PIWI-piRNA経路は生殖細胞特異的なレトロトランスポゾン抑制システムである。マウスでは, 3種のPiwi遺伝子(Piwil1, Piwil2, Piwil4)が精巣特異的に発現し, それらを欠損したマウスではPIWI interacting RNA(piRNA)がなくなると同時に, トランスポゾンの発現が亢進する。その結果, 減数分裂期の精細胞に障害が生じ, 精子形成不全となり不妊となる。一方で, 雌の生殖細胞ではPIWI-piRNAはほとんど発現しておらず, 欠損しても異常が見られない。ところが, 我々を含む複数のグループから, マウス・ラット以外の哺乳動物細胞では雄だけでなく雌の生殖細胞においてPIWI-piRNAが強く発現していること, 雌特異的に発現するPIWIL3が存在することが明らかにされた。つまり, 哺乳類全般に保存されたPIWI-piRNAによるレトロトランスポゾンの制御メカニズムを解明するには, マウスをモデル動物として使用した研究では不十分であり, 別の実験動物を用いて解析を行うことが必須である。そこで申請者は, PIWI-piRNA研究のモデル動物として"ゴールデンハムスター"を採用し, 雌雄の生殖細胞におけるレトロトランスポゾンの制御メカニズムを個体レベルでの解明を試みた。
具体的には, ゲノム編集を用いPiwil3を欠損したハムスターを作製し, 雌性生殖細胞における表現型を観察した。その結果, Piwil3は雄では発現していないために, 正常に精子形成が起こり生殖能力は正常であったが, 雌が不妊傾向が強いことを明らかにした。不妊の原因を明らかにするために初期胚の発生を観察したところ, Piwil3欠損胚は2細胞期までは正常に発生するが, それ以降の発生に異常が生じることを明らかにした。これら雌における表現型はPiwi欠損マウスでは観察されなかった結果であり, Piwiの機能および生命現象との関わりについて新しい知見となった。
PIWI-piRNA is one of the key molecules that silence the transposable elements (TEs) in animals. In mice, three PIWI proteins (PIWIL1, PIWIL2 and PIWIL4) are expressed almost exclusively in testes and little in ovaries. Therefore, PIWI KO mice exhibit defects in spermatogenesis with an activation of LINE1, leading to male infertility. However, female KO mice show no discernible phenotype.
PIWIL3 was found as ovary specific expressed PIWI in mammals except for mouse and rat.
To understand possible roles of PIWIL3 proteins in mammalian ovaries, we have used the golden hamster (Syrian hamster ; Mesocricetus auratus) in which PIWIL 3 are expressed in the ovary. With the CRISPR/Cas9 system, we were able to produce PIWIL3 KO hamsters. PIWIL3 disrupted hamster featured healthy animals. However, PIWIL3 KO females showed the subfertile phenotype as a result of abnormal embryo development.
Our result revealed that PIWIs have important role even in female germ line.