精子誘導

精子誘導とは、精子細胞（精子）を受精を目的として卵母細胞（卵子）に誘導するプロセスです。海洋無脊椎動物の場合、誘導は走化性によって行われます。哺乳類の場合、走化性、温度走性、流速走性によって行われているようです 。

1世紀以上前にシダ植物の雌配偶子への精子の誘引が発見されて以来、 ^[1]精子走化性という形での精子誘導が多種多様な種で確立されてきた^[2]精子走化性は、ウニやサンゴなどの体外受精を行う海洋生物から人間に至るまで、後生動物界全体に広がっているが^{[2] [3] [4] 、}精子走化性に関する現在の情報の多くは、主にウニとヒトデなどの海洋無脊椎動物の研究から得られたものである^[5]。 実際のところ、それほど昔ではない頃まで、哺乳類では精子を卵母細胞に誘導する必要はないというのが定説であった。これは、女性生殖器官への射精後、多数の精子が卵母細胞に向かって「競争」し、受精するために競争するというのが一般的な考えであったためである。この信念は、射精された精子のうち卵管に入ることができるのはほんのわずか（ヒトでは100万個に1個程度）であることが明らかになったときに覆されました。 ^{[4] [6]}また、最近の研究では、哺乳類の精子は少なくとも3つの異なるメカニズムを採用しており、それぞれが誘導メカニズムとして機能する可能性があることが示されました。そのメカニズムとは、 ^[7]走化性、^[8]温度走性^[9]および流速走性です。^[10]

哺乳類以外の種における精子の誘導は走化性によって行われる。卵母細胞は走化性物質を分泌し、それが拡散するにつれて濃度勾配を形成する。卵子に近いところでは濃度が高く、卵母細胞から離れるにつれて濃度は徐々に低くなる。精子はこの走化性物質を感知し、濃度勾配に沿って卵母細胞に向かって泳ぐ方向を決めることができる。精子の走化性は海洋無脊椎動物^{[2] [3]からカエル[11]}まで、多数の哺乳類以外の種で実証されている。

非哺乳類種の精子化学誘引物質は多種多様です。いくつかの例を表1に示します。これまでに、非哺乳類種で同定されている精子化学誘引物質のほとんどは、熱に安定でプロテアーゼに敏感なペプチドまたは低分子量タンパク質（1～20 kDa ）です。^{[2] [3]この規則の例外は、サンゴ、}ホヤ、シダなどの植物、藻類の精子化学誘引物質です（表1）。

• 参考文献より引用。^[23]

化学誘引物質の多様性は、化学誘引物質の同一性に関する種特異性の問題を提起する。化学誘引物質に関連する特異性には単一のルールはない。したがって、海洋無脊椎動物のいくつかのグループ（例えば、ヒドロクラゲ科および特定のクモヒトデ類）では、特異性は非常に高いが、他のグループ（例えば、ヒトデ）では、特異性は科レベルであり、科内でも特異性はない。^{[2] [3] [24]}軟体動物では、特異性は全くないと思われる。同様に、植物では、独特の単純な化合物（例えば、フコセラテン - 直鎖不飽和アルケン（1,3-トランス 5-シス-オクタトリエン））がさまざまな種の化学誘引物質である可能性がある。^[12]

ここでも、単一のルールはありません。種によっては（例えば、キバナヒメマスのようなヒドロ虫類や、カタユウレイボヤのような尾索動物）、精子の遊泳方向が化学誘引物質源に向かって突然変わります。他の種（例えば、ウニ、ヒドロクラゲ、シダ、または日本のタナゴのような魚類）では、化学誘引物質源へのアプローチは間接的で、動きは小さな半径の反復的なループによって行われます。いくつかの種（例えば、ニシンやホヤ類のカタユウレイボヤ）では、運動性の活性化が走化性に先行します。^{[2] [3] [25] [26]}走化性において、細胞は走化性因子の時間的勾配を感知し、異なる時点での受容体の占有率を比較する（細菌の場合^[27]）か、空間的勾配を検出し、細胞に沿った異なる位置での受容体の占有率を比較する（白血球の場合^[28]）かのいずれかである。最もよく研​​究されている種であるウニでは、精子が時間的勾配を感知し、それに反応して鞭毛の非対称性が一時的に増加する。その結果、遊泳経路が方向転換し、その後、直進期間が続き、^[29]走化性因子源に向かうエピサイクロイドのような動きが観察される。^[30]

