著者の所属・活動拠点の国は、中国です。

掲載誌：Animals

ライセンス: CC BY　対象: 公開論文　確認元: OpenAlex

研究の目的

牛は周囲の気温が高すぎて体温調節が追いつかなくなると、体温が上がったままになります。こうした暑熱ストレスは成長や泌乳のほか、繁殖にも悪影響を与えます。牛では卵子の成熟や受精、その後の胚の発育が損なわれることが知られています。

研究チームが注目したのは、卵巣の卵胞の中で卵子を取り囲む顆粒膜細胞です。この細胞は育ちつつある卵子に栄養を与え、繁殖に関わるホルモンの信号を調節しています。研究チームは以前の研究で、43℃・20分の加熱が牛の顆粒膜細胞に細胞死（アポトーシス）とミトコンドリアの機能障害を起こすことを報告していました。ただ、43℃で20分または40分加熱したときに、細胞内のどの遺伝子の働きがどう変わるかを網羅的に調べた研究はありませんでした。そこで今回、加熱時間によってミトコンドリアの構造と遺伝子の働き（トランスクリプトーム）がどう変化するかを調べました。

何を、どのように調べたか

材料は、食肉処理場で集めたホルスタイン種の雌牛の卵巣です。直径2〜8ミリの卵胞から顆粒膜細胞を取り出して培養しました。処理場由来のため、提供牛の年齢、出産歴、繁殖の状態は分かっていません。

培養した細胞を43℃で20分または40分加熱し、加熱しない細胞（0分）と比べました。測定したのは、ミトコンドリアの微細な形（長さ、幅、断面積）、細胞内のカルシウム、そして遺伝子の働きです。遺伝子の働きはRNAシーケンシングで調べました。これは細胞内で作られているRNAを読み取り、どの遺伝子がどれだけ働いているかを一度に測る方法です。

比較は「0分と20分」「0分と40分」「20分と40分」の3組です。それぞれで働きが大きく変わった遺伝子（発現変動遺伝子）を選び出しました。続いて、それらの遺伝子がどのような生物学的な働きや経路に集中しているかを分析しました。さらに、遺伝子がつくるたんぱく質どうしの関係を公開データベースで予測しました。最後に、9つの遺伝子を別の方法（qPCR）で測り直し、RNAシーケンシングの結果を確かめました。実験は各群で少なくとも3回、独立に繰り返されました。

主な報告結果

働きが変わった遺伝子の数は、加熱時間とともに大きく増えました。加熱しない細胞と比べると、20分加熱では185個でした。40分加熱では831個（増加246個、減少585個）で、20分の約4.5倍です。20分と40分を直接比べた場合は、285個の遺伝子に差がありました（増加104個、減少181個）。研究チームは、どちらの加熱時間でも共通して変化した285個の遺伝子を「中核となる暑熱ストレスの特徴」と位置づけています。

20分加熱では、熱から細胞を守る熱ショックたんぱく質の遺伝子が増えました。刺激を受けるとすぐに働きだすFOS、JUN、EGR1などの遺伝子も増えています。一方、代謝に関わる遺伝子や、細胞表面の小さな突起である一次繊毛をつくる遺伝子は減っていました。40分加熱では、熱ショックたんぱく質の遺伝子が引き続き増えていました。それに加えて、ストレスに応答する遺伝子、細胞死を促す遺伝子、炎症に関わる遺伝子も増えました。逆に、ステロイドホルモンの合成、糖の新生、繊毛の形成に関わる遺伝子は幅広く減っていました。

関連する経路の分析では、20分加熱で変化した遺伝子は、エストロゲンの信号経路や、ストレスに応じて働くMAPK経路、PI3K-AKT経路と結びついていました。40分加熱では、たんぱく質の折りたたみ直しや、異常な形のたんぱく質への応答に関わる項目が目立ちました。経路としてはMAPK経路に加え、WNT経路と、炎症に関わるTNF経路が主なものでした。たんぱく質どうしの関係の予測では、HSPA1Aなどの遺伝子が関係の中心に位置していました（中心となる遺伝子として、結果の節ではHSPA1A・EGR1・JUN、結論ではHSPA1A・ESR1・JUNが挙げられています）。qPCRで測り直した結果は、RNAシーケンシングの結果とよく一致しました。

ミトコンドリアの形にも変化がありました。40分加熱では、長さ、幅、断面積がいずれも、加熱しない細胞と20分加熱の細胞の両方より有意に小さくなりました。研究チームは結論の中で、加熱が長くなるほどミトコンドリアの膨張と、内部のひだ（クリステ）の乱れが進んだとまとめています。カルシウムは2段階の変化を示し、20分では増え、40分では減っていました。

