Regulation of sperm flagellar motility by Ca2+ and cAMP

• Project/Area Number: 19K06592
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 43040:Biophysics-related
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: Shiba Kogiku 筑波大学, 生命環境系, 助教 (70533561)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2019: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 精子運動 / 繊毛 / イオンチャネル / CNGチャネル / 膜電位 / カタユウレイボヤ / 精子遊泳制御 / 精子走化性 / cAMP / カルシウム / 鞭毛 / 精子 / 鞭毛繊毛 / ダイニン

Outline of Research at the Start

真核生物の鞭毛・繊毛は、精子運動・体内の水流制御など細胞運動やシグナル受容において非常に重要な器官であり、その構造・機能は進化を通して高度に保存されている。真核生物の鞭毛・繊毛運動制御機構を明らかにするため、本研究では材料として扱いやすく反応が顕著に観察できる海産生物精子を用いて、「鞭毛波形制御におけるカルシウムイオンとcAMPの役割」に着目し、申請者が持つ鞭毛に関する独自性の高い運動解析・イメージング技術を駆使し、鞭毛・繊毛運動制御に重要なシグナル因子の解析とその機能の全容解明を目指す。本研究により細胞生物学分野においての基礎的知見が得られるとともに、不妊治療や繁殖分野への応用なども期待される。

Outline of Final Research Achievements

Using caged compounds, we analyzed in detail the behavior of cAMP-induced flagellar waveform change process and intracellular calcium concentration, and found that cAMP induces different waveform changes in ascidian spermatozoa under two conditions: calcium-dependent and calcium-independent. The effects of CNG channel inhibitors on sperm chemotaxis were also examined, suggesting that HCN channels, a type of CNG channel activated by cAMP and hyperpolarization, may act on calcium efflux during sperm chemotaxis and regulate the appropriate waveform changes. Our findings provide new insights into the signaling pathways and molecular mechanisms of flagellar wave regulation to induce the correct timing of swimming direction change during sperm　chemotaxis.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

真核生物の鞭毛・繊毛は、精子運動・体内の水流制御など細胞運動やシグナル受容において非常に重要な器官であり、その構造・機能は進化を通して高度に保存されている。本申請課題では、材料として扱いやすく反応が顕著に観察できる海産生物精子を用いて、「鞭毛波形制御におけるカルシウムイオンとcAMPの役割」に着目し、研究を実施した。その結果精子鞭毛波形を制御するためのシグナル因子とその役割を明らかにした。本研究成果は、不妊治療や繁殖分野への応用へとつながるものである。

