JP7501937B2 - Screening method for sperm chromatin condensation inhibitors targeting PHF7-mediated histone 3 ubiquitination - Google Patents

Screening method for sperm chromatin condensation inhibitors targeting PHF7-mediated histone 3 ubiquitination Download PDF

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Description

本願は、PHF7のヒストン3ユビキチン化調節による精子核凝縮調節を究明した分子機構に基づいた薬物スクリーニング技術に関する分野である。 This application is in the field of drug screening technology based on the molecular mechanism that clarified the regulation of sperm nuclear condensation by the regulation of histone 3 ubiquitination by PHF7.

精子形成過程は、父系遺伝体の半分を有する精子を作る複雑な過程である。精原細胞から由来した二倍体精細胞(spermatid)が4つの半数体精細胞に分裂する減数分裂以後、円形精細胞は、精子成熟過程を経て精子になるが、この際細胞質除去、核凝縮、先体形成、尾部成長などを伴う。 Spermatogenesis is a complex process that produces spermatozoa that have half of the paternal genes. After meiosis, in which diploid spermatids derived from spermatogonia divide into four haploid spermatids, the round spermatids undergo a sperm maturation process to become spermatozoa, which involves cytoplasmic removal, nuclear condensation, acrosome formation, and tail growth.

体細胞のクロマチンは、ヒストンで構成されている反面、精子クロマチンは、主にアルギニンが豊富なプロタミンで構成されている。精子のさらに凝縮されたクロマチンは、DNA損傷から遺伝体を保護して父系遺伝体が子孫によく伝達できるようにする。精子成熟過程の間、伸長型(elongated)精細胞のヒストンは、クロマチンから除去されて、転移タンパク質(TNP)に交換されて、最後にプロタミンに交換される(Wang et al.(2019a) Front Genet 10,962.)。このようなヒストン-プロタミン交換に問題がある精子は、核凝縮の失敗で非正常的な形態と減少した運動性を示して、結果的に受精能力に問題を引き起こす(Wang et al.,(2016).Journal of cellular biochemistry 117,1429-1438)。 Somatic chromatin is composed of histones, whereas sperm chromatin is mainly composed of arginine-rich protamines. The more condensed chromatin of sperm protects the genes from DNA damage and allows the paternal genes to be transmitted well to the offspring. During the sperm maturation process, histones in elongated sperm cells are removed from chromatin and exchanged for transfer protein (TNP) and finally for protamine (Wang et al. (2019a) Front Genet 10, 962.). Sperm with problems in histone-protamine exchange show abnormal morphology and reduced motility due to failure of nuclear condensation, which ultimately leads to problems in fertility (Wang et al., (2016). Journal of cellular biochemistry 117, 1429-1438).

ヒストン-プロタミン交換以前に伸長型精細胞で起きるヒストンH4過アセチル化は、ヒストン除去と精子成熟過程に必要な遺伝子の転写調節に役割をする(Goudarzi et al.,2014)。多くの研究を介して、H4過アセチル化に関与された多くの種類の調節タンパク質が明らかになった。PIWIは、伸長型精細胞でH4過アセチル化に必要なH2A、H2Bのユビキチン化を促進するRNF8の細胞内位置を調節するが、H4過アセチル化にRNF8が関わっているかについてはまだ論争中である(Gou et al.,(2017) Cell 169,1090-1104.e1013.;Lu et al.(2010) Nature 466,508-512.;Sin et al.(2012).Genes Dev 26,2737-2748.)。クロマチンリモデラーであるCHD5は、H4過アセチル化と転写調節による精子頭発生に役割をする。H4過アセチル化以後、BRDTは、BD1ドメインを介して過アセチル化されたH4末端のH4K5/K8アセチル化を認知して、クロマチンリモデラーと共にヒストン除去と転写調節に関与する。BD1を介したアセチル化されたクロマチンの認知は、ブロモドメインとDNAの相互作用によって強化される。さらに、精子プロテアゾームの単位体の中の一つであるPA200は、精子成熟過程の間ヒストンのアセチル化-媒介分解に必要である(Qian et al.(2013) Cell 153,1012-1024)。 Histone H4 hyperacetylation, which occurs in elongating spermatids before histone-protamine exchange, plays a role in histone removal and transcriptional regulation of genes required for sperm maturation (Goudarzi et al., 2014). Through numerous studies, many types of regulatory proteins involved in H4 hyperacetylation have been identified. PIWI regulates the subcellular location of RNF8, which promotes ubiquitination of H2A and H2B, which are required for H4 hyperacetylation in elongating spermatids, but the involvement of RNF8 in H4 hyperacetylation is still controversial (Gou et al., (2017) Cell 169, 1090-1104.e1013.; Lu et al. (2010) Nature 466, 508-512.; Sin et al. (2012). Genes Dev 26, 2737-2748.). CHD5, a chromatin remodeler, plays a role in sperm head development through H4 hyperacetylation and transcriptional regulation. After H4 hyperacetylation, BRDT recognizes H4K5/K8 acetylation at the hyperacetylated H4 end via the BD1 domain and participates in histone removal and transcriptional regulation together with chromatin remodelers. The recognition of acetylated chromatin via BD1 is strengthened by the interaction of the bromodomain with DNA. Furthermore, PA200, one of the units of sperm proteasome, is required for acetylation-mediated degradation of histones during sperm maturation (Qian et al. (2013) Cell 153, 1012-1024).

しかし、精子成熟過程の間、ヒストン除去に対する分子機構に対する研究は充分ではなく、これに対する究明及びこれを根拠とした男性生殖系薬物開発技術が必要である。 However, there is insufficient research into the molecular mechanisms of histone removal during sperm maturation, and there is a need to clarify this and develop drug technologies for the male reproductive system based on this.

本願は、精子形成過程でヒストンH3K14に対するPHF7 E3ユビキチンリガーゼ活性調節機構に基づいた精子核凝縮抑制剤スクリーニング方法を提供しようとする。 This application aims to provide a method for screening for sperm nuclear condensation inhibitors based on the mechanism of regulation of PHF7 E3 ubiquitin ligase activity against histone H3K14 during spermatogenesis.

一様態で、本願は、PHF7(PHD finger protein 7)及びBRDT(Bromodomain testis-specific)タンパク質を(過)発現する真核細胞を提供する段階;前記細胞をPHF7のヒストン3(H3)の14番目リシン残基に対するユビキチン化活性を抑制すると期待される試験物質と接触する段階;前記接触後、前記細胞で前記H3タンパク質のユビキチン化程度を測定する段階;及び前記測定する段階で前記試験物質と接触した細胞で、接触されなかった細胞と比較して、前記H3のユビキチン化が増加した場合、前記試験物質を精子クロマチン凝縮に必要なヒストン-プロタミン交換抑制剤として選別する段階を含む、精子クロマチン凝縮抑制剤スクリーニング方法を提供する。 In one embodiment, the present application provides a method for screening a sperm chromatin condensation inhibitor, comprising the steps of: providing a eukaryotic cell that (over)expresses PHF7 (PHD finger protein 7) and BRDT (Bromdomain testis-specific) protein; contacting the cell with a test substance expected to inhibit the ubiquitination activity of PHF7 on the 14th lysine residue of histone 3 (H3); measuring the degree of ubiquitination of the H3 protein in the cell after the contact; and, if the ubiquitination of the H3 protein is increased in the cells contacted with the test substance compared to the cells not contacted with the test substance in the measuring step, selecting the test substance as a histone-protamine exchange inhibitor required for sperm chromatin condensation.

一実現例で、本願に係る方法に使われる細胞としては、PHF7を(過)発現する様々な細胞が使われることができる。一実現例で、前記細胞は、PHF7が過発現したHEK(Human Embroynic Kidney)293T細胞である。 In one embodiment, the cells used in the method of the present application may be any cell that (over)expresses PHF7. In one embodiment, the cells are HEK (Human Embryonic Kidney) 293T cells that overexpress PHF7.

本願に係る方法の一実現例で、細胞は、ヒトを除いた動物モデルとして提供されるもので、前記測定する段階で、前記動物モデルの凝縮型精細胞(spermatid)でBRDTタンパク質のユビキチン化または前記BRDTタンパク質の濃度を測定するのを追加で含み、前記BRDTタンパク質ユビキチン化が前記試験物質で処理されなかった細胞と比較して増加するか、または前記BRDTタンパク質の濃度が前記試験物質で処理されなかった細胞と比較して減少した場合、前記試験物質を精子核凝縮に必要なヒストン-クロマチン交換抑制剤として選別する段階を含む。 In one embodiment of the method of the present application, the cells are provided as a non-human animal model, and the measuring step further includes measuring the ubiquitination of the BRDT protein or the concentration of the BRDT protein in condensed sperm cells (spermatids) of the animal model, and if the ubiquitination of the BRDT protein increases compared to cells not treated with the test substance, or the concentration of the BRDT protein decreases compared to cells not treated with the test substance, the test substance is selected as a histone-chromatin exchange inhibitor required for sperm nuclear condensation.

本願に係る方法によりスクリーニングされた精子核凝縮抑制剤の候補物質は、男性避妊薬として効果的に開発できる。 Candidate substances for sperm nuclear condensation inhibitors screened using the method of the present application can be effectively developed as male contraceptives.

本願で究明された機構に基づいたスクリーニング方法及びこれにより究明された物質は、ヒストンH3K14に対するPHF7 E3ユビキチンリガーゼ活性を抑制することができて、BRDTの転写調節機能に影響を与えないながらも、BRDTの安定化を妨げることによって、これの濃度を減少させてヒストン除去においてこれの機能を効果的に抑制することができて、これは精子の発生を抑制することができて、このような機構を介して究明された物質を利用したPHF7の特異的な抑制は、男性避妊剤として効果的に使われることができる。 The screening method based on the mechanism identified in the present application and the substances identified thereby can inhibit PHF7 E3 ubiquitin ligase activity against histone H3K14, and while not affecting the transcriptional regulatory function of BRDT, they can effectively inhibit its function in histone removal by preventing the stabilization of BRDT and reducing its concentration, thereby inhibiting spermatogenesis. Specific inhibition of PHF7 using the substances identified through such a mechanism can be effectively used as a male contraceptive.

特に従来にBRDT、BRD2、3及び4が属するBRDファミリーの抑制剤であるチエノトリアゾロジアゼピンJQ1(CAS Number:1268524-70-4)は、マウスでBRDTを標的することで男性避妊薬として提示されたことがある。しかし、JQ1は身体全般的に発現するBRD2、3、4を抑制して副作用の危険がある。BRDTが精子形成過程初期から役割を果たす反面、本願でその機構に究明されたPHF7は、減数分裂後精細胞で優勢に発現して精子形成過程後期に作用するため、BRDTを標的にする場合より副作用が少ないことがある。またPHF7のE3ユビキチンリガーゼ活性は、精子成熟過程に必要であるため、PHF7は、男性不妊検査の診断マーカーとして使われることができる。 In particular, thienotriazolodiazepine JQ1 (CAS Number: 1268524-70-4), an inhibitor of the BRD family, which includes BRDT, BRD2, 3, and 4, has been proposed as a male contraceptive by targeting BRDT in mice. However, JQ1 has the risk of side effects as it inhibits BRD2, 3, and 4, which are expressed throughout the body. While BRDT plays a role from the early stages of spermatogenesis, PHF7, the mechanism of which has been elucidated in this application, is predominantly expressed in post-meiotic sperm cells and acts at the later stages of spermatogenesis, which may result in fewer side effects than when BRDT is targeted. In addition, since the E3 ubiquitin ligase activity of PHF7 is necessary for the sperm maturation process, PHF7 can be used as a diagnostic marker for male infertility testing.

