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染色体異数性|そのメカニズムと加齢問題の新しい知見|ARTで異数性が増加

ダウン症候群などの染色体異数性をもたらすメカニズムがだんだん明らかになってきています。女性でなぜ異数性がおこりやすいのかという謎に迫ったレビューを翻訳してお届けします。
www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3551553/

抄録

トリソミーおよびモノソミー(異数性)胚は、人間の妊娠の少なくとも10%を占めており、生殖寿命の終わりに近い女性の場合、発生率は50%を超えることがあります。異数性を引き起こすエラーは、ほとんどの場合、卵母細胞で発生しますが、集中的な研究にもかかわらず、その根本的な分子基盤はいまだによくわかっていません。ヒトとモデル生物を用いた最近の研究により、減数分裂異常の複雑さに新たな光が当てられ、ヒト女性における年齢に関連したエラーの増加は、単一の因子に起因するものではなく、卵子形成のユニークな特徴と内因性および外因性因子のホスト間の相互作用によるものであるという証拠が示されました。

本文

トリソミー21がダウン症の原因として同定されてから50年以上が経過し、臨床疾患と染色体異常との最初の関連性が示されました1,2。その間の半世紀の間に、ヒトの疾患病理における染色体異常の重要性が十分に文書化されてきました。1960年代から1970年代にかけて行われた出生児の研究では、新生児の約0.3%がトリソミーまたはモノソミーであることが示されたが、その後の自然流産の研究では、約35%とはるかに高い頻度であることが明らかになった(表1)。これらの研究を総合すると、先天性異常症と流産の主な原因として異数性が知られていることが明らかになり、ほとんどの異数性体が子宮内で死滅することが実証されました。最近では、生殖補助技術を用いて妊娠した配偶子着床前胚の調査により、このような環境での妊娠を成功させるための主要な障害として、異数性が確認されています。後述するように、ARTにおける着床前遺伝子診断の進歩は、異数性の研究に強力な新しいアプローチを提供し、ヒト胚における異数性のレベルを再検討し、ヒトの女性の減数分裂に対する環境要因の影響についての疑問に対処することを可能にします。

初期の研究の結果は、ほとんどの異数体発生は母体の減数分裂のエラーに起因しており、母体年齢の上昇が異数体発生に強力に寄与していることを示しています。しかし、過去10〜15年の間の研究はまた、女性の卵巣では減数分裂の開始時に網糸期で停止し、受精するまでこの状態が続くことを明らかにしました。分裂までの期間(10年から50年以降)(図1)は、エラーが発生し、蓄積するための十分な機会を提供し、これは、母体年齢効果を説明するための多くの仮説の基礎となっている特徴です。実際、明らかになってきたことは、異数性は単一の原因因子に起因するものではなく、子宮内で始まり、女性の生殖寿命を通して継続し、年齢によって悪化し、卵子における細胞周期制御のユニークな特徴によって促進される効果が複雑に集合して関与していることを示しています。

(図1)
卵子の減数分裂
卵形成と女性の減数分裂周期
a|減数分裂。雌の減数分裂は、時間的に3つの段階に分けられます。前駆期:DNA複製の後、相同染色体(赤と青で示されている)はペアリング、対合組換えを経て、網糸期で停止します。網糸期の停止:卵子は、女性が成熟に達し、卵胞形成に続く成長の広範な期間を完了するまで、減数分裂の停止状態のままである。分割:排卵を誘発する黄体形成ホルモンのサージ(急激な増加)はまた、減数分裂再開と卵胞周囲卵母細胞の最初の減数分裂の完了を引き起こします。排卵された卵は、第二減数分裂のメタフェース(中期)で停止し、アナフェーズ(後期)に進行して第二減数分裂が完了することは、卵が受精した場合にのみ発生します。
b| 卵子形成。卵子を作る過程は複雑で、4つの異なる発達段階を伴う。第一に、減数分裂と減数分裂の開始は、ヒトの妊娠8〜10週目に発生します。第二に、卵胞形成は、ヒトの妊娠第2三半期に発生します。第三に、卵子細胞の成長は、これは、傍系と内分泌信号の制御の下で性的に成熟した女性で発生します。卵子細胞の成長は、ヒトでは約85日かかると考えられており、一般的には1個の卵子の排卵で最高潮に達すると考えられています。最後に、排卵された卵子の受精は、第二の減数分裂の完了をもたらします。

