広報活動

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2015年7月1日

理化学研究所

加齢による卵子の染色体数異常の原因を特定

-染色体分配の誤りを直接観察することにより解明-

要旨

理化学研究所(理研)多細胞システム形成研究センター染色体分配研究チームの北島智也チームリーダーらの国際共同研究グループは、卵子[1]が作られるときの染色体分配の誤りを直接観察することにより、加齢に伴って起こる卵子の染色体数異常の主要な原因を明らかにしました。

卵母細胞[2]は2段階から成る減数分裂を経て卵子になります。正常な染色体数を持つ卵子となるためには、減数分裂において正しい数の染色体が卵子に分配されることが必要です。流産胚やダウン症[3]などで見られる染色体数の異常は、その多くが卵母細胞の減数分裂の第一段階(減数第一分裂[4])における染色体分配の誤りが原因です。染色体分配の誤りの頻度は母体年齢とともに上昇することが知られています。しかし、なぜ加齢に伴って染色体分配の誤りが起きやすくなるのかは分かっていませんでした。

そこで、国際共同研究グループは自然老化させたマウス(16月齢)を使い、卵母細胞の減数第一分裂の過程をライブイメージング技術[5]を使って観察しました。得られた画像からすべての染色体の動きを追跡することにより、初めて染色体分配の誤りの過程を直接観察することに成功しました。老化したマウスの卵母細胞における染色体分配の誤りのほとんどは、二価染色体[6]が2つの一価染色体[6]へと早期分離することに起因していました。早期分離した一価染色体は微小管[7]に誤った方向に引っ張られることで、減数第二分裂を待たずに姉妹染色分体[8]を分配していました。さらに、不妊治療患者の同意のもと提供を受けたヒト卵母細胞を調べたところ、比較的高い年齢の患者由来のヒト卵母細胞には一価染色体が存在し、微小管に誤って引っ張られている様子が観察されました。これらの結果から、加齢に伴って起きる染色体数異常は、二価染色体が一価染色体へ早期分離してしまうことが主要な原因であることが強く示唆されました。

本研究は、英国のオンライン科学雑誌『Nature Communications』(7月1日付け:日本時間7月1日)に掲載されます。

※国際共同研究グループ

理化学研究所 多細胞システム形成研究センター 染色体分配研究チーム
チームリーダー 北島 智也 (きたじま ともや)
基礎科学特別研究員(研究当時) 榊原 揚悟 (さかきばら ようご)

IVFなんばクリニック
院長 中岡 義晴 (なかおか よしはる)
部長 橋本 周 (はしもと しゅう)

カロリンスカ研究所
教授 Christer Höög (クリスター・フグ)
シニアラボマネージャー Anna Kouznetsova (アナ・クズネツォワ)

背景

卵母細胞は、2段階から成る減数分裂を経ることで卵子になります。他の細胞分裂と同様に、卵母細胞の減数分裂でも正しい数の染色体が卵子に分配される必要があります。もし染色体分配に誤りが起こると、染色体数が異常な卵子が作られます。このような卵子は受精したとしてもほとんどが出産まで至りません。出産に至ったとしてもダウン症などの染色体数異常による先天性疾患を引き起こします。流産胚やダウン症で見られる染色体数異常の主な原因となっているのが、卵母細胞の減数第一分裂における染色体分配の誤りです。この染色体分配の誤りの頻度は母体年齢とともに上昇することが知られていますが、なぜ加齢に伴って染色体分配の誤りが起きやすくなるのかは分かっていませんでした。

減数第一分裂の正しい染色体分配のためには、二価染色体(図1)と呼ばれる染色体構造が染色体分配の瞬間まで維持されている必要があります。

1968年、英国のヘンダーソンとエドワーズは、老化したマウスの卵母細胞の染色体を広げて観察すると二価染色体が離れてしまった一価染色体様構造が観察されることを報告し、これが染色体分配の誤りの原因であると推測しました。また、最近、複数の研究グループにより、老化したマウスおよびヒトの卵母細胞で、染色体上にある染色体接着因子コヒーシンの量が減少していることが明らかになりました。これらのことから、加齢により卵母細胞の二価染色体が分離して一価染色体となることによって染色体分配の誤りが起こりやすくなるという仮説が提案されました。しかし、この仮説を支持する直接的な証拠は得られていませんでした。

研究手法と成果

国際共同研究グループはまず、自然老化させたマウスをモデルに研究を行いました。老化させたマウス(16月齢)から卵母細胞を回収し、細胞内の染色体と動原体[9]をそれぞれ異なる蛍光タンパク質で標識しました。その後、顕微鏡下で卵母細胞を減数第一分裂へ誘導し、染色体分配までの染色体と動原体の動きをライブイメージング技術により撮影しました。撮影された画像を三次元再構築し、すべての染色体および動原体の動きをコンピューター上で完全に追跡することにより、確実に染色体分配の誤りを検出することが可能となりました(図2)。