Phf7tKO雄マウスは精子発生欠陥を示すという結果である。(A)マウス精子発生過程の図式。(B)異なる年齢のマウスの精巣で相対的なPhf mRNAレベル。(C)異なる年齢のマウスの精巣でPHF7タンパク質レベル。(D)8週齢対照群とPhf7tKOマウスの精巣細胞でPHF7タンパク質レベル。(E)野生型雌マウスと交配した対照群及びPhf7tKO雄マウスの受精能力。(F)ヘマトキシリン-PAS染色を利用した対照群及びPhf7tKOマウスの精巣組織分析。(G)ヘマトキシリン-エオシン染色を利用した対照群及びPhf7tKOマウスの副睾丸組織分析。(H)対照群及びPhf7tKOマウスの精子の位相差顕微鏡イメージ。(I)対照群及びPhf7tKOマウス精子の運動性。(J)試験管受精アッセイ。対照群及びPhf7tKOマウス精子の相対的受精能力。(K)対照群及びPhf7tKOマウス精子の共焦点顕微鏡イメージ。(L)ヒストンH2A、TH2B、H3、H4抗体を利用した対照群及びPhf7tKOマウス精子の共焦点顕微鏡イメージ。(M)対照群及びPhf7tKOマウス精子抽出液のヒストンとプロタミンタンパク質レベル。(N)対照群及びPhf7tKOマウス精巣切片でH3、PRM2抗体を利用した免疫染色。矢印は、H3とPRM2が共に発現する凝縮型精細胞を示す。(O)対照群及びPhf7tKOマウス精細胞抽出液で行った免疫ブロット分析。The results show that Phf7 tKO male mice show spermatogenesis defects. (A) Schematic of mouse spermatogenesis. (B) Relative Phf mRNA levels in the testes of mice at different ages. (C) PHF7 protein levels in the testes of mice at different ages. (D) PHF7 protein levels in testicular cells of 8-week-old control and Phf7 tKO mice. (E) Fertility of control and Phf7 tKO male mice mated with wild-type female mice. (F) Testicular tissue analysis of control and Phf7 tKO mice using hematoxylin-PAS staining. (G) Epididymal tissue analysis of control and Phf7 tKO mice using hematoxylin-eosin staining. (H) Phase contrast microscope images of sperm from control and Phf7 tKO mice. (I) Motility of sperm from control and Phf7 tKO mice. (J) Test tube fertilization assay. Relative fertilization ability of control and Phf7 tKO sperm. (K) Confocal microscopy images of control and Phf7 tKO sperm. (L) Confocal microscopy images of control and Phf7 tKO sperm using histone H2A, TH2B, H3, and H4 antibodies. (M) Histone and protamine protein levels in control and Phf7 tKO sperm extracts. (N) Immunostaining of control and Phf7 tKO testis sections using H3 and PRM2 antibodies. Arrows indicate condensed sperm cells co-expressing H3 and PRM2. (O) Immunoblot analysis performed on control and Phf7 tKO sperm cell extracts. PHF7はヒストンH3の14番リシンに対するE3ユビキチンリガーゼであることを究明した結果である。(A)対照群及びPhf7tKOマウス精巣細胞抽出液で行った免疫ブロット分析。H3免疫ブロットの長時間露出データは、25kDaの下の移動したH3バンドを含む。(B)対照群及びPhf7tKOマウス精巣細胞抽出液で行った免疫沈降分析。(C)Flag-PHF7とHismax-UbをHEK293T細胞にトランスフェクションした後の免疫ブロット分析。(D)E.coliで精製したPHF7と組換えヌクレオソームを利用したE2スクリーニングに対するin vitroユビキチン化アッセイ。ヒストンユビキチン化の相対的レベルは、各免疫ブロットの下に表示。(E)異なる反応時間で進行したヌクレオソームのin vitroユビキチン化アッセイ。H3ユビキチン化の相対的レベルは、H3免疫ブロットの下に表示。(F)Ubの有無に応じだGST-H3欠失突然変異を利用したin vitroユビキチン化アッセイ。H3ユビキチン化比率は、GST免疫ブロットの下に表記。星印(*)は、H3のポリユビキチン化を示す。(G)HEK293T細胞でHA-PHF7とH3-Flag KR突然変異をトランスフェクションした後進行したH3ユビキチン化残基に対するスクリーニング。(H)H3-Flag WTとK14R突然変異を過発現HEK293T細胞で得たヒストン抽出物を利用したin vitroユビキチン化アッセイ。Figure 1 shows that PHF7 is an E3 ubiquitin ligase for lysine 14 of histone H3. (A) Immunoblot analysis performed on control and Phf7 tKO mouse testis cell extracts. Long exposure data of H3 immunoblot includes H3 band migrating below 25 kDa. (B) Immunoprecipitation analysis performed on control and Phf7 tKO mouse testis cell extracts. (C) Immunoblot analysis after transfection of Flag-PHF7 and Hismax-Ub into HEK293T cells. (D) In vitro ubiquitination assay for E2 screening using E. coli purified PHF7 and recombinant nucleosomes. Relative levels of histone ubiquitination are indicated below each immunoblot. (E) In vitro ubiquitination assay of nucleosomes proceeded for different incubation times. Relative levels of H3 ubiquitination are indicated below the H3 immunoblot. (F) In vitro ubiquitination assay using GST-H3 deletion mutants in the presence or absence of Ub. H3 ubiquitination ratios are indicated below the GST immunoblot. Asterisks (*) indicate polyubiquitination of H3. (G) Screening for advanced H3 ubiquitin residues after transfection of HEK293T cells with HA-PHF7 and H3-Flag KR mutant. (H) In vitro ubiquitination assay using histone extracts from HEK293T cells overexpressing H3-Flag WT and K14R mutant. Phf7酵素活性がないC160Aノックインマウスは、精子形成過程とH3ユビキチン化に欠陥を示すことを究明した結果である。(A)PHF7 WT、ΔPHD、ΔRING突然変異の図式。HEK293T細胞でFlag-PHF7 WT、ΔPHD、ΔRINGのE3ユビキチンリガーゼ活性比較。(B)と(C)HEK293T細胞でPHF7のPHDドメイン突然変異(B)とRINGドメイン突然変異(C)のE3ユビキチンリガーゼ活性の欠陥。(D)GST-PHF7のRINGドメイン突然変異体を利用したin vitroユビキチン化アッセイ。(E)Phf7 C160A KIマウスに対する図式。KI対立遺伝子は、BamH I(GGATTC)とAfe I(AGCGCT)の制限部位を有する。(F)野生型雌マウスと交配した対照群及びPhf7CA/CA雄マウスの受精能力。(G)対照群及びPhf7CA/CA雄マウス精子の運動性。(H)IVFアッセイ。対照群及びPhf7CA/CA雄マウス精子の受精能力。(I)対照群及びPhf7CA/CA雄マウス精子の共焦点顕微鏡イメージ。(J)対照群及びPhf7CA/CA雄マウス精子でヒストンH2A、TH2B、H3、H4を免疫染色した共焦点顕微鏡イメージ。(K)対照群及びPhf7CA/CA雄マウス精巣切片でH3抗体とPRM2抗体を利用した免疫染色の共焦点顕微鏡イメージ。矢印は、H3とPRM2が共に発現する凝縮型精細胞を示す。(L)対照群及びPhf7CA/CA雄マウス精細胞抽出液で行った免疫ブロット分析。(M)対照群及びPhf7CA/CA雄マウス精巣細胞抽出液で行った免疫ブロット分析。H3免疫ブロットの長時間露出データは、25kDaの下のH3ubバンドを含む。We found that C160A knock-in mice lacking Phf7 enzyme activity exhibit defects in spermatogenesis and H3 ubiquitination. (A) Schematic of PHF7 WT, ΔPHD, and ΔRING mutants. Comparison of E3 ubiquitin ligase activity of Flag-PHF7 WT, ΔPHD, and ΔRING in HEK293T cells. (B) and (C) Defects in E3 ubiquitin ligase activity of PHF7 PHD domain mutant (B) and RING domain mutant (C) in HEK293T cells. (D) In vitro ubiquitination assay using GST-PHF7 RING domain mutants. (E) Schematic of Phf7 C160A KI mice. The KI allele has the restriction sites BamH I (GGATTC) and Afe I (AGCGCT). (F) Fertility of control and Phf7 CA/CA male mice mated with wild-type female mice. (G) Motility of control and Phf7 CA/CA male sperm. (H) IVF assay. Fertility of control and Phf7 CA/CA male sperm. (I) Confocal microscope images of control and Phf7 CA/CA male sperm. (J) Confocal microscope images of immunostaining of histones H2A, TH2B, H3, and H4 in control and Phf7 CA/CA male sperm. (K) Confocal microscope images of immunostaining of testis sections of control and Phf7 CA / CA male mice using H3 and PRM2 antibodies. Arrows indicate condensed spermatids in which H3 and PRM2 are co-expressed. (L) Immunoblot analysis performed on control and Phf7 CA/CA male mouse sperm cell extracts. (M) Immunoblot analysis performed on control and Phf7 CA/CA male mouse testis cell extracts. Long exposure data of H3 immunoblot includes H3ub band below 25 kDa. PHF7のE3ユビキチンリガーゼ活性は、H4過アセチル化以後ヒストン除去に必要であることを究明した結果である。(A及びB)単一細胞RNAシーケンシングから得た命名された細胞類型別に色で表記された二つの遺伝子型のマウスから得た精巣細胞に対するt-SNE分析(A)とすべての細胞における非常に多様な遺伝子の補正された発現レベル(B)。ヒートマップにあるすべての遺伝子と細胞は、Euclidean distanceを利用して分類された。各細胞のメタデータは、ヒートマップ上に表記された(遺伝子型、Phf7f/f、灰色;Phf7tKO、赤色とt-SNE分析に使われた細胞類型)。(C)対照群及びPhf7tKOマウスの精巣細胞でTnp1/2とPrm1/2の相対的mRNAレベル。(D)対照群及びPhf7tKOマウスの精細胞抽出物で行われたTNPs及びPRMsに対する免疫ブロット分析。(E)対照群及びPhf7CA/CAマウスの精細胞抽出物で行われたTNPs及びPRMsに対する免疫ブロット分析。(F)対照群及びPhf7tKOマウスの精細胞抽出物で行われたH4ac及びH4に対する免疫ブロット分析。(G)対照群及びPhf7CA/CAマウスの精細胞抽出物で行われたH4ac及びH4に対する免疫ブロット分析。(H)各遺伝子型のマウスの精巣切片でH4ac抗体、PRM2抗体を利用して行われた免疫染色に対する共焦点顕微鏡イメージ。(I)H4過アセチル化以後ヒストン除去でPHF7の機能に対する図式モデル。We found that the E3 ubiquitin ligase activity of PHF7 is required for histone removal following H4 hyperacetylation. (A and B) t-SNE analysis of testicular cells from two mouse genotypes, with the designated cell types colored according to single-cell RNA sequencing (A) and the corrected expression levels of highly divergent genes in all cells (B). All genes and cells in the heatmap were sorted using Euclidean distance. Metadata for each cell is labeled on the heatmap (genotype, Phf7 f/f , gray; Phf7 tKO , red and cell type used in t-SNE analysis). (C) Relative mRNA levels of Tnp1/2 and Prm1/2 in testicular cells from control and Phf7 tKO mice. (D) Immunoblot analysis for TNPs and PRMs performed on sperm cell extracts from control and Phf7 tKO mice. (E) Immunoblot analysis for TNPs and PRMs performed on sperm cell extracts from control and Phf7 CA/CA mice. (F) Immunoblot analysis for H4ac and H4 performed on sperm cell extracts from control and Phf7 tKO mice. (G) Immunoblot analysis for H4ac and H4 performed on sperm cell extracts from control and Phf7 CA/CA mice. (H) Confocal microscopy images of immunostaining with H4ac and PRM2 antibodies on testis sections from mice of each genotype. (I) Schematic model of the function of PHF7 in H4 hyperacetylation followed by histone removal. PHF7は、初期凝縮型精細胞でBRDTのレベルを維持するのに役割をすることを究明した結果である。(AとB)Phf7f/f及びPhf7tKOマウス(A)、Phf7+/CA及びPhf7CA/CAマウス(B)の精細胞でBRDTのタンパク質レベルと相対的mRNAレベル。(CとD)Phf7f/f及びPhf7tKOマウス(C)、Phf7+/CA及びPhf7CA/CAマウス(D)の精巣切片でH4ac抗体とBRDT抗体を利用した免疫染色の共焦点顕微鏡イメージ。ローマ数字は、洗浄管の精子形成過程段階を示す。(E)伸長型あるいは凝縮型精細胞の核でH4ac及びBRDTが染色された比率に対する定量化。The results indicate that PHF7 plays a role in maintaining the level of BRDT in early condensed spermatids. (A and B) Protein and relative mRNA levels of BRDT in spermatids from Phf7 f/f and Phf7 tKO mice (A), Phf7 +/CA and Phf7 CA /CA mice (B). (C and D) Confocal microscopy images of immunostaining with H4ac and BRDT antibodies in testis sections from Phf7 f/f and Phf7 tKO mice (C), Phf7 +/CA and Phf7 CA/CA mice (D). Roman numbers indicate the stages of spermatogenesis in the lavage duct. (E) Quantification of the percentage of H4ac and BRDT staining in the nuclei of elongated or condensed spermatids. PHF7のE3ユビキチンリガーゼ活性は、BRDTの安定性を調節することを究明した結果である。(A)Phf7Flag/+マウスの精巣切片でBRDT抗体とFlag抗体を利用した免疫染色の共焦点顕微鏡イメージ。ローマ数字は、洗浄管の精子形成過程段階を示す。矢印は、BRDTとFlag-PHF7が共に発現する精細胞の核を示す。(B)BETファミリーの保存されたSPOPデグロン(D)配列。(C)HEK293T細胞にFlag-BRDT(1-555アミノ酸)野生型とΔD突然変異体をトランスフェクション後、MG132処理有無に応じた免疫ブロット分析。(D)HEK293T細胞にFlag-BRDT、SPOP、PHF7の野生型とC160A突然変異体をトランスフェクション後行った免疫ブロット分析。(E)Phf7f/f、Phf7tKO、Phf7+/CA、Phf7CA/CAマウスの精細胞でSPOP、Cul3、BRD4、PTENのタンパク質レベル。(F)HEK293T細胞にFlag-BRDT、SPOP、PHF7野生型とC160A突然変異体をトランスフェクション及びMG132処理後行ったユビキチン化アッセイ。(G)トランスフェクションしたHEK293T細胞でHAあるいはPHF7抗体及びFlag抗体で免疫染色した共焦点顕微鏡イメージ。(H)BRDT、SPOP-Cul3-Rbx1、PHF7を利用したin vitroユビキチン化アッセイ。We determined that the E3 ubiquitin ligase activity of PHF7 regulates the stability of BRDT. (A) Confocal microscopy images of immunostaining with BRDT and Flag antibodies in testis sections from Phf7 Flag/+ mice. Roman numerals indicate the stages of spermatogenesis in the lavage duct. Arrows indicate the nuclei of spermatids in which BRDT and Flag-PHF7 are co-expressed. (B) Conserved SPOP degron (D) sequence in the BET family. (C) Immunoblot analysis of HEK293T cells transfected with Flag-BRDT (1-555 amino acids) wild type and ΔD mutant in the presence or absence of MG132 treatment. (D) Immunoblot analysis of HEK293T cells transfected with Flag-BRDT, SPOP, and PHF7 wild type and C160A mutant. (E) Protein levels of SPOP, Cul3, BRD4, and PTEN in spermatids from Phf7 f/f , Phf7 tKO , Phf7 +/CA , and Phf7 CA/CA mice. (F) Ubiquitination assays performed after transfection of Flag-BRDT, SPOP, PHF7 wild-type and C160A mutant into HEK293T cells and treatment with MG132. (G) Confocal microscopy images of transfected HEK293T cells immunostained with HA or PHF7 antibodies and Flag antibodies. (H) In vitro ubiquitination assays using BRDT, SPOP-Cul3-Rbx1, and PHF7. PHF7-媒介ヒストンユビキチン化は、BRDTのユビキチン化を弱化させることを究明した結果である。(A)HEK293T細胞で行ったBRDTとPHF7の免疫沈降実験。(B)E.coli由来GST-BRDTとH3ubあるいはH4acを含んだビオチン化されたヌクレオソームとストレプトアビジンビーズを利用したin vitroプルダウンアッセイ。プルダウンされたGST-BRDTの相対的比率は、免疫ブロットの下に表記される。(C)BRDT、SPOP-Cul3-Rbx1、修飾化されたヌクレオソームを利用したin vitroユビキチン化アッセイ。(D)初期凝縮型精細胞(ステップ12)でPHF7-媒介H3ubを介したBRDT安定性調節に対するモデル。We found that PHF7-mediated histone ubiquitination attenuates BRDT ubiquitination. (A) Immunoprecipitation of BRDT and PHF7 in HEK293T cells. (B) In vitro pull-down assay using E. coli-derived GST-BRDT and biotinylated nucleosomes containing H3ub or H4ac and streptavidin beads. The relative percentage of pulled-down GST-BRDT is indicated below the immunoblot. (C) In vitro ubiquitination assay using BRDT, SPOP-Cul3-Rbx1, and modified nucleosomes. (D) A model for regulation of BRDT stability via PHF7-mediated H3ub in early condensed spermatids (step 12). 欠失マウスの作製結果を示す。(A)PHF7遺伝子をターゲットする方法に対する図式。Phf7エクソン4、5、6及び7対立遺伝子(灰色ボックス)とlacZ遺伝子(紫色ボックス)、loxP(緑色矢印)、FRT(青色ボックス)、ネオマイシン選択マーカー(薄緑色ボックス)、ジフテリア毒素遺伝子(DT、空色ボックス)を含んだターゲッティングベクター。(B)Phf7f/f及びPhf7tKOマウスの精巣イメージと体重対比精巣の重さに対する比率。エラーバーは平均±SDを示す。(CとD)Phf7f/f及びPhf7tKOマウスの精巣切片でH3(緑色)、PRM1(赤色、C)、TNP2(赤色、D)、DAPI(青色)に対する免疫染色の共焦点顕微鏡イメージ。矢印は、PRM1やTNP2がH3と共同発現を表す精細胞を示す。The results of generating PHF7-deficient mice are shown. (A) Schematic of the method for targeting the PHF7 gene. The targeting vector contains Phf7 exon 4, 5, 6, and 7 alleles (gray box) and the lacZ gene (purple box), loxP (green arrow), FRT (blue box), neomycin selection marker (light green box), and diphtheria toxin gene (DT, light blue box). (B) Images of testes and the ratio of testes weight to body weight of Phf7 f/ f and Phf7 tKO mice. Error bars indicate mean ± SD. (C and D) Confocal microscopy images of immunostaining for H3 (green), PRM1 (red, C), TNP2 (red, D), and DAPI (blue) in testicular sections of Phf7 f/f and Phf7 tKO mice. Arrows indicate sperm cells expressing PRM1 and TNP2 co-expressed with H3. H3K14ubに対するLC-MS/MS分析結果を示す。(A)In vitroで変形されたヒストンH3タンパク質を利用したLC-MS/MS分析。表記されたペプチド配列と変形に該当するMS/MS分析スペクトル。(B)LC-MS/MS分析で命名されたペプチド配列に対するペプチドスペクトルマッチ(PSM)の個数差。二回繰り返された実験でPHF7過発現と対照群サンプルが表記される。(C)Phf7f/f及びPhf7tKOマウスの精巣の間でユビキチン化されたH2A及びH2Bタンパク質に対するLC-MS/MS分析。LC-MS/MS analysis results for H3K14ub are shown. (A) LC-MS/MS analysis using in vitro modified histone H3 proteins. Peptide sequences and MS/MS analysis spectra corresponding to the modifications are indicated. (B) Difference in the number of peptide spectral matches (PSMs) for peptide sequences named in LC-MS/MS analysis. PHF7 overexpression and control samples from two repeated experiments are indicated. (C) LC-MS/MS analysis of ubiquitinated H2A and H2B proteins in the testes of Phf7 f/f and Phf7 tKO mice. Phf7CA/CAマウスの分析結果を示す。(A)Phf7+/CA及びPhf7CA/CAマウス精巣切片のヘマトキシリン-PAS染色。(B)Phf7+/CA及びPhf7CA/CAマウスの副睾丸切片のヘマトキシリン-エオシン染色。(C)Phf7+/CA及びPhf7CA/CAマウス精子の位相差顕微鏡イメージ。(DとE)Phf7+/CA及びPhf7CA/CAマウスの精巣切片でH3(緑色)、PRM1(赤色、D)、TNP2(赤色、E)、DAPI(青色)に対する免疫染色の共焦点顕微鏡イメージ。矢印は、PRM1あるいはTNP2がH3と共同発現する精細胞を示す。Analysis of Phf7 CA/CA mice. (A) Hematoxylin-PAS staining of Phf7 +/CA and Phf7 CA/CA mouse testis sections. (B) Hematoxylin-eosin staining of Phf7 +/CA and Phf7 CA/CA mouse epididymis sections. (C) Phase contrast microscopy images of Phf7 +/CA and Phf7 CA/ CA mouse sperm. (D and E) Confocal microscopy images of immunostaining for H3 (green), PRM1 (red, D), TNP2 (red, E), and DAPI (blue) in Phf7 +/CA and Phf7 CA/CA mouse testis sections. Arrows indicate sperm cells in which PRM1 or TNP2 is co-expressed with H3. 単一細胞RNAシーケンシングは、PHF7-欠失マウスは野生型マウスと類似の転写体プロファイルを有することを示す。(A)グラフ基盤クラスターで色塗りされたUMAPプロット。(B)UMAPプロット上に分布したマウス細胞。赤点は、各プロットで各サンプルから由来した細胞を示す。(C)UMAPプロット上のマーカー遺伝子の補正された発現レベル。(D)細胞内UMI(Unique Molecular Identifier)の総個数の分布。Single-cell RNA sequencing shows that PHF7-deficient mice have a similar transcript profile to wild-type mice. (A) UMAP plots with graph-based cluster coloring. (B) Mouse cells distributed on the UMAP plots. Red dots indicate cells derived from each sample in each plot. (C) Corrected expression levels of marker genes on the UMAP plots. (D) Distribution of the total number of cellular Unique Molecular Identifiers (UMIs). Phf7が壊れたマウスの凝縮型精細胞には、H4アセチル化が非正常的に残っていることを示す。(A)精子形成周期で精子成熟過程の図式。アラビア数字は、精子成熟過程のステップ(1-16)を示す。円形精細胞(ステップ1-8)、伸長型精細胞(ステップ9-11)、凝縮型精細胞(ステップ12-13)、凝縮後精細胞(ステップ14-16)。(BとC)Phf7f/f、Phf7tKO(B)、Phf7+/CA及びPhf7CA/CA(C)マウスの精巣切片上でH4ac(緑色)、PNA(赤色)、及びDAPI(青色)に対する染色の共焦点顕微鏡イメージ。ローマ数字は、洗浄管内で精子形成ステップ(I-XII)を示す。Phf7-disrupted mice show abnormal residual H4 acetylation in condensed spermatids. (A) Schematic of sperm maturation during the spermatogenesis cycle. Arabic numbers indicate steps (1-16) of sperm maturation: round spermatids (steps 1-8), elongating spermatids (steps 9-11), condensed spermatids (steps 12-13), and postcondensed spermatids (steps 14-16). (B and C) Confocal microscopy images of staining for H4ac (green), PNA (red), and DAPI (blue) on testis sections from Phf7 f/f , Phf7 tKO (B), Phf7 +/CA , and Phf7 CA/CA (C) mice. Roman numbers indicate spermatogenesis steps (I-XII) in the wash tube. 精巣切片でPRM1あるいはTNP2とH4acの共同免疫染色結果で、図4と関連した結果である。(A)Phf7f/f、Phf7tKO、Phf7+/CA及びPhf7CA/CAマウス精巣切片上のH4ac(赤色)、PRM1(緑色)、DAPI(青色)に対する免疫染色の共焦点顕微鏡イメージ。(B)Phf7f/f、Phf7tKO、Phf7+/CA及びPhf7CA/CAマウス精巣切片上のH4ac(赤色)、TNP2(緑色)、DAPI(青色)に対する免疫染色の共焦点顕微鏡イメージ。Co-immunostaining of PRM1 or TNP2 with H4ac in testis sections, results related to Fig. 4. (A) Confocal microscopy images of immunostaining for H4ac (red), PRM1 (green), and DAPI (blue) on testis sections from Phf7 f/ f , Phf7 tKO , Phf7 +/CA , and Phf7 CA /CA mice. (B) Confocal microscopy images of immunostaining for H4ac (red), TNP2 (green), and DAPI (blue) on testis sections from Phf7 f/f , Phf7 tKO , Phf7 +/CA , and Phf7 CA/CA mice. Flag-PHF7ノックインマウスの作製を示す。(A)Flag-PHF7 knock-in miceに対する図式。PHF7エクソン2対立遺伝子(灰色ボックス)、3xFlag(赤色)、3xFlag(赤色)、スペーサー(橙色)、沈黙突然変異(空色)を含むノックイン(knock-in)配列。(B)Phf7+/+(野生型)及びPhf7Flag/+マウスの精巣細胞抽出物でFlag-PHF7のタンパク質レベル。星印(*)は、非特異的バンドを示す。(C)Phf7Flag/+マウス精巣切片のFlag(緑色)、PNA(赤色)、DAPI(青色)に対する免疫染色の共焦点顕微鏡イメージ。ローマ数字は、洗浄管内で精子形成段階(I-XII)を示す。(D)Phf7Flag/+マウス精巣切片のFlag(緑色)、DAPI(青色)に対する免疫染色の共焦点顕微鏡イメージ。(E)Phf7Flag/+マウス精巣切片のFlag(緑色)、H4ac(赤色)、DAPI(青色)に対する免疫染色の共焦点顕微鏡イメージ。ローマ数字は、洗浄管内で精子形成段階(I-XII)を示す。矢印は、Flag-PHF7とH4acが共同発現する精細胞を示す。Generation of Flag-PHF7 knock-in mice. (A) Schematic for Flag-PHF7 knock-in mice. The knock-in sequence includes PHF7 exon 2 allele (gray box), 3xFlag (red), 3xFlag (red), spacer (orange), and silent mutation (light blue). (B) Protein levels of Flag-PHF7 in testicular cell extracts from Phf7 +/+ (wild type) and Phf7 Flag/+ mice. Asterisks (*) indicate nonspecific bands. (C) Confocal microscopy images of immunostaining for Flag (green), PNA (red), and DAPI (blue) in Phf7 Flag/+ mouse testis sections. Roman numerals indicate spermatogenic stages (I-XII) in the lavage tube. (D) Confocal microscopy images of Phf7 Flag/+ mouse testis sections immunostained for Flag (green) and DAPI (blue). (E) Confocal microscopy images of Phf7 Flag/+ mouse testis sections immunostained for Flag (green), H4ac (red), and DAPI (blue). Roman numerals indicate spermatogenic stages (I-XII) in the lavage duct. Arrows indicate spermatids co-expressing Flag-PHF7 and H4ac.

