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Basic research for molecular construction of ctenophore comb plates and development of motile photonic crystals

Research Project

Project/Area Number 20K20583
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 44:Biology at cellular to organismal levels, and related fields
Research InstitutionUniversity of Tsukuba

Principal Investigator

Inaba Kazuo  筑波大学, 生命環境系, 教授 (80221779)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 大岩 和弘  国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所, 主管研究員 (10211096)
岩本 裕之  公益財団法人高輝度光科学研究センター, 回折・散乱推進室, 客員研究員 (60176568)
Project Period (FY) 2020-07-30 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥25,610,000 (Direct Cost: ¥19,700,000、Indirect Cost: ¥5,910,000)
Fiscal Year 2023: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
Fiscal Year 2021: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000)
Fiscal Year 2020: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000)
Keywordsクシクラゲ / 櫛板 / X線繊維回折 / 軸糸 / ダイニン / フォトニック結晶 / 分子モーター / 繊毛 / 微小管 / cilia / ctenophore / axoneme / photonics crystal / X-ray fiber diffraction
Outline of Research at the Start

本研究では、クシクラゲ類に存在する虹色に輝く巨大繊毛である櫛板の分子構築の解明と結晶構造の解明を目的とする。繊毛は、高速の波打ち運動を司る細胞小器官である。ヒトでは精子や気管支、脳室などにみられ、繊毛の異常は繊毛病などの疾患を引き起こす。繊毛の構造解明は、生物が形作る構造の理解につながるだけでなく、繊毛に由来する疾患の原因解明や治療にも重要である。本研究で対象とするクシクラゲの櫛板は、数万本の繊毛が束化しており、繊毛の構造を解明するのに適した材料である。本研究では、櫛板の分子構築と結晶構造を明らかにし、その応用として試験管内で巨大な繊毛を作り上げ、運動するフォトニック結晶作製の可能性も探る。

Outline of Final Research Achievements

In this study, we identified the components of comb plates to link cilia, conducted X-ray fiber diffraction analysis of its structure, and performed in vitro formation of comb plates to elucidate the fine structure of cilia and the principles of biological structural formation. As a result, we identified a total of five novel comb plate proteins comprising the comb plates, revealing their two-compartmented structure. Furthermore, we demonstrated that the comb plates exhibit a high degree of crystallinity comparable to protein crystals, and that this crystallinity is lost through freezing or chemical fixation. Additionally, by irradiating X-rays from various angles and analyzing diffraction patterns, we successfully achieved 3D reconstruction for the first time in the world, albeit with low resolution, and partially elucidated structural changes in the live state associated with ciliary bending movements.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、有櫛動物が多数の繊毛を束ねることにより、驚くべき結晶性の構造を形成していることが証明された。固定や凍結ではその高い結晶性が失われることから、この構造体が生の状態でしかも運動性を持っていることが重要であることが示された。これは、生物が作り出す構造の未知で重要な機能の存在を示唆している。流体と連動した新たな運動装置の原理や、生物間コミュニケーションにおける新たな伝達方法の可能性などが考えられる。今後の研究により、新たな生物機能の原理の発見に結びつくと期待される。この構造体は、フォトニック結晶の性質を持っているため、新たな通信技術の開発に大きなブレークスルーをもたらす可能性がある。

Report

(5 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (27 results)

All 2024 2023 2022 2021 2020 Other

All Journal Article (7 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 4 results) Presentation (17 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 4 results) Book (1 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] X-ray diffraction recording from a small amount of fibrous protein materials oriented by a micro shear-flow cell2024

    • Author(s)
      Iwamoto Hiroyuki、Oiwa Kazuhiro、Shiba Kogiku、Inaba Kazuo
    • Journal Title

      Biophysics and Physicobiology

      Volume: 21 Issue: 2 Pages: n/a

    • DOI

      10.2142/biophysico.bppb-v21.0014

    • ISSN
      2189-4779
    • Related Report
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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 繊毛の多様化と動物進化2024

    • Author(s)
      稲葉一男
    • Journal Title

      細胞

      Volume: 56 Pages: 9-13

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  • [Journal Article] Mass spectrometry of short peptides reveals common features of metazoan peptidergic neurons2022

    • Author(s)
      Hayakawa Eisuke、Guzman Christine、Horiguchi Osamu、Kawano Chihiro、Shiraishi Akira、Mohri Kurato、Lin Mei-Fang、Nakamura Ryotaro、Nakamura Ryo、Kawai Erina、Komoto Shinya、Jokura Kei、Shiba Kogiku、Shigenobu Shuji、Satake Honoo、Inaba Kazuo、Watanabe Hiroshi
    • Journal Title

      Nature Ecology and Evolution

      Volume: 6 Issue: 10 Pages: 1438-1448

    • DOI

      10.1038/s41559-022-01835-7

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Two distinct compartments of a ctenophore comb plate provide structural and functional integrity for the motility of giant multicilia2022

    • Author(s)
      Jokura Kei、Sato Yu、Shiba Kogiku、Inaba Kazuo
    • Journal Title

      Current Biology

      Volume: 32 Issue: 23 Pages: 5144-5152.e6

    • DOI

      10.1016/j.cub.2022.09.061

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 繊毛から眺める海の生き物2022

    • Author(s)
      稲葉一男
    • Journal Title

      エブオブ

      Volume: 86 Pages: 2-5

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    • Open Access
  • [Journal Article] Region-Specific Loss of Two-Headed Ciliary Dyneins in Ascidian Endostyle.2020

    • Author(s)
      Konno A, Inaba K.
    • Journal Title

      Zoolog Sci.

