Differences between two flagella of the green alga Chlamydomonas

• Project/Area Number: 20K21420
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 44:Biology at cellular to organismal levels, and related fields
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: Wakabayashi Ken-ichi 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (80420248)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2021: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2020: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
• Keywords: 鞭毛・繊毛 / ダイニン / クラミドモナス / 緑藻 / 走光性 / 繊毛 / 鞭毛 / 微小管

Outline of Research at the Start

真核生物はユニコンタとバイコンタに大別できる。コンタとは足の意味で、細胞から生えた毛「繊毛」を指す。繊毛を１本もつ単細胞生物を祖先として進化した生物がユニコンタ、２本もつ単細胞生物を祖先として進化した生物をバイコンタである。前者の例が動物、後者の例が植物であり、細胞に生えた繊毛の本数が進化の重要な道筋を決めたのは大変不思議である。
繊毛はよく保存された９＋２構造を持つが、多くのバイコンタ生物の２本の繊毛は機能的な違いをもつ。しかし、その違いが生み出される分子機構はわかっていない。本研究は、繊毛研究のモデル生物である緑藻クラミドモナスの新規変異株を手がかりにをそれを明らかにすることを目的とする。

Outline of Final Research Achievements

This study aimed to clarify the differences between the two flagella of the green alga Chlamydomonas.
The mutant strain of interest beats only one flagellum and is deficient in the outer arm α heavy chain and inner arm subspecies a, c, and d. We considered that the structure between these dyneins might exist asymmetrically in the two flagella. To test this hypothesis, we generated strains deficient in outer arm α heavy chain and one of inner arm a, c, and d. However, all of these beat both of two flagella. Therefore, it is possible that a structure spanning between multiple inner arm dyneins is responsible. Cryo-electron microscopy of the mutant flagella revealed a structure that was lost in only one of the flagella. The protein responsible for this structure is currently being identified.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

学術的意義：　まだ片方の鞭毛にしか存在しない構造のタンパク質実体を明らかにできていないが、それができた暁には、進化の過程の大きな謎である「なぜバイコンタ生物が植物に、ユニコンタ生物が動物になったのか」という問いに対する回答に近づくことになる。また、鞭毛運動の調節機構の理解を深化させると期待できる。
社会的意義：　ヒト不動繊毛症候群の発症メカニズムの理解を深化させると期待できる。

Research Products

• [Journal Article] Changes in intracellular energetic and metabolite states due to increased galactolipid levels in Synechococcus elongatus PCC 7942 (2023)
  • Author(s): Kondo Kumiko、Yoshimi Rina、Apdila Egi Tritya、Wakabayashi Ken-ichi、Awai Koichiro、Hisabori Toru
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Issue: 1 Pages: 259-259
  • DOI: 10.1038/s41598-022-26760-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Two specific domains of the γ subunit of chloroplast F _o F ₁ provide redox regulation of the ATP synthesis through conformational changes (2023)
  • Author(s): Akiyama Kentaro、Ozawa Shin-Ichiro、Takahashi Yuichiro、Yoshida Keisuke、Suzuki Toshiharu、Kondo Kumiko、Wakabayashi Ken-ichi、Hisabori Toru
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 120 Issue: 6
  • DOI: 10.1073/pnas.2218187120
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The Importance of the C-terminal Cys pair of Phosphoribulokinase in Phototrophs in Thioredoxin-Dependent Regulation (2022)
  • Author(s): Fukui K, Yoshida K, Yokochi Y, Sekiguchi T, Wakabayashi KI, Hisabori T, Mihara S.
  • Journal Title: Plant Cell Physiol. Volume: in press Issue: 6 Pages: 855-868
  • DOI: 10.1093/pcp/pcac050
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Verification of the Relationship between Redox Regulation of Thioredoxin Target Proteins and Their Proximity to Thylakoid Membranes (2022)
  • Author(s): Fukushi Y, Yokochi Y, Wakabayashi KI, Yoshida K, Hisabori T.
