Visualization of teleost ammonia excretion mechanisms by using super-resolution microscopy

• Project/Area Number: 18K05832
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 40040:Aquatic life science-related
• Research Institution: St. Marianna University School of Medicine
• Principal Investigator: 廣井 準也 聖マリアンナ医科大学, 医学部, 准教授 (20350598)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2021: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2018: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 超解像イメージング / 塩類細胞 / 細胞・組織 / 水産学

Outline of Annual Research Achievements

真骨魚類の鰓に局在する塩類細胞は、Na+とCl-の排出・取り込み、H+の排出、アンモニアの排泄といった重要な生理機構を担っている。塩類細胞が外部環境と接する頂端膜にはNa+/H+交換輸送体（NHE3）が特異的に発現するが、淡水環境においてNHE3がNa+の取り込みを行うことは熱力学的に不可能と考えられてきた。しかし近年、アンモニアトランスポーターRhcg1が塩類細胞の頂端膜に共発現し、頂端膜の内側のH+濃度を上昇させるとともに頂端膜の外側のH+濃度を低下させることによって、NHE3がNa+の取り込みを行うというモデルが支持されるようになった。また、サケ科魚類の塩類細胞において、上記のイオン輸送の起電力となるNa+/K+-ATPase（NKA）に淡水型NKAalpha1aと海水型NKAalpha1bの2アイソフォームが存在することが知られているが、NHE3b、Rhcg1、NKAalpha1a、NKAalpha1bの細胞内局在は不明なままであった。そこで今年度は、淡水および海水に順応させたニジマス、サクラマス、シロサケ、大西洋サケスモルトについて、これらトランスポーター群の細胞内局在を超解像イメージング技術によって観察した。どの魚種においても、淡水ではNHE3bとRhcg1を頂端膜に共発現させている塩類細胞はNKAalpha1aとNKAalpha1bの両方を側底膜に発現させていたが、海水ではNKAalpha1aの発現量が顕著に減少した。NHE3bとRhcg1をもたず単独で存在する塩類細胞は淡水でNKAalpha1aとNKAalpha1bの両方を側底膜に発現させていたが、海水では細胞の数が顕著に減少した。前年度までの頂端膜のトランスポーター群に加えて、側底膜のトランスポーター群の発現様式を解明することによって、塩類細胞の機能的モデル化が進展すると期待される。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

コロナ禍のために延期となっていた、ノルウェー・ベルゲン大学におけるサケ科魚類をもちいた飼育実験を、2023年6月に実施することができた。2024年6月に来日するベルゲン大学の共同研究者と解析をさらに進めることによって、目標の達成が可能となる。

Strategy for Future Research Activity

2023年度にサンプリングをおこなったニジマス、サクラマス、シロサケ、大西洋サケスモルトについて、最新の超解像レーザー顕微鏡（Zeiss LSM900 with Airyscan2）とデコンボリューションソフトウェア（SVI Huygens Essential）を組み合わせた超解像イメージングによって、NKAalpha1a、NKAalpha1b、NHE3b、Rhcg1などの浸透圧調節・アンモニア排泄関連トランスポーター群の細胞内局在変化を可視化する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Bergen(ノルウェー)
• [Int'l Joint Research] University of Montpellier(フランス)
• [Journal Article] Why can Mozambique Tilapia Acclimate to Both Freshwater and Seawater? Insights From the Plasticity of Ionocyte Functions in the Euryhaline Teleost (2022)
  • Author(s): M Inokuchi, J Hiroi, T Kaneko
  • Journal Title: Frontiers in Physiology Volume: 13 Pages: 914277-914277
  • DOI: 10.3389/fphys.2022.914277
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Brood pouch evolution in pipefish and seahorse based on histological observation. (2022)
  • Author(s): Akari Harada, Ryotaro Shiota, Ryohei Okubo, Makiko Yorifuji, Atsushi Sogabe, Hiroyuki, Motomura, Junya Hiroi, Shigeki Yasumasu, and Mari Kawaguchi
  • Journal Title: Placenta Volume: 120 Pages: 88-96
  • DOI: 10.1016/j.placenta.2022.02.014
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pactacin is a novel digestive enzyme in teleosts (2021)
  • Author(s): Kawaguchi M, Okazawa Y, Imafuku A, Nakano Y, Shimizu R, Ishizuka R, Jiang T, Nagasawa T, Hiroi J, Yasumasu S
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1 Pages: 7230-7230
  • DOI: 10.1038/s41598-021-86565-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ion uptake pathways in European sea bass Dicentrarchus labrax (2019)
  • Author(s): Blondeau-Bidet E, Hiroi J, Lorin-Nebel C
  • Journal Title: Gene Volume: 692 Pages: 126-137
  • DOI: 10.1016/j.gene.2019.01.006
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Immunohistochemical identification of gill ionocyte types in rainbow trout (Onchorhynchus mykiss) (2023)
  • Author(s): Hiroi J, Nilsen TO
  • Organizer: 11th International Workshop on Salmonid Smoltification
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ヨウジウオ科魚類の育児嚢におけるアンモニア輸送の進化 (2022)
  • Author(s): 山﨑大嬉, 廣井準也, 川口眞理
  • Organizer: 日本動物学会第74回関東支部大会
• [Presentation] タツノオトシゴの育児嚢におけるアンモニア輸送 (2021)
  • Author(s): 山﨑大嬉, 廣井準也, 川口眞理
  • Organizer: 日本動物学会第92回大会
• [Presentation] 魚類の塩分嗜好行動と塩分適応能 (2019)
  • Author(s): 市川貴美子，廣井準也，小笠原強
  • Organizer: 日本動物学会第90回大会
• [Presentation] NHE3-positive ionocytes of japanese dace form an apical crypt in acidic water (2018)
  • Author(s): Hiroi J, Tsuboi Y, Watanabe S, Kaneko T
  • Organizer: 13th International Congress on Biology of Fish
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Salinity preference and osmoregulation of japanese medaka, an euryhaline fresh water teleost (2018)
  • Author(s): Ichikawa K, Hiroi J, Kaneko T, Ogasawara T
  • Organizer: 13th International Congress on Biology of Fish
  • Int'l Joint Research
• [Book] 魚類学の百科事典 (2018)
  • Author(s): 廣井準也（分担執筆）
  • Publisher: 丸善出版
  • ISBN: 4621303171