以下のセクションでは、この見解に至った証拠について議論する。最初に、卵と胚の研究から得られたヒト異数性体の発生率と病因に関する最近の観察結果を要約する。その後のセクションでは、減数分裂細胞周期制御の厳格さにおける性差と、雌ではこれらのチェックポイントを回避するエラーの種類のための新たな証拠について議論する。最後に、ヒトにおける異数性体の発生率に影響を与える可能性のある環境因子を検討することで締めくくる。

異数体の頻度

染色体異常妊娠に対する子宮内淘汰が強いということは、ヒトの異数性の「真の」発生率は受精卵の研究からしか判断できないことを意味しています。そのようなデータは、自然妊娠からは得られません。しかし、不妊治療のためのARTの導入により、生殖細胞や初期胚における異数性のレベルを評価する手段がもたらされただけでなく、不妊カップルの生殖の成功の可能性を最適化するために異数性評価を利用しようとする動きも出てきました。

ART由来の妊娠における異数性

最初の細胞遺伝学的調査では、生きたままの出産や流産について驚くほど高いレベルの異数性が報告されていましたが、多くの人はこれは氷山の一角に過ぎないと考えていました。妊娠6週以前に発生した流産を研究することは不可能であり、多くの異数性妊娠は妊娠の初期段階で解消されると考えられていました。不妊クリニックで行われたヒトの配偶子と着床前胚の最初の核型研究は、この考えと一致しており、受胎時に少なくとも10~40%の異数性を示唆していました。

これらの初期の結果は予想通りであったが、その後のART妊娠のための着床前遺伝子診断の使用による結果には眉唾ものであった。すなわち、1990年代には従来の核型分析は、卵子と着床前胚の蛍光in situハイブリダイゼーションFISH)ベースの分析に取って代わられ、異数性の推定率は急上昇した。一般的には、卵子や胚あたり3~6本の染色体しか分析されていないため、従来の染色体分析で検出されたものよりも異数性化率が低くなると予想されていました。実際、多くの研究で50%以上の異数性化率が著しく高いことが報告されています。研究された染色体の数が限られていることを考えると、これらのデータは、生物学的にはありえないほどの全異数性のレベルを示唆しており、FISHに基づく測定法では、ヒトの受胎における異数性の信頼できる推定値を提供することができないことを示唆している。

しかし、従来の比較ゲノムハイブリダイゼーション(CGH)、そのアレイベースの誘導体(アレイCGH)、SNPアレイ解析など、他のゲノムベースの異数体検出法が最近開発されており、将来のART研究に楽観的な展望をもたらしている。着床前遺伝子診断におけるこれらの技術の臨床利用は、まだ黎明期にある。しかし、初期の結果9-13は、着床前胚の従来の細胞遺伝学的研究から推定される20-40%の異数性率とより一致しており、臨床的に認められている妊娠と同様に、小さな染色体や端部着糸型染色体の染色体を含む異常が多いことを示している。

自然妊娠とART(生殖補助医療)妊娠の違い

自然妊娠からの観察がすべてART研究で再現されるわけではない。少なくともいくつかの研究では、母体の第2減数分裂のエラーによる異数体化の割合が第1減数分裂のエラーに起因する割合を上回っており、染色体異常細胞には1本だけでなく複数のトリソミーおよび/またはモノソミーが含まれているのが一般的である。これらの観察結果は、ほとんどの異数体異常が1本の染色体を含み、母体の第1減数分裂でのエラーに起因する自然妊娠からのデータとは明らかに対照的となっている。

妊娠に至る方法論の違いは、これらの矛盾のいくつかを説明する可能性がある。自然妊娠におけるトリソミーの起源の研究は、両親とトリソミーの子孫のDNA多型のレトロスペクティブ分析に依存しているのに対し、ゲノムベースのARTアプローチは、極体または胚の染色体含量を直接測定します。このように、解釈の仕方にはばらつきがある。例えば、自然妊娠の研究では、エラーの減数分裂期を推論するために、セントロメリックヘテロ接合性またはホモ接合性を使用しています。対照的に、ARTのアプローチは、分離の間違いが明らかになる段階でデータを提供しますが、これは必ずしもイベントが発生した時点を反映していません(例えば、第2減数分裂で発生する分離のエラーは、第1減数分裂にその起源を持っている可能性があります)。

しかし、集団間の生物学的な違いも重要である。不妊クリニックに通院しているカップルは必ずしも一般的な集団の代表者ではなく、不分離という事象の中には、不妊患者で増加したり、不妊患者に限定されたりするものがあるかもしれない。さらに、選択の圧力により、複数のエラーを持つ胚が早期に死亡することになり、効果的にARTへの移行が制限されることになります。最後に、最後のセクションで詳述されているように、ARTで使用される処置のいくつかは、不妊症の可能性を高める可能性があるという証拠が増えてきています。

