4. 遺伝子の「引き算」による未知の機能探索

精原細胞（図2，m^In）と完成した精子（図2，16）を比較すれば、その形態変化がいかに如実であるかが分かり、その変化は精子細胞（図2，青枠内）で起こっていることが分かります。鞭毛の出現、ミトコンドリア鞘の構築、核の劇的な形状変化と濃縮、そして不要な細胞質の徹底的な除去。これら他の細胞には見られない特殊な変化が起こるということから、この期間に精子細胞のみに発現する遺伝子が、精子の形態変化に重要であると考えられます。

私たちは、データベースを活用して「精巣のみで特異的に発現している遺伝子」を特定し、それらを欠損させた「ノックアウト（KO）マウス」を作出する戦略をとっています。特定の遺伝子を欠損させた雄マウスが依然として妊孕性がある（子供を作れる）のであれば、その遺伝子は単独では生殖に必須ではないと判断できます。逆に、雌と交配しても子供が生まれない場合は、欠損させた遺伝子が不妊の原因となっていることが判明します。そこからさらに、不妊の原因が「精子形成そのもの」にあるのか、「精子の運動機能」にあるのか、あるいは「受精後の胚発生」にあるのか等を多角的な実験によって調べ、遺伝子の機能を分子レベルで明らかにしていきます。

私はこの10年間で、少なくとも107個の遺伝子が単独では妊孕性に必須ではないことを明らかにしてきました（詳細はリサーチマップ記載の論文をご確認ください）。これまでの経験上、精巣特異的な遺伝子を単独で欠損させても、その半数以上は妊孕性に影響を与えません。これは、生命の設計図における「機能的冗長性（バックアップ体制）」によるものであり、似た機能を持つ別の遺伝子がその役割を補完しているためと考えられます。

5. 形作りを制御する遺伝子たちの発見

一方で、単独欠損によって顕著な不妊形質を示す遺伝子も多く見出してきました。これらは精子のユニークな形態を作り上げるため必須の存在ともいうことができます。以下に、我々が見出してきた精子形成に必須の遺伝子とその代表的な役割の例を挙げます（詳細はリサーチマップ記載の論文をご確認ください）。
減数分裂の制御：Pdha2、半数体を作るのに必須の減数分裂に関わる遺伝子（雄限定）。
頭部の造形：Tex38、Fam209、Phf7 など、精子の顔とも言える核やアクロソームの形態形成に関わる遺伝子。
首部の安定化：Ccdc188、頭部と鞭毛を繋ぐ構造に関わる遺伝子。
鞭毛と運動性：Cfap91、Fbxo24、Ccdc183、Tsnaxip1、Tulp2、Irgc1、Lrrc23、Drc7、Kif9、Dnah8、Tmprss12、Rsph6 など、精子の運動性や鞭毛形成に関わる遺伝子群。
ミトコンドリア鞘形成：Misfa、Armc12、Tbc1d21、Spata33、Gk2 など、精子に特徴的な「ミトコンドリア鞘」の形成に関わる遺伝子群。

6. 精子鞭毛のコンパートメント化と細胞質除去

具体的な分子メカニズムの一端をここでご紹介します。

鞭毛が正しく形成されるためには、細胞内の「区画化（コンパートメント化）」が不可欠です。CCDC183というタンパク質には、鞭毛の伸長の起点となる中心体（遠位および近位中心小体）が、核および細胞膜を繋ぎ止める「ブリッジ（架け橋）」として機能させる働きがあります。この架け橋があることで、核が鞭毛とは逆方向に移動する際に細胞膜が一緒に引き込まれ、「細胞質陥入」という現象が起こります（図3，赤矢頭）。これにより、鞭毛は細胞質とは切り離された独立したコンパートメントで伸長することが可能になるのです。CCDC183を欠損させると、この区画化が失敗し、鞭毛周囲に大量の細胞質が存在することで、鞭毛構造が崩壊してしまいます(3)。

図3：精子細胞における鞭毛の伸長と細胞質の陥入
マウス精子細胞が完成するまでの鞭毛形成プロセスを時系列（Step）で示す。この図のStepは図2のStep（1から16の数字）と同じものを示す。軸糸の伸長（Steps 2-3）：中心小体から軸糸が伸び始める（茶色矢印）。線維鞘の形成（Step 7）：遠位側から軸糸を囲むように線維鞘が形成される（オレンジ色矢印）。核と中心小体の結合（Step 7）：2つの中心小体（中心体、青色矢頭）が、核の後端と細胞膜を橋渡しするように繋ぎ止める。細胞質の陥入（Step 8）：核が中心小体との結合部とは反対側に移動することで、中心小体も移動し、細胞質が内側へ陥入する（赤色矢頭）。これにより、鞭毛は細胞質とは別の区画（コンパートメント）へと収まる。精子構造の完成（Steps 9-16）：核の形態変化と首部構造の形成が進み、アニュラスから遠位側へ外側緻密線維（水色矢印）が伸長する（Step 9）。アニュラスが遠位側へ移動すると（赤色矢印）、首部からアニュラスの間に球状ミトコンドリアが集まる（Step 15）。ミトコンドリアが軸糸に対して垂直方向に伸長して「ミトコンドリア鞘」が形成し、精子が完成する（Step 16）。（Miyata et al., 2024, Development of functional spermatozoa in mammalian spermiogenesis のFig. 2Bを改変）

また、精子が完成する最終ステップにおいて細胞質除去による「スリム化」を担うのがTSKSです。TSKSは精子細胞の「nuage」と呼ばれる構造に局在し、不要な細胞質の除去に関わります。通常、精子が放出される際には体細胞であり、生殖細胞を支持する役割を持つセルトリ細胞に引っ張られる形で余分な細胞質が除去されますが（図4，左図）、TSKSが欠損するとこのプロセスが正しく機能せず、大量の細胞質を抱えたままの「太った精子」ができてしまいます（図4，右図）。この後、この太った精子は細胞死をしてしまうことから、鞭毛周囲の過剰な細胞質は精子にとって極めて有害であることが分かります(4)。

図4：精子からの細胞質の除去
Step 16のマウス精子細胞を透過型電子顕微鏡で観察した像。正常な精子（左図）： 精子細胞が管腔（図右下）へ移動する際、付着している細胞質（黒破線内）がセルトリ細胞に引っぱられ、適切な位置（白矢印付近）で切り離される。TSKS欠損精子（右図）： 細胞質除去がうまく行われないため、過剰な細胞質を残したままの精子が管腔内に生じる。スケールバー：2.0 µm. （Shimada et al., 2023, TSKS localizes to nuage in spermatids and regulates cytoplasmic elimination during spermiation のFig. 1Iを改変）

酪農学園大学獣医学群獣医学類 嶋田圭祐

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