皮質顆粒

皮質顆粒は卵母細胞内にある調節性分泌器官（直径0.2～0.6μm）で、受精後の多精子受精防止に最も関係しています。 ^[1]皮質顆粒はすべての哺乳類、多くの脊椎動物、および一部の無脊椎動物に見られます。^[2]卵母細胞内では、皮質顆粒は細胞の中心から最も遠い領域である皮質に沿って位置しています。受精後、シグナル経路によって皮質顆粒が卵母細胞の細胞膜と融合し、内容物が卵母細胞の細胞外マトリックスに放出されます。この皮質顆粒のエキソサイトーシスは皮質反応として知られています。哺乳類では、卵母細胞の細胞外マトリックスには、周囲の層である囲卵腔、透明帯、そして最後に卵丘細胞が含まれます。実験的証拠は、放出された皮質顆粒の内容物が卵母細胞の細胞外マトリックス、特に透明帯を変更することを実証している。この透明帯成分の変更は透明帯反応として知られている。皮質反応はすべての哺乳類で起こるわけではないため、皮質顆粒には他の機能目的がある可能性が示唆されている。^[1]卵母細胞の細胞外マトリックスを変更し、多精子受精を阻止することに加えて、皮質顆粒の放出は着床前の発達中の胚の保護とサポートにも寄与する可能性がある。^[3]皮質顆粒が機能を完了すると、卵母細胞はそれを補充しない。^[1]

皮質顆粒の形成は、卵母細胞の成長の初期段階で起こります。より具体的には、ヒト、サル、ハムスター、ウサギでは、卵胞が多層になると皮質顆粒が形成されます。ラットとマウスでは、卵胞が単層である卵胞発達の初期段階で皮質顆粒が観察されています。卵母細胞の成長の初期段階では、ゴルジ体複合体のサイズが大きくなり、増殖し、細胞の皮質下領域に移動する小胞を生成します。これらの小胞は互いに融合して成熟した皮質顆粒を形成し、ゴルジ体とは別の存在として確立されます。^{[1]ハムスターなどの一部の生物では、ゴルジ体から分泌された小胞が}粗面小胞体から分泌された小胞と融合して、最終的に皮質顆粒を形成することがあります。^{[4]哺乳類では、卵母細胞は}排卵が起こるまで継続的に皮質顆粒を生成し、皮質に転座します。哺乳類と非哺乳類の両方の動物モデルにおいて、皮質顆粒の移動は細胞骨格プロセス、特に微小フィラメントの活動に依存することが示されています。哺乳類の場合、皮質顆粒の移動は卵母細胞の成熟と細胞小器官の組織化の指標と考えられています。^[1]

転座の結果、皮質顆粒は卵母細胞の皮質全体に均一に分布します。しかし、げっ歯類では、一部の皮質顆粒が再配置され、残りの皮質顆粒の間に空間が残ることが観察されています。この空間は皮質顆粒自由領域 (CGFD) と呼ばれ、減数分裂の第 1 中期および第 2 中期の細胞の減数分裂紡錘体領域の両方で観察されています。CGFD は、ネコ、ウマ、ウシ、ブタ、ヒトの卵母細胞では観察されていません。げっ歯類の卵母細胞を使った研究では、特定の皮質顆粒が減数分裂周期を通して再分布および/またはエキソサイトーシスを起こし、CGFD が確立されることが示唆されています。より具体的には、証拠には、減数分裂周期中の CGFD を取り囲む皮質顆粒の量の増加と細胞の皮質顆粒の全体的な量の減少が含まれます。さらに、受精前の表層顆粒の放出イベントは、極体形成と同時に細胞の分裂溝で発生します。^[1]