減数分裂における性差

上述したように、臨床的に認められた妊娠の研究では、ほとんどのヒトの異数体異常は母体由来であることが示されています。このことは、なぜ女性の減数分裂はエラーを起こしやすいのかという疑問を投げかけています。このセクションでは、卵子の発生をレビューし、染色体の異常を引き起こすエラーが卵子において増加し、減数分裂細胞周期のチェックポイントにおける性差によって、これらのエラーを持つ卵子が成熟した卵子に発育することを可能にするという最近の証拠をまとめています。これらの研究から得られた一般的な結論は簡単です。ヒトのトリソミー研究と一致しており、卵子形成において染色体の動態が乱される方法は数多くあり、その結果、ヒトの異数性への道筋は数多く存在します。

悪いスタート:組換えと異数分裂

哺乳類の雌では、胎児の卵巣で減数分裂的な組換えが行われ、その結果、染色体分離のための物理的な連結が重要であることは、十分に文書化されています:1990年代の研究では、組換えの失敗、および/または最適でない位置にある交叉がヒトのトリソミーの顕著な原因であることが確認されました。組換えの変化の重要性は、父性トリソミー、母性トリソミーにも関係していますが、ほとんどの異数性は卵巣形成期に発生するため、メスの方が明らかにリスクが高いのです。したがって、より多くの組換えエラーがメスで発生するか、またはこれらのエラーがオスでより効率的に淘汰されるかのいずれかとなります。免疫蛍光法は、パチテン精子細胞および卵子中のクロスオーバーに関連するタンパク質を調べることを可能にしました。驚くべきことに、男性ではほとんどすべての染色体が少なくとも1つのクロスオーバーによって結合しています17が、女性では同じことが当てはまりません。実際、ヒトの全卵母細胞の10%以上には、少なくとも1つの「クロスオーバーのない」二価体が含まれているようです。このような二価体の半数は異数性体になると予想されているため、卵子形成の初期段階から減数分裂エラーの舞台が設定されているように思われます。

組換えの障害に対する男女の感受性が異なることは、もう一つの疑問を投げかけています。最近の研究では、哺乳類の組換えのホットスポットを媒介する分子プレーヤーと、オスとメスでは異なる働きをする少なくとも1つの組換え遺伝子が明らかにされています。しかし、組換えのレベルがいつ「設定」されるのかについてはまだほとんど理解されておらず、交換の染色体の位置が雌雄間で異なる理由もまだわかっていません。正常な染色体分離の舞台を作る上でクロスオーバーが重要な役割を果たしていることを考えると、交換のパターンを制御する性特異的なシグナルを理解することが不可欠です。

プロフェーズ(前期)チェックポイント制御の性差

体細胞では、G2/Mチェックポイントが、DNA損傷の存在下でメタフェース(中期)に移行することを防ぐために機能しています。酵母と哺乳類の両方からの証拠は、減数分裂細胞でも同様のチェックポイント機構が機能し、プログラムされたダブルストランドブレイク(DSB)の修復が妨げられると減数分裂細胞が死滅することを示唆している。しかし、減数分裂細胞は体細胞よりも複雑であり、相同染色体間の対合は追加の制御レベルを課しているように見える。

マウスでは、減数分裂期の対合異常が広範囲に研究されており、オスではほとんどの場合、パキテン期(太糸期)または最初の減数分裂期に精子細胞が死滅します。対照的に、メスは、オスの減数分裂の完全停止と不妊を引き起こす多くの突然変異に直面しても、生殖寿命が大幅に短縮される可能性があるにもかかわらず、受胎可能性を保持しています。この性差に関する我々の理解は、対合不全が未対合の染色体領域の転写サイレンシングにつながるという認識によって深まってきた。雄では、性染色体間のシナプスは小さな擬常染色体領域に限られており、X染色体Y染色体の残りの未シナプス領域の転写サイレンシングはパチテン精子細胞で起こる。この減数分裂性染色体不活性化(MSCI)が達成されるメカニズムは様々であるが、異性交配性における性染色体不活性化は高度に保存されている。哺乳類では、サイレンシングには対合複合体の構成要素、DNA修復機構、ヒストン修飾因子など、多くのプレーヤーが関与していると考えられている。