精子の走化性の分子メカニズムはまだ完全には解明されていない。現在の知識は主にウニArbacia punctulataの研究に基づいており、走化性物質がその受容体であるグアニル酸シクラーゼに反応して結合し (表 1) 、cGMP合成を活性化する (図 1)。その結果生じる cGMP の増加は、おそらく K ⁺選択性イオンチャネルを活性化する。その結果生じる過分極は、過分極活性化および環状ヌクレオチド依存性 (HCN) チャネルを活性化する。HCN チャネルを介した脱分極内向き電流は、おそらく電圧活性化 Ca ²⁺チャネルを活性化し、細胞内 Ca ²⁺の上昇をもたらす。この上昇は鞭毛の非対称性につながり、その結果、精子細胞の回転につながる。^[25]

図 1.ウニArbacia punctulataの精子走化性におけるシグナル伝達経路のモデル。受容体である膜結合型グアニリルシクラーゼ (GC) に化学誘引物質 (リガンド) が結合すると、GTP から cGMP の合成が活性化されます。環状 GMP はおそらく環状ヌクレオチド依存性 (CNG) K ⁺選択性チャネルを開き、膜の過分極を引き起こします。cGMP シグナルは、ホスホジエステラーゼ (PDE) 活性による cGMP の加水分解と GC の不活性化によって終了します。過分極時には、過分極活性化チャネルと環状ヌクレオチド依存性（HCN）チャネルがNa ⁺の流入を可能にし、脱分極を引き起こし、それによって電位活性化Ca ²⁺チャネル（Ca _v）を介した急速なCa ^{2+流入を引き起こし、Ca 2+}イオンは未知のメカニズムによって鞭毛の軸糸と相互作用し、鞭毛拍動の非対称性の増加を引き起こし、最終的に遊泳軌道の方向転換または屈曲を引き起こします。Ca ^{2+は、Na +} /Ca ²⁺交換メカニズムによって鞭毛から除去されます。[引用文献^[25] ]

哺乳類の卵管では、温度走性、^[9]流速走性、^[10]および走化性^{[8] [31] [32]}という 3 つの異なる誘導機構が起こると提唱されている。確かに、明らかな制約のため、これらの機構はすべて試験管内でのみ実証されている。しかし、雌における適切な刺激の発見、すなわち卵管内の排卵依存的な温度勾配^{[33] [34] [35]}、雌マウスにおける交尾後の卵管液の流れ^[10]および卵母細胞とその周囲の卵丘細胞から分泌される精子走化性物質^{[36]は、これらの機構が}生体内で相互に発生することを強く示唆している。

ヒトの精子が卵胞液中に蓄積すること^{[37] [38]}と、この体外蓄積と卵母細胞受精の間に顕著な相関関係があることがわかったことを受けて、^[37]この蓄積の原因として走化性が実証された。^{[8]精子の走化性は後にマウス[31]}とウサギでも実証された。^[32]さらに、卵胞液中の精子の蓄積（ただし、それが真に走化性を反映しているかどうかは実証されていない）はウマ^{[39]とブタ[ 40]}でも実証された。ヒトの精子の走化性の主な特徴は、このプロセスが受精能を獲得した細胞に限定されていることである^{[41] [42]} ― 卵母細胞に侵入して受精する能力を持つ唯一の細胞 ― ^[43] 。これにより、哺乳類では走化性が単なる誘導メカニズムではなく、精子選択のメカニズムでもある可能性が浮上した。^{[41] [42]}重要なのは、受精能を獲得した（したがって走化性に反応する）精子の割合が低い（ヒトでは約10％）こと、受精能獲得/走化性状態の寿命が短い（ヒトでは1～4時間）、精子は一生のうちに一度しかこの状態になれないこと、精子個体が受精能獲得/走化性になる時期が異なるため、精子集団内の受精能獲得/走化性細胞が継続的に入れ替わる、つまり受精能獲得細胞の可用性が長くなることである。^{[41] [44]}これらの精子の特徴から、受精能獲得精子が女性生殖管内で見つかる期間を延長することは、受精と排卵の調整不足を補うためにヒトで進化したメカニズムである可能性が浮上した。^{[6] [41] [42] [45]}

走化性は短距離誘導機構であり、数ミリメートル程度の短距離しか精子を誘導することができない。^[7]