本願は、PHF7(PHD finger protein 7)が、精子成熟過程でヒストン除去因子であるBRDT(Bromodomain testis-specific)の安定性維持に重要であるとの発見に基づいたものである。精子形成過程は、体細胞分裂、減数分裂、及び精子成熟過程を含む精子を作る複雑な過程である。このうち精子成熟過程の間、減数分裂後精細胞(spermatid)のクロマチンからヒストンが除去されてプロタミンに代替される。このような精子形成過程でヒストン-プロタミン交換は、精子核凝縮に重要であるにも関わらず、その研究が十分ではなく、これに対する調節機構に究明が必要である。 This application is based on the discovery that PHF7 (PHD finger protein 7) is important for maintaining the stability of BRDT (bromodoma testis-specific), a histone removal factor, during sperm maturation. Spermatogenesis is a complex process that produces sperm, including somatic cell division, meiosis, and sperm maturation. During sperm maturation, histones are removed from the chromatin of post-meiotic spermatids and replaced with protamine. Although histone-protamine exchange during spermatogenesis is important for sperm nuclear condensation, it has not been sufficiently studied, and the regulatory mechanism behind this is needed to be elucidated.

本願では、具体的にPHF7タンパク質が減数分裂後精細胞でヒストンH3の14番目リシン(K14)残基に対するE3ユビキチンリガーゼとして作用して、このようなPHF7によるヒストンユビキチン化は、ヒストン除去因子であるBRDTのタンパク質量を増加させることで、PHF7タンパク質がヒストン-プロタミン交換を調節するクロマチン凝縮の重要な後成遺伝学的因子との発見に基づいたものである。 Specifically, this application is based on the discovery that the PHF7 protein acts as an E3 ubiquitin ligase for the 14th lysine (K14) residue of histone H3 in post-meiotic sperm cells, and that such histone ubiquitination by PHF7 increases the amount of BRDT, a histone removal factor, and thus the PHF7 protein is an important epigenetic factor for chromatin condensation that regulates histone-protamine exchange.

具体的に本願では、PHF7欠失マウスとE3ユビキチンリガーゼ活性が壊れたPhf7 C160A突然変異マウスを作製して、このマウスが初期凝縮型精細胞でヒストン除去因子BRDTの調節異常でヒストン-プロタミン交換の欠乏と精子成熟過程に異常を示すことを明らかにした。また、マウスの精細胞でヒストン除去因子BRDTのタンパク質量が減少して、免疫ブロット及び組織免疫染色を介して特定発生時期でBRDTの発現量の差を確認した。また、本願ではPHF7のE3ユビキチンリガーゼのヒストンユビキチン化に対する活性が、BRDTのユビキチン化を抑制させることによって、BRDTの安定化、即ち濃度増加に寄与することを究明した。 Specifically, this application created PHF7-deficient mice and Phf7 C160A mutant mice with disrupted E3 ubiquitin ligase activity, and revealed that these mice exhibited deficiencies in histone-protamine exchange and abnormalities in the sperm maturation process due to dysregulation of the histone removal factor BRDT in early condensed sperm cells. In addition, the protein amount of the histone removal factor BRDT was reduced in mouse sperm cells, and differences in the expression level of BRDT at specific developmental stages were confirmed through immunoblotting and tissue immunostaining. This application also revealed that the activity of PHF7's E3 ubiquitin ligase for histone ubiquitination contributes to the stabilization of BRDT, i.e., increased concentration, by suppressing BRDT ubiquitination.

そこで、PHF7の欠陥または発現または活性の抑制は、14番目リシン残基がユビキチン化されたヒストン3(H3K14ub)の欠乏を誘導して、続いて初期凝縮型精細胞でBRDTタンパク質量を減少させて、ヒストンがプロタミンに代替されず、残っている非正常的な精子の発生を誘導させることができる。 Therefore, deficiency or inhibition of expression or activity of PHF7 induces a deficiency of histone 3 with ubiquitinated lysine residue 14 (H3K14ub), which in turn reduces the amount of BRDT protein in early condensed spermatids, resulting in the development of abnormal spermatozoa in which histones are not replaced by protamine and remain.

そこで一様態で、本願はPHF7を標的とする精子クロマチン凝縮に必要なヒストン-プロタミン交換抑制剤として選別する段階を含む、精子クロマチン凝縮抑制剤スクリーニング方法を提供する。 Therefore, in one aspect, the present application provides a method for screening a sperm chromatin condensation inhibitor, which includes a step of selecting PHF7 as a histone-protamine exchange inhibitor required for sperm chromatin condensation.

体細胞のクロマチンは、ヒストンで構成されている反面、精子クロマチンは、主にアルギニンが豊富なプロタミンで構成されている。精子のさらに凝縮されたクロマチンは、DNA損傷から遺伝体を保護して、父系遺伝体が子孫によく伝達できるようにする。精子成熟過程の間、伸長型(elongated)精細胞のヒストンは、クロマチンから除去されて、転移タンパク質(TNP)に交替されて、最後にプロタミンに交替される(Wang et al.(2019a) Front Genet 10,962.)。このようなヒストン-プロタミン交換に問題がある精子は、核凝縮の失敗で非正常的な形態と減少した運動性を見せて、結果的に受精能力に問題を招く(Wang et al.,(2016).Journal of cellular biochemistry 117,1429-1438)。 While somatic chromatin is composed of histones, sperm chromatin is mainly composed of arginine-rich protamines. The more condensed chromatin of sperm protects the genes from DNA damage and allows the paternal genes to be transmitted well to the offspring. During the sperm maturation process, histones in elongated sperm cells are removed from the chromatin and replaced by transfer protein (TNP), and finally by protamine (Wang et al. (2019a) Front Genet 10, 962.). Sperm with problems in this histone-protamine exchange show abnormal morphology and reduced motility due to failure of nuclear condensation, which ultimately leads to problems in fertility (Wang et al., (2016). Journal of cellular biochemistry 117, 1429-1438).

一実現例で、前記方法は、PHF7及びBRDTを発現する真核細胞を提供する段階;前記細胞をPHF7のヒストン3(H3)の14番目リシン残基に対するユビキチン化活性を抑制すると期待される試験物質と接触または処理する段階;前記試験物質で処理された細胞でBRDTタンパク質のユビキチン化程度を測定する段階;及び前記測定する段階において前記試験物質で処理された細胞で、処理されなかった細胞と比較して、前記BRDTのユビキチン化が増加した場合、前記試験物質を男性避妊候補物質として選別する段階を含む。 In one embodiment, the method includes the steps of providing a eukaryotic cell expressing PHF7 and BRDT; contacting or treating the cell with a test substance expected to inhibit the ubiquitination activity of PHF7 at the 14th lysine residue of histone 3 (H3); measuring the degree of ubiquitination of the BRDT protein in the cells treated with the test substance; and, if the measuring step shows increased ubiquitination of the BRDT in the cells treated with the test substance compared to the cells not treated with the test substance, selecting the test substance as a candidate male contraceptive substance.

本願に係る標的であるPHF7は、ヒストンメチルリーダーとして知らされるPHDドメインを有するPHFファミリーの一員で、そのヒト及びマウスのタンパク質及び遺伝子配列は、NCBIに次のように公知されている:PHF7のヒトタンパク質配列:NP_057567.3、遺伝子配列:NC_000003.12、マウスタンパク質配列:NP_082225.1、遺伝子配列:NC_000080.6。 PHF7, the target of this application, is a member of the PHF family that has a PHD domain known as a histone methyl reader, and its human and mouse protein and gene sequences are publicly known by NCBI as follows: human protein sequence of PHF7: NP_057567.3, gene sequence: NC_000003.12, mouse protein sequence: NP_082225.1, gene sequence: NC_000080.6.

従来PHF7遺伝子の瓦解は、精子生成に欠陥をもたらして、H2Aユビキチン化を減少させるとの研究結果がある(Wang et al.,2019b)。しかし、減数分裂後精細胞でPHF7がH3K14ubのE3ユビキチンリガーゼとして作用して精子生成の間ヒストン除去のためにBRDTタンパク質の安定性を維持する結果は本願で初めて究明された。 Previous research has shown that disruption of the PHF7 gene leads to defects in spermatogenesis and reduces H2A ubiquitination (Wang et al., 2019b). However, this study is the first to show that PHF7 acts as an E3 ubiquitin ligase for H3K14ub in post-meiotic sperm cells to maintain the stability of BRDT protein for histone removal during spermatogenesis.

本願で究明されたPHF7 E3ユビキチンリガーゼの基質であるH3は、ヒストンタンパク質である。ヒト及びマウスのH3タンパク質及び遺伝子配列は、NCBIに次のように公知されている:H3のヒトタンパク質配列:NP_003520.1、遺伝子配列:NC_000006.12、マウスタンパク質配列:NP_038578.2、遺伝子配列:NC_000079.6。前記アミノ酸残基の番号を付けるにあたり、通常タンパク質の最初のアミノ酸はMetであるため、本願でヒストンの残基番号はMetを除いてその次のアミノ酸を1番目にしたものである。 H3, the substrate of the PHF7 E3 ubiquitin ligase identified in the present application, is a histone protein. Human and mouse H3 proteins and gene sequences are publicly known from NCBI as follows: human protein sequence of H3: NP_003520.1, gene sequence: NC_000006.12, mouse protein sequence: NP_038578.2, gene sequence: NC_000079.6. In numbering the amino acid residues, since the first amino acid in a protein is usually Met, the histone residue numbers in the present application exclude Met and place the next amino acid thereafter as number 1.

一般的にヒストンタンパク質は、真核細胞でDNAをパッキングして、ヌクレオソームという構造的ユニットを作る塩基性タンパク質である。ヒストンには、H1/H5、H2A、H2B、H3、及びH4の5種類のファミリーがあり、H2A、H2B、H3及びH4は、ヌクレオソームのコアを構成して、H1/H5リンカーヒストンである。コアヒストンはダイマーで存在する。本願に係るPHF7 E3ユビキチンリガーゼは、H3の14番目リシン残基をユビキチン化させる。ユビキチンは、76個のアミノ酸からなるタンパク質で、ユビキチン化されたタンパク質のユビキチンは、タンパク質分解を促進したり他のタンパク質との相互作用を調節する形で自身や他のタンパク質の活性を調節する。 In general, histone proteins are basic proteins that pack DNA in eukaryotic cells to form structural units called nucleosomes. There are five histone families: H1/H5, H2A, H2B, H3, and H4. H2A, H2B, H3, and H4 constitute the core of the nucleosome and are H1/H5 linker histones. Core histones exist as dimers. The PHF7 E3 ubiquitin ligase of the present application ubiquitinates the 14th lysine residue of H3. Ubiquitin is a protein consisting of 76 amino acids, and the ubiquitin of the ubiquitinated protein regulates its own activity and the activity of other proteins by promoting protein degradation and regulating interactions with other proteins.

BRDTは、初期精母細胞で初めて発現して発生時期により様々な機能を有する。精子成熟過程初期から円形精細胞で転写が抑制され始めて、精子ではすべての転写が止まると知らされている。しかし、PHF7との関連性は明らかにされていない。本願では、単一細胞RNAシーケンシングなどの実験によって、PHF7欠失がBRDT転写に影響を与えないことを究明しており、PHF7によるBRDT調節は、転写抑制以後段階に作用する、PHF7がヒストン-プロタミン交換を調節するクロマチン凝縮の重要な後成遺伝学的因子として作用することを究明した。BRDTの配列は、NCBIに次のように公知されている:ヒトタンパク質配列:NP_001717.3、遺伝子配列:NC_000001.11、マウスタンパク質配列:NP_473395.2、遺伝子配列:NC_000071.6。 BRDT is first expressed in early spermatocytes and has various functions depending on the developmental stage. It is known that transcription begins to be repressed in round spermatids from the early stage of sperm maturation, and all transcription stops in sperm. However, the relationship with PHF7 has not been clarified. In this application, we have determined through experiments such as single-cell RNA sequencing that PHF7 deletion does not affect BRDT transcription, and that BRDT regulation by PHF7 acts at a stage after transcription repression, and that PHF7 acts as an important epigenetic factor in chromatin condensation that regulates histone-protamine exchange. The sequence of BRDT is publicly known by NCBI as follows: human protein sequence: NP_001717.3, gene sequence: NC_000001.11, mouse protein sequence: NP_473395.2, gene sequence: NC_000071.6.