MSCIは男性の受胎に不可欠であり、男性にのみ発生するため、未経過のクロマチンの存在に対する男女間の感受性の違いについて納得のいく説明を提供している。しかし、X染色体とY染色体の大きな非対合領域をサイレンシングさせるメカニズムは、未対合の常染色体にも作用するため、実際の状況はより複雑である可能性が高い。このプロセスは、未対合クロマチンの減数分裂サイレンシング(MSUC)として知られており、オスとメスの両方で発生する。雄では、X染色体とY染色体の前に、未対合の常染色体が転写的にサイレンシングされ、これがMSUCを阻害することが明らかになっている。したがって、性染色体の不活性化の失敗が、対合不全に関連した男性不妊の主な原因であるという仮説が立てられている。

雌では、非対合の常染色体領域の転写サイレンシングが有害であるが、性染色体サイレンシングの要件がない場合には、結果はより穏やかであることがデータから示されている。対合を阻害する染色体転座や減数分裂の突然変異を持つマウスの研究では、対合不全は一部の卵子を排除する結果となることが示されている。実際、多くの状況で、女性の受胎可能性は維持されているが、男性は不妊となる。利用可能なデータからの結論は、より完全な理解が必要ではあるが、太糸期チェックポイント機構は雌ではそれほど厳しくなく、減数分裂中の性染色体活性の違いが雌雄間の違いの根底にある可能性が高いということである。

母体年齢とともに増加する非接合性:コヒーシンが原因?

上記の初期の性差と同様に重要であるかもしれませんが、精子形成と卵子形成の間の最も明白な違いは、パチテンの後に発生します:男性の配偶子は減数分裂の残りの部分を介して迅速に進行しますが、卵子は数週間から数ヶ月(マウスの場合)または数十年(ヒトの場合)のための前期の後期段階で停止します。

この長い休止段階に加えて、ヒトの女性の減数分裂は、母体年齢と卵子の遺伝的品質との間の興味をそそる複雑な関係によって複雑になっています。自然発生の妊娠の間でトリソミーの発生率のための母体年齢曲線は、最も若い母親の年齢でわずかに増加し、閉経前の10年間で指数関数的に増加して、Jカーブとなります。この年齢曲線、生殖生活の両端で母親の年齢効果の存在は、老化が染色体の分離に影響を与えることに対する複数のメカニズムを示唆しています。このセクションでは、そのメカニズムの一つである姉妹染色体の凝集力の喪失についての証拠を簡単にまとめます。

第一期の染色体腕からの姉妹染色体凝集力の連続的な喪失と第二期の染色体セントロメアからの姉妹染色体凝集力の喪失は、一倍体(ハプロイド:1~22番染色体と性染色体のワンセット)性配偶子を産生するために必要な複雑な染色体分離イベントを調和させるために不可欠です。相同体間の結合を確立できないことは、ヒトの異数体性のメカニズムとして最も古くから提唱されているものの一つです。しかし、ヒトやモデル生物のデータに基づいて、相同染色体間の結合の早期喪失もまた重要な原因であり、姉妹染色体の凝集力の喪失が原因である可能性があります。例えば、相同染色体が遠位に位置するクロスオーバーによってのみ結合している場合、交叉点を超えた凝集力の喪失は、相同染色体の結合を解除する可能性があります。同様に、姉妹のセントロメア間の凝集力の早期喪失は、最初の減数分裂または2番目の減数分裂のいずれかで分離エラーにつながる可能性があります。生殖補助医療ARTを受けている女性からの卵の初期の研究では、姉妹染色体のセントロメアの早期分離は、ヒトの異数性の主要なメカニズムであることが示唆されています。

コヒーシンは、胎児の卵巣で減数分裂前のS相の間に確立されていますが、染色体の分離は、成人では数年後に発生するため、長引く減数分裂停止中に凝集力の低下がヒトの母体年齢効果の基礎であるという考えは魅力的です。雌ショウジョウバエメラノガスターの研究では、弱体化した結束が減数分裂非接合48の年齢関連の増加につながることを最初の報告をもたらしました。その後、染色体 1B の減数分裂特異的なコヒーシン構造維持機構に変異を持つマウス(Smc1b)を用いた研究では、相同体と姉妹セントロメアの早期分離が示され、加齢に伴うコヒーシンの喪失が示唆された。コヒーシンが加齢に伴って減数分裂染色体から失われるという証拠は、現在、様々なマウスモデルで発見されており、異数性レベルの増加がこの損失に起因していることがわかっています。

