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公益社団法人日本生化学会
Journal of Japanese Biochemical Society 96(4): 571-575 (2024)
doi:10.14952/SEIKAGAKU.2024.960571

みにれびゅう

哺乳類の性決定におけるSox9のエンハンサーによる発現制御

国立研究開発法人国立成育医療研究センター研究所システム発生・再生医学研究部 ◇ 〒157–8535 東京都世田谷区大蔵2–10–1

発行日:2024年8月25日
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1. はじめに

ほとんどの哺乳類では,性染色体構成はオスとメスでそれぞれXY, XXのオスヘテロ型であり,Y染色体上にオスを決定する遺伝子が存在する.1990年にY染色体上の性決定遺伝子候補SRYSryがヒトとマウスで同定された1, 2)

.1991年にマウスSryをトランス遺伝子として有するXXのトランスジェニックマウスが作製され,その表現型がオスであったことからSryが性決定遺伝子であることが示された3).1990年代には重要な遺伝子のノックアウト(KO)マウスが次々に作られたが,SryのKOマウスは報告されなかった.当時のKOマウス作製には数キロ塩基の特異的配列からなるホモロジーアームを持ったプラスミドが必要であったが,Y染色体はほぼリピート配列から構成されているため,Y染色体上の遺伝子KOマウスの作製は困難であった.2010年代になって,遺伝子改変マウス作製にゲノム編集が広く使われるようになり,この状況が打開された.ゲノム編集では数十塩基の特異的配列があればKOマウスが作製できるため,Y染色体上の遺伝子KOマウスの作製が可能となった.TALEN(transcription activator-like effector nuclease)によるSry KOマウス作製が報告され4, 5),XYで完全にメスであったことからSryが性決定遺伝子であると最終確認された.

哺乳類の性はSryが胎仔期生殖腺の支持細胞で発現することにより決まる(図1

).支持細胞でSryが発現すると支持細胞はセルトリ細胞に分化し,セルトリ細胞から放出されるDHH(Desert Hedgehog)によりホルモン産生細胞がオス型のライディッヒ細胞に分化するなどのカスケードにより胎仔期精巣が形成される.胎仔期精巣ができると男性ホルモンであるテストステロンが精巣から放出され,体全体がオスへと分化する.一方XX個体などSryが存在しないと,支持細胞は顆粒膜細胞に分化し,ホルモン産生細胞はメス型のテーカ細胞に分化するなどのカスケードにより胎仔期卵巣が形成され,最終的に体全体がメスへと分化する.このようにして哺乳類ではSryが発現するか否かにより性が決定する.

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図1 性決定前後の胎仔期生殖腺を構成する細胞

未分化生殖腺は,胎生中期に中腎に沿って形成される.未分化生殖腺の断面図を示した.支持細胞を白色,ホルモン産生細胞を黒色,生殖細胞を灰色,その他の細胞を薄灰色で示した.

Sryが性決定遺伝子として機能する際,ゲノムのどこに作用して機能しているのかは長らく謎であった.ただ,性決定におけるSRYの機能は,常染色体上に存在するSox9を発現上昇させることだけであると考えられている.Sryが発現すると,追いかけるようにすぐにSox9の発現が上昇すること,胎仔期生殖腺の支持細胞でSox9を強制的に発現させるとXXの個体であってもオスへと分化することがその理由である6)

.すなわち,Sox9が常染色体に存在する性分化のマスターレギュレーターである.

胎仔期生殖腺でのSox9の発現制御機構に関して,二つの大きな手がかりがあった.一つ目は,マウスのSox9転写開始点から上流13 kbに存在するエンハンサーTESCO(testis-specific enhancer of Sox9 core)である7)

.TESCOのトランスジェニックマウスの解析から,TESCOは胎仔期生殖腺でエンハンサーとして機能することが明らかとなった.しかし,TESCO欠失マウスはXYでSox9の発現量が減少したがオスであったことから,Sox9の発現制御はエンハンサーによるものの,まだ他にも少なくとも一つはエンハンサーが存在することが想定された8).二つ目は,ヒトのXYの性分化疾患症例のゲノム解析からヒトのSOX9転写開始点から上流640 kbに共通して欠失している32.5 kbの領域,XYSR,が同定されたことである9).転写開始点から遠く離れているためプロモーターではないこと,欠失でSOX9の発現が消失または低下していることが考えられることから,ここにもう一つの胎仔期生殖腺でのエンハンサー(遠位エンハンサー)が存在することが想定された.