  • Journal Title: Antioxidants Volume: 11 Issue: 4 Pages: 773-773
  • DOI: 10.3390/antiox11040773
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Reactivation of Demembranated Cell Models in <em>Chlamydomonas reinhardtii</em> (2022)
  • Author(s): Ueki Noriko、Isu Atsuko、Wakabayashi Ken-ichi
  • Journal Title: Journal of Visualized Experiments Volume: 183 Issue: 183
  • DOI: 10.3791/63869
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Observation of Photobehavior in <em>Chlamydomonas reinhardtii</em> (2022)
  • Author(s): Ueki Noriko、Isu Atsuko、Kyuji Ayaka、Asahina Yuma、So Satoaki、Takahashi Rina、Hisabori Toru、Wakabayashi Ken-ichi
  • Journal Title: Journal of Visualized Experiments Volume: 183 Issue: 183
  • DOI: 10.3791/63961
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dissipation of the proton electrochemical gradient in chloroplasts promotes the oxidation of ATP synthase by thioredoxin-like proteins (2022)
  • Author(s): Sekiguchi T., Yoshida K., Wakabayashi K-I., Hisabori T.*
  • Journal Title: J. Biol. Chem. Volume: 298 Issue: 11 Pages: 102541-102541
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2022.102541
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The mammalian-type thioredoxin reductase 1 confers a high-light tolerance to the green alga Chlamydomonas reinhardtii (2022)
  • Author(s): Asahina Yuma、Sakamoto Kazuma、Hisabori Toru、Wakabayashi Ken-ichi
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 596 Pages: 97-103
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2022.01.088
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Channelrhodopsin-Dependent Photo-Behavioral Responses in the Unicellular Green Alga Chlamydomonas reinhardtii (2021)
  • Author(s): Wakabayashi Ken-ichi、Isu Atsuko、Ueki Noriko
  • Journal Title: Optogenetics (Advances in Experimental Medicine and Biology), 2nd ed. Volume: 1293 Pages: 21-33
  • DOI: 10.1007/978-981-15-8763-4_2
  • ISBN: 9789811587627, 9789811587634
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Characterization of Chlamydomonas reinhardtii Mutants That Exhibit Strong Positive Phototaxis (2021)
  • Author(s): Morishita Jun、Tokutsu Ryutaro、Minagawa Jun、Hisabori Toru、Wakabayashi Ken-ichi
  • Journal Title: Plants Volume: 10 Issue: 7 Pages: 1483-1483
  • DOI: 10.3390/plants10071483
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thioredoxin pathway in Anabaena sp. PCC 7120: activity of NADPH-thioredoxin reductase C (2021)
  • Author(s): Deschoenmaeker Frederic、Mihara Shoko、Niwa Tatsuya、Taguchi Hideki、Wakabayashi Ken-Ichi、Toyoshima Masakazu、Shimizu Hiroshi、Hisabori Toru
  • Journal Title: The Journal of Biochemistry Volume: － Issue: 6 Pages: 709-719
  • DOI: 10.1093/jb/mvab014
  • NAID: 40022687787
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Monitoring cellular redox dynamics using newly developed BRET-based redox sensor proteins (2021)
  • Author(s): Fu Nae、Sugiura Kazunori、Kondo Kumiko、Nakamura Shungo、Wakabayashi Ken-ichi、Hisabori Toru
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: 297 Issue: 4 Pages: 101186-101186
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2021.101186
  • 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] Redox regulation of NADP-malate dehydrogenase is vital for land plants under fluctuating light environment (2021)
  • Author(s): Yokochi Y., Yoshida K., Hahn F., Miyagi A., Wakabayashi K-I., Kawai-Yamada M., Weber A. P. M., Hisabori T.