ヒトでは、精子の化学誘引物質の起源は少なくとも2つあります。1つは卵母細胞を取り囲む卵丘細胞であり、もう1つは成熟した卵母細胞そのものです。^[36]卵丘細胞から分泌される化学誘引物質はステロイドプロゲステロンであり、ピコモル範囲で効果があることが示されています。^{[46] [47] [48]}卵母細胞から分泌される化学誘引物質はさらに強力です。^[36]これは疎水性の非ペプチド分子であり、卵母細胞から分泌されるとキャリアタンパク質と複合します。 ^[49]追加の化合物が哺乳類の精子の化学誘引物質として作用することが示されている。これらには、ケモカイン CCL20、^[50]、 心房性ナトリウム利尿ペプチド（ANP）、^[51]、特定の臭気物質、^[52]、 C型ナトリウム利尿ペプチド（NPPC）、^[53]、アルリン、^[54]などが含まれます。これらすべてが生理学的に関連しているわけではないと想定するのが妥当です。

ヒト、ウシ、ウサギの卵胞液や卵子培養培地に対するヒトおよびウサギの精子の走化性反応性を比較した実験では、種特異性は検出されなかった。^[55]その後、ヒトとウサギ（おそらく他の哺乳類も同様）の卵丘細胞が走化性誘引物質プロゲステロンを分泌するという知見^{[46] [47] [48]は}、哺乳類の精子の走化性反応の特異性の欠如を説明するのに十分である。

哺乳類の精子は、ウニの精子と同様に、化学誘引物質の勾配を空間的（受容体の占有率を空間的に比較）ではなく時間的（受容体の占有率を時間的に比較）に感知するようです。これは、ヒトの精子を化学誘引物質と混合することによって達成される空間勾配のない状態での時間勾配の確立^[56]またはケージド化合物からの化学誘引物質の光放出^{[57]によって達成され、その結果、方向転換や}過剰活性化イベントの頻度の増加を伴う遊泳行動の遅延した一過性変化が生じるためです。これらの観察と、走化性反応性精子が空間的な化学誘引物質勾配で遊泳すると過剰活性化イベントのレベルが減少するという発見^[57]に基づいて、受精能を獲得した精子が化学誘引物質勾配を上る場合は方向転換と過剰活性化イベントが抑制され、勾配を下る場合はその逆であると提案されました。^{[56] [57]}言い換えれば、ヒトの精子は大腸菌と同様に、回転と過剰活性化の頻度を調節することで化学誘引物質に接近する。 [ ^27]

非哺乳類種と同様に、遊泳方向を変えるための走化性の最終シグナルはCa ²⁺です。^[58]走化性誘引物質としてのプロゲステロンの発見^{[46] [47] [48]により、精子表面上の受容体である}CatSperが同定されました。これは哺乳類の精子の尾部にのみ存在するCa ²⁺チャネルです。^{[59] [60]}（ただし、プロゲステロンはヒトのCatSperのみを刺激し、マウスのCatSperは刺激しないことに注意。^[60]一貫して、プロゲステロンに対する精子の走化性はマウスでは見られなかった。^[61]）しかし、プロゲステロンによるCatSper活性化後の分子段階は不明であるが、膜貫通アデニル酸シクラーゼ、cAMP、タンパク質キナーゼA、可溶性グアニリルシクラーゼ、cGMP、イノシトール三リン酸受容体、ストア作動性Ca ²⁺チャネルの関与が提案されている。^[62]

精子の走化性は精子を短距離しか誘導できないという認識^[7]は、長距離誘導メカニズムの可能性の探索を引き起こした。少なくともウサギ^[33]とブタ^[34]では卵管内に温度差が存在し、この温度差はウサギの排卵時に子宮との接合部付近の卵管の温度低下によって確立され、卵管内の精子貯蔵部位と受精部位の間に温度勾配が形成されるという発見^[35]は、哺乳類の精子が温度勾配に熱走性で反応できるかどうかの研究につながった。