本稿では,近年ヒトのXYSRに相当するマウスのゲノム領域にエンハンサーが見つかり,その中の機能配列の一部が同定されたことにより,性決定直後の分子機構の一端が明らかとなってきたので紹介する.また,哺乳類にはアマミトゲネズミ,トクノシマトゲネズミ,モグラレミングなど,数は少ないもののY染色体を持たない種も存在し,これらの中で,アマミトゲネズミ(オス,メスともに性染色体構成はXO)でもSox9が性決定遺伝子として機能している可能性があること,その発現制御がエンハンサーによるものであることが示されたので紹介する.

2. エピゲノム,クロマチン状態の情報を利用した胎仔期生殖腺でのSox9エンハンサーの同定

マウスゲノム中でSox9は,周辺2 Mbには遺伝子が存在しないいわゆる遺伝子砂漠(gene desert)に存在する(図2

).ヒトの疾患ゲノム解析などから,胎仔期生殖腺でのSox9の発現制御領域は,その遺伝子砂漠に存在することが考えられた.エンハンサーであることの検討は通常トランスジェニックマウスを作製することでなされるが,この方法によりエンハンサーを探索するには2 Mbは大きすぎる.そのため,Gonenらはこの2 Mbのエピゲノム,クロマチン状態の情報から胎仔期生殖腺でのエンハンサーの同定を行った10).DNaseI-seqでクロマチンが開いている状態になっているところを,性分化期(胎生13.5日と15.5日)のセルトリ細胞で解析し,14のエンハンサー候補を同定した.また,より少ない細胞で解析可能なATAC(assay for transposase-accessible chromatin)-seqにより,性決定期(胎生10.5日)と性分化期(胎生13.5日)でクロマチンが開いている状態になっているところを探索し,さらに二つのエンハンサー候補を同定した.エンハンサーならば,ヒストンのアセチル化修飾H3K27Acが存在すると考えられるため,クロマチン免疫沈降シークエンス[ChIP(chromatin immunoprecipitation)-seq]により検討し,これらがエンハンサーである可能性を検討した.最終的に16のエンハンサー候補に対し(Enh1~16),エンハンサー候補をレポーター(LacZ)につないだ配列をトランス遺伝子として有するトランスジェニックマウスを作製することで実際にエンハンサーである可能性を検討した.その結果,Enh13, Enh14, Enh32の三つは胎仔期精巣でLacZが発現したことからこれらが候補として残った.Enh32は発現強度が弱く,精巣の一部分でしか発現してなかったことから,候補から外された.次にエンハンサーならば,胎仔期生殖腺でSox9の発現が低下する可能性があるため,ゲノム編集によりEnh13とEnh14の欠失マウスが作製され,解析された.Enh14欠失をホモに有するマウスではSox9の発現に変化はなかった.Enh14は,他のエンハンサーと冗長性がある,あるいはエンハンサーではあるものの機能としては弱い可能性が考えられる.Enh13欠失をホモに有するマウスではSox9の発現量は野生型のXY個体の21%にまで低下した.野生型のXX個体が18%であることから,このレベルはほぼ野生型メスと同じであった.XY個体の表現型はメスであったことからEnh13がSox9の胎仔期生殖腺での主要なエンハンサーであると結論された.また,Enh13はヒトのXYSRに相当するマウスの領域に存在した.

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図2 ヒト,マウス,アマミトゲネズミのSox9両隣までのゲノム構造

遺伝子を黒四角,エンハンサーを灰四角,XYSRとmXYSRを白四角で示した.

