繊毛(せんもう)は、細胞の表面から突き出た微小管でできた構造で、多くの細胞種の表面に存在します。精子の運動を支える鞭毛(べんもう)もこの繊毛の一種であり、その形成不全はしばしば男性不妊症の原因となります。繊毛の根もとには「基底小体」と呼ばれる構造があり、これは細胞分裂の際に紡錘体の形成にも関わる「中心小体」が姿を変えたものです。中心小体が細胞膜にきちんと結合(ドッキング)することが、繊毛形成の出発点になります。
この基底小体のドッキングを担うタンパク質の一つがCEP164です。CEP164が失われると気道や卵管などの多繊毛細胞で繊毛形成が損なわれることは、これまでの研究で示されてきました。しかし、精子が形づくられる過程(精子形成)においてCEP164がどのような役割を果たすのかは、これまで明らかにされていませんでした。精巣の中では、減数分裂の初期(接合期)にできる一次繊毛と、成熟精子の運動を担う鞭毛という、性質の異なる2種類の繊毛が存在することが知られています。
こうした背景のもと、EMBO Reports誌(2026年)に、マウスの精子細胞特異的にCEP164を欠失させた実験動物を用いて、基底小体のドッキング不全が精子形成に及ぼす影響を検証した研究が掲載されました(doi:10.1038/s44319-026-00872-8)。基底小体が細胞膜に結合できなくなったとき、中心小体には何が起こるのか。その顛末を、通常の生殖医療とは異なる基礎生物学の切り口から追った内容です。
方法──精子細胞だけでCEP164を欠失させた
研究チームは、精子のもとになる細胞(精祖細胞から前精子細胞)で特異的に働く「Stra8-iCre」という酵素を利用し、CEP164遺伝子を欠失させたマウス(以下cKOマウス)を作出しました。このマウスと、中心小体を蛍光タンパク質で可視化できる別の遺伝子改変マウスを掛け合わせることで、生きた細胞のまま中心小体の動きを追跡できるようにしています。精巣や精巣上体の組織切片を用いた免疫染色、電子顕微鏡による微細構造の観察、そして生細胞をリアルタイムで撮影するライブイメージングを組み合わせ、受精能や精子の形態、減数分裂の進み具合、中心小体の数と動態を多角的に調べました。
CEP164がないと、精子はほぼゼロになった
cKOマウスのオスは、通常のメスと交配させても仔を得ることができず、完全に不妊でした。精巣の大きさや重さは正常マウスと変わらなかった一方、精巣上体から回収できる成熟精子の数は劇的に減少していました。組織を観察すると、cKOマウスの精巣内では鞭毛を持つ精子がほとんど見当たらず、代わりに異常に細長く伸びた頭部を持つ精子細胞が目立ちました。この頭部の過剰な伸長には、核の周囲を取り囲む一時的な微小管構造「マンシェット」が通常よりも著しく長く形成されていたことが関わっていると考えられています。
減数分裂の一次繊毛が消えても、染色体の対合は乱れなかった
接合期の精母細胞に一次繊毛が観察される割合は、対照群で19.2%(600個中115個)だったのに対し、cKOマウスではわずか1.0%(600個中6個)にまで減少しており、繊毛形成がほぼ完全に阻害されていることが確認されました。魚類(ゼブラフィッシュ)の生殖細胞では、この時期の繊毛が染色体の対合やDNA二本鎖切断の修復に不可欠であることが報告されています。しかし今回のマウスの検討では、調べた30個の精母細胞すべてで19本の常染色体対合が正常に完了しており、DNA修復に関わるタンパク質(Rad51、γH2AX)が形成する目印の数にも対照群との有意差は見られませんでした。マウスの一次繊毛は、少なくとも染色体対合とDNA修復の過程には必須ではないことを示す結果です。
行き場を失った中心小体は、1つの細胞に23個も集まった
最も特徴的だったのは、精子細胞(spermatid)の段階で見られた異常です。通常、精子細胞は中心小体を1対(2個)しか持ちませんが、cKOマウスでは基底小体が細胞膜や核膜にうまくドッキングできず、代わりに複数の中心小体が寄り集まった「クラスター」を形成していました。多いものでは、1個の細胞の中に23個もの中心小体が確認されています。この異常な集積は生後22日という早い時期からすでに観察されており、円形精子細胞の段階で最初に生じることが、複数の指標を用いた定量解析から確かめられました。円形精子細胞の段階では、cKOマウスの25.2%が過剰な中心小体を持つ一方、50.1%は逆に中心小体を完全に失っていました。
中心小体は「移動」し、最後は「ゴミ」として捨てられる
