重イオン放射線によるDNA損傷は、マウス精巣においてRpl27a-Rpl5-MDM2-p53/E2F1シグナル伝達経路を介してアポトーシスを媒介する

Heavy ion radiation-induced DNA damage mediates apoptosis via the Rpl27a-Rpl5-MDM2-p53/E2F1 signaling pathway in mouse spermatogonia.

• Hongyan Li
• Hong Zhang
• Guomin Huang
• Zhihui Dou
• Yi Xie
• Jing Si
• Cuixia Di

抄録

原子力技術の発展に伴い、電離放射線（IR）環境への曝露リスクが増加している。IR被曝は精子母細胞の過剰なアポトーシスを誘発し、男性不妊の原因となる。リボソームタンパク質（RP）はマウスのダブルミニッツ2ホモログ（MDM2）と直接相互作用してアポトーシスを誘導することから、精巣のアポトーシスはDNA損傷によるリボソームストレスに関与している可能性がある。本研究では、比較プロテオミクスとトランスクリプトミクスを用いて、高線エネルギー移動(LET)炭素イオン照射後のマウス精巣におけるRPとリボソームmRNAの違いをスクリーニングした。リボソーム・ラージ・サブユニット・プロテイン27a（Rpl27a）の発現は、in vivoの精巣でタンパク質とmRNAの両方のレベルで減少した。CIR 6h後、p53野生型およびノックアウトマウス精巣の精巣では、8-oxo-dGおよびリン酸化された無力化-telangiectasia-mutated protein (ATM)/histone H2Axの免疫蛍光シグナルは増加したが、Rpl27aの発現は減少した。さらに、CIR後にはヌクレオリンが核質全体に散在していた。これらの結果から、CIRによるDNA損傷がリボソームストレスの引き金となっている可能性が示唆され、Rpl27aの発現低下は精巣におけるDNA損傷と関連していることが示唆された。また、CIR後のGC-1細胞では、8-oxo-dGの免疫蛍光シグナルが増加していた。さらに、ATMとRpl27aの共トランスフェクションやATM処理したCIRの阻害によりRpl27aの発現が回復することから、Rpl27aの発現はDNA損傷によって制御されていた。さらに、Rpl27aの発現低下は、E2F転写因子1（E2F1）とp53のMDM2への結合を弱め、p53野生型およびノックダウンGC-1細胞において、p53の活性化とE2F1の分解を引き起こした。本研究では、重イオン放射線によるDNA損傷がRpl27a-Rpl5-MDM2-p53/E2F1シグナル伝達経路を介して精子母細胞のアポトーシスを媒介していることを提案した。この結果は、高LET放射線被曝後の精子母細胞のアポトーシスの分子機構を明らかにしたものである。

The risk of exposure to ionizing radiation (IR) environments has increased with the development of nuclear technology. IR exposure induces excessive apoptosis of the spermatogonia, which leads to male infertility. Spermatogonia apoptosis may be involved in ribosomal stress triggered by DNA damage following exposure to IR because ribosomal proteins (RPs) directly interact with mouse double minute 2 homolog (MDM2) to induce apoptosis. This study aimed to use comparative proteomics and transcriptomics approach to screen the differential RPs and ribosomal mRNAs in mouse testes following high linear energy transfer (LET) carbon ion radiation (CIR). The expression of ribosomal large subunit protein 27a (Rpl27a) decreased at both protein and mRNA levels in the spermatogonia in vivo. After 6 h of CIR, the immunofluorescence signal of 8-oxo-dG and phosphorylated ataxia-telangiectasia-mutated protein (ATM)/histone H2Ax increased, but that of Rpl27a decreased in the spermatogonia of p53 wild-type and knockout mouse testes. Moreover, the nucleolin was scattered throughout the nucleoplasm after CIR. These results suggested that CIR-induced DNA damage might trigger ribosomal stress, and the reduction in the expression of Rpl27a was associated with DNA damage in the spermatogonia. Similarly, in vitro, the immunofluorescence signal of 8-oxo-dG increased in the GC-1 cells after CIR. Moreover, the expression of Rpl27a was regulated by DNA damage because the co-transfection of ATM and Rpl27a or inhibition of ATM-treated CIR could restore the expression of Rpl27a. Furthermore, the reduction in the expression of Rpl27a led to weakened binding of E2F transcription factor 1 (E2F1) and p53 to MDM2, causing p53 activation and E2F1 degradation in p53 wild-type and knockdown GC-1 cells. This study proposed that heavy ion radiation-induced DNA damage mediated spermatogonia apoptosis via the Rpl27a-Rpl5-MDM2-p53/E2F1 signaling pathway. The results provided the underlying molecular mechanisms of spermatogonia apoptosis following exposure to high LET radiation.

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