CGFD の生物学的機能と受精前の皮質顆粒の放出に関して、さまざまな仮説が存在します。たとえば、CGFD の形成は、極体が細胞から押し出される際に極体に失われるのではなく、将来の使用のためにより多くの皮質顆粒を保持する卵母細胞のメカニズムである可能性があります。放出された皮質顆粒の一部は減数分裂紡錘体に近い領域からのものであるため、研究者は、放出された皮質顆粒が卵母細胞の細胞外マトリックスを変更し、精子がこの領域に結合できないようにする可能性があるという仮説も立てています。精子がこの領域に結合すると、父親の DNA が脱凝縮するときに、その近接性により母親の DNA の完全性が損なわれる可能性があります。特定の場所で精子がブロックされるこの現象は、局所ブロックと呼ばれます。げっ歯類の卵母細胞は、より大きな哺乳類種の卵母細胞よりも表面積が約 75% 少ないことを考慮すると、この領域で精子が結合する可能性が高く、局所ブロックが必要になる可能性があります。研究者らはまた、受精前に卵母細胞が皮質顆粒を放出し、卵母細胞の細胞外マトリックスに軽微な変更を加え、結合がこれらの軽微な変更にもかかわらず結合可能な精子のみに限定されるという仮説を立てている。^[1]

受精後、カルシウムが放出される前に、イノシトールリン酸（PIP2）シグナル伝達カスケードが開始されます。このプロセス全体を通じて、イノシトール1,4,5-トリスリン酸（IP3）やジアシルグリセロール（DAG）などのセカンドメッセンジャー分子の濃度が増加します。イノシトール1,4,5-トリスリン酸は小胞体と相互作用し、小胞体のカルシウム貯蔵を放出することが示されています。小胞体と皮質顆粒の関係をさらに強調すると、卵母細胞成熟中に、小胞体が皮質顆粒の領域に向かって成長するか、または移動することが観察されています。カルシウムに加えて、ジアシルグリセロールが皮質反応を開始するようです。^{[5]ジアシルグリセロールは}タンパク質キナーゼC （PKC）も活性化し、これも皮質反応を促進します。受精すると、プロテインキナーゼCは精子の先体放出を促進することが示されています。これは卵母細胞の皮質顆粒放出と相同的なプロセスです。プロテインキナーゼCと同様に、カルモジュリンはカルシウムによって活性化され、皮質反応をさらに促進します。^[6]

このカルシウムの増加は棘皮動物では単一の波として、哺乳類では複数の波として起こる。皮質顆粒のエキソサイトーシスはカルシウム波の直後に起こることが示されている。例えば、ウニの受精卵では、カルシウム増加の約 6 秒後に皮質顆粒のエキソサイトーシスがすぐに起こることがわかっている。哺乳類では、最初のカルシウム波は受精後 1～4 分以内に起こり、皮質顆粒のエキソサイトーシスは受精後 5～30 分以内に起こる。さらに、カルシウム波を実験的に抑制すると、皮質顆粒のエキソサイトーシスや細胞外マトリックスの変化は起こらなかった。未受精の脊椎動物の卵母細胞で実証されているように、カルシウムを人工的に増加させると皮質顆粒のエキソサイトーシスが誘発される。^[7]

カルシウムの増加は、ゲルゾリンやシンデリンなどのアクチン脱重合タンパク質を活性化すると考えられています。哺乳類では、これらのアクチン脱重合タンパク質は皮質アクチンを分解し、それによって皮質顆粒が細胞膜に向かって転座するスペースを確保します。^[7]

卵母細胞は成熟後期に達するまでに、皮質顆粒の放出を完了する能力を獲得します。より具体的には、例えばマウスでは、皮質顆粒の放出を行う能力は、減数分裂の第 1 中期と第 2 中期の間のどこかの時点で発生し、これは排卵が起こる 5 時間前でもあります。卵母細胞は、この同じ細胞段階、つまり第 1 中期と第 2 中期の間にカルシウムを放出する能力を最大限に獲得することが示されており、皮質顆粒の放出イベントのカルシウム依存性をさらに強調しています。^[7]