この報告が示すこと

研究チームは、20分の段階では細胞を守る反応が中心で、40分になると細胞死、炎症、ホルモン合成の抑制を伴う有害な方向への変化に移ると解釈しています。また、熱ショックたんぱく質の反応が出そろう前の20分の時点でミトコンドリアの構造がすでに傷んでいることから、ミトコンドリアは暑熱の影響を最も早く受ける場所の一つだと考えています。

そのうえで研究チームは「ミトコンドリア―カルシウム―遺伝子の働き」のつながりを示すモデルを提案しました。カルシウムの調節の乱れがミトコンドリアを傷つけ、それが遺伝子の働きの変化と重なって顆粒膜細胞の機能を損なうという考え方です。20分から40分への移行期については、守る仕組みがまだ働く一方で有害な経路が現れ始める時期だとして、対策を考えるうえで重要な期間になりうると述べています。

限界として研究チームは、今回の結果はRNAの量の変化であり、たんぱく質や代謝物のレベルでの確認が必要だと述べています。RNAの量が、たんぱく質の働きと必ずしも一致しないためです。また、今回の実験は取り出した細胞を加熱したもので、高温多湿の環境で飼育した牛でも同じ特徴が見られるかは、まだ確かめられていません。

原著論文の著者・所属：Zijing Zhang（Institute of Animal Husbandry, Henan Academy of Agricultural Sciences, Huayuan Road 116, Zhengzhou 450002, China）、Jia Min（College of Animal Science and Technology, Henan Agricultural University, Pingan Road 218, Zhengzhou 450046, China; Institute of Animal Husbandry, Henan Academy of Agricultural Sciences, Huayuan Road 116, Zhengzhou 450002, China）、Zhihao Zhang（Institute of Animal Husbandry, Henan Academy of Agricultural Sciences, Huayuan Road 116, Zhengzhou 450002, China）、Tong Yu（College of Animal Science and Technology, Henan Agricultural University, Pingan Road 218, Zhengzhou 450046, China）、Xian Liu（Henan Animal Husbandry Technology Extension Station, Zhengzhou 450008, China）、Xiaoting Zhu（Institute of Animal Husbandry, Henan Academy of Agricultural Sciences, Huayuan Road 116, Zhengzhou 450002, China）、Shijie Lyu（Institute of Animal Husbandry, Henan Academy of Agricultural Sciences, Huayuan Road 116, Zhengzhou 450002, China）、Manru Luan（College of Animal Science and Technology, Henan Agricultural University, Pingan Road 218, Zhengzhou 450046, China; Institute of Animal Husbandry, Henan Academy of Agricultural Sciences, Huayuan Road 116, Zhengzhou 450002, China）、Qiaoting Shi（Institute of Animal Husbandry, Henan Academy of Agricultural Sciences, Huayuan Road 116, Zhengzhou 450002, China）、Yongzhen Huang（College of Animal Science and Technology, Northwest A&F University, Xianyang 712100, China）、Xingshan Qi（Henan Biyang County Livestock Technology Service Center, Zhumadian 463000, China）、Zhao Zhao（Nanyang Yamin Agriculture and Animal Husbandry Co., Ltd., Nanyang 473000, China）、Shenhe Liu（College of Animal Science and Technology, Henan Agricultural University, Pingan Road 218, Zhengzhou 450046, China）、Xiangzhou Yan（Institute of Animal Husbandry, Henan Academy of Agricultural Sciences, Huayuan Road 116, Zhengzhou 450002, China）、Eryao Wang（Institute of Animal Husbandry, Henan Academy of Agricultural Sciences, Huayuan Road 116, Zhengzhou 450002, China）、Xiangnan Wang（Institute of Animal Husbandry, Henan Academy of Agricultural Sciences, Huayuan Road 116, Zhengzhou 450002, China）

※本記事は原著論文をもとに、日本語で要約・説明を加えた研究紹介です。 出典（原著論文）：Zijing Zhang, Jia Min, Zhihao Zhang, et al. Acute Heat Stress Remodels Mitochondrial Ultrastructure and Time-Dependent Transcriptomic Landscapes in Bovine Granulosa Cells. Animals（出版社：Multidisciplinary Digital Publishing Institute） 2026-09-15. DOI: 10.3390/ani16182907. 原著ライセンス：CC BY.