プロタミン2のセリン56の脱リン酸化はin vivoでのマウス精子の成熟に重要である

Sci. Signal. 26 Mar 2019:
Vol. 12, Issue 574, eaao7232
DOI: 10.1126/scisignal.aao7232

Katsuhiko Itoh^1,2,*, Gen Kondoh³, Hitoshi Miyachi³, Manabu Sugai^4,5, Yoshiyuki Kaneko¹, Satsuki Kitano³, Hitomi Watanabe³, Ryota Maeda⁶, Akihiro Imura⁶, Yu Liu^1,7, Chizuru Ito⁸, Shigeyoshi Itohara⁹, Kiyotaka Toshimori^8,10, and Jun Fujita^1,11

¹ Department of Clinical Molecular Biology, Graduate School of Medicine, Kyoto University, Kyoto 606-8507, Japan.
² Division of Medical Equipment Management, Department of Patient Safety, Kyoto University Hospital, Kyoto 606-8507, Japan.
³ Institute for Frontier Life and Medical Sciences, Kyoto University, Kyoto 606-8507, Japan.
⁴ Department of Molecular Genetics, Unit of Biochemistry and Bioinformative Sciences, Faculty of Medical Sciences, University of Fukui, 23-3 Matsuoka Shimoaizuki, Eiheiji-cho, Yoshida-gun, Fukui 910-1193, Japan.
⁵ Life Science Innovation Center, University of Fukui, 23-3 Matsuoka Shimoaizuki, Eiheiji-cho, Yoshida-gun, Fukui 910-1193, Japan.
⁶ Department of Hematology, Graduate School of Medicine, Kyoto University, Kyoto 606-8507, Japan.
⁷ Department of Molecular Gastroenterology and Hepatology, Graduate School of Medical Science, Kyoto Prefectural University of Medicine, Kyoto 602-8566, Japan.
⁸ Department of Functional Anatomy, Reproductive Biology and Medicine, Graduate School of Medicine, Chiba University, Chiba 260-8670, Japan.
⁹ Laboratory for Behavioral Genetics, RIKEN Brain Science Institute, Wako 351-0198, Japan.
¹⁰ Future Medical Research Center, Chiba University, Chiba 260-8670, Japan.
¹¹ Department of Radiation Genetics, Graduate School of Medicine, Kyoto University, Kyoto 606-8501, Japan.

* Corresponding author. Email: katsu@virus.kyoto-u.ac.jp

要約

他の組織においてと同様、精子形成においてもヒストンの翻訳後修飾はきわめて重要である。しかし、精子形成中にヒストンはプロタミンに置き換えられる。プロタミンは、精細胞におけるDNAの密なパッキングに重要である。また、プロタミンもリン酸化と脱リン酸化によって翻訳後修飾される。こうした事実を受け、われわれは、プロタミン調節の基礎をなす機構と生物学的な重要性について研究した。スクリーニングで熱ショックタンパク質Hspa4lが精子形成に関連付けられたことから、Hspa4l欠損マウス（Hspa4l-nullマウス）を作製したところ、雄性不妊と精子頭部形成異常がみられた。このような表現型はPpp1cc欠損マウスの表現型と類似している。われわれは、クロマチン結合分画に含まれるPpp1ccホスファターゼ（Ppp1cc2）の精巣・精子特異的アイソフォームの量が、Hspa4l-nullマウスの精子では野生型マウスに比べてかなり少ないことを見出した。さらに、Ppp1cc2がシャペロンHsc70、Hsp70の基質であることと、Hspa4lがこれらシャペロン複合体からのPpp1cc2の放出を促進し、遊離Ppp1cc2のクロマチンへの局在を可能にすることも明らかにした。プルダウンアッセイとin vitroホスファターゼアッセイでは、プロタミン2のセリン56（Prm2 Ser⁵⁶）がPpp1cc2によって脱リン酸化されることが示された。Prm2 Ser⁵⁶の脱リン酸化の生物学的重要性を確認するために、われわれはPrm2のSer⁵⁶をアラニンに変異させた（Prm2 S56A）。この変異をHspa4l-nullマウスに導入すると（Hspa4l^−/−、Prm2^S56A/S56A）、Hspa4l^−/−マウスの精子頭部形成異常と不妊が回復した。このように、リン酸を除去する脱リン酸化シグナルは重要であった。これらの結果から、in vivoでの精子の成熟におけるPrm2の脱リン酸化の機構と生物学的重要性が明らかにされた。

Citation: K. Itoh, G. Kondoh, H. Miyachi, M. Sugai, Y. Kaneko, S. Kitano, H. Watanabe, R. Maeda, A. Imura, Y. Liu, C. Ito, S. Itohara, K. Toshimori, J. Fujita, Dephosphorylation of protamine 2 at serine 56 is crucial for murine sperm maturation in vivo. Sci. Signal. 12, eaao7232 (2019).