精子は、頭部・頸部・鞭毛(尾部)という高度に分化した構造を持つ細胞であり、頭部で保持した父親由来の遺伝情報を卵子まで運ぶ役割を担っています。頭部と尾部をつなぐ接合部には「頭尾結合装置(HTCA)」と呼ばれる構造があり、この結合が緩むと精子は正常に運動できず、男性不妊の原因となることが知られています。
精子頭部の後方には、細胞膜と核膜が密着してできる環状の構造があり、「後環」(basal belt、striated bandとも呼ばれる)と名づけられています。1946年に光学顕微鏡で初めて記載されて以来、複数の哺乳類種で存在が確認されてきましたが、この構造を構成するタンパク質や、発生過程でどのように形成されるのか、そして実際にどのような機能を担っているのかは、80年近くにわたって明らかにされていませんでした。
こうした背景のもと、Cellular & Molecular Biology Letters誌(2026年)に、マウスの後環を構成する分子の実体を初めて特定したとする研究が掲載されました(doi:10.1186/s11658-026-00997-7)。研究チームは、SPEM3とTEX50という2つのタンパク質が後環の中核的な構成要素であることを突き止め、それぞれの欠損が精子の頭尾結合にどのような影響を及ぼすかを検証しています。
方法──後環を構成する分子を、遺伝子改変マウスで検証した
研究チームは、まず免疫沈降と質量分析(IP-MS)を組み合わせた手法により、後環に局在する候補タンパク質を探索しました。あわせて、CRISPR-Cas9技術を用いてSpem3遺伝子およびTex50遺伝子をそれぞれ欠損させたノックアウトマウスを作出し、蛍光タグ(EGFP)やHAタグを付加したノックインマウスも作出して、タンパク質の局在を生きた精子・精子細胞の中で直接観察できるようにしました。
評価には、共焦点顕微鏡による3次元再構築、透過型・走査型電子顕微鏡による超微形態観察、コンピュータ支援精子分析(CASA)による運動能評価、そして精巣・精巣上体の組織学的検討など、多角的な手法が用いられました。さらに、精子全体のタンパク質発現を網羅的に調べる定量プロテオミクス解析や、健常な成人男性から得たヒト精子を用いた免疫染色も行われ、マウスで得られた知見がヒトにも当てはまるかどうかが検証されています。
SPEM3は精子頭部の後方に環状に分布し、哺乳類で広く保存されていた
SPEM3は、9種の代表的な哺乳類で配列を比較したところ高度に保存されており、26〜48番目のアミノ酸領域に膜貫通ドメインを持つことが確認されました。マウスでは精巣に特異的に発現し、精子形成が本格化する生後28日目ごろから発現が始まります。マウスおよびヒトの成熟精子を免疫染色したところ、SPEM3は頭部後方の頭尾結合部に環状に分布しており、既知の後環の位置や形状と一致していました。
精子が形づくられていく過程を追跡すると、SPEM3は発生初期の精子細胞では、頭部前方にあるアクロプラクソームと呼ばれる細胞骨格構造の周縁部(marginal ring)に環状に分布し、精子の成熟が進むにつれて頭部の後方へと徐々に移動し、最終的に後環の位置に落ち着くことが確認されました。この動きは、精子頭部の形態形成が進む過程と時期的に一致していました。
Spem3を欠くと、精子の9割以上で頭部が折れ曲がった
Spem3を欠損させたオスマウスは、体重や精巣の大きさに明らかな異常はなかったものの、交配させても一切子が生まれず、完全に不妊でした。精巣上体から回収された精子の数は野生型に比べて大きく減少し、コンピュータ支援精子分析では運動率・前進運動率のいずれも著しく低下していました。
形態を詳しく調べると、Spem3を欠くマウスの精子では92.05±1.37%という高い割合で、頭部が尾部側に折れ曲がる異常(bent-back head)が観察されました。電子顕微鏡による超微形態解析では、94.98±2.76%の精子で頭尾結合装置(HTCA)が頭部の着床窩(implantation fossa)から外れていることが確認され、この異常は精子形成の最終段階である「ステップ15〜16」の時期に生じることが、複数の染色法によって裏づけられました。
相棒はTEX50──同じ表現型を示すもう一つの後環構成タンパク質
SPEM3がどのようにして頭尾結合を支えているのかを探るため、免疫沈降と質量分析を組み合わせた網羅的な解析が行われました。その結果、精巣内でSPEM3と相互作用する候補タンパク質のうち、Spem3欠損精子で発現が低下していたタンパク質と重なるものが22個見つかり、その中でSPEM3自身に次いで相互作用の強さが2番目に高かったのがTEX50でした。
TEX50もまた精巣特異的に発現し、SPEM3と同じく発生初期にはアクロプラクソーム周縁部に、精子成熟後は後環に局在していました。共免疫沈降実験により、SPEM3とTEX50が実際に結合していることが確認されています。Tex50を欠損させたマウスもまた完全に不妊であり、精子の95.17±3.79%で頭部の折れ曲がりが、96.46±2.20%でHTCAの脱落が認められ、Spem3欠損マウスとほぼ同一の表現型を示しました。また、SPEM3を欠くとTEX50が、TEX50を欠くとSPEM3が、いずれも後環に局在できなくなることも確認され、両者が互いに依存し合いながら後環の構造を維持していることが示されました。