結束力の喪失が母体年齢効果の基礎になっているという仮説は、重要です。具体的には、胎児の発育中に減数分裂染色体に負荷されるコヒーシン複合体のタンパク質のターンオーバーがないことを前提としています。しかし、減数分裂特異的なコヒーシン転写物が成長中の卵母細胞で検出されており、コヒーシン蛋白は卵巣形成中に補充される可能性があることを示唆している。最近の2つの相補的マウス研究では、この可能性にエレガントに対処している。最初の研究では、卵母細胞におけるSmc1bのステージ特異的ノックアウトにより、胎児卵巣におけるこの減数分裂特異的コヒーシンの正常な合成が可能になりましたが、成体卵巣における卵母細胞の成長中には新たなタンパク質合成は認められませんでした54。2番目の研究では、減数分裂特異的コヒーシンREC8を分析し、成長している卵巣で合成されたREC8が、胎児の発生中にロードされたが、その後、実験的に破壊されたタンパク質を補充することができるかどうかをテストしました。2つの研究の結果は一致しており、胎児期の発生時に染色体にロードされたコヒーシンが必要であり、完全に成熟した卵子において凝集力を媒介するのに十分であることを示唆している

このように、マウスモデルを用いた研究とヒト卵母細胞の研究から得られたデータを組み合わせると、コヒーシンの喪失が減数分裂不分離の重要なメカニズムであることが示唆される。しかし、いくつかの証拠は、それが年齢効果の唯一の根拠ではないことを示している。おそらく最も重要なことは、ヒトのトリソミーの研究では、単一の非接合メカニズムがすべての染色体に当てはまるわけではないことが示されていることです。しかし、この違いは単に染色体の大きさに依存しているわけではなく、もしコヒーシン欠損だけが関与するメカニズムであれば予想されることです。組換えの失敗は、高齢の女性が関与するいくつかのトリソミーに関連していますが、他のトリソミーには関連していません。加齢に伴う凝集力の喪失は、ある状況(例えば、小さな染色体が単一のクロスオーバーで結合している)では魅力的なメカニズムの候補であるが、他の状況(例えば、組換えの失敗、複数のクロスオーバーで結合している染色体、近位のクロスオーバーで結合している染色体など)ではそうではない。このように、ヒトからの証拠は、母体年齢効果に寄与する複数のメカニズムが存在することを示しています。

さらに、マウスとヒトでは染色体異常率や生殖寿命に違いがあることから、種をまたいで仮説を拡大する際には注意が必要です。例えば、マウスの受精卵における異数性のベースラインレベルはヒトよりも桁違いに低く、母体年齢の影響は比較になりません。したがって、マウスからヒトへの外挿しようとする試みは、2つの種の非接合的な “表現型 “のこれらの違いを考慮する必要があります。同様に、老化マウスの凝集損失の最近の研究では、不分離の増加は、繁殖的に老年期の女性でのみ明らかでした。ヒトのトリソミーの加齢に伴う増加は閉経の少なくとも10年前から始まっているため、マウスのデータとヒトの状況との関連性は不明である。最後に、現在までに行われた唯一のヒトの研究では、年齢の異なる女性の卵子において、減数分裂のコヒーシンのレベルに明らかな差は認められませんでした。これは、コヒーシンの著しい減少がヒトでは起こらないということを意味するものではありません。それにもかかわらず、停止期間、不分離パターンの複雑さ、年齢の影響を考えると、コヘシンの喪失が、ヒトの閉経前の10年間に観察される染色体不分離の急激な増加を駆動する唯一の力であるとは考えにくいように思われます。

姉妹の解放:正常な結束力の喪失と早すぎる結束力の喪失

姉妹染色体の分離と不分離

a|正常な状態。

姉妹染色体間の結合(オレンジ色のリングで示されている)は、減数分裂前のS期に確立される。組換えに続いて、交換部位の遠位にある凝集体は、ジクチル酸の停止中に相同体を結びつけます。最初の減数分裂の間に、染色体の腕に沿って凝集力を解放するが、姉妹染色体のセントロメアで保持することで、姉妹染色体間のセントロメア接続を保持しながら、同族体が分離することができます。2回目の減数分裂の間に、残りのセントロメア結合の切断は、姉妹染色体が分離することを可能にします。(このパネルでは、2つのホモログのうちの1つだけが分離していることに注意してください。つまり、アナフェーズIの右のホモログです。)

b | 腕の凝集力の早期喪失。

アナフェーズIの前の交換部位の遠位での凝集力の喪失は、同族体が早々に2つの対をなした一価のものに分離し、減数分裂Iで互いに独立して分離してしまうことになります。例えば、ここに示されているように、減数分裂Ⅱで各相同体の姉妹が分離し、余分な染色体を持つ卵子(および第二極体)が生成されます。