3. ヒトXYSR領域に相当するマウス配列を利用した胎仔期生殖腺でのSox9エンハンサーの同定

我々は,ヒトXYSR領域中に存在すると想定されるエンハンサーをマウスを用いて同定することを目指した.そのため,最初にそもそもマウスにXYSRに相当する配列が存在するか否かの検討を行った.塩基配列をアラインメントするWEBツールであるPipMaker(http://pipmaker.bx.psu.edu/cgi-bin/pipmaker?basic)11)

により解析したところ,Sox9転写開始点から546 kb上流に類似の26.6 kbの配列が認められた(mXYSRとした).この領域が機能的にもXYSRと類似であること,またもしそうなら,一度に多様な欠失パターンのアレルが作製できれば,この中のエンハンサーを含む配列の存在箇所を短期間に同定できるのではと考え,Cas9タンパク質と六つのsgRNAを同時に受精卵に導入して一連の変異マウスを作製した12).一つのsgRNAは機能しなかったが,五つのsgRNAにより多様なアレルを有するマウスを一度に作製することが可能であることがわかった.最終的にmXYSRをホモで欠失するとXYでメスになること,片アレルがmXYSR全体欠失,もう片アレルがmXYSR中の4.7 kb欠失の場合XYでメスになったことから,エンハンサーを4.7 kb領域にマップすることができた.

次に,マウスmXYSRとヒトXYSRは同様の機能を有すること,エンハンサーは進化上配列が保存されていることが多いことから,ヒト,マウス,オポッサム,ニワトリのSox9周辺の遺伝子砂漠の配列をアラインメントし,ヒト,マウス,オポッサムで保存されている領域(マウスではmXYSRaとした)とヒト,マウス,オポッサム,ニワトリで保存されている領域(マウスではmXYSRbとした)を同定した12)

.CRISPR/Cas9(clustered regularly interspaced short palindromic repeat and CRISPR-associated protein 9)システムを用いたゲノム編集によりmXYSRaとmXYSRbをそれぞれホモで欠失したXYのマウスを作製したところ,mXYSRbはオスであったが,mXYSRaはメスであったことから,mXYSRaがmXYSRのエンハンサーであると考えられた.mXYSRaとEnh13はオーバーラップしていたことから,mXYSRaはエンハンサーであるとGonenら10)と同じ年に報告した.

4. マウス胎仔期生殖腺でのSox9エンハンサーが機能する際の分子機構

GonenらはEnh13を報告した際,Enh13/mXYSRaのオーバーラップした配列中に推定のSRY結合配列とSOX9結合配列が存在することを示した10)

.また,マウスSryを含むゲノム配列のSryのストップコドンにMyc tagを入れたトランス遺伝子を有するマウスを用いてMyc tag抗体によるChIP qPCRを行い,推定のSRY結合配列とSOX9結合配列に実際にSRYが結合することを示した.また,ウシの胎仔期生殖腺を用いたSOX9のChIP解析により,推定のSOX9結合配列に実際にSOX9が結合することを示した.

我々は,これらのSRY結合配列とSOX9結合配列が実際にEnh13/mXYSRaの機能配列である可能性を,SRY結合配列とSOX9結合配列をそれぞれすべてGに置換したマウスと,SRY結合配列とSOX9結合配列を同時にすべてGに置換したマウスを作製することで検討した13)

.その結果,それぞれ単独で置換したマウスでは,ほぼ正常な精巣が形成されたが,両方を同時に置換したマウスでは明らかに小さな精巣が形成されたことから,SRY結合配列とSOX9結合配列には冗長性があり,どちらも機能配列であると報告した.

今年に入ってRidnikらは,SRY結合配列,SOX9結合配列,その両者に欠失を導入したマウスをゲノム編集により作製し,その表現型を報告した14)

.その報告では,これらを単独で欠失しても正常な精巣が形成されること,両者を同時に欠失するとXYでメスになることが示された.SRY結合配列とSOX9結合配列には冗長性があり,どちらも機能配列であることは我々の報告と同じであるが,表現型の強さに違いがあった.その違いは,Gに置換した配列では,そこに性分化に関与するWT1が結合するためであると考えられた.

SRY結合配列とSOX9結合配列以外の機能配列も同じ報告で示された14)

.これまでに性分化でSOX9が機能する際にはNR5A1(別名AD4BP, SF1)と協調的に機能することが他の性分化関連遺伝子の解析から報告されてきたことから,Enh13/mXYSRaでもNR5A1がその機能に関与する可能性が検討された.Enh13/mXYSRaにもNR5A1結合配列があり,その配列の欠失ではXYでオスになったが,Sox9の発現が野生型XYマウスに比べて30%であったことから,Enh13/mXYSRa中のNR5A1結合配列も機能配列であることが示された.