哺乳類の精子の走熱性は、これまでヒト、ウサギ、マウスの3種で実証されている。^{[9] [63]}これは2つの方法で行われた。1つは、各ウェルの温度を個別に制御および測定できるように改造されたジグモンドチャンバーを使用するものであった。ウェル間に直線温度勾配を確立し、この勾配内での精子の遊泳を分析した。精子のごく一部（約10%程度）は受精能を獲得した細胞であることが示され、勾配に応じて遊泳方向を偏らせ、より温かい温度の方へ移動した。^[9]もう1つの方法は、直線温度勾配を維持する熱分離装置内に2つ^{[64] [65]}または3つ^[63]の区画の分離チューブを配置するものである。分離チューブの温かい方の端での精子の蓄積は、同じ温度で温度勾配がない場合の蓄積よりもはるかに多かった。^[63]この勾配依存の精子の蓄積は、広い温度範囲（29〜41℃）で観察された。^[65] 温度はほぼすべてのプロセスに影響を及ぼすため、上記の測定が本当に熱走性を実証しているのか、それとも別の温度依存プロセスを反映しているのかという問題に多くの注目が集まっている。液体中の温度の最も顕著な影響は対流であり、このことから、見かけ上の熱走性反応は液体の流れの受動的なドリフトの反映か、または（温度勾配自体ではなく）流れに対するレオタクティック反応^{[10]である可能性があるという懸念が生じた。もう 1 つの懸念は、温度によって精子が懸濁されている}緩衝液の局所 pH が変化する可能性があるということである。これにより温度勾配に沿って pH 勾配が生成され、精子は形成された pH 勾配に走化性で反応した可能性がある。しかし、適切な制御の下でこれらすべての可能性を注意深く実験的に検討した結果、測定された温度に対する反応は真の熱走性反応であり、レオタクティックや走化性を含む他の温度に敏感なプロセスの反映ではないことが実証された。^{[7] [65]}

精子の走熱性行動機構は、これまでヒト精子でのみ研究されてきた。^[66]細菌の走化性^[27]やヒト精子の走化性の行動機構と同様に、^[57]ヒト精子の走熱性行動機構は決定論的というよりは確率論的であると思われる。受精能を獲得したヒト精子は、方向転換や短時間の過活動によって中断されながら、ほぼ直線的に泳ぐ。このような各エピソードは、新しい方向への泳ぎにつながる。精子が温度の低下を感知すると、鞭毛波の振幅が増加し、頭部の左右への変位が強化されるため、方向転換や過活動イベントの頻度が増加する。時間の経過とともに、この反応は部分的な適応を受ける。温度の上昇に対する反応では逆のことが起こる。これは、受精能を獲得した精子が温度勾配を上って泳ぐ場合、方向転換が抑制され、精子が勾配の方向に泳ぎ続けることを示唆している。彼らが勾配を下って泳ぐことになった場合、彼らは何度も方向転換し、再び勾配を上って泳ぐ方向に戻るまで泳ぎ続けます。^[66]

温度が空間的に一定に保たれている場合でも精子が時間的な温度変化に反応することから^[66]、ヒト精子の走化性の場合と同様に^{[56] [57]}、精子の熱走性には時間勾配の感知が関与していることが示唆される。言い換えれば、精子は明らかに連続する時点間の温度（または温度依存関数）を比較している。しかし、これは時間的感知に加えて空間的温度感知の発生を排除するものではない。ヒト精子は広い温度範囲（少なくとも29～41℃）で熱走性に反応することができる。^[65]この範囲内で、精子は特定の好ましい温度よりも、より暖かい温度に優先的に蓄積する。驚くべきことに、精子は0.014℃/mm未満の温度勾配を感知し、熱走性に反応することができる。^[65]これは、ヒトの精子が体長（約46μm）に等しい距離を泳ぐときに、0.0006℃未満の温度差に反応することを意味します。

一般的に温度走性、特にそのような極度に敏感な温度感知の分子メカニズムは不明である。哺乳類で認識されている他の温度センサーとは異なり、精子の温度走性の温度センサーは温度感受性イオンチャネルではないことが知られている。それらはむしろオプシンであり、^[63]視覚において光センサーとして機能するGタ​​ンパク質共役受容体であることが知られている。オプシンは精子の特定の部位に存在し、種とオプシンの種類に依存する。^[63]それらは少なくとも2つのシグナル伝達経路、すなわちホスホリパーゼCシグナル伝達経路と環状ヌクレオチド経路を介して精子の温度走性に関与している。前者は、ヒト精子の薬理学的手段により、酵素ホスホリパーゼC、内部カルシウム貯蔵庫に位置するイノシトール三リン酸受容体、カルシウムチャネルTRPC3、および細胞内カルシウムに関与することが示された。 ^{[64] [63]}これまで、環状ヌクレオチド経路にはホスホジエステラーゼが関与していることが示されてきた。^[63]両経路を阻害すると精子の熱走性は完全に阻害される。^[63]