皮質顆粒の全体的な構成はまだ特定されていませんが、以下の分子が哺乳類の皮質顆粒の内容物として関連付けられています。

グリコシル化成分：哺乳類の皮質顆粒には高レベルの炭水化物が含まれていることが示されています。さらに、これらの炭水化物の多くは、マンノシル化タンパク質、α-D-アセチルガラクトサミン、N-アセチルグルコサミン、N-アセチルラクトサミン、 N-アセチルノイラミン酸、DN-アセチルガラクトサミン、 N-アセチルガラクトサミン、 N-グリコリルノイラミン酸などのグリコシル化分子の成分です。たとえば、特定のマンノシル化タンパク質は、皮質顆粒の外皮構造に寄与していると考えられています。 ^[1]

プロテイナーゼ:哺乳類の皮質顆粒に存在するプロテイナーゼは、主に透明帯反応中に透明帯を修正する働きをします。関連する皮質顆粒プロテイナーゼには、トリプシン様プロテイナーゼ、ZP2 プロテイナーゼ、組織型プラスミノーゲン活性化因子 (tPA) などがあります。ZP2 プロテイナーゼとトリプシン様プロテイナーゼはどちらも多精子受精の防止に寄与します。その名前が示すように、ZP2 プロテイナーゼは透明帯反応中に ZP2 をタンパク質分解します。組織型プラスミノーゲン活性化因子(tPA) は、プラスミノーゲンを活性化形態であるプラスミンに変換するセリンプロテイナーゼです。組織型プラスミノーゲンは皮質反応中に存在することが記録されています。しかし、皮質反応とのこの関連性にもかかわらず、組織型プラスミノーゲン活性化因子が皮質顆粒の成分であることを裏付ける証拠はまだ見つかっていません。さらに、組織型プラスミノーゲン活性化因子をコードするmRNAは、卵母細胞内でほとんどの皮質顆粒が形成されるまで翻訳されません。 ^[1]

オボペルオキシダーゼ：タンパク質であるオボペルオキシダーゼは、おそらく透明帯内のチロシン残基を架橋する触媒として作用する。この架橋は透明帯の硬化に寄与する。^[1]

カルレティキュリン：証拠は、カルレティキュリンというタンパク質が皮質顆粒内に存在することを示しています。研究者は、カルレティキュリンが多精子症の予防に寄与する他の皮質顆粒成分のシャペロンタンパク質として機能していると示唆しています。カルレティキュリンは多精子症の予防に寄与するだけでなく、卵母細胞と精子の相互作用を促進する特定の糖タンパク質を阻害する可能性もあります。一方、別の研究では、カルレティキュリンが皮質顆粒以外の小胞から放出される可能性があることが示されています。さらに、このカルレティキュリンはエキソサイトーシス時に卵母細胞の細胞骨格と相互作用し、細胞周期の継続のための膜貫通シグナル伝達を可能にします。 ^[1]

N-アセチルグルコサミニダーゼ：マウス皮質顆粒内で実験的に発見されたN-アセチルグルコサミニダーゼは、透明帯にあるN-アセチルグルコサミン残基を加水分解するグリコシダーゼです。透明帯のN-アセチルグルコサミンは通常、精子の結合を促進します。 ^[1]そのため、N-アセチルグルコサミニダーゼは多精子症の予防に寄与します。

p32 : p32 という名前は、タンパク質の分子量 32 kDa に由来しています。p32 は皮質顆粒から放出されると、受精後すぐに機能するか、または変更されるかのいずれかであると思われます。これは、胚に存在する p32 の量がわずかであるためです。研究によると、p32 は多精子症の予防には寄与しないことも示唆されています。 ^[1]

ペプチジルアルギニンデイミナーゼ（PAD/ABL2抗原/p75）：ペプチジルアルギニンデイミナーゼは、皮質顆粒内の分泌タンパク質であり、着床前の胚の発達の調節に寄与する。ペプチジルアルギニンデイミナーゼの別名p75は、その分子量75kDaに由来する。 ^[1]