の多様な環境条件への適応を拡大することができる。同じ生態系ニッチに生息し、同じ刺激にさらされたオスの多くは、同じような組成の精子RNAカーゴを生成すると考えるのが妥当である。一定の環境条件の下では、これらのRNAカーゴは、世代を超えて受精によって子孫に送り続けられるだろう。長い目で見れば(すなわち、「十分な」世代数を経れば)、精子RNAは、Waddingtonの概念(Waddington, 1959)を用いて、新しい形質の「同化」を促進すると仮定することは、不合理ではない。言い換えれば、何世代にもわたるRNAの送達の累積効果は、胚のクロマチンアーキテクチャーのリモデリングを介して、新しい機能的な「運河化」経路(canalized pathways)(Waddington, 1959)の出現を促進するかもしれない。結果として、新しい遺伝回路が活性化したり既存のものが「配線し直し」されたりするかもしれない。メカニズム的には、受精時に精子から送り込まれる制御性miRNAとtsRNAの累積効果によって、2つの連続したステップを経て、新しい運河経路が出現すると考えられる:(i)第一に、運河化した遺伝回路を構成する遺伝子の発現プロファイルを「再配線」することによって、(ii)第二に、新しい制御配列を提供する標的再転写イベントによって、新しく運河化した回路を完成させる。

第一段階(エピジェネティック)は、関連する遺伝子の発現を調節することができるmiRNAやtsRNAの確立された調節機能を基盤としている。受精時に精子細胞から送り込まれるRNAもまた、これらの制御機能を発揮し、初期胚の遺伝子発現プロファイルをリモデリングすると考えるのが妥当であろう。その結果、新たな遺伝子回路(運河回路)が機能的に活性化され、あるいは既存の回路が再配線される。

そして、カナル化した回路は、標的を定めた再転写イベント(遺伝的ステップ)を経て、最終的な状態に到達する。新たなレトロトランスポジションは、タンパク質結合部位(例えば、転写因子、ホルモン、スプライシング因子)、エンハンサー、プロモーター、インシュレーターなどをゲノム内の新しい部位に挿入することにより、さらなる制御の層を提供することができる。

このように、エピジェネティックとジェネティックのハイブリッドなプロセスが、11に模式化したように、胚のクロマチンアーキテクチャーのリモデリングを駆動している。

An external file that holds a picture, illustration, etc. Object name is fmicb-08-02401-g001.jpg

図1 Waddingtonのモデルに着想を得た、胚エピジェネティックランドスケープの運河化プロセスを表す模式図

丘の上から転がり落ちる赤いボール(a-d)は、受精時に送り込まれた精子RNAによって、世代を超えて進行するエピジェネティック経路の優先的な軌跡を表している。ターゲットとなるレトロトランスポーザル挿入(色のついた図形)は、進行する溝に沿い(b,c)、遺伝子機能(転写開始、転写スプライシングなど)のためのDNA認識サイトを提供し、機能制御ネットワークの組み立てにつながる。また、挿入によりmiRNAやtsRNAのコード配列のコピー数が増加する。色付きの記号が付いた深い溝は機能的にアクティブな経路を表し、浅い溝は使用されていない。(d)の赤いボールは、リモデリングパスが完了し、新規のカナル化パターンが機能的に活性化したことを示す(赤矢印)。


このプロセスは、受精時に胚に送り込まれる精子由来の制御RNAの「量」(図11の溝を転がる赤いボールで表現)が、「運河を深くする」1a1a-c、右枝)ことによって新規運河のエピジェネティック活性化に最小限の貢献をし、一方で非活性経路は浅くなる(図1a1a-d、左枝)ことを前提に、本来は進行性だと考えられている。精子から送り込まれたRNAの累積効果が胚の緩衝能力を超えたとき、新しい運河化されたゲノム回路1d1d)は胚の発生を方向転換し、表現型の新しさを生み出す可能性がある。

標的化された再転写イベントは、このモデルの遺伝的要素を構成し、胚の制御回路の機能的再形成に寄与する。標的挿入(11では異なる色の記号で示されている)は、少なくとも3つの方法で新規の制御回路の確立に貢献する:(i)新しいタンパク質結合部位と制御部位を提供する、(ii)RNA集団の全体の多様性を拡大する新しいmiRNAコード配列を提供する、(iii)クロマチン構造を固定して新しくリモデルした景観を安定化する。