Research Products

• [Journal Article] The Roles of Two CNG Channels in the Regulation of Ascidian Sperm Chemotaxis (2022)
  • Author(s): Shiba Kogiku、Inaba Kazuo
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 23 Issue: 3 Pages: 1648-1648
  • DOI: 10.3390/ijms23031648
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Morphological differences in tardigrade spermatozoa induce variation in gamete motility (2022)
  • Author(s): Sugiura Kenta、Shiba Kogiku、Inaba Kazuo、Matsumoto Midori
  • Journal Title: BMC Zoology Volume: 7 Issue: 1 Pages: 8-8
  • DOI: 10.1186/s40850-022-00109-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A dynein-associated photoreceptor protein prevents ciliary acclimation to blue light (2021)
  • Author(s): Kutomi O, Yamamoto R, Hirose K, Mizuno K, Nakagiri Y, , , , , , , Shibata D, Shibata M, Shiba K, Kita M, Kigoshi H, Tanaka Y, Yamasaki Y, Asahina Y, Song C, Nomura M, Nomura M, Nakajima A, Nakachi M, Yamada L, Nakazawa S, Sawada H, Murata K, Mitsuoka K, Ishikawa T, Wakabayashi K, Kon T, Inaba K
  • Journal Title: Science Advances Volume: 7 Issue: 9
  • DOI: 10.1126/sciadv.abf3621
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Flagellar motility during sperm chemotaxis and phototaxis in fucalean algae (2020)
  • Author(s): Kinoshita-Terauchi Nana、Bellgrove Alecia、Shiba Kogiku、Inaba Kazuo
  • Journal Title: European Journal of Phycology Volume: 56 Issue: 1 Pages: 85-93
  • DOI: 10.1080/09670262.2020.1767307
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Nexin-Dynein regulatory complex component DRC7 but not FBXL13 is required for sperm flagellum formation and male fertility in mice (2020)
  • Author(s): Morohoshi Akane、Miyata Haruhiko、Shimada Keisuke、Nozawa Kaori、Matsumura Takafumi、Yanase Ryuji、Shiba Kogiku、Inaba Kazuo、Ikawa Masahito
  • Journal Title: PLOS Genetics Volume: 16 Issue: 1 Pages: 1-21
  • DOI: 10.1371/journal.pgen.1008585
  • NAID: 120007159540
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] CTENO64 Is Required for Coordinated Paddling of Ciliary Comb Plate in Ctenophores (2019)
  • Author(s): Jokura Kei、Shibata Daisuke、Yamaguchi Katsushi、Shiba Kogiku、Makino Yumiko、Shigenobu Shuji、Inaba Kazuo
  • Journal Title: Current Biology Volume: 29 Issue: 20 Pages: 3510-3516
  • DOI: 10.1016/j.cub.2019.08.059
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Calaxin is required for cilia-driven determination of vertebrate laterality (2019)
  • Author(s): Sasaki Keita、Shiba Kogiku、Nakamura Akihiro、Kawano Natsuko、Satouh Yuhkoh、Yamaguchi Hiroshi、Morikawa Motohiro、Shibata Daisuke、Yanase Ryuji、Jokura Kei、Nomura Mami、Miyado Mami、Takada Shuji、Ueno Hironori、Nonaka Shigenori、Baba Tadashi、Ikawa Masahito、Kikkawa Masahide、Miyado Kenji、Inaba Kazuo
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 2 Issue: 1 Pages: 226-226
  • DOI: 10.1038/s42003-019-0462-y
  • NAID: 120006957456
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 3D 遊泳トラッキングシステムを用いたホヤ精子走化性の解析 (2022)
  • Author(s): 柴 小菊，稲葉 一男
  • Organizer: 2022 年生体運動研究合同班会議
• [Presentation] ジオラマ環境下での精子走化性の応答計測に向けて (2022)
  • Author(s): 柴 小菊
  • Organizer: 科学研究費助成事業 学術変革領域研究（A）「ジオラマ環境で覚醒する原生知能を定式化する細胞行動力学」 シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 精子が卵に近づく運動メカニズム (2022)
  • Author(s): 柴 小菊
  • Organizer: 第45回エアロ・アクアバイオメカニズム学会講演会
  • Invited
• [Presentation] The role of Ca2+ in the regulation of flagellar movement during sperm chemotaxis (2021)
  • Author(s): Kogiku Shiba
  • Organizer: RIMS Workshop “Biofluid Mechanics of Reproduction” in Biofluids 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ホヤ精子の鞭毛運動調節におけるCNGチャネルの役割 (2021)
  • Author(s): 柴 小菊，稲葉 一男
  • Organizer: 第92回日本動物学会オンライン米子大会
• [Presentation] 緩歩動物クマムシの精子における動態と形態の関係に迫る (2021)
  • Author(s): 杉浦健太，柴 小菊，稲葉 一男，松本緑
  • Organizer: 第92回日本動物学会オンライン米子大会
• [Presentation] クシクラゲ櫛板の構築とその繊毛運動におけるCTENO189の役割 (2021)
  • Author(s): 城倉圭，佐藤友，柴 小菊，稲葉 一男
  • Organizer: 第92回日本動物学会オンライン米子大会
• [Presentation] クシクラゲ櫛板を構成する新規タンパク質BmBTBD19およびCTENO78により示された繊毛間リンクの2段構造 (2021)
  • Author(s): 佐藤友，城倉圭，柴 小菊，稲葉 一男
  • Organizer: 第92回日本動物学会オンライン米子大会
• [Presentation] The role of CNG channel in the regulation of flagellar motility in the ascidian sperm (2021)
  • Author(s): Kogiku Shiba, Kazuo Inaba
  • Organizer: The virtual Dynein 2021 International Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A novel protein CTENO189 is involved in the maintenance of asymmetric ciliary movements in the comb plates of ctenophores (2021)
  • Author(s): Kei Jokura, Yu Sato, Kogiku Shiba, Kazuo Inaba
  • Organizer: The virtual Dynein 2021 International Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ホヤ精子鞭毛波形制御におけるカルシウムイオンとcAMPの役割 (2020)
  • Author(s): 柴 小菊
  • Organizer: 内分泌・代謝学共同利用・共同研究拠点ワークショップ「受精・発生最前線 ~受精の仕組みと初期発生を支える代謝メカニズム」
  • Invited
• [Presentation] カタユウレイボヤ精子運動調節におけるKCNGチャネルの役割 (2019)
  • Author(s): 柴 小菊，稲葉 一男
  • Organizer: 日本動物学会第90回大阪大会
• [Presentation] cAMPとカルシウムイオンによる微小管滑り運動の協調的制御 (2019)
  • Author(s): 山口 さやか，柴 小菊，稲葉 一男
  • Organizer: 日本動物学会第90回大阪大会
• [Remarks] 筑波大学下田臨海実験センター稲葉研究室
  • URL: https://www.shimoda.tsukuba.ac.jp/staff_inaba.html
• [Remarks] 筑波大学下田臨海実験センター稲葉研究室発表論文
  • URL: https://inaba-lab-shimoda.jimdofree.com/home/%E7%99%BA%E8%A1%A8%E8%AB%96%E6%96%87-publications/
• [Remarks] 筑波大学下田臨海実験センター発表論文
  • URL: http://www.shimoda.tsukuba.ac.jp/ronbun.html
• [Remarks] 筑波大学下田臨海実験センター稲葉研究室柴小菊発表論文
  • URL: http://www.shimoda.tsukuba.ac.jp/~inaba/kogiku.html
• [Remarks] 筑波大学下田臨海実験センター稲葉研究室発表論文
  • URL: http://www.shimoda.tsukuba.ac.jp/~inaba/publish.html