「ドーナツの謎」に迫る！精子内のDNA 凝縮過程の動態観察に成功！

　ナノ精密医学・理工学卓越大学院プログラム履修者の西出梧朗さん（大学院新学術創成研究科ナノ生命科学専攻博士後期課程 3 年、研究当時）は、ナノ生命科学研究所（WPI-NanoLSI）のキイシヤン・リン特任助教、安藤敏夫特任教授、リチャード・ウォング教授、東京大学定量生命科学研究所の岡田由紀教授らとの共同研究により、精子形成時に起こる DNA 凝縮過程の動態観察に初めて成功しました。
　哺乳類の精子細胞は受精の役割を担うために、ユニークな細胞構造と機能を持っています。特に、遺伝情報をコンパクトにまとめるため、核膜孔を通じた分子輸送や核内での DNAの凝縮は、精子形成に不可欠です。通常の細胞では DNA はヒストンというタンパク質で凝縮されますが、精子細胞では 90%以上がプロタミン（PRM）に置き換わります。この PRM 置換により、DNA は高密度な「トロイド」というドーナツ状構造を形成し、精子の核内に収納されると考えられています。従って PRM の役割は精子形成において非常に重要ですが、その詳細なメカニズムは未解明です。特に、PRM がどのように DNA を凝縮させ、トロイド構造を形成するのかは明らかになっていませんでした。
　本研究では、高速原子間力顕微鏡（高速AFM）を用いて、DNA が PRM によってトロイド構造を形成する過程を発見しました。DNA 凝縮の動的で可逆的な性質を捉えたことにより、これまで静的画像化技術では見逃されていた重要な中間体の存在が明らかとなりました。これらの凝縮過程を「コイル-アセンブル-ロッド-ドーナツ（CARD）モデル」と名付けました。この研究結果により、精子学の枠を超え、PRM 濃度の変動や変異がクロマチンの構造および生殖能力に与える影響などの理解を深めることが期待されます。これらの知見は将来、男性不妊症の理解や生殖補助技術における標的療法の開発に重要な意味を持つだけでなく、クロマチンダイナミクスや DNA-タンパク質相互作用といった、より幅広い研究分野にも貢献します。
　本研究成果は、2025 年 3 月 24 日（協定世界時）に英国科学誌『Nucleic Acids Research』のオンライン版に掲載されました。

金沢大学Webサイト　ニュース掲載

【西出さんのコメント】
　このたび、本研究成果を学術論文として発表できましたこと、大変嬉しく思います。本研究を進めるにあたり、多大なるご支援とご指導を賜りましたWong先生をはじめ、Lim先生、そして共同研究者の岡田先生に心より感謝申し上げます。先生方の専門的な知見と熱心なご指導、そして実りある議論がなければ、本成果は決して実現しなかったと深く感じております。また、研究費や奨励金のご支援、研究発表の機会をご提供いただきました卓越大学院プログラムにも、この場をお借りして厚く御礼申し上げます。
　本研究成果は、高速AFMを用いてプロタミン（PRM）-DNA相互作用の時空間ダイナミクスを明らかにし、精子クロマチンの構造解明に繋がる知的基盤を確立するものです。クロマチンダイナミクスやDNA-タンパク質相互作用といった、より広範な研究分野への貢献を期待できることを大変喜ばしく思います。今後も、さらなる性能向上と応用展開を目指し、研究に邁進していく所存です。