本願に係る方法で候補物質を選別するため、試験物質で処理された細胞で前記ヒストンタンパク質のユビキチン化程度を測定する段階を含む。ヒストン3のユビキチン化を測定する方法は公知されていて、例えば本願実施例に記載されたのを参照することができる(Zhang et al.Nat.Commun 8:14799(2017))。前記測定する段階で、前記試験物質で処理された細胞で、処理されなかった細胞と比較して、前記ヒストン3のユビキチン化が増加した場合、前記試験物質を精子クロマチン凝縮に要求されるヒストン-プロタミン交換抑制剤として選別する。 The method of the present application includes a step of measuring the degree of ubiquitination of the histone protein in cells treated with a test substance to select a candidate substance. Methods for measuring the ubiquitination of histone 3 are known, and can be found, for example, in the Examples of the present application (Zhang et al. Nat. Commun 8:14799 (2017)). If the ubiquitination of histone 3 increases in cells treated with the test substance compared to untreated cells in the measuring step, the test substance is selected as a histone-protamine exchange inhibitor required for sperm chromatin condensation.

一実現例で本願に係る方法に使われる細胞は、ヒトまたはマウスを含む哺乳類由来の細胞でPHF7を過発現する真核細胞、例えばPHF7を過発現する確立された細胞株HEK(Human Embryonic Kidney)293Tである。前記確立された細胞株は市中で購入することができる。確立された細胞株で特定遺伝子を過発現する方法は公示されており、例えばヒトPHF7遺伝子をコートするプラスミドを目的する細胞株に伝達移入して使うことができる。しかし、細胞株はこれに制限されず、本願に係る目的を達成できる様々な細胞が使われることができる。 In one embodiment, the cells used in the method of the present application are eukaryotic cells derived from mammals, including humans or mice, that overexpress PHF7, for example, HEK (Human Embryonic Kidney) 293T, an established cell line that overexpresses PHF7. The established cell line can be purchased commercially. Methods for overexpressing a specific gene in an established cell line have been published, for example, a plasmid encoding the human PHF7 gene can be transfected into the desired cell line. However, the cell line is not limited thereto, and various cells that can achieve the objectives of the present application can be used.

他の実現例で、本願に係る方法に使われる細胞は、動物モデル、例えばマウスの一部である。本願に係る方法でマウスが使われる。 In another embodiment, the cells used in the methods of the present application are part of an animal model, such as a mouse. A mouse is used in the methods of the present application.

本願に係る方法で測定する段階で試験物質と接触した細胞で、接触されなかった細胞と比較して、前記H3のユビキチン化が増加した場合、前記試験物質を精子クロマチン凝縮に必要なヒストン-プロタミン交換抑制剤として選別する段階を含む。 The method of the present application includes a step of selecting the test substance as a histone-protamine exchange inhibitor required for sperm chromatin condensation if the ubiquitination of H3 is increased in cells contacted with the test substance compared to cells not contacted with the test substance during the measurement step.

一実現例で、本願に係る方法で細胞は、ヒトを除いた動物モデルとして提供されて、この場合、本願方法の測定する段階で、前記動物、例えばワイルドクイプマウスの精巣細胞でBRDTタンパク質のユビキチン化または前記BRDTタンパク質の濃度を測定するのをヒストンユビキチン化の代わりにまたはこれに追加で含み、前記BRDTタンパク質ユビキチン化が、前記試験物質で処理されなかった細胞と比較して増加したり、または前記BRDTタンパク質の濃度が前記試験物質で処理されなかった細胞と比較して、減少した場合、前記試験物質を精子核凝縮に必要なヒストン-クロマチン交換抑制剤として選別する段階を含む。本願図7及び実施例6等に記載された通り、BRDTのユビキチン化はこれの分解を促進して、その濃度を低くする。従って、本願に係る方法で試験物質によるユビキチン化の増加はBRDTタンパク質の濃度を減少させる。 In one embodiment, the cells in the method of the present application are provided as a non-human animal model, in which case the measuring step of the method of the present application includes measuring BRDT protein ubiquitination or the concentration of the BRDT protein in testicular cells of the animal, for example, a wild-type mouse, instead of or in addition to histone ubiquitination, and if the BRDT protein ubiquitination increases compared to cells not treated with the test substance, or the concentration of the BRDT protein decreases compared to cells not treated with the test substance, the test substance is selected as a histone-chromatin exchange inhibitor required for sperm nuclear condensation. As described in FIG. 7 and Example 6 of the present application, ubiquitination of BRDT promotes its degradation and reduces its concentration. Therefore, in the method of the present application, an increase in ubiquitination by the test substance reduces the concentration of the BRDT protein.

そこで、本願に係る方法でPHF7がヒストン3(H3)の14番目リシン残基に対するユビキチン化活性を抑制することができる候補物質は、窮極的にBRDTのユビキチン化を増加させて、これはBRDT濃度を減少につながり、結果的に精子形成過程でクロマチン凝縮の欠陥を誘導して、精子発生を抑制して男性避妊薬として効果的に使われることができる。 Therefore, a candidate substance that can inhibit the ubiquitination activity of PHF7 on the 14th lysine residue of histone 3 (H3) using the method of the present application ultimately increases the ubiquitination of BRDT, which leads to a decrease in the concentration of BRDT, and as a result, induces defects in chromatin condensation during spermatogenesis, inhibits spermatogenesis, and can be effectively used as a male contraceptive.

本願に係る方法に使われる細胞は、このような細胞を含むオルガノイドまたはヒトを除いた動物モデルとして提供されることができる。このような動物モデルは、本願実施例または当業界に公知された方法を利用して製造されることができる。本願でオルガノイドとは、実際の臓器の微細構造を示す3次元環境のインビトロで生産されたミニ臓器である。これは自己回復及び分化能を有する細胞が3次元培養環境で作られる。オルガノイドを製造する方法は、公知(Organoid Culture handbook,Ambiso)されたものを参考にすることができる。 The cells used in the method of the present application may be provided as organoids or non-human animal models containing such cells. Such animal models may be produced using the examples of the present application or methods known in the art. In the present application, organoids are mini-organs produced in vitro in a three-dimensional environment that exhibits the microstructure of an actual organ. These are cells that have the ability to self-repair and differentiate and are produced in a three-dimensional culture environment. The method of producing organoids may refer to known methods (Organoid Culture Handbook, Ambiso).

本願に係る方法に使われる試験物質は、本願で究明されたPHF7ユビキチンリガーゼのH3ユビキチン化によって精子成熟過程でのクロマチン凝縮を調節する後成的因子としての機能の調節、変化、特にH3 K14のユビキチン化の抑制を持ってくると期待される物質、例えば低分子量化合物、高分子量化合物、化合物の混合物(例えば、天然抽出物または細胞または組織培養物)、または、バイオ医薬品(例えば、タンパク質、抗体、ペプチド、DNA、RNA、アンチセンスオリゴヌクレオチド、RNAi、アプタマー、RNAzyme及びDNAzyme)または糖及び脂質などを含むがこれに限定しない。 The test substances used in the method of the present application include, but are not limited to, substances that are expected to regulate or change the function of PHF7 ubiquitin ligase as an epigenetic factor that regulates chromatin condensation during sperm maturation by H3 ubiquitination as identified in the present application, particularly to inhibit the ubiquitination of H3 K14, such as low molecular weight compounds, high molecular weight compounds, mixtures of compounds (e.g., natural extracts or cell or tissue cultures), or biopharmaceuticals (e.g., proteins, antibodies, peptides, DNA, RNA, antisense oligonucleotides, RNAi, aptamers, RNAzymes and DNAzymes), or sugars and lipids.

本願に係る一実現例では、低分子化合物が試験物質として使われることができる。前記試験物質は、合成または天然化合物のライブラリーから得ることができて、このような化合物のライブラリーを得る方法は当業界に公知されている。合成化合物ライブラリーは、Maybridge Chemical Co.(UK)、Comgenex(USA)、Brandon Associates(USA)、Microsource(USA)及びSigma-Aldrich(USA)から購入可能で、天然化合物のライブラリーは、Pan Laboratories(USA)及びMycoSearch(USA)から購入可能である。試験物質は、当業界に公知された様々な組み合わせライブラリー方法によって得ることができて、例えば、生物学的ライブラリー、空間アドレッサブルパラレル固相または液相ライブラリー(spatially addressable parallel solid phase or solution phase libraries)、デコンボリューションが要求される合成ライブラリー方法、「1-ビーズ1-化合物」ライブラリー方法、そして親和性クロマトグラフィー選別を利用する合成ライブラリー方法によって得ることができる。分子ライブラリーの合成方法は、DeWitt et al.,Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.90,6909,1993;Erb et al.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.91,11422,1994;Zuckermann et al.,J.Med.Chem.37,2678,1994;Cho et al.,Science 261,1303,1993;Carell et al.,Angew.Chem.Int.Ed.Engl.33,2059,1994;Carell et al.,Angew.Chem.Int.Ed.Engl.33,2061;Gallop et al.,J.Med.Chem.37,1233,1994等に開示されている。例えば、薬物のスクリーニング目的のためには、化合物は低分子量の治療効果を有するものが使われることができる。例えば、重量が400Da、600Daまたは800Daのような約1000Da内外の化合物が使われることができる。目的により、このような化合物は、化合物ライブラリーの一部を構成することができ、ライブラリーを構成する化合物の数字も数十個から数百万個まで多様である。このような化合物ライブラリーは、ペプチド、ペプトイド及びその他環状または線状のオリゴマー性化合物、及び鋳型を基本とする低分子化合物、例えばベンゾジアゼピン、ヒダントイン、ビアリール、カーボサイクル及びポリサイクル化合物(例えば、ナフタリン、フェノチアジン、アクリジン、ステロイドなど)、カーボハイドレート及びアミノ酸誘導体、ジヒドロピリジン、ベンズヒドリル及びへテロサイクル(例えば、トリアジン、インドール、チアゾリジンなど)を含むものであってもよいが、これは単に例示でありこれに限定されない。 In one embodiment of the present application, a small molecule compound can be used as the test substance. The test substance can be obtained from a library of synthetic or natural compounds, and methods for obtaining such compound libraries are known in the art. Synthetic compound libraries are available from Maybridge Chemical Co. (UK), Comgenex (USA), Brandon Associates (USA), Microsource (USA) and Sigma-Aldrich (USA), and natural compound libraries are available from Pan Laboratories (USA) and MycoSearch (USA). Test substances can be obtained by various combinatorial library methods known in the art, such as biological libraries, spatially addressable parallel solid phase or solution phase libraries, synthetic library methods requiring deconvolution, "one-bead one-compound" library methods, and synthetic library methods utilizing affinity chromatography selection. Methods for the synthesis of molecular libraries are described in DeWitt et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 90,6909,1993; Erb et al. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 90,6909,1993; 91, 11422, 1994; Zuckermann et al., J. Med. Chem. 37, 2678, 1994; Cho et al., Science 261, 1303, 1993; Carell et al., Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 33, 2059, 1994; Carell et al., Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 33, 2061; Gallop et al., J. Med. Chem. 37, 1233, 1994, etc. For example, for drug screening purposes, compounds having low molecular weight and therapeutic effects can be used. For example, compounds with weights of about 1000 Da, such as 400 Da, 600 Da, or 800 Da, can be used. Depending on the purpose, such compounds can form part of a compound library, and the number of compounds constituting the library can vary from tens to millions. Such compound libraries can include, by way of example only, peptides, peptoids, and other cyclic or linear oligomeric compounds, and template-based small molecule compounds such as benzodiazepines, hydantoins, biaryls, carbocycles and polycycles (e.g., naphthalenes, phenothiazines, acridines, steroids, etc.), carbohydrates and amino acid derivatives, dihydropyridines, benzhydryls, and heterocycles (e.g., triazines, indoles, thiazolidines, etc.).

また、例えばバイオロジックスがスクリーニングに使われることができる。バイオロジックスは、細胞またはバイオ分子を称するもので、バイオ分子とは、タンパク質、核酸、炭水化物、脂質または生体内及び生体外で細胞システムなどを利用して産生された物質を称する。バイオ分子を単独でまたは他のバイオ分子または細胞と組み合わせで提供されることができる。バイオ分子は、例えば、ポリヌクレオチド、ペプチド、抗体、または、その他血漿で発見されるタンパク質または生物学的有機物質を含むものである。 Also, for example, biologics can be used in screening. Biologics refers to cells or biomolecules, where biomolecules refer to proteins, nucleic acids, carbohydrates, lipids, or substances produced using cellular systems in vivo and in vitro. Biomolecules can be provided alone or in combination with other biomolecules or cells. Biomolecules include, for example, polynucleotides, peptides, antibodies, or other proteins or biological organic substances found in plasma.

一実現例で、本願に係る方法で候補物質を選別することができる増加または減少は、当業者なら本願に開示された結果及び当業者の常識を考慮して適切に選択することができ、例えばこれに制限しないが、試験物質と接触しなかった対照群と比較して試験物質の存在下で、約10%以上減少、約20%以上減少、約30%以上減少、約40%以上減少、約50%以上減少、約60%以上減少、約70%以上減少、約80%以上減少、約80%以上減少、約100%減少またはその間の範囲を含む試験物質を候補物質として選別することができるが、前記を超える範囲を除くのではない。 In one embodiment, the increase or decrease by which a candidate substance can be selected using the method of the present application can be appropriately selected by a person skilled in the art in consideration of the results disclosed in the present application and the common sense of the person skilled in the art. For example, but not limited to, a test substance can be selected as a candidate substance by a decrease of about 10% or more, about 20% or more, about 30% or more, about 40% or more, about 50% or more, about 60% or more, about 70% or more, about 80% or more, about 80% or more, about 100% or more, or a range therebetween, in the presence of the test substance compared to a control group not in contact with the test substance, but not excluding a range exceeding the above.

以下、本発明の理解を助けるために実施例を提示する。しかし下記の実施例本発明をより簡単に理解するために提供されるだけであって本発明が下記の実施例に限定されるのではない。 The following examples are presented to aid in understanding the present invention. However, the following examples are provided merely to facilitate understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

実施例
実験材料及び方法
PHF7条件的ノックアウトマウスの作製:IMPC(International Mouse Phenotyping Consortium)でPHF7の一番目の対立遺伝子欠失(tm1a)を有する3個の胚性幹細胞(ES細胞)を得てC57BL/6胚盤胞に微細注射した。lacZ及びneomycinカセットを除去するために、異形接合F1をFLPeRマウスと交配した。子孫マウスは、Stra8-Creマウスと交配して精巣特異的PHF7欠失マウスを得た。Phf7f/f及びPhf7tKO雄マウスは8週齢以後に実験に使われた。遺伝子型プライマーは次のとおりである。
Forward 5’-ATCAGTGTGTCCAGAACTTCCATC-3’
Reverse 5’-TTATCGAGTGGAGGGACAGATGTG-3’.
EXAMPLES Experimental Materials and Methods Generation of PHF7 conditional knockout mice: Three embryonic stem cells (ES cells) carrying the first allele deletion (tm1a) of PHF7 were obtained from the International Mouse Phenotyping Consortium (IMPC) and microinjected into C57BL/6 blastocysts. To remove the lacZ and neomycin cassettes, heterozygous F1s were crossed with FLPeR mice. The offspring mice were crossed with Stra8-Cre mice to obtain testis-specific PHF7 deletion mice. Phf7 f/f and Phf7 tKO male mice were used for experiments after 8 weeks of age. Genotyping primers are as follows:
Forward 5'-ATCAGTGTGTCCAGACTTCCATC-3'
Reverse 5'-TTATCGAGTGGAGGGACAGATGTG-3'.

いずれの動物研究及び過程は、ソウル大学の実験動物資源管理院(IACUC,Institutional Animal Care and Use Committee)の承認を受けた。 All animal studies and procedures were approved by the Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) at Seoul National University.

Phf7 C160AノックインマウスとFlag-PHF7ノックインマウスの作製:Phf7 C160A KIマウスは、以前の方法でsgRNA/Cas9をトランスフェクションしたES細胞から作製された。特に、遺伝体受精のために、EGR-G01[129S2×C57BL/6NCr-Tg(CAG/Acr-Egfp)ES細胞が利用された。sgRNAのターゲット配列は、5’-GAACATCCACCAGGGGAGTT-3である。PHF7の7番目エクソンに点突然変異(TGT→GCT,C160A)を導入するために、HDR授与プラスミド(pBluescript II SK(+)ベクター)がデザインされた。C160A対立遺伝子を有するキメラ子孫は、異形接合(Phf7+/CA)マウスを得るために野生型B6D2F1マウスと交配された。次に、Phf7+/CAマウスは、C57BL/6Jマウスと交配された。Phf7CA/CAマウスは、Phf7+/CAマウス間の交配によって得た。Phf7+/CA、Phf7CA/CAマウスは8週以後に実験に使われた。C160A対立遺伝子に対する遺伝子型プライマーは次の通りである。
Forward;5’-TCACTGAGCACCAAGCAAATAGAC-3’
Reverse;5’-TCTGAATCTTACACATACTTGAGCA-3’.
Generation of Phf7 C160A knock-in mice and Flag-PHF7 knock-in mice: Phf7 C160A KI mice were generated from ES cells transfected with sgRNA/Cas9 as described previously. In particular, EGR-G01 [129S2×C57BL/6NCr-Tg(CAG/Acr-Egfp) ES cells were used for somatic insemination. The target sequence of sgRNA is 5'-GAACATCCACCAGGGGAGTT-3. To introduce a point mutation (TGT→GCT, C160A) into the 7th exon of PHF7, a HDR-conferring plasmid (pBluescript II SK(+) vector) was designed. Chimeric offspring carrying the C160A allele were bred with wild-type B6D2F1 mice to obtain heterozygous (Phf7 +/CA ) mice. Phf7 +/CA mice were then bred with C57BL/6J mice. Phf7 CA/CA mice were obtained by mating between Phf7 +/CA mice. Phf7 +/CA and Phf7 CA/CA mice were used for experiments after 8 weeks of age. Genotyping primers for the C160A allele are as follows:
Forward; 5'-TCACTGAGCACCAAGCAAATAGAC-3'
Reverse; 5'-TCTGAATCTTACACATACTTGAGCA-3'.