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. Volume: 118 Issue: 6
  • DOI: 10.1073/pnas.2016903118
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Oxidative regulation of chloroplast enzymes by thioredoxin and thioredoxin-like proteins in <i>Arabidopsis thaliana</i> (2021)
  • Author(s): Yokochi Yuichi、Fukushi Yuka、Wakabayashi Ken-ichi、Yoshida Keisuke、Hisabori Toru
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 118 Issue: 51
  • DOI: 10.1073/pnas.2114952118
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The four-celled Volvocales green alga Tetrabaena socialis exhibits weak photobehavior and high-photoprotection ability (2021)
  • Author(s): Tanno Asuka、Tokutsu Ryutaro、Arakaki Yoko、Ueki Noriko、Minagawa Jun、Yoshimura Kenjiro、Hisabori Toru、Nozaki Hisayoshi、Wakabayashi Ken-ichi
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 16 Issue: 10 Pages: e0259138-e0259138
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0259138
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Rapid estimation of cytosolic ATP concentration from the ciliary beating frequency in the green alga Chlamydomonas reinhardtii (2021)
  • Author(s): Takano, W., Hisabori, T., *Wakabayashi, K.
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: 296 Pages: 100156-100156
  • DOI: 10.1074/jbc.ra120.015263
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 軸糸外腕ダイニンのチオレドキシン様軽鎖の機能 (2023)
  • Author(s): 久次史花, 小板橋亮矩, 宋叡陽, 柳沢春明, 山野隆志, 吉川雅英, 福澤秀哉, 久堀徹, 若林憲一
  • Organizer: 生体運動研究合同班会議
• [Presentation] TRPチャネルの機械受容による繊毛運動の制御 (2023)
  • Author(s): 嵯峨康佑, 大島大地, 吉田愛美, 井須敦子, 若林憲一, 吉村建二郎
  • Organizer: 生体運動研究合同班会議
• [Presentation] 緑藻クラミドモナスにおける_光性符号変動と_化性 (2023)
  • Author(s): 前川優太、朝比奈佑磨、高野真由、久堀徹、若林憲一
  • Organizer: 第16回クラミドモナス研究会
• [Presentation] 軸糸外腕ダイニンのチオレドキシン様軽鎖の機能 (2023)
  • Author(s): 久次史花, 小板橋亮矩, 宋叡陽, 柳沢春明, 山野隆志, 吉川雅英, 福澤秀哉, 久堀徹, 若林憲一
  • Organizer: 第16回クラミドモナス研究会
• [Presentation] カルシウム依存性カリウムチャネル KCA1 による脱繊_の抑制 (2023)
  • Author(s): 高橋里奈、朝比奈佑磨、宇佐美曉俊、内山志織 、箕浦高子 、吉村建二郎、久堀徹 、若林憲一
  • Organizer: 第16回クラミドモナス研究会
• [Presentation] クラミドモナスのグライディング開始に必要な TRP チャネル (2023)
  • Author(s): 伊藤音緒, 井須敦子, 若林憲一, 吉村建二郎
  • Organizer: 第16回クラミドモナス研究会
• [Presentation] Involvement of Chloroplast-localized Trx-like proteins in the Regulation of Non-Photochemical Quenching inArabidopsis thaliana (2023)
  • Author(s): Yuka Fukushi, Yuichi Yokochi, Ken-ichi Wakabayashi, Keisuke Yoshida, Toru Hisabori
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Photobehavior in the Volvocales green algae with different cell numbers: Chlamydomonas, Tetrabaena, and Volvox (2022)