c | 早期に失われた中心体の凝集力。

姉妹のセントロメア間の凝集力の損失は、減数分裂I(ここに示すように)または減数分裂IIで発生する可能性があり、姉妹のセントロメアのランダムな分離につながります。

紡錘体チェックポイント:最終ゲートキーパー

相同染色体間の結合を維持することができないことは、組換えの失敗や姉妹染色体の凝集力の低下に起因しており、その結果、最初の減数分裂時に一対の一価体が存在することになります。第一減数分裂時に姉妹染色体に課せられた制約は、これらの一価体が紡錘体に安定した二極接着を行う能力を阻害し、細胞周期制御に関する我々の理解に基づいて、これが細胞分裂を阻害するはずです。つまり、減数分裂細胞では、細胞がアナフェーズを開始する前に、すべての染色体が安定した双極性接着を達成し、紡錘体の赤道に整列しなければならず、1本でも整列していない染色体が存在すると、紡錘体チェックポイント(SAC)が活性化され、アナフェーズの発症を遅らせるのに十分だということになります。このように、減数分裂細胞では、単極性のアタッチメントしか形成できない一価の染色体の存在もまた、SACを活性化するはずである。しかしながら、第一減数分裂中期における染色体の挙動の乱れに応答する減数細胞の能力は、性に特異的であるように思われます。雄マウスでは、この反応は頑健であり、1本の1価の染色体の存在は第一減数分裂中期の停止と初代精母細胞の死を引き起こします。対照的に、最初の減数分裂でのSAC制御は、パキテンチェックポイント機構と同様に、雌では比較的非効率的であるように見える。実際、第一減数分裂期における一価体の存在は、雌マウスにおいては後期に進んでいくのに適合するだけでなく、こうした異常染色体の存在があっても、細胞周期の遅延を誘導する現象も検出されません。

雌においては少なくとも2つの要因がチェックポイント回避の鍵を握っていると考えられる

要因1:一価の染色体の挙動とSAC制御の違い

雌マウスの研究では、少なくともいくつかの一価染色体が、減数分裂I型紡錘体に双極性の付着を行うことによってSACの要件を満たすことができることが示されています。例えば、シナプトネマル複合体タンパク質3(Sycp3)が欠損している雌マウスにおける複数の一価体の分析は、一価体が、細胞が第一減数分裂後期に進む前に双極性アタッチメントを形成することを示している。最近、クロスオーバー関連遺伝子mutLホモログ1(Mlh1)のヌル変異のホモ接合体である雌についても同様の結果が報告されており、XO雌マウスの単一X染色体は、姉妹染色体を分離するか、最初の減数分裂時に無傷で分離するかのいずれかであることが長い間認識されてきました。興味深いことに、Mlh1突然変異体とXO雌マウスの両方において、一価染色体が第一減数分裂期の紡錘体に双極性のアタッチメントを形成する能力は、遺伝的背景に依存しています。しかし、重要なことは、最初の減数分裂での双極性付着はSACを回避できるかもしれませんが、第一減数分裂での姉妹染色体の早期分離は、第二減数分裂での異数性化を引き起こします。

アナフェーズ促進複合体(APC)と紡錘体チェックポイントSACタンパク

しかし、哺乳類の雌では、紡錘体チェックポイントSAC自体が雄よりも「弱い」こと、そして、すべてではないが一部の染色体の安定した付着が紡錘体チェックポイントSACの要件を満たすのに十分であることを示す説得力のある証拠もあります。明らかに、紡錘体チェックポイントSACを介した制御に関与するタンパク質は卵母細胞に存在しており、紡錘体異常や圧倒的な数の一価の染色体の両方が、雌での第一減数分裂中期の停止を引き起こします。興味深いことに、マウスを用いた最近の研究では、すべての染色体が紡錘体の赤道に適切に整列している真の第一減数分裂中期は、卵子における第一減数分裂後期に進むには必要ではないことが示されています。これらの観察結果は、最初の減数分裂期の紡錘体上での染色体のずれの発生率が異数性の発生率の増加と相関しているマウスやヒトでの他の知見と一致しています。さらに、いくつかの細胞周期の構成要素は、卵母細胞では異なる形で使用されているようです:メタフェースからアナフェーズへの進行を制御するには、アナフェーズ促進複合体(APC)の2つの異なる形の間の適切な遷移が必要です。APC-カドヘリン 1 (APC-CDH1)は、通常、有糸分裂細胞では前相の間のみ活性化し、卵母細胞ではプロメタフェース I の間の染色体進行を制御しています。しかし、アナフェーズの開始には、APC-CDC20(細胞分裂周期20ホモログと複合化したAPCのバージョン)という別個の複合体の作用が必要である。プロメタフェースIからアナフェーズIへの移行は、APCの両方の形態の活性を制御するSACタンパク質BUBR1(BUB1βとしても知られている)の作用によって達成される。重要なことに、どちらかの複合体が破壊されると、異数性の発生率が増加します