今回国際共同研究グループは、老化したマウスから得られた300以上の卵母細胞の減数第一分裂を撮影および解析し、染色体分配の誤りに至った20の卵母細胞を見出しました。これに対し、若いマウスからは染色体分配の誤りに至った卵母細胞が見出されなかったことから、老化したマウスで見出された染色体分配の誤りは加齢に伴ったものであると分かりました。これら染色体分配の誤りは、その分配パターンから3つのグループに分類されることが分かりました。1つ目は、母方と父方の染色体の両方が姉妹染色分体の分配を行ってしまう「均等早期分配(Balanced predivision)」、2つ目は、母方と父方の染色体のいずれかが姉妹染色分体の分配を行ってしまう「不均等早期分配(Unbalanced predivision)」、3つ目は母方と父方の染色体が分かれない「不分離(Nondisjunction)」です(図3)。

これらのうち、もっとも多く見られた分配パターンは均等早期分配でした。均等早期分配は第一分裂の誤りでありながら、第二分裂後に染色体数異常を与えます。ヒトの遺伝学的な解析からは、染色体数異常の多くは第一分裂の誤りに起因するということが知られていました。一方で染色体量の解析からは、第一分裂後の卵子よりも第二分裂後の卵子のほうが染色体数異常の頻度が高いということが知られていました。この矛盾は、均等早期分配で説明できることが分かりました。次に多く見られたのは、不均等早期分配でした。減数第一分裂でこの分配パターンを経てできた卵子では、染色分体の数は1本過剰となるか、あるいは1本不足します。最も頻度が低かったのが、不分離でした。この分配パターンを経てできた卵子では、染色分体の数は2本過剰となるか、あるいは2本不足します。不均等早期分配が不分離よりも多いという結果は、減数第一分裂後のヒト卵子では染色分体数が奇数となる異常が多いというこれまでの知見と一致します。これらの結果は、老化したマウスの卵母細胞における染色体分配の誤りが、ヒト卵母細胞と同様のものであることを示唆しています。

そこで国際共同研究グループは、マウスの卵母細胞における染色体分配の誤りの原因について調べました。染色体分配の誤りに至った染色体について減数第一分裂を通した追跡結果を解析したところ、8割の染色体分配の誤りは二価染色体が一価染色体に早期分離するという現象を経ていたことが判明しました。正常な染色体分配のためには、二価染色体は染色体分配の瞬間までその構造が維持されなくてはなりません。ところが老化したマウスの卵母細胞では、二価染色体が微小管によって反対方向に引っ張られると、その力に耐えきれずに一価染色体へと分離してしまう現象が見られました。分離してできた一価染色体はその後、微小管によって反対方向に引っ張られ、染色体分配の瞬間にはその多くが姉妹染色分体の分配という誤りへと至っていました。これらの結果から、老化したマウスの卵母細胞における染色体分配の誤りの主要な原因は、二価染色体が一価染色体へと分離であることが分かりました(図4)。

次に国際共同研究グループは、ヒト卵母細胞における染色体分配の誤りの原因がマウス卵母細胞と同様であるかを調べました。不妊治療患者に研究の趣旨と内容に同意を得たうえで、治療に用いられずに廃棄される前の卵母細胞を用いて研究しました。減数第一分裂における染色体を観察したところ、比較的高い年齢の患者の卵母細胞において一価染色体が見られました。これら一価染色体は微小管によって反対方向に引っ張られていたことから、染色体分配の誤りに至るものであると考えられました。

マウスとヒトの卵母細胞における結果から、加齢に依存した染色体数異常の主要な原因は、二価染色体から一価染色体への早期分離であることが強く示唆されました。

今後の期待

今回の研究によって、加齢に伴って起こる染色体数異常の主要な原因を特定することができました。老化した卵母細胞で二価染色体が一価染色体に早期分離してしまうのは、二価染色体の維持に必要なコヒーシンが加齢とともに染色体上から減少するためであると考えられます。今後、なぜ加齢とともにコヒーシンが減少するのかを明らかにすることで、染色体数異常の原因をより分子的に理解できることが期待できます。また、今回の研究結果は、二価染色体から一価染色体への早期分離を抑えることができれば、加齢に伴って起こる染色体数異常を抑えることができる可能性を示唆しています。今後さらに研究を進めていくことで、加齢に伴って起こる卵子の染色体数異常の原因の理解を深めるとともに、異常を起こさなくするための手法の開発への道が開けることが期待できます。