ヒトおよびマウスの精子が流体の流れにさらされると、およそ半数の精子（すなわち、受精能を獲得した精子と獲得能を獲得していない精子の両方）が方向を変え、流れに逆らって泳ぐ。^{[10]この流れは、}プロラクチンによって引き起こされる卵管液の分泌であり、性的刺激および性交の4時間以内に雌マウスで生成される。したがって、レオタキシスは精子を受精部位に向ける。受精能を獲得した精子は、獲得能を獲得していない精子よりも早く卵管表面から離れ、主流に向かって泳ぐことができるのではないかと提案された。^[10]レオタキシスにおける精子の方向転換のメカニズムを理解するために、レオタキシス方向転換中のヒト精子の鞭毛挙動の定量分析を行った。その結果、単一細胞レベルおよび集団レベルの両方で、レオタキシス方向転換精子と自由遊泳精子の鞭毛運動に有意な差はないことが明らかになった。^{[67]この発見は、レオタキシス回転中に測定された一定の内部Ca2 +}信号と合わせて、走化性や熱走性などの能動的なプロセスとは対照的に、ヒト精子のレオタキシスは受動的なプロセスであり、流れの感知は関与していないことを実証した。^[67]

生物学における他の極めて重要なシステムと同様に、哺乳類の精子誘導には冗長性があると予想される。実際、女性生殖管では少なくとも 3 つの誘導機構が機能していると考えられており、2 つの能動機構 (走化性および熱走性) と 1 つの受動機構 (流速走性) である。これらの機構の 1 つが何らかの理由で機能しなくなった場合でも、誘導が失われることはなく、細胞は卵母細胞まで移動できるはずである。これは渡り鳥の誘導に似ており、鳥の誘導は誘導機構の 1 つが機能しなくなっても影響を受けない。^{[68]受動精子は}峡部 の精子貯蔵部位から放出され、^[69]最初は温度走性によって温度の低い精子貯蔵部位から温度の高い受精部位へと能動的に誘導される可能性があると示唆されている^{[9] (図 2)。流速走性[10]}と卵管の収縮^[70]という 2 つの受動プロセスが精子がそこに到達するのを助ける可能性がある。この位置では、卵丘細胞から分泌されるプロゲステロンの濃度勾配によって、精子は卵母細胞-卵丘複合体へと走化性に誘導される可能性がある。^{[46] [47] [48]}さらに、プロゲステロンは、すでに卵丘卵巣の周辺部に存在する精子を内側に誘導する可能性がある。^[46]すでに卵丘卵巣の奥深くにいる精子は、卵母細胞から分泌されるより強力な走化性物質を感知し^{[36] [49]}、この走化性物質の濃度勾配に従って走化性に卵母細胞へと誘導する可能性がある。ただし、これは単なるモデルにすぎないことに留意する必要がある。

図 2.哺乳類における能動的な精子誘導メカニズムの提案された順序を説明する簡略化された図。さらに、精子の流動性と卵管の収縮という 2 つの受動的なプロセスが、受精部位への精子の移動を助ける可能性があります。

多くの観察結果から、女性生殖器の下部でも走化性および走熱性が起こる可能性が指摘されている。例えば、牛では膣から子宮角に向かって発情周期と相関した緩やかな温度上昇が測定された。 ^[71]また、マウス精子の走化性誘引物質であるナトリウム利尿ペプチド前駆体Aの濃度勾配が、膨大部、峡部、子宮卵管接合部で減少する順に見られた。^[72]これらの化学勾配および温度勾配の生理学的機能（もしあるとすれば）はまだ解明されていない。

走化性または熱走性による精子誘導は、体外受精手順のために受精能が強化された精子集団を得るために使用できる可能性があります。実際、熱走性によって選択された精子集団は、選択されていない精子よりもDNAの完全性が高く、クロマチンの凝縮が低いことが最近示され、マウスでは卵細胞質内精子注入（ICSI）を通じてより多くのより優れた胚を生じ、妊娠成功数が2倍になりました。^[73]走化性および熱走性は、精子の質を評価するための診断ツールとしても利用できる可能性があります。さらに、これらのプロセスは、長期的には、正常な受精プロセスを妨げることで避妊手段として使用できる可能性があります。^{[6] [74]}