KI対立遺伝子は、AfeI制限部位を有し(図3E)、遺伝子型はAfeI反応によって区分される。Flag-PHF7 KIマウスは、gRNA/Cas9混合物とレファレンスDNAを卵子に注射することによって作製された。gRNA配列は、5’-AAAACAAACATCCAAGATTG-3’である。Flag-PHF7対立遺伝子に対する遺伝子型プライマーは次の通りである。
Forward 5’-GGGTGGGACGACAAGAAGAG-3’
Reverse 5’-CTTGTCATCGTCATCCTTGT-3’.
The KI allele has an AfeI restriction site (FIG. 3E) and genotypes are classified by AfeI reaction. Flag-PHF7 KI mice were generated by injecting gRNA/Cas9 mixture and reference DNA into eggs. The gRNA sequence is 5'-AAAACAAACATCCAAGATTG-3'. Genotyping primers for Flag-PHF7 allele are as follows:
Forward 5'-GGGTGGGACGACAAGAAGAG-3'
Reverse 5'-CTTGTCATCGTCATCCTTGT-3'.

いずれの動物研究及び過程は、ソウル大学の実験動物資源管理院(IACUC,Institutional Animal Care and Use Committee)と大阪大学微生物病研究所の動物実験委員会の承認を受けた。このKIマウスの冷凍精子(STOCK PHF7<em2(C160A)Osb>Tg(CAG/Acr-EGFP)C3-N01-FJ002Osb、RBRC#11032、CARD#2939;and C57BL/6J-PHF7<em3(FLAG/PHF7)Osb>、RBRC#11056、CARD#2963)は、RIKEN BRC(https://mus.brc.riken.jp/en/)及び熊本大学CARD(http://card.medic.kumamoto-u.ac.jp/card/english/)で利用可能な予定である。STOCK PHF7<em2(C160A)Osb>、及びC57BL/6J PHF7<em3(3xFLAG/PHF7)Osb>は、伊川正人教授(大阪大学微生物病研究所)から収得した。 All animal studies and procedures were approved by the Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) of Seoul National University and the Animal Experimentation Committee of the Institute for Microbial Diseases, Osaka University. Frozen sperm from these KI mice (STOCK PHF7<em2(C160A)Osb>Tg(CAG/Acr-EGFP)C3-N01-FJ002Osb, RBRC#11032, CARD#2939; and C57BL/6J-PHF7<em3(FLAG/PHF7)Osb>, RBRC#11056, CARD#2963) will be available at RIKEN BRC (https://mus.brc.riken.jp/en/) and Kumamoto University CARD (http://card.medic.kumamoto-u.ac.jp/card/english/). STOCK PHF7<em2(C160A)Osb> and C57BL/6J PHF7<em3(3xFLAG/PHF7)Osb> were obtained from Professor Masato Ikawa (Research Institute for Microbial Diseases, Osaka University).

細胞培養:HEK293T細胞(ATCC)は、5%COを含む湿式培養器で10%FBSと抗生剤を含むDMEMメディアで培養された。この研究に使われたすべての細胞は、マイコプラズマ汚染に対して定期的に検査を受けた。 Cell culture: HEK293T cells (ATCC) were cultured in DMEM media containing 10% FBS and antibiotics in a humidified incubator with 5% CO2 . All cells used in this study were routinely tested for mycoplasma contamination.

精子運動性:副睾丸で得た精子は、TYH滴に広めた。10分培養後、精子運動性は、CASA(Computer-assisted sperm analysis)システム(CEROS II)によって分析された。 Sperm motility: Sperm obtained from the epididymis were spread on a TYH drop. After 10 min of incubation, sperm motility was analyzed by a Computer-assisted sperm analysis (CASA) system (CEROS II).

In vitro受精アッセイ:PMSG(Pregnant mare serum gonadotropin)をB6D2F1雌マウスの腹腔に注射して、48時間後、hCG(human chorionic gonadotropin)を注射した。hCG注射後、14時間目に卵子を各卵管のラッパ管から抽出してTYH滴で培養した。副睾丸精子は2時間の間TYH滴で先行培養する。精子を卵子があるTYH滴に添加した。6時間後、卵子の周囲の卵球細胞をhyaluronidaseで5分処理することによって除去して位相差顕微鏡で前核を観察した。 In vitro fertilization assay: PMSG (pregnant mare serum gonadotropin) was injected into the abdominal cavity of B6D2F1 female mice, and 48 hours later, hCG (human chorionic gonadotropin) was injected. 14 hours after hCG injection, eggs were extracted from the trumpeter of each oviduct and cultured in TYH drops. Epididymal sperm were precultured in TYH drops for 2 hours. Sperm were added to the TYH drops containing the eggs. After 6 hours, the oocysts surrounding the eggs were removed by treating them with hyaluronidase for 5 minutes, and the pronuclei were observed under a phase contrast microscope.

組織学:精巣組織分析は、以前の方法で行われた。副睾丸は、10%ホルマリンで4℃一夜中行われた。固定後、組織はエタノール濃度を50%から100%に上げながら脱水した。脱水された標本は、100%キシレンを経てパラフィンワックスに入れた。ヘマトキシリン-エオシン(H&E)染色のために、組織を7μm厚さに切ってパラフィンを除去して水分を補充した後、ヘマトキシリン3分、エオシン1分の間染色した。イメージはデジタル顕微鏡で得た。 Histology: Testicular tissue analysis was performed as previously described. Epididymis was fixed overnight at 4°C in 10% formalin. After fixation, tissue was dehydrated in increasing concentrations of ethanol from 50% to 100%. Dehydrated specimens were then inserted into paraffin wax via 100% xylene. For hematoxylin-eosin (H&E) staining, tissue was cut at 7 μm thickness, deparaffinized, rehydrated, and stained with hematoxylin for 3 min and eosin for 1 min. Images were obtained with a digital microscope.

マウス精巣細胞の分離:マウス精巣組織は、DMEM-F12メディアでcollagenase A、DNase I、トリプシンで分解した。トリプシンは、FBSでブロックした細胞は70μm、40μmストレーナーで取り除いた。遠心分離後、赤血球はRBC溶解バッファーで除去した。細胞はHBSSで洗浄した。精細胞は、以前のプロトコルを変形して重力沈殿法であるSTA-PUTで分離した。コラムにDMEM-F12メディアの4%BSAを敷いて2%BSAをゆっくり積んだ後、0.5%BSAに溶かした精巣細胞をその上にローディングした。沈殿は常温で150分の間行われた。各分画は位相差顕微鏡で細胞形態を介して区分された。 Isolation of mouse testicular cells: Mouse testicular tissue was digested with collagenase A, DNase I, and trypsin in DMEM-F12 media. Trypsin was blocked with FBS, and cells were removed using 70 μm and 40 μm strainers. After centrifugation, red blood cells were removed with RBC lysis buffer. Cells were washed with HBSS. Sperm cells were isolated using STA-PUT, a gravity sedimentation method, modified from the previous protocol. A column was placed in 4% BSA in DMEM-F12 media, slowly piled with 2% BSA, and then testicular cells dissolved in 0.5% BSA were loaded on top. Sedimentation was carried out at room temperature for 150 minutes. Each fraction was classified according to cell morphology using a phase contrast microscope.

組織免疫染色:副睾丸で得た精子は、スライドの上で乾燥してPLLが処理されたカパースリップ上の精細胞は、1M DTTが含まれたPBSで30分間培養して4%PFAが含まれたPBSに10分間常温で固定する。固定されたサンプルは、10分間常温で0.1% Triton X-100が含まれたPBS(PBS-T)で透過させる。染色のために、細胞は2時間の間常温で抗体と培養して、蛍光が標識された2次抗体と1時間の間培養する。精巣切片を利用した組織免疫染色は、ブロッキングからマウンティングまで同じ方法で行われた。サンプルは共焦点顕微鏡で観察した。同じホストから得た二つの抗体を利用した二重染色のために、精巣切片は、まずBRDT抗体を4℃一夜中培養して次の順序の抗体を1時間の間常温で培養した。Alexa 488 AffiniPure Fab Fragment Donkey Anti-Rabbit IgG(H+L)、H4ac抗体、Alexa 594 Donkey Anti-Rabbit IgG(H+L)。マウンティングされたサンプルは共焦点顕微鏡で観察した。 Histoimmunostaining: Sperm from the epididymis were dried on a slide, and sperm cells on the PLL-treated copper slip were incubated in PBS containing 1M DTT for 30 minutes and fixed in PBS containing 4% PFA for 10 minutes at room temperature. The fixed samples were permeabilized with PBS containing 0.1% Triton X-100 (PBS-T) for 10 minutes at room temperature. For staining, cells were incubated with antibodies at room temperature for 2 hours and then incubated with fluorescently labeled secondary antibodies for 1 hour. Histoimmunostaining using testis sections was performed in the same manner from blocking to mounting. Samples were observed under a confocal microscope. For double staining using two antibodies obtained from the same host, testis sections were first incubated with BRDT antibody overnight at 4°C, and then incubated with the next antibody in the order for 1 hour at room temperature. Alexa 488 AffiniPure Fab Fragment Donkey Anti-Rabbit IgG (H+L), H4ac antibody, Alexa 594 Donkey Anti-Rabbit IgG (H+L). The mounted samples were observed under a confocal microscope.

トランスフェクション及び細胞融解(lysis):トランスフェクションはPEIを利用した。すべての細胞は冷たいPBSで洗浄後集めてLaemmliサンプルバッファーに融解された。すべての抽出物は、SDS-PAGEで分析された。 Transfection and cell lysis: Transfection was performed using PEI. All cells were washed with cold PBS, collected and lysed in Laemmli sample buffer. All extracts were analyzed by SDS-PAGE.

In vitroユビキチン化アッセイ:組換えタンパク質PHF7、UBE1、GST-H3、GST-BRDT、SPOPは、E.coliストレーンRosettaで精製した。組換えヌクレオソーム、GST-H3、ヒストン抽出物を利用したヒストンユビキチン化アッセイは、アッセイバッファー(50mM Tris-HCl[pH7.5]、5mM MgCl、2mM ATP、and 2mM DTT)でユビキチン、UBE1、UbcH5b、UbcH5c、PHF7を利用して30℃、1時間の間行われた。Flag-Cul3とHA-Rbx1は、トランスフェクションしたHEK293T細胞でFlag-M2アガロースビーズと3xFlagペプチドを利用して精製された。GST-BRDT、His-SPOP、Flag-Cul3、HA-Rbx1、PHF7を同じバッファーで30℃、30分間培養してユビキチン、UBE1、UbcH5aを添加して30℃、1時間の間BRDTユビキチン化アッセイを行った。PHF7と組換えヌクレオソームでユビキチン化アッセイを進行後、変形されたヌクレオソームは、PHF7、ユビキチン、UbcH5b及び5cを除去するために、Amicon Ultra Centrifugal Filters 50K membraneで取り除いた。変形されたヌクレオソームを利用したBRDTユビキチン化アッセイは同じ方法で行った。 In vitro ubiquitination assays: Recombinant proteins PHF7, UBE1, GST-H3, GST-BRDT, and SPOP were purified using E. coli strain Rosetta. Histone ubiquitination assays using recombinant nucleosome, GST-H3, and histone extracts were performed at 30°C for 1 h using ubiquitin, UBE1, UbcH5b, UbcH5c, and PHF7 in assay buffer (50 mM Tris-HCl [pH 7.5], 5 mM MgCl 2 , 2 mM ATP, and 2 mM DTT). Flag-Cul3 and HA-Rbx1 were purified using Flag-M2 agarose beads and 3xFlag peptide from transfected HEK293T cells. GST-BRDT, His-SPOP, Flag-Cul3, HA-Rbx1, and PHF7 were incubated in the same buffer at 30°C for 30 minutes, and ubiquitin, UBE1, and UbcH5a were added to perform the BRDT ubiquitination assay at 30°C for 1 hour. After performing the ubiquitination assay with PHF7 and recombinant nucleosomes, the modified nucleosomes were removed with an Amicon Ultra Centrifugal Filters 50K membrane to remove PHF7, ubiquitin, UbcH5b, and 5c. The BRDT ubiquitination assay using the modified nucleosomes was performed in the same manner.

in vivoユビキチン化アッセイ:精巣細胞は変性バッファー(50mM Tris-HCl[pH7.5]、1% SDS、70mM β-mercaptoethanol)で溶解して95℃で5分間沸かした。すべての抽出物は、脱変性バッファー(20mM Tris-HCl[pH7.5]、200mM NaCl、1mM EGTA、1mM EDTA、1% Triton X-100、タンパク質分解酵素阻害剤)で希釈した後、H3抗体を用いて4℃で一夜中免疫沈降を行った。HEK293T細胞は、Hismax-UbをトランスフェクションしてMG132を6時間処理した後、同じ方法で細胞を破砕する。免疫沈降はFlag抗体を用いて4℃で2時間行われた。 In vivo ubiquitination assay: Testicular cells were lysed in denaturing buffer (50 mM Tris-HCl [pH 7.5], 1% SDS, 70 mM β-mercaptoethanol) and boiled at 95°C for 5 min. All extracts were diluted with denaturing buffer (20 mM Tris-HCl [pH 7.5], 200 mM NaCl, 1 mM EGTA, 1 mM EDTA, 1% Triton X-100, protease inhibitors) and immunoprecipitated overnight at 4°C using H3 antibody. HEK293T cells were transfected with Hismax-Ub and treated with MG132 for 6 h, followed by cell disruption in the same manner. Immunoprecipitation was performed at 4°C for 2 h using Flag antibody.

免疫沈降:トランスフェクションしたHEK293T細胞をEBC200バッファー(50mM Tris-HCl[pH8.0]、200mM NaCl、0.5% NP-40、タンパク質分解酵素阻害剤)で破砕して遠心分離をした。上澄み液をFlag抗体と4℃で2時間の間培養した。その後、タンパク質A/Gセファロースビーズを入れて4℃で1時間の間培養した。ビーズは、EBC200バッファーで洗浄と10分間サンプルバッファーで沸かした。 Immunoprecipitation: Transfected HEK293T cells were disrupted in EBC200 buffer (50 mM Tris-HCl [pH 8.0], 200 mM NaCl, 0.5% NP-40, protease inhibitors) and centrifuged. The supernatant was incubated with Flag antibody at 4°C for 2 hours. Protein A/G Sepharose beads were then added and incubated at 4°C for 1 hour. The beads were washed with EBC200 buffer and boiled in sample buffer for 10 minutes.

In vitroビオチン-ストレプトアビジンプルダウンアッセイ:組換えタンパク質GST-BRDTは、E.coliストレーンRosettaで精製した。組換えビオチン化ヌクレオソームは、PHF7を利用したin vitroユビキチン化アッセイに使われて、プルダウンバッファー(50mM Tris-HCl[pH7.4]、125mM KCl、5mM MgCl,0.5mM EDTA、0.5% Triton X-100、5mM DTT)でストレプトアビジンアガロースレジンと4℃で1時間の間培養した。プルダウンバッファーでビーズについたヌクレオソームを洗浄してGST-BRDTタンパク質と4℃で2時間の間培養した。ビーズは洗浄して10分間沸かした。 In vitro biotin-streptavidin pull-down assay: Recombinant protein GST-BRDT was purified using E. coli strain Rosetta. Recombinant biotinylated nucleosomes were used in an in vitro ubiquitination assay using PHF7 and incubated with streptavidin agarose resin in pull-down buffer (50 mM Tris-HCl [pH 7.4], 125 mM KCl, 5 mM MgCl 2 , 0.5 mM EDTA, 0.5% Triton X-100, 5 mM DTT) for 1 h at 4°C. Nucleosomes attached to beads were washed with pull-down buffer and incubated with GST-BRDT protein for 2 h at 4°C. Beads were washed and boiled for 10 min.