このような変化は、永続的に同化される可能性があることが、3つの点から示唆される。第一に、接合体や初期胚は寛容で変化を起こしやすい環境を提供すると考えられており、接合体ゲノム活性化前の初期胚ゲノムはほとんど構造化されておらず、長いゲノム距離にわたって低いレベルのクロマチン組織を示すという発見と一致している(Hug et al., 2017)。第二に、前述のように、着床前胚ではLINE-1コード化RT活性が高く(Vitullo et al., 2012)、並行してmiRNAベースの制御系がグローバルに抑制される(Suh et al., 2010)。このことは、miRNAを介した制御が、分化した細胞や発生におけるランダムな揺らぎを減らし、遺伝的経路に頑健性を与える(Li et al., 2009;Ebertand Sharp, 2012)、逆に、miRNA抑制が発生プログラムの不安定性やランダムな揺らぎを増大させる(Hornstein and Shomron, 2006;Li et al.)さらに、レトロトランスポゾンファミリー(すなわち、LINE-1、Alus、LTR)は、グローバルなゲノム低メチル化と同時に胚で抑制解除され(Lee et al., e14;Smith et al., h14)、遺伝的およびエピジェネティック変動の両方の潜在的原因を構成する(Macia et al., a11;Vitullo et al., o12;Fadloun et al., n13)。全体として、大規模なレトロトランスポジションは必要ないが、新たに形成される運河回路に制御配列を与えるいくつかの重要な挿入は例外である。これらの重要なイベントは、胚のクロマチンリモデリング中に生じた特定の過敏な部位をターゲットにしたものであろう。第三に、精子が卵子に送り込むRNA集団は、制御性miRNAとtsRNAを含んでおり(Chen et al., 2016b)、胚の発現ランドスケープを再編成し、100数個の胚遺伝子の転写プロファイルを再プログラムすることができる。実際、少量の制御RNAであっても、表現型に影響を与える可能性のあるエピジェネティックな変異の十分なスペクトルを生成することができる。このように、遺伝的な変異は、小さな制御RNAによって引き起こされ、変化しやすい胚のゲノム構造に同化され、新しい表現型に変換されるかもしれないのである。

小分子RNAは、マクロ進化の過程-その数は複雑さと並行して時間とともに増加し、一方、その損失は形態の単純化に関連する(Wheeler et al., 2009;Erwin et al., 2011)-と遺伝プログラムの運河化(Hornstein and Shomron, 2006;Li et al., 2009;Vidigal and Ventura, 2015)との両方に関わることを思い出す価値がある。

結論

今回の世代間継承のモデルは、異なる情報源からのデータを生物学的に首尾一貫した枠組みで統合することを試みている。このプロセスに関与するほとんどの側面は実験的に検証されており、世代を超えて関連する新奇性を生み出すことができる可能性がある。そのメカニズムは、主にエピジェネティックなものであり、ゲノム変異とは無関係だ。なぜなら、精子RNAが駆動する運河形成プロセスは、特定の経路を生成し、ランダムな変異の余地をほとんど残さず、最終的に1つまたはいくつかの新しい表現型の出現に有利に働くからだ。

この仮説は、ラマルク主義になぞらえ、染色体外の世代間遺伝が発生に影響を与え、進化的に重要で安定的に獲得される変異を生み出すことができるという仮定に基づいている。ダーウィンのパンゲネシス(Holterhoff, 2014)は、このモデルが大きく重なる他の理論である。親文字を含む「ゲムル」が組織から放出され、生殖系列を介して次世代に伝達されるという仮説は、核酸を持ち体組織から放出され、精子細胞に取り込まれ、精子を介した世代間継承の基礎となる循環ナノベシクルとエクソゾームに関する現在の知識に照らして再解釈することができるようになった。

このように、歴史的に否定されてきた2つの理論が、次世代ゲノムの方法論に基づく現代の実験データから再浮上してきたことは、歴史は繰り返されることを証明している。

利益相反に関する声明

著者は、本研究が、潜在的な利益相反と解釈され得る商業的または金銭的関係がない状態で行われたことを宣言するものである。

フットノーツ

資金提供 この研究は、ローマ財団からCSへのプロジェクト「新規治療ターゲットおよび早期腫瘍マーカーとしての細胞性内因性逆転写酵素の研究」の助成金により行われた。

この記事が役に立ったら「いいね」をお願いします。
いいね記事一覧はこちら

備考:機械翻訳に伴う誤訳・文章省略があります。
下線、太字強調、改行、注釈や画像の挿入、代替リンク共有などの編集を行っています。
使用翻訳ソフト:DeepL,ChatGPT /文字起こしソフト:Otter 
alzhacker.com をフォロー