  • Author(s): Ken-ichi Wakabayashi
  • Organizer: One-day workshop on the cellular level ethological dynamics towards “proto-intelligence”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The four-celled Volvocales green alga_Tetrabaena socialis_exhibits weak photobehavior and high-photoprotection ability (2022)
  • Author(s): Asuka Tanno, Yoko Arakaki, Noriko Ueki, Ryutaro Tokutsu, Jun Minagawa, Kenjiro Yoshimura, Toru Hisabori, Hisayoshi Nozaki and Ken-ichi WAKABAYASHI
  • Organizer: International Symposium on Photosynthesis and Chloroplast Regulation
• [Presentation] Oxidative regulation of chloroplast ATP synthase by thioredoxin-like proteins (2022)
  • Author(s): Takatoshi Sekiguchi, Keisuke Yoshida, Ken-ichi Wakabayashi, Toru Hisabori
  • Organizer: International Symposium on Photosynthesis and Chloroplast Regulation
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] TrxおよびTrx様タンパク質による葉緑体タンパク質の酸化制御 (2022)
  • Author(s): 福士結香, 横地佑一, 吉田啓亮, 若林憲一, 久堀徹
  • Organizer: 第12回日本光合成学会年会
• [Presentation] シアノバクテリアATP合成酵素αサブユニットのY252C変異 (2022)
  • Author(s): 町田亮人，近藤久益子，若林憲一，久堀徹
  • Organizer: 第12回日本光合成学会年会
• [Presentation] シアノバクテリアSynechococcus elongatus PCC 7942のチラコイド膜脂質合成経路の改変による細胞内の変化 (2022)
  • Author(s): 近藤久益子，吉見里奈, Egi Tritya Apdila, 若林憲一，粟井光一郎, 久堀徹
  • Organizer: 第12回日本光合成学会年会
• [Presentation] クラミドモナス繊毛交互打ち変異株の単離と解析 (2022)
  • Author(s): 坂本一馬, 井須敦子, 久堀徹, 若林憲一
  • Organizer: 日本動物学会第93回大会
• [Presentation] Analysis of a Chlamydomonas mutant showing alternate ciliary beatings (2022)
  • Author(s): 坂本一馬, 井須敦子, 久堀徹, 若林憲一
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Trx様タンパク質による葉緑体ATP合成酵素の不活性化制御 (2022)
  • Author(s): 関口敬俊, 吉田啓亮, 若林憲一, 久堀徹
  • Organizer: 第95回日本生化学会大会
• [Presentation] 葉緑体ATP合成酵素のレドックス制御機構：γサブユニットのβ-hairpin構造とRedox loop構造の協調と活性調節 (2022)
  • Author(s): 秋山健太郎、小澤真一郎、高橋裕一郎、若林憲一、久堀徹
  • Organizer: 第48回日本生体エネルギー研究会
• [Presentation] 強い負の走光性を示す緑藻クラミドモナス新規変異株の単離と解析 (2022)
  • Author(s): 宋 叡陽, 植木 紀子, 中島 昌子, 坂本 一 馬, 山口 勝司, 久堀 徹, 廣野 雅文, 若林 憲一
  • Organizer: 生体運動研究合同班会議
• [Presentation] 長時間露光によるクラミドモナスの走光性符号変動 (2022)
  • Author(s): 朝比奈 佑磨, 久堀 徹, 若林 憲一
  • Organizer: 生体運動研究合同班会議
• [Presentation] Photobehavior and its significance studied using the Volvocales green algae with different cell numbers: Chlamydomonas, Tetrabaena, and Volvox (2022)
  • Author(s): 若林憲一
  • Organizer: German-Japanese Meeting 2022 "Green Aquatic Biology: Ecology meets Synthetic Biology"
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 強い負の走光性を示す緑藻クラミドモナス新規変異株の単離と解析 (2022)
  • Author(s): 宋 叡陽, 植木 紀子, 中島 昌子, 坂本 一 馬, 山口 勝司, 久堀 徹, 廣野 雅文, 若林 憲一