後環は、核膜を「留め具」のように固定する構造だった
SPEM3またはTEX50を欠損させた精子細胞を電子顕微鏡で追跡すると、精子形成の比較的早い段階(ステップ9〜12)ではHTCAは正常に頭部へ結合していたものの、ステップ13〜14になると核膜の後方部分がゆるみ始め、ステップ15〜16では着床窩における核膜の固定が失われて、HTCA全体が崩壊することが明らかになりました。頭尾結合に関わる既知のタンパク質であるSUN5、SPATA6、SPATC1Lについても、正常な精子では頭尾接合部に正確に局在していたのに対し、SPEM3またはTEX50を欠く精子ではこれらの局在が乱れていました。
走査型電子顕微鏡による観察では、野生型精子で明瞭に見えていた後環が、SPEM3またはTEX50を欠く精子ではほぼ確認できなくなっており、後環の直下に位置する後アクロソーム領域(postacrosomal region、PAR)の形態異常も、それぞれ93.01±1.04%、93.78±3.13%の精子で見られました。定量プロテオミクス解析でも、両遺伝子の欠損精子に共通して315個のタンパク質が減少しており、その多くがPARや核周辺のタンパク質性の層(perinuclear theca)に関連するものでした。これらの結果から、後環は、頭部後方の核膜を頭尾結合装置に「留め具」のように固定し、後アクロソーム領域全体の構造を安定させる役割を担ってい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
日本では、精子の頭部形態異常や運動率低下を伴う男性不妊症の一部で、原因となる遺伝子異常が特定できないまま「原因不明」とされる例が少なくありません。今回の研究は、これまで解剖学的な記載にとどまっていた後環という構造に、初めて具体的な分子の裏づけを与えたものであり、精子の頭尾結合異常を伴う症例の遺伝学的な原因検索において、SPEM3やTEX50に相当するヒト遺伝子の異常が候補として挙がる可能性を示しています。
研究チームは、SPEM3がマウスだけでなくヒトの成熟精子でも同じ位置(頭尾結合部)に局在することを確認しており、後環の異常がヒトの男性不妊症の一因となり得ることを示唆しています。臨床現場では、原因不明の精子無力症や奇形精子症の遺伝学的評価を行う際に、こうした頭尾結合関連遺伝子群への着目が今後の検討課題になると考えられます。
研究の強みと限界
本研究の強みは、80年近く形態学的な記載にとどまっていた後環について、SPEM3とTEX50という2つの構成タンパク質を初めて特定し、それぞれのノックアウトマウスとノックインマウスを作出したうえで、免疫染色、電子顕微鏡、プロテオミクスなど複数の手法を組み合わせて機能を裏づけた点にあります。また、マウスだけでなくヒトの精子でも同様の局在を確認しており、種を超えた保存性を示している点も評価できます。
一方で限界もあります。機能解析はマウスモデルが中心であり、ヒトでの検証は免疫染色による局在確認にとどまっているため、ヒトでSPEM3やTEX50に相当する遺伝子異常が実際に男性不妊症の原因となるかどうかは、今後の患者コホートを用いた検討が必要です。また、両遺伝子の欠損精子に共通して減少していた数百のタンパク質の多くは機能未知であり、後環を構成する分子の全体像はまだ完全には解明されていません。加えて、本論文は査読を経た受理後の早期公開版(Article in Press)であり、最終的な校正段階で内容が一部変更される可能性がある点にも留意が必要です。
おわりに
今回の研究は、1946年に初めて記載されて以来、構成分子が不明のままだった精子の「後環」について、SPEM3とTEX50という2つのタンパク質がその中核を担うことを示しました。いずれかを欠くマウスでは、精子形成の最終段階で頭部後方の核膜が不安定になり、頭尾結合装置が崩壊して、9割を超える精子で頭部の折れ曲がりと運動能の著しい低下が生じています。これらの知見は、精子の頭尾結合という基本的な構造がどのように形づくられ、維持されているのかを理解するための土台となるものであり、原因不明とされてきた一部の男性不妊症の分子基盤を明らかにする手がかりとしても、今後の検証が期待されます。
参考文献
1. Wu B, Long C, Liu J, Zhu Z, Liu L, Ma Q, Long Y, Wang L, Wei H, Ma Y, Hou J, Li H, Yuan L, Li W, Liu C. The origin and function of the posterior ring in mouse sperm head. Cell Mol Biol Lett 2026. doi:10.1186/s11658-026-00997-7.