原論文情報

  • Yogo Sakakibara, Shu Hashimoto, Yoshiharu Nakaoka, Anna Kouznetsova, Christer Höög, Tomoya S. Kitajima, "Bivalent separation into univalents precedes age-related meiosis I errors in oocytes", Nature Communications, doi: 10.1038/ncomms8550

発表者

理化学研究所
多細胞システム形成研究センター 染色体分配研究チーム
チームリーダー 北島 智也 (きたじま ともや)

報道担当

理化学研究所 広報室 報道担当
Tel: 048-467-9272 / Fax: 048-462-4715
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補足説明

  1. 卵子
    雌性配偶子。ヒトを含む多くの哺乳類では、卵巣の中に蓄えられた卵母細胞が排卵の前に減数第一分裂を完了して卵子となる。排卵された卵子が受精すると減数第二分裂を完了し、受精卵となって胚発生を開始する。
  2. 卵母細胞
    雌性生殖細胞。減数第一分裂で染色体分配を行い卵子となる。
  3. ダウン症
    21番染色体を過剰に持つ(トリソミー)ために引き起こされる先天性疾患。約9割が卵母細胞の減数第一分裂における染色体分配の誤りに起因している。
  4. 減数第一分裂
    生殖細胞は配偶子をつくるために、減数第一分裂と第二分裂の2回の細胞分裂を行う。体細胞分裂や減数第二分裂では姉妹染色分体(DNA複製によるコピー)が分配されるのに対し、減数第一分裂では相同染色体(母方と父方の配偶子に由来する染色体)が分配される。
  5. ライブイメージング技術
    撮影には、欧州分子生物学研究所(ドイツ)のJan Ellenberg博士らによって開発された自動化した共焦点顕微鏡による高解像度かつハイスループットのライブイメージング技術が使用された。
  6. 二価染色体、一価染色体
    減数第一分裂の染色体分配の前に形成される染色体構造。母方の配偶子と父方の配偶子を由来とする染色体どうし(相同染色体)が組み換えを起こすことにより、相同染色体間に物理的つながり(キアズマ)が形成される。キアズマはタンパク質複合体コヒーシンによって維持される(図1を参照)。相同染色体間でキアズマが形成されなかった、あるいは解消された場合には2つの一価染色体ができる。
  7. 微小管
    糸状のタンパク質複合体。細胞分裂期には染色体を引っ張って娘細胞へ分配する。
  8. 姉妹染色分体
    細胞は分裂の前にDNA複製を行う。DNA複製によりできた2つの同一な染色体を姉妹染色分体と呼ぶ。
  9. 動原体
    染色体上に形成されるタンパク質複合体。染色体分配の際に、微小管が染色体を動かすための牽引部位となる。体細胞分裂では姉妹染色分体のそれぞれに動原体が一つずつ形成され、これらを姉妹動原体と呼ぶ。減数第一分裂では相同染色体のそれぞれに動原体が一つずつ形成され、これらを相同動原体と呼ぶ。

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二価染色体の構造図

図1 二価染色体の構造

減数第一分裂の染色体分配に先立ち、母方と父方の配偶子に由来する染色体(相同染色体)の間に物理的なつながり(キアズマ)が作られる。このキアズマは、染色体接着因子コヒーシンによって維持されている。キアズマとコヒーシンによるこの相同染色体ペア構造は、二価染色体と呼ばれる。二価染色体はやがて動原体に接続した微小管によって両方向から引っ張られ、相同染色体が2つの娘細胞に分配される。

染色体分配の誤りの例

図2 染色体分配の誤りの例

ライブイメージングによって観察された染色体分配の誤り。誤って分配された染色体を矢頭で示し、それらの拡大像を右に示した。

染色体の追跡による染色体分配パターンの分類図

図3 染色体の追跡による染色体分配パターンの分類

染色体と動原体を追跡することで、染色体分配の誤りにおける分配パターンを決定した。正常な分配を示す追跡結果を緑と灰色で、異常な分配を示す追跡結果を赤色で示す。正常な分配では、相同染色体が反対方向に分配される。均等早期分配では、相同染色体の両方が姉妹染色分体を分配する。不分離では、相同染色体が同一方向に動いて分配されない。不均等早期分配では、相同染色体のうち一つが姉妹染色分体を分配する。

老化した卵母細胞の減数第一分裂で染色体分配の誤りが起こる過程の図

図4 老化した卵母細胞の減数第一分裂で染色体分配の誤りが起こる過程

若い卵母細胞では、二価染色体の構造が染色体分配の前まで維持されることで、正常な染色体分配が達成される。老化した卵母細胞では、二価染色体が微小管に反対方向に引っ張られると、一価染色体に早期分離してしまう。一価染色体は微小管に反対方向に引っ張られるため、誤った染色体分配パターンである姉妹染色分体の分配に至りやすい。図では、誤った染色体分配パターンの例として均等早期分配を示している。

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