5. Y染色体を持たない哺乳類における胎仔期生殖腺でのSox9エンハンサーの同定

ほとんどの哺乳類ではSOX9が性分化のマスターレギュレーターであり,胎仔期生殖腺でSox9をオンにするスイッチとしてSRYが機能していると考えられる.Y染色体を持たない一部の哺乳類では何がSox9をオンにしているのか謎であった.北海道大学の黒岩麻里らは,Y染色体を持たない哺乳類であるアマミトゲネズミによりその謎に迫った.まずアマミトゲネズミのオス個体でde novoシークエンス解析によりゲノム情報を用意した.この配列を基に,複数のメスとオスの全ゲノム配列をマップし,メスとオスで配列の違いを探索した15)

.その結果,常染色体に存在するSox9の転写開始点上流430 kbにオスにのみ17 kbの重複が存在することが明らかとなった.この重複にはマウスで同定されたEnh13は存在しないが,Enh14が存在しており,Enh14が胎仔期生殖腺でのSox9の発現に関与している可能性が考えられた.

アマミトゲネズミは天然記念物であるため,アマミトゲネズミを使ってEnh14の解析ができないことから,黒岩らは我々と,マウスを用いてアマミトゲネズミのオスにのみ存在する重複の機能解析を行った15)

.本来のEnh14を,アマミトゲネズミのEnh14を含む重複配列に置換したマウスを作製したところ,XXの個体はオスの表現型を示し,胎仔期生殖腺ではSox9の発現が上昇していた.このことは,Sryが存在しなくてもこの重複配列がエンハンサーとして機能し,オス特異的なSox9の発現を誘導し,オスへの性を決定している可能性を示している.

6. おわりに

Y染色体を持つ哺乳類でもアマミトゲネズミでもSox9はエンハンサーの機能により胎仔期生殖腺で発現が上昇することから,他のY染色体を持たない哺乳類の性も同様の機構で性が決まっているのかもしれない.上述のとおり,マウスではSox9は遺伝子砂漠に存在し,この状況はゲノムブラウザーで見たところヒト,オポッサム,ニワトリ,アフリカツメガエルなどでも同様であるため,エンハンサーによる胎仔期生殖腺でのSox9の発現制御は,脊椎動物では普遍的な発現制御機構なのかもしれない.

マウスではSox9エンハンサーが機能する際の分子機構として,SOX9結合配列,SRY結合配列,NR5A1結合配列が機能配列として同定されたが,他にも存在するのか,他の種でも同様であるのかなど今後明らかにする必要がある.

アマミトゲネズミでは17 kbの重複がエンハンサーとして機能していることが明らかになったものの,機能する際の分子機構は不明である.また,17 kbの重複のEnh14配列以外の部分にもSox9のエンハンサーとしての機能が存在するのか,今後の解析が待たれる.

謝辞

図の作成は,国立成育医療研究センターシステム発生・再生医学研究部/東京医科歯科大学大学院医歯学総合研究NCCHD成育医学分野の安原美都大学院生に協力いただいた.

引用文献

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著者紹介

高田 修治(たかだ しゅうじ)

国立研究開発法人国立成育医療研究センター研究所システム発生・再生医学研究部 部長.博士(地球環境科学).

略歴

1968年大阪府生まれ.92年京都薬科大学卒業,94年同大学院修士期課程修了,99年北海道大学大学院博士後期課程修了,99年ケンブリッジ大学留学,2002年クイーンズランド大学留学,04年自治医科大学助手,09年国立成育医療センター室長,11年より現職,13年より東京医科歯科大学連携教授.

研究テーマと抱負

主に哺乳類の性決定,性分化,ゲノムインプリンティングの研究を行っている.これらの研究には遺伝子改変マウスが必要なため,ゲノム編集により変異マウスを作製している.

ウェブサイト

https://www.ncchd.go.jp/scholar/research/section/ishoku/original/top.html

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