      Volume: 37 Issue: 6 Pages: 512-518

    • DOI

      10.2108/zs200095

    • NAID

      40022436737

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  • [Journal Article] Structural diversity and distribution of cilia in the apical sense organ of the ctenophore Bolinopsis mikado.2020

    • Author(s)
      Jokura K, Inaba K.
    • Journal Title

      Cytoskeleton (Hoboken)

      Volume: 77 Issue: 10 Pages: 442-455

    • DOI

      10.1002/cm.21640

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  • [Presentation] 運動中のクシクラゲ櫛板の有効打・回復打におけるX線回折像の違い2024

    • Author(s)
      岩本 裕之、小坂 実央、 横屋 稜、城倉 圭、大岩 和弘、稲葉 一男
    • Organizer
      生体運動研究合同班会議2024
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      Kazuo Inaba
    • Organizer
      Michael Sars Symposium 2023
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  • [Presentation] Diversification of ciliary structure and function during eukaryotic evolution2023

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      Kazuo Inaba
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      SMBE Satellite Meeting on Mechanisms of Cellular Evolution
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  • [Presentation] クシクラゲの櫛板隔小板を構成する新規タンパク質成分の同定2023

    • Author(s)
      小坂実央、柴小菊、稲葉一男
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      日本動物学会第94回山形大会
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  • [Presentation] 高速繊毛非対称波の起源について2023

    • Author(s)
      稲葉一男
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  • [Presentation] 繊毛打中のクシクラゲ櫛板の軸糸からのミリ秒時間分解X線回折像記録2023

    • Author(s)
      岩本 裕之、小坂 実央、横屋 稜、城倉 圭、大岩 和弘、稲葉 一男
    • Organizer
      第61回日本生物物理学会年会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] クシクラゲ櫛板内で軸糸集合体が波打つための分子基盤2023

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      稲葉一男、城倉圭、佐藤友、小坂実央、柴小菊
    • Organizer
      2023年生体運動研究合同班会議
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  • [Presentation] クシクラゲ櫛板の繊毛打に伴う軸糸構造変化を高速 X 線回折測定で見る2023

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      岩本裕之、稲葉一男、大岩和弘
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      2023年生体運動研究合同班会議
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  • [Presentation] カブトクラゲの実験動物化に向けた継代飼育系の確立2022

    • Author(s)
      柴田 大輔,大畑 雅江,小髙 友実,中村 千華,加納 穂澄,北之坊 仁美,小坂 実央,柴 小菊,稲葉 一男
    • Organizer
      日本動物学会第93回早稲田大会2022
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      2022 Research-status Report
  • [Presentation] クシクラゲ櫛板のX 線回折像から繊毛軸糸の3 次元構造を復元する2022

    • Author(s)
      岩本 裕之,城倉 圭,大岩 和弘,稲葉 一男
    • Organizer
      日本動物学会第93回早稲田大会2022
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      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 真核生物鞭毛・繊毛軸糸構造の X 線回折トモグラフィー:クシクラゲ櫛板の利用2022

    • Author(s)
      岩本 裕之,城倉 圭,大岩 和弘,稲葉 一男
    • Organizer
      第60回日本生物物理学会年会
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  • [Presentation] 海洋生物の細胞イメージングを支援する2022

    • Author(s)
      稲葉 一男
    • Organizer
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    • Invited
  • [Presentation] Structure, motility regulation and evolution of eukaryotic cilia and flagella2021

    • Author(s)
      Kazuo Inaba
    • Organizer
      Biofluid Symposium as part of RIMS Research Project Biofluids 2021
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [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
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  • [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
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      2021 Research-status Report
  • [Presentation] The role of CNG channel in the regulation of flagellar motility in the ascidian sperm2021

    • Author(s)
      Kogiku Shiba, Kazuo Inaba
    • Organizer
      The virtual Dynein 2021 International Workshop
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A novel protein CTENO189 is involved in the maintenance of asymmetric ciliary movements in the comb plates of ctenophores2021

    • Author(s)
      Kei Jokura, Yu Sato, Kogiku Shiba, Kazuo Inaba
    • Organizer
      The virtual Dynein 2021 International Workshop
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    • Int'l Joint Research
  • [Book] 毛 生命と進化の立役者2021

    • Author(s)
      稲葉一男
    • Total Pages
      273
    • Publisher
      光文社
    • ISBN
      9784334045746
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  • [Remarks] 筑波大学下田臨海実験センター稲葉研究室

    • URL

      https://inaba-lab-shimoda.jimdofree.com

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      2023 Annual Research Report
  • [Remarks] 筑波大学下田臨海実験センター稲葉研究室HP

    • URL

      https://inaba-lab-shimoda.jimdofree.com

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      2021 Research-status Report

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Published: 2020-08-03   Modified: 2025-01-30  

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