LC-MS/MS分析:ゼルにあるペプチドサンプルプレップとin vitro変形されたヒストンサンプルのLC-MS/MS分析は、以前の方法で行われた。PHF7を過発現HEK293T細胞とPhf7f/f及びPhf7tKOマウス精巣細胞のペプチドサンプルプレップと免疫親和精製は、PTMSCan Ubiquitin Remnant Motif(K-ε-GG)キットで行われた。ペプチドサンプルは、3μm Jupiter C18 particlesを利用して、in-house packed long capillaryコラム(100cm×75μm i.d.)とtrapコラム(3cm×150μm i.d)で分離した。300nl/分の流速及び60分間溶媒A(0.1%ギ酸を有する水)乃至40%の溶媒B(0.1%ギ酸を有するアセトニトリル)範囲の線形勾配をナノ液体UPLC(水)Orbitrap Fusion Lumos質量分析器(Thermo Scientific)と結合して次の媒介変数を使って作動した。前駆体スキャン範囲のm/z 300-1800、前駆体隔離ウィンドーの1.4Th、高い水準の衝突エネルギー(NCE)の30%-エネルギー衝突解離(HCD)、30秒の動的排除期間、各々全体MSまたはMS/MSスキャンに対してm/z 200で60kまたは7.5k解像度で得られたデータセットは、SwissProt Homo sapiens proteomeデータベースに基づいて10ppmの前駆体イオン質量抵抗でMS-GF+アルゴリズムかMaxQuantソフトによって探索された。前記の発見率は、タンパク質とペプチド水準で1%に設定した。ペプチドスペクトルマッチのナンバーは、各々明らかになったペプチド配列に対して集計された。関心があるペプチド配列の強度は、MaxQuant探索結果から得られるかQual Browserソフトを利用してXIC(extracted ion chromatogram)レベルの手動注釈によって決定された。 LC-MS/MS analysis: LC-MS/MS analysis of peptide sample preps in the cell and in vitro modified histone samples was performed as previously described. Peptide sample preps and immunoaffinity purification of HEK293T cells overexpressing PHF7 and Phf7 f/f and Phf7 tKO mouse testis cells were performed with the PTMSCan Ubiquitin Remnant Motif (K-ε-GG) kit. Peptide samples were separated on an in-house packed long capillary column (100 cm x 75 μm id) and a trap column (3 cm x 150 μm id) using 3 μm Jupiter C18 particles. A flow rate of 300 nl/min and a linear gradient ranging from solvent A (water with 0.1% formic acid) to 40% solvent B (acetonitrile with 0.1% formic acid) for 60 min was used in conjunction with a nanoliquid UPLC (water) Orbitrap Fusion Lumos mass spectrometer (Thermo Scientific) operated with the following parameters: Data sets acquired at 60k or 7.5k resolution with precursor scan range m/z 300-1800, precursor isolation window 1.4Th, high level collision energy (NCE) 30%-energy collisional dissociation (HCD), dynamic exclusion period 30 seconds, and m/z 200 for full MS or MS/MS scans, respectively, were searched by MS-GF+ algorithm or MaxQuant software with precursor ion mass resistivity of 10 ppm based on SwissProt Homo sapiens proteome database. The discovery rate was set to 1% at protein and peptide level. The number of peptide spectrum matches was tabulated for each revealed peptide sequence. The intensity of peptide sequences of interest was determined by manual annotation at XIC (extracted ion chromatogram) level obtained from MaxQuant search results or using Qual Browser software.

定量RT-PCR:RNAはTrizolを利用して抽出されて、逆転写は2.5mgのRNAをM-MLV cDNA合成キットを利用して行われた。mRNA量は、SYBR TOPreal qPCR 2x PreMixとBioRad CFX384で測定した。mRNAの定量は、ddCt方法で計算されて、すべての反応は3つの同一実験群で行われた。発現は18S rRNAとHprtを利用して補正された。 Quantitative RT-PCR: RNA was extracted using Trizol and reverse transcription was performed using 2.5 mg of RNA using the M-MLV cDNA synthesis kit. The amount of mRNA was measured using SYBR TOPreal qPCR 2x PreMix and BioRad CFX384. The amount of mRNA was calculated using the ddCt method and all reactions were performed in triplicate. Expression was normalized using 18S rRNA and Hprt.

単一細胞RNAシーケンシング実験:単一細胞RNAシーケンシングライブラリーは、Chromium Single Cell 3’ Library & Gel Bead Kit v2を利用して数千個の精巣細胞をnano liter規模の滴に分離することによって作られた。各滴には逆転写によってcDNAが作られた。結果的に、バーコードシーケンスとUMI(Unique Molecular Identifier)が各cDNA分子に添加された。cDNAはプーリングされてシーケンシングライブラリーは、マニュアルのとおりプレップされた。ライブラリーは、Nextseq 550 platformとNovaseq 6000 platformでシーケンシングされた。 Single-cell RNA sequencing experiments: Single-cell RNA sequencing libraries were generated by isolating several thousand testicular cells into nano-liter droplets using Chromium Single Cell 3' Library & Gel Bead Kit v2. cDNA was generated in each droplet by reverse transcription. Barcode sequences and UMIs (Unique Molecular Identifiers) were subsequently added to each cDNA molecule. cDNA was pooled and sequencing libraries were prepped as described in the manual. Libraries were sequenced on the Nextseq 550 platform and Novaseq 6000 platform.

単一細胞RNAシーケンシングデータ分析:シーケンシングデータは、fastqファイルを作るために、bcl2fastqを利用して多重化解除された。多重化解除後、リードはマウスレファレンス遺伝体に配列されて、特徴バーコードマトリックスはトリミングとなるcellrangerカウントを利用して作られて、デフォルトパラメーターを有するcellranger aggrで集計された。次の分析は、Seuratプログラムを利用して行われた。特徴バーコードマトリックス生成後に、3個未満の細胞で発現する遺伝子と200個以下の遺伝子発現を示す細胞を除去した。さらに、ミトコンドリア遺伝子発現の20%以上を示す細胞と2,000個以下の分子発現を示す細胞を除去した。データは、dimension reduction法によって補正された。High dimensionデータを視覚化するために、‘mean.var.plot’を有するFindVariableFeatureによって選ばれた非常に多様な遺伝子を介してPCA(principle component analysis)を行った。細胞は、FindClusterを利用して10PCと0.5 resolution parameterに区分されたクラスターに配分された。UMAPを利用して10PCに基づく細胞を挿入して細胞クラスター情報を視覚化した。 Single-cell RNA sequencing data analysis: Sequencing data were demultiplexed using bcl2fastq to generate fastq files. After demultiplexing, reads were aligned to the mouse reference genome and feature barcode matrices were generated using cellranger count with trimming and aggregation with cellranger aggr with default parameters. Subsequent analysis was performed using the Seurat program. After generating the feature barcode matrix, genes expressed in less than 3 cells and cells showing expression of less than 200 genes were removed. Additionally, cells showing more than 20% of mitochondrial gene expression and cells showing expression of less than 2,000 molecules were removed. Data were corrected by dimension reduction method. To visualize high dimension data, the 'mean.var. PCA (principle component analysis) was performed on highly diverse genes selected by FindVariableFeature with 'plot'. Cells were allocated to clusters divided into 10PC and 0.5 resolution parameter using FindCluster. Cells based on 10PC were inserted using UMAP to visualize cell cluster information.

定量化及び統計分析:免疫ブロットの定量化はImage Jソフトで行われた。統計分析は、GraphPad Prismソフトを利用してグループの差を見せるために、Mann-Whitney U-検定とStudent’s t-検定で行われた。 Quantification and statistical analysis: Quantification of immunoblots was performed using Image J software. Statistical analysis was performed using GraphPad Prism software with Mann-Whitney U-test and Student's t-test to show group differences.

実施例1.Phf7tKO雄マウスを利用してPHF7精子形成過程に関与することを究明
精巣でPHF7の高い発現を根拠にPHF7が精子形成過程で機能を分析した。まず精子形成過程の間PHF7がいつ発現するのか調べるために、本願では他の発生時期のマウスから精巣抽出液を分析した。週齢に応じて次の発生段階が観察される;7dppに精原細胞、14dppに精母細胞、21dppに円形精細胞、28dppに伸長型精細胞、30dppに凝縮型精細胞、35dppに精子(図1A)。21dppにPhf mRNAレベルが増加して(図1B)、28dppにPHF7タンパク質レベルが増加するため(図1C)、PHF7は円形と伸長型精細胞で発現することが分かった。
Example 1. Phf7 tKO male mice are used to investigate the involvement of PHF7 in spermatogenesis Based on the high expression of PHF7 in the testis, the function of PHF7 in spermatogenesis was analyzed. First, to investigate when PHF7 is expressed during spermatogenesis, we analyzed testis extracts from mice at different developmental stages. The following developmental stages are observed according to age: spermatogonia at 7 dpp, spermatocytes at 14 dpp, round spermatids at 21 dpp, elongated spermatids at 28 dpp, condensed spermatids at 30 dpp, and spermatozoa at 35 dpp (Figure 1A). Phf mRNA levels increased at 21 dpp (Figure 1B) and PHF7 protein levels increased at 28 dpp (Figure 1C), indicating that PHF7 is expressed in round and elongated spermatids.

精子形成過程で、PHF7の役割を調べるために、本願では精巣特異的なPHF7ノックアウト(KO)マウス(以後Phf7tKO)を作製した(図8A)。対照群(Phf7f/f)マウスに比べてPhf7tKOマウスの精巣細胞でPHF7タンパク質発現が欠失されていることを見ることができる(図1D)。本願では、対照群マウスとPhf7tKOマウスを野生型雌と交配して、Phf7tKO雄は対照群雄に比べて不妊であった(図1E)。対照群雄とPhf7f/f雄の体重対比精巣重さに対する比率に大きい差はなかった(図8B)。さらに、本願ではヘマトキシリン-PAS染色をした時、Phf7tKO雄の洗浄管で明確な欠陥が観察できなかった(図1F)。 To investigate the role of PHF7 in spermatogenesis, we generated testis-specific PHF7 knockout (KO) mice (hereafter Phf7 tKO ) ( FIG. 8A ). It can be seen that PHF7 protein expression is absent in testicular cells of Phf7 tKO mice compared to control (Phf7 f/f ) mice ( FIG. 1D ). We crossed control and Phf7 tKO mice with wild-type females, and Phf7 tKO males were infertile compared to control males ( FIG. 1E ). There was no significant difference in the ratio of testis weight to body weight between control and Phf7 f/f males ( FIG. 8B ). Furthermore, we did not observe any obvious defects in the lavage ducts of Phf7 tKO males when stained with hematoxylin-PAS ( FIG. 1F ).

副睾丸でヘマトキシリン-エオシン染色による組織学的分析で対照群よりPhf7tKOで精子数が少ないことを観察した(図1G、1H)。Phf7tKOマウスの精子は対照群に比べて低い運動性を示した(図1I)。IVF実験でPhf7tKO精子が対照群精子に比べて低い受精率を示した(図1J)。引き続き精子の形態を観察して、Phf7tKO精子の大部分が対照群に比べて丸くて大きい頭を有するのを見ることができた(図1K)。これは、Phf7tKO精子が対照群に比べて頭に少なく凝縮されたクロマチンを有することを示す。 In the epididymis, histological analysis by hematoxylin-eosin staining revealed that the sperm count was lower in Phf7 tKO than in the control group (Figure 1G, 1H). Sperm from Phf7 tKO mice showed lower motility than the control group (Figure 1I). In IVF experiments, Phf7 tKO sperm showed a lower fertilization rate than control sperm (Figure 1J). By subsequently observing sperm morphology, it could be seen that the majority of Phf7 tKO sperm had rounder and larger heads than the control group (Figure 1K). This indicates that Phf7 tKO sperm have less condensed chromatin in the head compared to the control group.

精子成熟過程の間、円形精細胞の核はヒストン-プロタミン交換を含むクロマチン凝縮によって凝縮が起きる。少なく凝縮された頭を有する精子は、クロマチンでヒストンとプロタミンの非正常的な比率によって現れる。従って、本願では精子でヒストンとプロタミンの量を測定した。対照群に比べてPhf7tKO精子でより多くの量のヒストンが検出された(図1L、1M)。さらに、Phf7tKO精子でより多くのPRM1と、より少ないPRM2が観察された(図1M)。次に、ヒストン-プロタミン交換が起きる精細胞を分析した。本来は、ヒストンが検出されない凝縮型精細胞でヒストンが残っているのか調べるために、精巣切片でヒストンH3とPRM1、PRM2、TNP2に共同免疫染色を行った。対照群マウスのstage VII-VIII洗浄管には、PRM1、PRM2が発現する凝縮型精細胞でH3が検出されないが、Phf7tKOマウスではH3とPRM1、PRM2が共に発現する精細胞が観察された(図1N及び図8C)。対照群マウスのstage I洗浄管にある凝縮型精細胞は、H3は発現せずTNP2を発現する。しかし、Phf7tKOマウスの一部凝縮型精細胞でH3とTNP2が共に発現した(図8D)。精細胞分画でヒストンのタンパク質レベルを分析した時、対照群マウスの精細胞は、発生が進行されるにつれヒストンレベルが減少したが、Phf7tKOマウスではそうでなかった(図1O)。従って、対照群マウスの凝縮型精細胞ではヒストンが除去されるが、Phf7tKOマウスの凝縮型精細胞にはヒストンが残っている。このデータは、Phf7tKO雄が精子成熟過程でヒストン-プロタミン交換に欠陥があって、精子数の減少と非正常的な形態によって不妊になったことを示す。 During the sperm maturation process, the nuclei of round spermatids undergo condensation by chromatin condensation involving histone-protamine exchange. Sperm with less condensed heads are manifested by abnormal ratios of histones and protamines in the chromatin. Therefore, we measured the amounts of histones and protamines in sperm. Higher amounts of histones were detected in Phf7 tKO sperm compared to the control group (Fig. 1L, 1M). Furthermore, more PRM1 and less PRM2 were observed in Phf7 tKO sperm (Fig. 1M). Next, we analyzed spermatids in which histone-protamine exchange occurs. To investigate whether histones remain in condensed spermatids in which histones are not normally detected, we performed co-immunostaining of histone H3 with PRM1, PRM2, and TNP2 in testis sections. In the stage VII-VIII lavage duct of control mice, H3 was not detected in condensed spermatids expressing PRM1 and PRM2, whereas in Phf7 tKO mice, spermatids expressing both H3 and PRM1 and PRM2 were observed (Figure 1N and Figure 8C). Condensed spermatids in the stage I lavage duct of control mice express TNP2 but not H3. However, some condensed spermatids in Phf7 tKO mice express both H3 and TNP2 (Figure 8D). When histone protein levels were analyzed in spermatid fractions, histone levels decreased as development progressed in spermatids of control mice, but not in Phf7 tKO mice (Figure 1O). Thus, histones were removed from condensed spermatids of control mice, whereas histones remained in condensed spermatids of Phf7 tKO mice. These data indicate that Phf7 tKO males have a defect in histone-protamine exchange during sperm maturation, resulting in infertility due to reduced sperm count and abnormal sperm morphology.

実施例2.PHF7はヒストンH3の14番リシンに対するE3ユビキチンリガーゼとして作用することを究明
本願では、対照群マウスに比べてPhf7tKOマウスの精巣細胞で25kDaの下のH3バンドが減少したのを観察した(図2A)。上に移動したバンドが、ユビキチン化されたH3であるか調べるために、精巣細胞抽出液でH3抗体で免疫沈降をした後、Ub抗体で探知した。同じ大きさで対照群精巣細胞抽出液では、ユビキチン化されたH3が検出されて、Phf7tKO精巣細胞ではユビキチン化されたH3の量が減少した(図2B)。
Example 2. Elucidation that PHF7 acts as an E3 ubiquitin ligase for lysine 14 of histone H3 In this study, we observed a decrease in the H3 band below 25 kDa in testicular cells of Phf7 tKO mice compared to control mice (Figure 2A). To determine whether the upwardly migrating band was ubiquitinated H3, we performed immunoprecipitation with H3 antibody in testicular cell extracts and then probed with Ub antibody. Ubiquitinated H3 of the same size was detected in control testicular cell extracts, while the amount of ubiquitinated H3 was decreased in Phf7 tKO testicular cells (Figure 2B).

