クシクラゲ櫛板の分子構造の解明と運動性フォトニック結晶開発に向けた基盤研究

• Project/Area Number: 20K20583
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 44:Biology at cellular to organismal levels, and related fields
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 稲葉 一男 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: ¥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: 繊毛 / ダイニン / 微小管 / 軸糸 / X線繊維回折 / クシクラゲ / 櫛板 / フォトニック結晶 / 分子モーター / 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 Annual Research Achievements

真核生物の繊毛は、微小管と分子モーターが複雑に配置された超分子機械である。最近のクライオ電子線トモグラフィーを用いた研究により、各タンパク質複合体の分子配置が次第に明らかになってきた。しかし、実際に波打ち運動を行う際の「生」の状態の分子間リレーは明らかになっていない。そこで本研究では、繊毛が数万本も束になっている天然の結晶ともいえるクシクラゲの櫛板を材料とし、（１）櫛板内で繊毛をつなぎとめている隔小板の構成成分の同定、（２）クシクラゲ櫛板のX線繊維回折、（３）櫛板の試験管内形成を行い、繊毛運動に伴うタンパク質複合体の構造変化を明らかにすることを目的とした。さらに、試験管内での櫛板形成の原理を探り、運動するフォトニック結晶の作製を目指した。最終年度では、新たに３種類の隔小板成分を同定し、櫛板の構築と運動が二段構造をとっていることを確証する結果となった。また、X線繊維回折では、キャピラリー内に充填した櫛板を回転することができるステージを設置し、様々な角度からX線を照射した場合の回折パターンを取得した。赤道反射のパターンから角度を推定したデータを加算することにより、分解能が低いながらも３D再構成を世界で初めて成功させた。さらに、運動している櫛板にX線を照射した場合の回折パターンをリアルタイムで動画撮影し、それと同期した櫛板の屈曲運動もハイスピードカメラで記録した。その結果、繊毛周期に伴う回折パターンの変化が特定の層線で観察された。これは、繊毛内の軸糸構造の変化を生で観察したことを示す。一方で、赤道反射のデータを用い、屈曲角や位相と関連づける試みも行ったが、これについては完成に至っていない。また、試験管内の櫛板形成については、同定した隔小板タンパク質を単離繊毛軸糸に加えるなど種々の条件を試行錯誤したが、現在まだ成功に至っていない。

Research Products

• [Journal Article] X-ray diffraction recording from a small amount of fibrous protein materials oriented by a micro shear-flow cell (2024)
  • 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
  • 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
• [Journal Article] Mass spectrometry of short peptides reveals common features of metazoan peptidergic neurons (2022)
  • 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
  • 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 multicilia (2022)
  • 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
  • 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
  • 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
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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
  • Peer Reviewed
• [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
• [Presentation] Structural and functional diversification of cilia in evolutionary adaptation to aquatic environments (2023)
  • Author(s): Kazuo Inaba
  • Organizer: Michael Sars Symposium 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Diversification of ciliary structure and function during eukaryotic evolution (2023)
  • Author(s): Kazuo Inaba
  • Organizer: SMBE Satellite Meeting on Mechanisms of Cellular Evolution
  • Int'l Joint Research / Invited
• [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
  • Organizer: 日本動物学会第94回山形大会
• [Presentation] 高速繊毛非対称波の起源について (2023)
  • Author(s): 稲葉一男
  • Organizer: 第13回繊毛研究会
• [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
• [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)
  • Author(s): 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
• [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)
  • Author(s): 岩本裕之、稲葉一男、大岩和弘
  • Organizer: 2023年生体運動研究合同班会議
• [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
• [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
• [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
• [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: ABiS Symposiumイメージングデータ解析が拓く生命科学の新時代
  • Invited
• [Presentation] Structure, motility regulation and evolution of eukaryotic cilia and flagella (2021)
  • Author(s): Kazuo Inaba
  • Organizer: Biofluid Symposium as part of RIMS Research Project Biofluids 2021
  • 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
• [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
• [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
• [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
• [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