  • Organizer: 第15回クラミドモナス研究会
• [Presentation] 長時間露光によるクラミドモナスの走光性符号変動 (2022)
  • Author(s): 朝比奈 佑磨, 久堀 徹, 若林 憲一
  • Organizer: 第15回クラミドモナス研究会
• [Presentation] クラミドモナスの走熱性をつかさどるTRPチャネル (2022)
  • Author(s): 笛木 俊太, 亀田 重賢, 吉田 愛美, 井須 敦子, 若林憲一, 吉村 建二郎
  • Organizer: 第15回クラミドモナス研究会
• [Presentation] 葉緑体ATP合成酵素研究：クラミドモナスでできること (2022)
  • Author(s): 秋山 健太郎, 小澤 真一郎, 高橋 裕一郎, 若林 憲一, 久堀 徹
  • Organizer: 第15回クラミドモナス研究会
• [Presentation] 緑藻ボルボックス目における個体サイズと鞭毛光反応の協調的進化 (2022)
  • Author(s): 植木紀子、若林憲一
  • Organizer: 第15回クラミドモナス研究会
• [Presentation] 色素体セリン合成系酵素3-ホスホグリセリン酸デヒドロゲナーゼのリン酸化 (2022)
  • Author(s): 上村柚紀子、吉田啓亮、Chris White-Gloria、Greg B. Moorhead、若林憲一、久堀徹
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Functional interaction between Cystathionine-beta-synthase X proteins and NADPH-thioredoxin reductase C in Arabidopsis thaliana (2022)
  • Author(s): Minh Chau Tran, Shoko Mihara, Ken-ichi Wakabayashi, Keisuke Yoshida, Toru Hisabori
  • Organizer: ,第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] シロイヌナズナ葉緑体内におけるTrxおよびTrx様タンパク質による酸化制御 (2022)
  • Author(s): 福士結香、横地佑一、若林憲一、吉田啓亮、久堀徹
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Trx様タンパク質による葉緑体ATP合成酵素の不活性化制御 (2022)
  • Author(s): 関口敬俊、吉田啓亮、若林憲一、久堀徹
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 緑藻テトラバエナ（シアワセモ）の光行動と光防御能 (2022)
  • Author(s): 丹野明日翔, 得津隆太郎, 新垣陽子, 植木紀子, 皆川純, 吉村建二郎，久堀徹，野崎久義，若林憲一
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] チオレドキシン様タンパク質による葉緑体ATP合成酵素の酸化制御 (2021)
  • Author(s): 関口敬俊、吉田啓亮、若林憲一、久堀徹
  • Organizer: 日本光合成学会2021年年会
• [Presentation] Significance of phototaxis in the unicellular green alga Chlamydomonas reinhardtii revealed by “perverse” cells (2021)
  • Author(s): 若林憲一
  • Organizer: 第59回日本生物物理学会年会
  • Invited
• [Presentation] Trx様タンパク質による葉緑体ATP合成酵素の不活性化制御 (2021)
  • Author(s): 関口敬俊、吉田啓亮、若林憲一、久堀徹
  • Organizer: 日本生体エネルギー研究会第47回討論会
• [Presentation] シアノバクテリアATP合成酵素αサブユニットのY252C変異 (2021)
  • Author(s): 町田亮人、近藤久益子、若林憲一、久堀徹
  • Organizer: 日本生体エネルギー研究会第47回討論会
• [Presentation] 緑藻クラミドモナス走光性のレドックス制御 (2021)
  • Author(s): 若林憲一
  • Organizer: 岡山大学次世代研究育成グループ事業「電場・電子誘起による細胞機能化デバイスの開発」第１回セミナー
  • Invited
• [Presentation] クラミドモナス繊毛交互打ち変異株の単離と解析 (2020)
  • Author(s): 坂本一馬、久堀徹、若林憲一
  • Organizer: 第58回日本生物物理学会年会
• [Book] Optogenetics (Advances in Experimental Medicine and Biology), 2nd ed. (2021)
  • Author(s): Wakabayashi K., Isu A., Ueki N. (eds. Yawo, Kandori, Koizumi, Kageyama)
  • Total Pages: 675
  • Publisher: Springer Nature
  • ISBN: 9811587620
• [Book] 相分離生物学の全貌 (2020)
  • Author(s): 若林憲一、植木紀子（白木賢太郎・編）
  • Total Pages: 416
  • Publisher: 東京化学同人
  • ISBN: 9784807913466