前記H3ユビキチン化の結果を根拠に引き続きPHF7がH3のE3ユビキチンリガーゼとしての可能性を詳細に分析した。具体的に、HEK293T細胞にPHF7とユビキチンを過発現してPHF7によるH3ユビキチン化を確認した。興味深いことに、PHF7とHismax-Ubを入れた群で、28kDaのHismax-Ub-H3と22kDaの内生的H3ubを観察した(図2C)。PHF7がH2A K119ubを誘導することが知らされているが、PHF7がある時に、H2A K119ubが増加するのを観察した。H2BとH4は、PHF7の過発現によってユビキチン化されなかった(図2C)。組換えヌクレオソームを利用してH3のin vitroユビキチン化アッセイを行った。これのために、E2ユビキチンコンジュゲート酵素をスクリーニングしてUbcH5Bと5Cが、PHF7がH3をユビキチン化する際のE2酵素であることを明らかにした(図2D)。同じ条件で、PHF7はH2A K119、H2B、H4をユビキチン化させたが、H2B K120ub抗体を使った際にH2B K120のユビキチン化は検出されなかった(図2D)。そして、PHF7、E1、UbcH5B/C、Ubの添加は時間依存的にH3ユビキチン化を増加させた(図2E)。次に、PHF7を媒介したH3ユビキチン化の残基を確認した。H3の欠失突然変異を利用したin vitroユビキチン化実験は、H3のN-末端内でユビキチン化が起きることを示している(図2F)。In vitroユビキチン化実験で得たH3ubに対するLC-MS/MSはH3のユビキチン化残基が、K14であることを示している(図9A)。尚、突然変異作製した時に、ただH3のK14R突然変異だけPHF7によってユビキチン化されなかった(図2G)。H3のK14残基はin vitroユビキチン化実験でも証明された(図2H)。尚、PHF7を過発現したHEK293T細胞抽出液でユビキチン化タンパク質に対するLC-MS/MS分析によって対照群に比べてPHF7の過発現が変形されたH3K14ペプチドを増加させるのを確認した(図9B)。対照群とPhf7tKOマウスの精巣細胞を利用したLC-MS/MSでH2A、H2Bユビキチン化が30%減少した(図9C)。しかし、LC-MS/MS分析で精巣細胞のH3K14ubを検出することができなかった。これは、H3K14ubが少ない量で存在するか少ない比率の精細胞で存在したためと推定される。このデータは、PHF7がH3の14番リシンにE3ユビキチンリガーゼ活性を有することを示す。 Based on the results of H3 ubiquitination, we further analyzed the possibility that PHF7 acts as an E3 ubiquitin ligase for H3. Specifically, we overexpressed PHF7 and ubiquitin in HEK293T cells to confirm H3 ubiquitination by PHF7. Interestingly, in the group containing PHF7 and Hismax-Ub, we observed 28 kDa Hismax-Ub-H3 and 22 kDa endogenous H3ub (Figure 2C). Although it is known that PHF7 induces H2A K119ub, we observed that H2A K119ub increased in the presence of PHF7. H2B and H4 were not ubiquitinated by overexpression of PHF7 (Figure 2C). We performed an in vitro ubiquitination assay of H3 using recombinant nucleosomes. To this end, we screened for E2 ubiquitin-conjugating enzymes and found that UbcH5B and 5C are the E2 enzymes involved in PHF7-mediated ubiquitination of H3 (Fig. 2D). Under the same conditions, PHF7 ubiquitinated H2A K119, H2B, and H4, but ubiquitination of H2B K120 was not detected using the H2B K120ub antibody (Fig. 2D). Addition of PHF7, E1, UbcH5B/C, and Ub increased H3 ubiquitination in a time-dependent manner (Fig. 2E). We then identified the residues involved in PHF7-mediated H3 ubiquitination. In vitro ubiquitination experiments using deletion mutants of H3 indicate that ubiquitination occurs within the N-terminus of H3 (Fig. 2F). LC-MS/MS of H3ub obtained in an in vitro ubiquitination experiment showed that the ubiquitinated residue of H3 was K14 (Figure 9A). Furthermore, when mutations were made, only the K14R mutation of H3 was not ubiquitinated by PHF7 (Figure 2G). The K14 residue of H3 was also confirmed in an in vitro ubiquitination experiment (Figure 2H). Furthermore, LC-MS/MS analysis of ubiquitinated proteins in extracts of HEK293T cells overexpressing PHF7 confirmed that overexpression of PHF7 increased the amount of modified H3K14 peptides compared to the control group (Figure 9B). LC-MS/MS using testicular cells from the control group and Phf7 tKO mice showed a 30% decrease in H2A and H2B ubiquitination (Figure 9C). However, LC-MS/MS analysis failed to detect H3K14ub in testicular cells. This is presumably because H3K14ub was present in low amounts or in a small proportion of sperm cells. These data indicate that PHF7 has E3 ubiquitin ligase activity at lysine 14 of H3.

PHF7は、PHDドメインとRINGドメインを有する。従来の研究は、PHF7のN-末端PHDドメインがH3K4me2に特異的に結合して、PHF7のRINGドメインがE3ユビキチンリガーゼ活性に作用することを示した。PHF7のPHDドメインとRINGドメインがH3ユビキチン化に必要であるかを調べるために、各ドメインの欠失突然変異を作製して各ドメインの欠失はH3ユビキチン化を誘導できなかった(図3A)。RINGドメインとPHDドメインの保存されたアミノ酸残基を壊したPHF7突然変異は、E3ユビキチンリガーゼ活性を失った(図3B、3C)。PHF7のRINGドメイン突然変異は、in vitroでもH3をユビキチン化することができなかった(図3D)。まとめると、PHF7のPHDドメインとRINGドメインがH3ユビキチン化に必要で、各ドメインが壊れるとPHF7によるH3ユビキチン化を喪失した。 PHF7 has a PHD domain and a RING domain. Previous studies have shown that the N-terminal PHD domain of PHF7 specifically binds to H3K4me2, and the RING domain of PHF7 acts on E3 ubiquitin ligase activity. To examine whether the PHD and RING domains of PHF7 are required for H3 ubiquitination, deletion mutations of each domain were made and it was found that deletion of each domain could not induce H3 ubiquitination (Figure 3A). PHF7 mutations that destroyed conserved amino acid residues in the RING and PHD domains lost E3 ubiquitin ligase activity (Figures 3B and 3C). The RING domain mutation of PHF7 could not ubiquitinate H3 in vitro either (Figure 3D). In summary, the PHD and RING domains of PHF7 are required for H3 ubiquitination, and disruption of each domain resulted in a loss of H3 ubiquitination by PHF7.

実施例3.PHF7の酵素活性がないC160Aノックイン(knock-in)マウスの作製及び分析
PHF7のE3ユビキチンリガーゼ活性が精子形成過程に重要であるか調べるために、PHF7の酵素活性が壊れたRINGドメイン内にC160A突然変異を有するPHF7ノックイン(knock-in,KI)マウスを(ここからPhf7CA/CA)作製した(図3E)。対照群(Phf7+/CA)とPhf7CA/CA雄を野生型雌と交配させた時、Phf7CA/CA雄が対照群雄に比べて不妊であった(図3F)。対照群雄は、野生型雄と似た受精能力を示すため、C160A突然変異は劣性であることが示された。Phf7CA/CAマウスの精巣が目立つ欠陥が見られないにも関わらず、Phf7CA/CAマウスの副睾丸で少ない数の精子が観察された(図10A及びB)。Phf7CA/CAマウスの精子は、対照群に比べて非正常的な形態、低い運動性、低い受精能力を示した(図3G、3H、図10C)。Phf7tKOマウスの精子と類似するように、Phf7CA/CAマウスの精子と精細胞は、精子成熟過程の間不完全なヒストン除去を示しているが(図3J~3L)、これはPhf7CA/CAマウスがPhf7tKOマウスと似たような表現型であることを示す。重要なことは、対照群に比べてPhf7CA/CAマウスの精巣細胞でH3ユビキチン化が減少した(図3M)。まとめると、このデータは、PHF7のE3ユビキチンリガーゼ活性が精子成熟過程の間H3ユビキチン化に重要であることを示す。
Example 3. Generation and Analysis of C160A Knock-in Mice with No Enzymatic Activity of PHF7 To investigate whether the E3 ubiquitin ligase activity of PHF7 is important in spermatogenesis, we generated PHF7 knock-in (KI) mice (hereafter Phf7 CA/CA ) with a C160A mutation in the RING domain that abolished the enzymatic activity of PHF7 ( FIG. 3E ). When control (Phf7 +/CA ) and Phf7 CA/CA males were mated with wild-type females, Phf7 CA/CA males were infertile compared to control males ( FIG. 3F ). Control males showed fertility similar to wild-type males, indicating that the C160A mutation is recessive. Although the testes of Phf7 CA/CA mice did not show any obvious defects, a low number of sperm was observed in the epididymis of Phf7 CA/CA mice (Figure 10A and B). Sperm from Phf7 CA/CA mice showed abnormal morphology, low motility, and low fertilization capacity compared to controls (Figures 3G, 3H, and 10C). Similar to sperm from Phf7 tKO mice, sperm and sperm cells from Phf7 CA/CA mice showed defective histone removal during the sperm maturation process (Figures 3J-3L), indicating that Phf7 CA/CA mice have a similar phenotype to Phf7 tKO mice. Importantly, H3 ubiquitination was reduced in testicular cells from Phf7 CA/CA mice compared to controls (Figure 3M). Taken together, this data indicates that the E3 ubiquitin ligase activity of PHF7 is important for H3 ubiquitination during the sperm maturation process.

実施例4.PHF7のE3ユビキチンリガーゼ活性はH4過アセチル化以後のヒストン除去に重要であることを究明
ショウジョウバエでPHF7は、生殖細胞で下位遺伝子の転写調節に役割をすることが知らされている。マウス精子形成過程で、PHF7の欠失が遺伝体水準で転写体変化を誘導するのか調べるために、10Xゲノミクス分析法を利用して対照群とPhf7tKOマウスの精巣細胞で転写体を分析した。単一細胞RNAシーケンシング結果は、二つの生物学的繰り返し実験で再現性が高く、精原細胞から精細胞までの知らされた細胞群集のように良好に分類された(図4A、図11)。細胞群集は、精子形成に関与した細胞の構成が対照群とPhf7tKOマウスとで類似していることを示す。しかし、驚くべきことに二つのマウスの間で各群集内の有意な遺伝子発現パターンの差を発見することができなかったが(図4B)、これはPHF7の欠陥がマウスの精子形成過程の間転写体に有意な変化を与えないことを示す。これを根拠に精子成熟過程の間クロマチン凝縮の変化を分析した。
Example 4. E3 ubiquitin ligase activity of PHF7 is important for histone removal after H4 hyperacetylation. In Drosophila, PHF7 is known to play a role in regulating the transcription of subordinate genes in germ cells. To investigate whether PHF7 deletion induces transcript changes at the gene level during mouse spermatogenesis, transcripts were analyzed in testicular cells of control and Phf7 tKO mice using 10X genomics analysis. The single-cell RNA sequencing results were highly reproducible in two biological repeated experiments, and well classified into known cell populations from spermatogonia to spermatids (Figure 4A, Figure 11). The cell populations show that the composition of cells involved in spermatogenesis is similar between the control and Phf7 tKO mice. However, surprisingly, we could not find any significant differences in gene expression patterns within each population between the two mice (Figure 4B), indicating that PHF7 deficiency does not significantly change transcripts during mouse spermatogenesis. On this basis, we analyzed the changes in chromatin condensation during the sperm maturation process.

従って、TnpとPrmの発現をまず分析した。単一細胞RNAシーケンシング結果を代弁するように、qRT-PCR分析は、この遺伝子のmRNAレベルに大差ないことを示した(図4C)。しかし、精細胞抽出液を利用した免疫ブロット分析は、対照群に比べてPhf7tKOとPhf7CA/CAマウスとでTNP1/2、PRM2のタンパク質レベルが減少しているのを示す(図4D、4E)。次に、伸長型精細胞でヒストン-プロタミン交換以前に起きる後成遺伝学的イベントであるH4過アセチル化を分析した。驚くべきことに、Phf7tKOとPhf7CA/CAマウスの精細胞は、対照群に比べて非常に高いレベルのH4アセチル化を示した(図4F、4G)。PHF7の欠陥が精巣でH4アセチル化をどのように増やしたのか調べるために、精巣切片で免疫染色実験をした。マウスで精子形成周期は12段階からなり、12段階以後、次の周期の1段階となる(図12)。減数分裂以後、精子成熟過程は、16ステップに分かれる。洗浄管基底にある精原細胞は、精子形成過程が進行しながら内側に移動するようになり12、1-8段階洗浄管に(ステップ12-16)凝縮型精細胞が存在して、9-11段階洗浄管には(ステップ9-11)伸長型精細胞が存在する。対照群精巣でH4アセチル化は9段階洗浄管のステップ9伸長型精細胞で初めて現れて、12段階洗浄管のステップ12凝縮型精細胞で減少するが、Phf7tKOとPhf7CA/CAマウスの精巣でH4アセチル化は正常的にはH4アセチル化が存在しない1-8段階洗浄管のステップ13-16凝縮型精細胞まで残っている(図12B、C)。伸長型精細胞で発生するH4過アセチル化は、ヒストン除去を誘導して、これによって凝縮型精細胞ではH4アセチル化のレベルが減るようになる。より正確な検証のために、H4acを凝縮型精細胞のマーカーであるTNP2(ステップ11-14精細胞、11-2段階)、PRM1(ステップ11-16精細胞、11-8段階)、PRM2(ステップ14-16精細胞、2-8段階)と共同免疫染色を進行した。対照群で精巣切片上のH4acとPRM2は相反する発現を示しているが、Phf7tKOとPhf7CA/CAマウスの精巣ではすべての洗浄管でH4acが検出されてPRM2と共同染色された(図4H)。TNP2とPRM1は、ステップ11精細胞(11段階)から発現するため、対照群ではただステップ11-12精細胞(11-12段階)だけにおいてH4acと二つのタンパク質が共同染色になった。しかし、Phf7tKOとPhf7CA/CAマウスでは、すべての洗浄管にH4acが発現するため、TNP2とPRM1が発現するすべての精細胞でH4acと共同染色になる(図13A、B)。Phf7tKOとPhf7CA/CAマウスの凝縮型精細胞でヒストンが残っていることを観察したため、Phf7tKOとPhf7CA/CAマウスの凝縮型精細胞でH4acが残っていることである。 Therefore, we first analyzed the expression of Tnp and Prm. As a proxy for the single-cell RNA sequencing results, qRT-PCR analysis showed that the mRNA levels of these genes were not significantly different (Figure 4C). However, immunoblot analysis using sperm cell extracts showed that the protein levels of TNP1/2 and PRM2 were reduced in Phf7 tKO and Phf7 CA/CA mice compared to controls (Figures 4D, 4E). Next, we analyzed H4 hyperacetylation, an epigenetic event that occurs before histone-protamine exchange in elongated spermatids. Surprisingly, spermatids from Phf7 tKO and Phf7 CA/CA mice showed significantly higher levels of H4 acetylation than those from controls (Figures 4F, 4G). To investigate how PHF7 deficiency increased H4 acetylation in the testis, we performed immunostaining experiments on testis sections. In mice, the spermatogenesis cycle consists of 12 stages, and after stage 12, it becomes stage 1 of the next cycle (Figure 12). After meiosis, the sperm maturation process is divided into 16 steps. Spermatogonia at the base of the lavage duct migrate inward as the spermatogenesis process progresses12, and condensed spermatids exist in the lavage duct at stages 1-8 (steps 12-16), and elongated spermatids exist in the lavage duct at stages 9-11 (steps 9-11). In the control testes, H4 acetylation first appears in elongated spermatids at step 9 in the lavage duct at stage 9, and decreases in condensed spermatids at step 12 in the lavage duct at stage 12, but in the testes of Phf7 tKO and Phf7 CA/CA mice, H4 acetylation remains in condensed spermatids at steps 13-16 in the lavage duct at stages 1-8, where H4 acetylation is not normally present (Figures 12B, C). H4 hyperacetylation occurring in elongating spermatids induces histone removal, which reduces the level of H4 acetylation in condensing spermatids. For more precise verification, H4ac was co-immunostained with condensing spermatid markers TNP2 (step 11-14 spermatids, stage 11-2), PRM1 (step 11-16 spermatids, stage 11-8), and PRM2 (step 14-16 spermatids, stage 2-8). In the control group, H4ac and PRM2 on testis sections showed reciprocal expression, but in the testes of Phf7 tKO and Phf7 CA/CA mice, H4ac was detected in all lavage ducts and co-stained with PRM2 (Figure 4H). TNP2 and PRM1 are expressed from step 11 spermatids (stage 11), so in the control group, the two proteins co-stained with H4ac only in step 11-12 spermatids (stage 11-12). However, in Phf7 tKO and Phf7 CA /CA mice, H4ac is expressed in all lavage ducts, so all spermatids expressing TNP2 and PRM1 co-stained with H4ac (Figure 13A, B). We observed that histones remained in condensed spermatids in Phf7 tKO and Phf7 CA/CA mice, so H4ac remains in condensed spermatids in Phf7 tKO and Phf7 CA/CA mice.

PHF7とH4acとの間の関係を調べるために、Flag-PHF7 KIマウスを作製した(ここからPhf7Flag)(図14A)。Phf7Flag/+マウスの精巣細胞を利用した免疫ブロット分析でFlag-PHF7タンパク質の発現を確認した(図14B)。Flag抗体で組織免疫染色をした時、11段階から2段階洗浄管で、ステップ11-12精細胞の核内でFlag-PHF7を検出した(図14C、D)。Phf7Flag/+マウスの精巣切片でH4acとFlagを共同免疫染色するとFlag-PHF7はH4ac誘導以後に発現してステップ11-12精細胞でH4acのように発現する(図14E)。PHF7の発現タイミングは、PHF7の欠陥がH4過アセチル化の誘導には影響を与えないことを示す。 To investigate the relationship between PHF7 and H4ac, we generated Flag-PHF7 KI mice (hereafter Phf7 Flag ) (Figure 14A). Expression of Flag-PHF7 protein was confirmed by immunoblotting analysis using testicular cells from Phf7 Flag/+ mice (Figure 14B). When tissue immunostaining was performed with Flag antibody, Flag-PHF7 was detected in the nuclei of step 11-12 spermatids from step 11 to step 2 wash ducts (Figure 14C, D). When co-immunostaining for H4ac and Flag was performed in testicular sections from Phf7 Flag/+ mice, Flag-PHF7 was expressed after H4ac induction and expressed like H4ac in step 11-12 spermatids (Figure 14E). The timing of PHF7 expression indicates that PHF7 deficiency does not affect the induction of H4 hyperacetylation.