なぜ中心小体が集まってしまうのか。研究チームは2つの仮説を検証しました。がん細胞などで見られる「中心小体の異常な複製」と、ショウジョウバエの卵形成で知られる「細胞間橋を介した中心小体の移動」です。生きた精子細胞を15分ごと、あるいは16秒ごとの間隔で撮影するライブイメージングの結果、対照群の中心小体は細胞膜に固定されてほとんど動かなかったのに対し、cKOマウスの中心小体は非常に活発に動き回り、隣接する細胞由来の中心小体としばしば集まって塊をつくる様子が観察されました。少なくとも24時間の観察の中で、中心小体そのものが新たに複製される様子は確認されず、研究チームは、精子細胞どうしをつなぐ細胞間橋を通じて中心小体が「移動」し、集積している可能性を示唆しています。こうしてできた中心小体の塊は、マンシェットの先端付近に多く見られ、最終的には精巣内の管腔(かんくう)に排出される「残余小体」という不要物とともに処分されているとみられます。マンシェット周辺の微細構造を追跡した結果、この中心小体の排除は、精子の頭部と尾部を接続する構造(annulus、outer dense fiber、fibrous sheathなど)の配置異常とも重なっていました。
がん細胞の中心小体クラスターとの共通点
中心小体の異常な集積は、悪性度の高いヒトのがん細胞でもしばしば報告される現象で、多極性の紡錘体形成や染色体の不安定化、転移能の亢進と関連することが知られています。これまで中心小体の数が増える主な原因は「異常な複製」と考えられてきましたが、今回の研究は、細胞間橋を介した中心小体の「移動」もまた、数の異常を生み出しうる別の経路であることを示唆するものです。ヒトのがん細胞における細胞間の橋渡し構造(トンネリングナノチューブなど)は直径5マイクロメートルに達するとの報告もあり、中心小体が細胞間を移動できるだけの空間的余地は十分にあると考えられています。
日本の生殖医療現場にとっての意味
今回の研究はマウスを用いた基礎生物学的な検討であり、そのままヒトの診療に応用できる段階のものではありません。しかし、精子頭部の過剰な伸長やマンシェットの延長といった所見は、ヒトの奇形精子症でみられる形態異常と共通する部分があり、基底小体のドッキング不全が精子の形態形成異常の一因となりうることを示す一例といえます。生殖補助医療の現場では、顕微授精の際に用いる精子の中心体機能が、受精後の紡錘体形成や初期胚発生に影響することが知られています。中心小体の数的異常や機能不全がどのような精子形態異常と結びついているのかを理解することは、将来的には、受精障害や胚発生不良の原因を精子側から評価するための基礎知識として役立つ可能性があります。
研究の強みと限界
本研究の強みは、精子細胞特異的な遺伝子改変マウスと、生細胞を長時間追跡できるライブイメージングを組み合わせることで、中心小体の動態を直接観察した点にあります。免疫染色や電子顕微鏡による静的な観察だけでは捉えられない「中心小体が動いて集まる」という過程を可視化した点は、他の類似研究にはない特徴です。
一方で限界もあります。第一に、ライブイメージングでは技術的な制約により細胞膜や細胞間橋そのものを直接可視化できておらず、中心小体が実際に細胞間橋を通過しているかどうかは推定の域にとどまります。第二に、この現象はマウスで観察されたものであり、ヒトの精子形成に同様の仕組みが働いているかは今後の検証が必要です。第三に、Stra8-iCreは雌の生殖細胞では働かないため、卵子形成においてCEP164が同様の役割を果たすかどうかは今回の研究では検証されていません。
おわりに
今回の研究は、基底小体のドッキングが精子細胞内での中心小体の保持に不可欠であり、その破綻が中心小体の異常な集積と排除につながることを、マウスモデルを用いて示しました。減数分裂の一次繊毛はマウスの染色体対合やDNA修復には必須でない一方、精子細胞の段階での基底小体ドッキングは、鞭毛形成だけでなく中心小体の数の恒常性を保つうえでも重要であることが明らかになりました。この知見は、精子形成における中心小体制御の仕組みの一端を示すとともに、がん細胞に見られる中心小体クラスター形成の理解にも新たな視点を提供するものであり、今後、ヒトの精子形成や生殖補助医療への含意についても、さらなる検証が期待されます。
参考文献
1. Chen JJ, Gong X, Mak M, Li FQ, Takemaru KI. Basal body docking failure triggers centriole clustering and elimination in mammalian spermatogenesis. EMBO Rep 2026. doi:10.1038/s44319-026-00872-8.