2018 Fiscal Year Annual Research Report
Molecular basis of cilia beating mode.
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16H02502
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
吉川 雅英 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 教授 (80272425)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 繊毛 / クライオ電子顕微鏡 / ゼブラフィッシュ / ダイニン / ゲノム編集 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
真核生物の鞭毛・運動性繊毛は細胞表面から突出した毛状の細胞小器官であり、内部の軸糸ダイニンによってその運動が駆動される。高等生物では、組織分化に伴い繊毛運動も多様化しており、左右軸を決定するノード繊毛の回転運動、気管上皮繊毛の平面非対称運動、精子鞭毛の正弦波様の運動など、様々な運動モードを呈する。それぞれの運動モードは組織の働きと密接に関わっており、異常によって繊毛病の原因となる。しかし、各組織での繊毛の運動モードを制御する仕組みは、明らかになっていない。
本研究では、「組織間で異なる繊毛運動モードは、それを駆動する軸糸ダイニンの違いによる」という作業仮説を立て、これを検証する。モデル生物にはゼブラフィッシュを用いる。ゼブラフィッシュはCRISPR/Cas9によるゲノム編集技術が確立されているうえ、我々の研究室では、初めてゼブラフィッシュ精子のCryo-ET構造解析に成功した。これまでに、4つの軸糸ダイニン組み立て因子の変異体についてCryo-ET法によって精子の軸糸構造を解析し、各変異体で異なる軸糸ダイニンが欠損することを明らかにした。変異体精子の運動性異常は、構造解析の結果と相関しており、欠損する軸糸ダイニンのタイプと、精子運動性を対応づけることができた。運動モードの異なる繊毛（精子鞭毛とクッペル胞繊毛）では、変異体の運動性異常の程度は異なっており、我々の仮説を支持していた。さらに、これらの組織間では異なる軸糸ダイニン重鎖の遺伝子が発現することを明らかにした。以上の結果は、Systematic studies of all PIH proteins in zebrafish reveal their distinct roles in axonemal dynein assembly (Elife. 2018;7. doi:10.7554/eLife.36979)に発表されている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
軸糸ダイニン組み立て因子の機能解析についての論文が発表されており、進捗は概ね順調である。また、Efcab1遺伝子(ホヤ精子でCa2+濃度に応じて鞭毛波形を変化させることが知られるCalaxinの脊椎動物オーソログ)についてゼブラフィッシュ変異体を作製し、クッペル胞繊毛の運動に必須な機能を持つことを明らかにした。マウスEfcab1変異体の解析(共同研究)と合わせて論文を投稿中である。
軸糸ダイニン重鎖遺伝子については変異体を依然作製中であるが、既に2遺伝子についてはホモ変異体系統を確立している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は引き続きCRISPR/Cas9を用いて各軸糸ダイニン遺伝子を欠損した変異体系統を確立する。そして、それぞれの変異体の繊毛運動性を解析することで、繊毛運動モードを決定する軸糸ダイニンを明らかにする。また、Cryo-ETを用いた軸糸構造解析から、その構造的な基盤を解明していく。
異なる運動モードを呈する繊毛として、ゼブラフィッシュの精子鞭毛(正弦波様の運動)と嗅上皮繊毛(平面非対称運動)に着目する。そのために、嗅上皮繊毛についてもCryo-ET構造解析を行えるように単離・精製法を開発した。これまで、同一生物種内で、異なる運動モードを持つ繊毛構造が詳細に比較解析されたことは無い。繊毛運動モードを決定する軸糸ダイニンに着目しながら、精子鞭毛と嗅上皮繊毛の構造を比較し、異なる運動モードを生み出す分子基盤を明らかにしていく予定である。
また、当研究室電子顕微鏡に導入された電子直接検出カメラにより、我々はクラミドモナス鞭毛において蛍光タンパク質の標識を検出できる解像度をCryo-ETで得られるようになった。これをゼブラフィッシュに応用し、軸糸ダイニンや、その関連タンパク質の特定の部位に蛍光タンパク質標識を導入する予定である。ゼブラフィッシュの運動繊毛組織で特異的に機能するプロモーター領域を絞り込むことができたため、今後はこれを使って効率的にトランスジェニックゼブラフィッシュを作製していく予定である。
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Research Products
(16 results)