まとめると、Phf7tKOとPhf7CA/CAマウスの凝縮型精細胞で非正常的に残っているH4アセチル化は、精子成熟過程の間ヒストン除去が不完全に起きたためであると見ることができる。このような結果は、Phf7tKOとPhf7CA/CAマウスでH4過アセチル化以後ヒストン除去に問題があることを示す(図4I)。 Taken together, abnormally persistent H4 acetylation in condensed spermatids from Phf7 tKO and Phf7 CA/CA mice may be due to incomplete histone removal during sperm maturation, indicating that there is a defect in histone removal following H4 hyperacetylation in Phf7 tKO and Phf7 CA/CA mice (Figure 4I).

実施例5.PHF7の欠陥は初期凝縮型精細胞でBRDTの減少を誘発して不完全なヒストン除去につながることを究明
Phf7tKOとPhf7CA/CAマウスでH4過アセチル化以後ヒストン除去がなぜ壊れたのか分子機構を調べるために、まずH4アセチル化を認知するヒストン除去因子であるBRDTのレベルを測定した。驚くべきことに、Phf7tKOとPhf7CA/CAマウスの精細胞でBRDTのタンパク質レベルmRNAレベルは差がなく対照群に比べて低いことを示した(図5A、5B)。Phf7tKOとPhf7CA/CAマウスでどの精子成熟時期にBRDTが減っているのか確認するために、BRDTとH4acに対して組織免疫染色を行った。BRDTは、精母細胞からマウスでは伸長型精細胞、ヒトでは精子まで検出されると知らされているが、本研究者等は、BRDTが対照群マウスでステップ12精細胞まで発現して、その発現がステップ13精細胞で減少することを確認した(図5C、5D)。H4acは、ステップ11精細胞とステップ12精細胞の核でBRDTと共同染色されて、それらのレベルがステップ13精細胞で減少した(図5E)。驚くべきことに、Phf7tKOとPhf7CA/CAマウスのステップ12精細胞でBRDTのレベルが減少して、ステップ12精細胞とステップ13精細胞の核でH4acがより多く残っているのを観察した(図5C-5E)。ヒストンは、後期伸長型精細胞から初期凝縮型精細胞までの時期に除去されて、H4acはステップ13精細胞で検出されない。このデータは、ステップ12精細胞までのH4acとBRDTの共同発現がヒストン除去に重要で、PHF7のE3ユビキチンリガーゼ活性がステップ12精細胞でBRDTレベルを維持するのに必要であることを示す。従って、PHF7の欠陥がステップ12精細胞でBRDTレベル維持に失敗して、これによって不完全なヒストン除去が起きたと推定した。
Example 5. PHF7 deficiency induces BRDT reduction in early condensed spermatids, leading to incomplete histone removal. To investigate the molecular mechanism of why histone removal was disrupted after H4 hyperacetylation in Phf7 tKO and Phf7 CA/CA mice, we first measured the levels of BRDT, a histone removal factor that recognizes H4 acetylation. Surprisingly, there was no difference in the protein and mRNA levels of BRDT in spermatids of Phf7 tKO and Phf7 CA/CA mice, and they were lower than those of the control group (Figures 5A and 5B). To determine at which stage of sperm maturation BRDT was reduced in Phf7 tKO and Phf7 CA/CA mice, tissue immunostaining was performed for BRDT and H4ac. Although BRDT is known to be detected from spermatocytes to elongating spermatids in mice and spermatozoa in humans, we confirmed that BRDT was expressed up to step 12 spermatids in control mice and its expression was decreased in step 13 spermatids (Fig. 5C, 5D). H4ac was co-stained with BRDT in the nuclei of step 11 and step 12 spermatids, and their levels were decreased in step 13 spermatids (Fig. 5E). Surprisingly, we observed that the levels of BRDT were decreased in step 12 spermatids in Phf7 tKO and Phf7 CA/CA mice, and H4ac remained more abundant in the nuclei of step 12 and step 13 spermatids (Fig. 5C-5E). Histones are removed from late elongating spermatids to early condensing spermatids, and H4ac is not detected in step 13 spermatids. These data indicate that co-expression of H4ac and BRDT by step 12 spermatids is important for histone removal, and that the E3 ubiquitin ligase activity of PHF7 is required to maintain BRDT levels in step 12 spermatids. Therefore, we hypothesized that defects in PHF7 led to failure to maintain BRDT levels in step 12 spermatids, which resulted in defective histone removal.

実施例6.PHF7のE3ユビキチンリガーゼ活性はBRDT安定性に重要であることを究明
減数分裂後、精細胞でPHF7がBRDTとの関連性を分析するために、まずPhf7Flag/+マウスの精細胞でPHF7とBRDTの共同発現を確認した。組織免疫染色結果は、PHF7とBRDTがステップ11-12精細胞で共に発現するのを示す(図6A)。BRD2、3、4を含むBETファミリーは、BD1とBD2との問にSPOPデグロンがあるが、Cul3-SPOP E3ユビキチンリガーゼによって安定性が調節される。重要なことに、本研究者等は同じファミリーの中の一つであるBRDTにSPOPデグロン配列があることを見出した(図6B)。HEK293T細胞にBRDTとSPOPを過発現後に進行した免疫ブロット結果は、SPOPによるBRDT分解がMG132処理によって抑制されることを示す(図6C)。SPOPデグロン配列がないBRDT突然変異は、SPOPによって影響されなかったが、これはCul3-SPOPがBRDTを分解させるE3ユビキチンリガーゼであることを示している。
Example 6. E3 ubiquitin ligase activity of PHF7 is important for BRDT stability To analyze the relationship between PHF7 and BRDT in spermatids after meiosis, we first confirmed the co-expression of PHF7 and BRDT in spermatids of Phf7 Flag/+ mice. Histoimmunostaining results showed that PHF7 and BRDT were co-expressed in step 11-12 spermatids (Figure 6A). The BET family, which includes BRD2, 3, and 4, has an SPOP degron between BD1 and BD2, and its stability is regulated by Cul3-SPOP E3 ubiquitin ligase. Importantly, we found that BRDT, a member of the same family, has an SPOP degron sequence (Figure 6B). Immunoblot results after overexpression of BRDT and SPOP in HEK293T cells showed that SPOP-mediated BRDT degradation was suppressed by MG132 treatment (Figure 6C). BRDT mutants lacking the SPOP degron sequence were not affected by SPOP, indicating that Cul3-SPOP is an E3 ubiquitin ligase that degrades BRDT.

PHF7がBRDT安定性に影響を与えるのか調べるために、HEK293T細胞にBRDT、SPOP、PHF7を過発現した。PHF7 WTは、SPOPを媒介した分解を弱化させることによって、BRDTタンパク質量を増やした反面、PHF7 C160Aはそうでなかった(図6D)。SPOPの知らされた基質であるBRD4とPTENは、PHF7によって増加しなかったが、PHF7がSPOPの活性に影響を与えなかったことを示す。SPOPとCul3は、精細胞で発現してPHF7突然変異精細胞でBRD4とPTENも対照群と大きい差はなかった(図6E)。次に、ユビキチン化アッセイでPHF7 C160AでないWTだけがBRDTのユビキチン化を弱化させた(図6F)。細胞免疫染色分析は、BRDT、SPOP、PHF7が核内で共に発現することを示した(図6G)。in vitroユビキチン化アッセイは、PHF7自体がSPOPによって誘導されたBRDTのユビキチン化を弱化させることはなかった(図6H)。これは、PHF7が直接的にBRDTのユビキチン化を調節しないことを示している。まとめると、このデータは、PHF7のE3ユビキチンリガーゼ活性はSPOPによるBRDTの分解を弱化させることによって、BRDT安定性を維持するのに重要であることを示す。 To examine whether PHF7 affects BRDT stability, we overexpressed BRDT, SPOP, and PHF7 in HEK293T cells. PHF7 WT, but not PHF7 C160A, increased BRDT protein levels by attenuating SPOP-mediated degradation (Fig. 6D). BRD4 and PTEN, known substrates of SPOP, were not increased by PHF7, indicating that PHF7 did not affect SPOP activity. SPOP and Cul3 were expressed in spermatids, and BRD4 and PTEN in PHF7 mutant spermatids were not significantly different from the control group (Fig. 6E). Next, a ubiquitination assay showed that only WT, but not PHF7 C160A, attenuated ubiquitination of BRDT (Fig. 6F). Cell immunostaining analysis showed that BRDT, SPOP, and PHF7 were co-expressed in the nucleus (Figure 6G). In vitro ubiquitination assays showed that PHF7 itself did not attenuate the ubiquitination of BRDT induced by SPOP (Figure 6H). This indicates that PHF7 does not directly regulate the ubiquitination of BRDT. Taken together, this data indicates that the E3 ubiquitin ligase activity of PHF7 is important for maintaining BRDT stability by attenuating SPOP-induced degradation of BRDT.

PHF7がBRDTタンパク質安定性にどのように影響を与えるのか調べるために、まずPHF7とBRDTの結合を確認した。しかし、PHF7はBRDTと直接的に付かず(図7A)、それで、PHF7を媒介したヒストンユビキチン化がBRDTの調節と関連があるか調べることにした。GST-BRDTとヒストンユビキチン化やH4acを有するヌクレオソームを利用したin vitroプルダウンアッセイは、PHF7媒介ヒストンユビキチン化がH4acを有するヌクレオソームとBRDTの結合を弱く増加させた(図7B)。それにもかかわらず、PHF7媒介ヒストンユビキチン化とH4acを有するヌクレオソームがSPOPによって誘導されたBRDTユビキチン化を抑制して、各々一つずつあるヌクレオソームはそうでなかった(図7C)。このデータは、PHF7媒介ヒストンユビキチン化は、H4acがある時にBRDTと相互作用して、BRDTのユビキチン化を調節することを示している。伸長型精細胞でH4過アセチル化以後、BRDTがH4acを認知してPHF7媒介ヒストンユビキチン化は、初期凝縮型精細胞でBRDTの安定化に寄与して、ヒストン除去を促進することが推定される(図7D)。 To investigate how PHF7 affects BRDT protein stability, we first confirmed the binding of PHF7 to BRDT. However, PHF7 does not directly bind to BRDT (Fig. 7A), so we decided to examine whether PHF7-mediated histone ubiquitination is related to the regulation of BRDT. In vitro pull-down assays using GST-BRDT and histone ubiquitination or H4ac-bearing nucleosomes showed that PHF7-mediated histone ubiquitination weakly increased the binding of H4ac-bearing nucleosomes to BRDT (Fig. 7B). Nevertheless, PHF7-mediated histone ubiquitination and H4ac-bearing nucleosomes, but not single nucleosomes, suppressed SPOP-induced BRDT ubiquitination (Fig. 7C). This data indicates that PHF7-mediated histone ubiquitination interacts with BRDT in the presence of H4ac and regulates BRDT ubiquitination. It is speculated that after H4 hyperacetylation in elongating spermatids, BRDT recognizes H4ac and PHF7-mediated histone ubiquitination contributes to the stabilization of BRDT in early condensing spermatids and promotes histone removal (Figure 7D).

ショウジョウバエでPHF7は、初期生殖細胞で雄特異的な遺伝子発現を活性化させることによって、原細胞としての決定を調節すると知らされている。マウスで、従来の研究は、円形精細胞でPHF7媒介H2Aubに焦点が合わされて、以後伸長型精細胞でヒストン-プロタミン交換に必要な過程であるRNF8媒介H2Aub及びH2Bubが起きると推定した。 In Drosophila, PHF7 is known to regulate the determination of germ cells as progenitors by activating male-specific gene expression in early germ cells. In mice, previous studies have focused on PHF7-mediated H2Aub in round spermatids, and postulated that RNF8-mediated H2Aub and H2Bub occur in elongating spermatids, a process required for histone-protamine exchange.

本願では、H3K14ubがPHF7のさらに他の基質であり、精子成熟過程でヒストン-プロタミン交換に重要であることを明らかにした。伸長型精細胞でH4過アセチル化以後、PHF7媒介ヒストンユビキチン化がこれと組み合わせてBRDTの安定化に寄与して、即ち、PHF7が初期凝縮型精細胞でBRDTを維持する重要な役割をするようになる。PHF7の欠陥は、H3K14ubの欠乏を誘導し、続いて初期凝縮型精細胞でBRDTタンパク質量を減少させて、ヒストンが残っている非正常的な精子の発生を誘導するようになる。本発明は、ヒストンユビキチン化によりクロマチン上の豊富なBRDTヒストン-プロタミン交換のためのヒストン除去を促進するのを提示する。 In this study, we demonstrated that H3K14ub is another substrate of PHF7 and is important for histone-protamine exchange during sperm maturation. After H4 hyperacetylation in elongating spermatids, PHF7-mediated histone ubiquitination contributes to the stabilization of BRDT in combination with this, i.e., PHF7 plays an important role in maintaining BRDT in early condensed spermatids. Deficiency of PHF7 induces a deficiency of H3K14ub, which in turn reduces the amount of BRDT protein in early condensed spermatids, inducing the development of abnormal spermatozoa with remaining histones. The present invention proposes that histone ubiquitination promotes the removal of histones for the abundant BRDT histone-protamine exchange on chromatin.

以上で、本願の例示的な実施例について詳細に説明したが、本願の権利範囲は、これに限定されず次の請求の範囲で定義している本願の基本概念を利用した当業者の様々な変形及び改良形態も本願の権利範囲に属するものである。 Although the illustrative embodiments of the present application have been described in detail above, the scope of the present application is not limited thereto, and various modifications and improvements made by those skilled in the art using the basic concepts of the present application as defined in the following claims also fall within the scope of the present application.

本発明で使われるすべての技術用語は、別に定義されない限り、本発明の関連分野で通常の当業者が一般的に理解するもののような意味で使われる。本明細書に参考文献と記載されるすべての刊行物の内容は、本発明に取り入れる。 All technical terms used herein have the meanings that are commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains, unless otherwise defined. The contents of all publications referenced herein are incorporated herein by reference.

Claims (3)

PHF7(PHD finger protein 7)、SPOP及びBRDT(Bromodomain testis-specific)タンパク質を発現する真核細胞を提供する段階;
前記細胞をPHF7のヒストン3(H3)の14番目リシン残基に対するユビキチン化活性を抑制すると期待される試験物質と接触する段階;
前記接触後、前記細胞で前記H3タンパク質のユビキチン化程度を測定する段階;及び
前記測定する段階で前記試験物質と接触した細胞で、接触されなかった細胞と比較して、前記H3のユビキチン化が減少された場合、前記試験物質を精子クロマチン凝縮に必要なヒストン-プロタミン交換抑制剤として選別する段階を含む、精子クロマチン凝縮抑制剤スクリーニング方法であって、
前記細胞は、ヒトを除いた動物モデルとして提供されるものであり、
前記測定する段階で、前記動物モデルの精細胞でBRDTタンパク質のユビキチン化または前記BRDTタンパク質の濃度を測定することを追加で含み、
前記BRDTタンパク質ユビキチン化が、前記試験物質で処理されなかった細胞と比較して増加するか、または前記BRDTタンパク質の濃度が前記試験物質で処理されなかった細胞と比較して、減少した場合、前記試験物質を精子核凝縮に必要なヒストン-クロマチン交換抑制剤として選別する段階を含む、精子クロマチン凝縮抑制剤スクリーニング方法
providing a eukaryotic cell expressing PHF7 (PHD finger protein 7), SPOP and BRDT (Bromdomain testis-specific) proteins;
contacting the cell with a test substance that is expected to inhibit the ubiquitination activity of PHF7 to the lysine 14 residue of histone 3 (H3);
measuring the degree of ubiquitination of the H3 protein in the cells after the contact; and, if the degree of ubiquitination of the H3 protein is reduced in the cells contacted with the test substance compared to the cells not contacted in the measuring step, selecting the test substance as a histone-protamine exchange inhibitor required for sperm chromatin condensation,
The cells are provided as a non-human animal model,
The measuring step may further include measuring ubiquitination of a BRDT protein or a concentration of the BRDT protein in sperm cells of the animal model;
A method for screening a sperm chromatin condensation inhibitor, comprising the step of selecting the test substance as a histone-chromatin exchange inhibitor required for sperm nuclear condensation if the BRDT protein ubiquitination is increased compared to cells not treated with the test substance, or if the concentration of the BRDT protein is decreased compared to cells not treated with the test substance.
前記細胞は、PHF7を過発現するHEK293T細胞である、請求項1に記載の精子クロマチン凝縮抑制剤スクリーニング方法。 The method for screening a sperm chromatin condensation inhibitor according to claim 1, wherein the cells are HEK293T cells that overexpress PHF7. 前記精子クロマチン凝縮抑制剤は、男性避妊剤として使われるものである、請求項1または2に記載の精子クロマチン凝縮抑制剤スクリーニング方法。 The method for screening a sperm chromatin condensation inhibitor according to claim 1 or 2 , wherein the sperm chromatin condensation inhibitor is used as a male contraceptive.
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Xiukun Wang,PHF7 is a novel histone H2A E3 ligase prior to histone-toprotamine exchange during spermiogenesis,Development,2019年07月10日,146(13), dev175547,pp.1-11,doi:10.1242/dev.175547

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