卵子への環境の影響

喫煙、飲酒、経口避妊薬の使用、放射線被曝などの環境因子によってヒトの異数性体が誘発される可能性は、数十年以上にわたるヒトの研究データによって示唆されてきましたが、これらの因子や他のいかなる因子についても確認できる証拠はこれまで出てきていません。しかし、過去10年の間に、マウスを用いた実験研究とARTの蓄積されたデータから、内分泌かく乱化学物質または外因性ホルモンとの関連性を示す説得力のある証拠が得られている。このセクションでは、利用可能なデータをレビューし、これらの影響とヒトの生殖への影響を理解するために必要な追加データの種類を概説します。

内分泌かく乱物質と異数性:BPAの話

おそらく、環境曝露と異数性障害との間に最も強い関連性があるのは、ヒトがほぼ継続的に曝露されている可塑剤であるビスフェノールA(BPA)の研究である。この内分泌撹乱化学物質が異数性を誘発することを最初に示唆したのは、私たちの研究室での減数分裂研究の過程でマウスが偶然にも暴露されたことがきっかけでした82。全くの偶然ではありますが、これらの結果は調査中の仮説を裏付けるものでした。その後の多くの研究では、卵子の成長の最終段階で雌マウスを低レベルの BPA に曝露すると、減数分裂染色体の挙動が乱されることが確認されているが、その終着点については議論がなされている。SACはBPAによって誘発された染色体整列障害を示す卵母細胞の細胞周期停止と死を引き起こすが、異数卵は発生しないと主張されてきた。しかし、さまざまなメカニズムによって誘発される染色体整列障害と異数性卵子の増加との関連がマウスで報告されている。げっ歯類の研究では、BPA は卵胞の成長に影響を与えることが報告されている。また、生殖補助を受けている女性を対象とした研究では、BPAが卵子採取に使用される刺激方法を阻害することが示唆されている。観察された影響が BPAに特有のものかどうかは不明であり、他の内分泌撹乱化学物質の影響についてのさらなる研究が必要であることは明らかである。

成長中の卵母細胞への影響に加えて、マウスとワームの両方を対象とした最近の研究では、BPAは卵母細胞の発達の初期段階を破壊し、減数分裂の前段階でのシナプスと組換えを変化させ、成体の雌の減数分裂エラーの発生率を増加させることが示唆されている。BPA がその効果を発揮するメカニズムを評価するための研究では、BPA が古典的なエストロゲン受容体 ERβ の作用を阻害することが示唆されており、胎児卵巣における卵子形成の開始の制御にエストロゲンが関与していることが示唆されている96。胎児期の発生中の障害は、女性が産生する卵子のコホート全体に影響を及ぼす可能性があるため、ヒトの受胎可能性への影響は深刻である。しかし、障害は胎内で発生しますが、その影響は成人になるまで顕在化しないため、ヒトでの因果関係を証明することは困難な作業になります。これまでのところ、BPA がヒトにおける前相イベントを乱すという唯一の示唆は、培養胎児卵巣組織の in vitro 暴露の研究から得られている98。しかし、マウスとワームの研究で得られた知見の間に顕著な類似性があることから、懸念すべき理由が強調されている。

生殖補助医療ARTにおける卵巣刺激プロトコルと卵巣異能症

生殖補助医療ARTによる妊娠における異数体妊娠のメカニズムや原因の少なくともいくつかは、この集団に特有のものであると考えられています。特に、ヒトの卵子や胚の研究では、ほとんどの場合、不妊症の人を対象としており、このようなカップルでは、エラー率が本質的に高くなることが考えられます。しかし、より重要なことは、生殖補助医療ARTで使用される処置が異数性のレベルを増加させる可能性もあるということです。具体的には、過去10年の間に、卵巣刺激プロトコルと体外培養の両方が卵子と胚の質に悪影響を及ぼすという証拠が蓄積されてきました。利用可能なデータのほとんどはエピジェネティックな変化の解析に由来しており、卵子の成長過程でインプリンティングが獲得されるため、メチル化および/またはインプリンティングされた遺伝子の発現の変化は、卵子の発育および成熟の後期段階がARTによって影響を受ける可能性があるという証拠を提供しています。

