高温への慢性的な曝露は、キイロショウジョウバエの精子の量と質の低下を引き起こす

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12331 (2023) この記事を引用

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温度はあらゆる生物の雄の生殖能力に影響を与えます。 しかし、最適以下の温度が成人の精子形成にどのような影響を与えるかは、まだ研究されていません。 キイロショウジョウバエの卵形成に関する最近の研究では、暖かい温度 (29 °C) にさらされた成人男性の生殖能力が大幅に低下することが観察されました。 ここでは、オスは 29 °C で精子の量と質が低下するため不妊になることを示します。 29 °C での精子存在量の低さは、生殖細胞系幹細胞または精子細胞の数が 29 °C と対照の 25 °C の間で同等のままであるため、減少したことに起因するものではありません。 注目すべきことに、低温の18℃と29℃の雄では、精子細胞の伸長および個別化欠陥の頻度が同様に増加しており、これは、18℃で測定された高い精子量と雄の生殖能力を考慮すると、精子形成が伸長および個別化欠陥に対して高い耐性を持っていることを示しています。 。 興味深いことに、29℃での精子の存在量は、精子形成の終わり近くに精嚢に移行する際に、アポトーシスの証拠もなく急激に減少し、未知のメカニズムによる精子の除去を示しています。 最後に、29 °C での男性の精子は卵子への受精効率が低下し、胚形成の第 1 段階を過ぎた胚をサポートしません。これは、29 °C では精子の質の低下が男性不妊のさらなる原因であることを示しています。

生殖は、数十億年にわたる進化の結果、生理学的および外部シグナルに非常に敏感です1、2、3。最初は単細胞で、後には絶えず変化する環境の中で子孫をうまく生み出す必要があった多細胞生物です4、5。 しかし、人間の活動による急激な気温上昇の意図しない影響6には、多くの生物の繁殖に対する悪影響7、8、9、10、11、12、13、14、15があります。 昆虫の体温調節能力が限られていること 11、12、13、14、15、および公衆衛生、経済、生態学的関連性 16 を考慮すると、昆虫に対する影響は特に懸念されます。

気温の上昇は、多くのショウジョウバエ種や他の昆虫の雄の生殖能力に悪影響を与えることが十分に文書化されています17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33、 34. たとえば、28 ～ 31 °C で発育するキイロショウジョウバエの幼虫は、生殖能力の低い成体雄を生み出します17、19、21、22、23、24、26、30、31、32、33、34。これも同様です。他のショウジョウバエについては20、25、27、29、35。 ショウジョウバエの雄成体を 37 °C 以上の温度に短期間曝露すると、子孫の数も減少します 36,37。 興味深いことに、43種のショウジョウバエを用いた最近の研究では、成体雄性不妊につながる温度の方が、致死温度よりもその地球規模の分布をより正確に予測できることが示され、精子形成が生態学的プロセスに重要な役割を果たし得ることが強調された13。 特に、実験室での実験で使用される最適以下の温度（極端な温度とは対照的に）は、極端な温度を伴う温度よりも野生の気候変動条件により近いと考えられています11,15。 男性の生殖能力に対する温度の影響を報告する多数の研究があるにもかかわらず、成人が慢性的に最適以下の温度にさらされることがショウジョウバエの精子形成にどのような影響を与えるかは依然として不明である。

キイロショウジョウバエは、他の昆虫を含む多くの生物に広く関連する精子形成の基本的な側面を研究するための強力なシステムです 3,38,39,40。 精巣の頂端帯には、有糸分裂中の生殖細胞系幹細胞 (GSC) と精原細胞が存在します 41,42 (図 1)。 ハブ (体細胞ニッチ) を囲む 5 ～ 9 個の GSC が非対称に分裂して自己再生し、ゴニア芽細胞を生成します。ゴニア芽細胞は不完全な細胞質分裂で 4 回分裂して、16 個の精原細胞を含む生殖系列嚢胞 (2 つの体細胞嚢胞細胞に囲まれた) を形成します。初代精母細胞に発達します38,43。 減数分裂と精子形成 (つまり、精子の分化) は中間ゾーンで起こります 41 (図 1A)。 初代精母細胞は 2 回の減数分裂を経て、64 個の細胞の嚢胞（つまり、64 個の合胞体半数体精子細胞）を生成します。 それらの核は、伸長する精子細胞になるにつれて、円形から葉、カヌー、そして最終的には針の形に形態変化します（図1）。 カヌーの後期では、ヒストンがプロタミンに置き換えられます39,40。 たとえば、プロタミン B (Mst35B によってコードされる) は、適切な核形態に不可欠です 44,45。 Mst35B は円形精母細胞で転写されますが、カヌー後期まで翻訳抑制されたままです 44 (図 1B)。 核凝縮後、針状の精子細胞は、不必要な細胞小器官や細胞質を剥ぎ取るアクチンベースの個別化錐体を含むカスパーゼ依存性のプロセスを通じて個別化され、頭部から尾部へ移動して残骸を廃棄バッグに廃棄する際に嚢胞状の膨らみを形成します。嚢胞の端46,47。 個別化の後、得られた精子は終端領域 (コイル領域としても知られています) でコイル状になります 41,48 (図 1)。 その後、精子はほどかれて精嚢に移動し、交尾までそこで保管されます（図1）。 我々は最近、成体としてキイロショウジョウバエの雄が（最適温度の25℃とは対照的に）29℃の準最適温度に慢性的に曝露されると不妊になることを示した49。 しかし、正確にどのような精子形成プロセスが高温によって悪影響を受けるかは不明のままでした。