外因性ホルモンがヒト異数性体の発生に関与していることを示唆するデータは最近のものですが、この考えは新しいものではありません。ヒトでは、避妊ピルの導入により、この避妊薬の最も初期の形態を服用している間に妊娠した女性の間で染色体異常妊娠が増加していることが懸念されました。さらに、初期の細胞遺伝学的研究では、マウスで使用された卵巣刺激プロトコルが卵子の染色体異常率を増加させることが示唆されています106。内分泌環境の変化は、自然妊娠でヒトの年齢に関連した異数性の下敷きになっていると仮定されているように、効果は、内因性ホルモンにも及ぶ可能性があります。

ARTの導入により、改良された刺激プロトコルの開発が必要となり、FISHに基づく分析から得られた初期のデータのいくつかは、より高い異数性化率が特定の卵巣刺激レジームの特徴である可能性を示唆しています。近年では、卵子採取に使用される刺激プロトコルが、少なくとも一部の女性においては、卵子の質に悪影響を及ぼす可能性があるということが懸念されており、一部のクリニックでは「自然周期」の使用を実験的に行っています。さらに、マイルドな刺激プロトコルは、着実に地面を得ている卵母細胞の質を向上させるという考え、そして確立されたプロトコルに対するこれらの新しいプロトコルの比較研究は、ゴナドトロピンの低用量が低い異数性率と相関していることを人間に最初の直接的な証拠を提供しています。

生殖補助医療ARTからのこれらのデータは、卵子の成長と成熟を制御するホルモン信号の複雑な相互作用の微妙な変化は、人間の異数性の生成に重要であることを示唆しています。重要なことは、ヒトの卵子と胚の分析のためのアレイベースのアプローチの開発は、これらの環境変数の少なくとも一部を直接テストする感度の高い手段を提供し、ARTの新たな改善のための希望を提供しています。

結論と今後の方向性

このレビューにまとめられた最近の知見は、いくつかの古い仮説に新たな信憑性を貸す。ヒトの母体年齢効果は、卵子におけるエラーの頻度を増加させるために共謀するさまざまな “ヒット “を含むこと;相同染色体間のプロトフェーズの相互作用に影響を与える胎児の卵巣で発生するイベントが重要な役割を持っていること;女性の長いプロトフェーズの停止が原因で減数分裂機械のコンポーネントの年齢に依存した減衰のために異数性に寄与していること;これらと環境の影響は、間違いの可能性に影響を与えるために卵巣形成のいくつかの異なる段階で作用する可能性があること. これらを総合すると、ヒトの異数性の発生は、いくつかの異なる卵形成の段階でのエラーによって引き起こされる多段階のプロセスであり、効率的なチェックポイントの欠如によって悪化しているという統一的なテーマが浮かび上がってきた。したがって、将来的には、単一の治療法では十分ではないという事実を考慮に入れた上で、異数性障害を予防するための新しい臨床戦略をデザインする必要がある。今回の新たな知見は、ヒトの異数体異形成の複雑さを浮き彫りにしているが、同時に多くの新たな疑問も提起しており、今後の研究に豊饒な土壌を提供してくれるものと思われる。その中でも特に興味をそそられる2つの疑問は以下の通りである。

第一に、ホルモンシグナルは胎児卵巣における減数分裂の開始をどのように制御しているのか、また、どのようなタイプの内分泌撹乱物質がこれらのプロセスに影響を与えているのか。成体の卵子形成の最終段階における内因性ホルモンの役割はよく知られており、これらの内分泌シグナルの微妙なバランスを阻害する外因性シグナルが異数性を引き起こすことが明らかになってきている。しかし、最近の知見では、胎児の卵巣における減数分裂の開始時にもホルモンシグナルが重要な役割を果たしていることが示唆されている。環境要因を異数性と結びつける証拠が増えていることを考えると、女性の減数分裂の両段階を制御するホルモンシグナルの理解は必須です。

第二に、自然妊娠とART妊娠の間に見られる違いは、受胎可能な個人と受胎不可能な個人の違いを反映しているのか、それとも生殖補助医療ART手技によって誘発されているか?という問いである。環境要因が異数性に寄与しているという証拠が増えており、この懸念に対処するための技術が手の届くところにあります。ヒトの卵子と胚の分析のためのアレイベースの手順は、卵子の遺伝的品質に対する外因性因子の影響を直接調べる最初の手段を提供しています。

これらの疑問に対する答えは、ヒトの不妊治療だけでなく、我々や他の種の生殖健康にも直接的な関連性を持っています。不妊治療のために幹細胞から機能的な配偶子を作製するための培養系の開発と改良への関心は高まっていますが、これまでのところ、このような試みに従事している人たちは、減数分裂のプロセスにはほとんど注意を払っていません。明らかに、体外で正常な配偶子の生産に成功するためには、減数分裂の詳細に細心の注意を払い、男女の違いを完全に理解する必要があります。

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