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Elucidating the chemotactic response of sperm in a dioramic environment

Planned Research

Project AreaAdvanced mechanics of cell behavior shapes formal algorithm of protozoan smartness awoken in giorama conditions.
Project/Area Number 21H05304
Research Category

Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Transformative Research Areas, Section (IV)
Research InstitutionUniversity of Tsukuba

Principal Investigator

柴 小菊  筑波大学, 生命環境系, 助教 (70533561)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 吉田 学  北里大学, 一般教育部, 教授 (60301785)
稲葉 一男  筑波大学, 生命環境系, 教授 (80221779)
守田 昌哉  琉球大学, 熱帯生物圏研究センター, 准教授 (80535302)
Project Period (FY) 2021-09-10 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2025)
Budget Amount *help
¥115,180,000 (Direct Cost: ¥88,600,000、Indirect Cost: ¥26,580,000)
Fiscal Year 2025: ¥28,210,000 (Direct Cost: ¥21,700,000、Indirect Cost: ¥6,510,000)
Fiscal Year 2024: ¥20,020,000 (Direct Cost: ¥15,400,000、Indirect Cost: ¥4,620,000)
Fiscal Year 2023: ¥24,830,000 (Direct Cost: ¥19,100,000、Indirect Cost: ¥5,730,000)
Fiscal Year 2022: ¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000)
Fiscal Year 2021: ¥16,120,000 (Direct Cost: ¥12,400,000、Indirect Cost: ¥3,720,000)
Keywords精子運動制御 / 受精 / 繊毛鞭毛 / 海洋生物 / 精子走化性 / 海産生物 / 鞭毛繊毛 / 生殖 / 鞭毛運動 / 精子運動 / 3D遊泳 / カルシウムイメージング / 鞭毛波形 / CNGチャネル / カルシウムシグナリング / カルシウム / ホヤ
Outline of Research at the Start

精子は、さまざまな外的環境因子に対して、走化性、走流性、走温性など多様な応答を示し、受精という最終目標に到達する卓越した原生知能を有する単細胞である。本研究では、精子走化性応答に着目し、誘引物質濃度勾配存在下における精子の運動、遊泳方向変換をもたらす鞭毛波形変化、シグナル受容を測定し、応答メカニズムを解析する。領域内の他班の協力を得ることで精子走化性応答を定量化し、自然環境での受精を理解するためのアルゴリズム構築につなげる。実際の受精環境を模擬したジオラマ環境下での精子応答を計測、解析することで、これまで見出すことのできなかった卓越した精子の行動力、運動能力、適応力の理解を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本領域では、細胞レベルで発現する巧みな環境・状況適応能力の探索、理解を目的としており、本計画研究においては卓越した運動能力を持つ精子に着目し、研究を実施している。精子は、さまざまな外的環境因子に対して多様な応答を示し、受精という最終目標に到達する。精子走化性応答に着目し、誘引物質濃度勾配存在下におけるカタユウレイボヤ精子の運動、遊泳方向変換をもたらす鞭毛波形変化、シグナル受容を測定し、応答メカニズムの解析を行った。またサンゴ、魚類、巻貝に関する生殖戦略、精子運動制御機構に関する研究を分担者と協力して進めた。領域内の他班とともに、3次元的な精子遊泳を解析するためのシステム構築や精子走化性遊泳のシミュレーション、アルゴリズム構築に取り組んでいる。
主な研究成果としては、分担者稲葉、代表者柴らはホヤ精子走化性におけるシグナル伝達経路において可溶型アデニル酸シクラーゼが果たす役割についての知見をBiomolecule誌に発表した。また褐藻配偶子走化性における新たな知見をJournal of Phycology誌に発表した。分担者の守田らはサンゴの配偶子種認識に関与する因子の解析、サンゴの種分化と繁殖形質の関係に関する研究成果をFront Cell Dev Biol.誌、Molecular Phylogenetics and Evolution誌等に発表した。分担者の吉田は精子運動に関与するイオンチャネルの遺伝子破壊ホヤを作製し走化性解析を行った研究成果をFront Cell Dev Biol.誌に発表した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

「ジオラマ環境下における精子走化性の応答計測とメカニズムの解明」を研究課題とし、研究代表者らによって分子機構の解明が進んでいるホヤ精子の応答解析を基盤とし、サンゴ、巻貝、魚類他多様な海産生物精子の運動制御機構について研究を進めている。精子走化性シグナリングに深く関与する因子である可溶型cAMP合成酵素(sAC)の局在および機能解析により得られた研究成果を論文発表した。cAMPによる鞭毛運動制御について追加の実験、解析を行い論文発表準備中である。分担者守田らは海洋生態系において重要な役割を持つサンゴの配偶子種認識、種分化と繁殖形質の関係に関する研究成果を報告した。分担者稲葉は、褐藻配偶子走化性や金目鯛精子冷蔵保存に関する共同研究成果を発表した。分担者の吉田は、精子運動に関与するイオンチャネルの遺伝子破壊ホヤが精子走化性を失うことを報告した。遺伝子破壊ホヤの作製については柴、稲葉班とともに他遺伝子の解析も進めている。領域他計画班との連携も順調に進捗している。R3年度に構築したホヤ精子3Dトラッキングシステムによって得られた実験データを共有し、画像解析、らせん遊泳数値化解析などについてジオラマ製作班、力学徹底化班とともに方法確立およびデータ解析を進めている。また精子走化性数理モデル化に向けてアルゴリズム評価班と共に解析を進めており論文準備を開始している。また領域公募班への生物提供、技術、採集などの支援5件を行った。

Strategy for Future Research Activity

本研究代表者が確立してきたシステムにより、走化性応答時のホヤ精子の遊泳軌跡変化と細胞内カルシウム濃度変化を同時に解析することでホヤ精子が誘引物質を感知してから鞭毛運動を変化させ方向変換を引き起こす全過程を追うことが可能である。これまでの研究進捗により精子遊泳の3Dトラッキングや高精度でのカルシウムイメージングが可能となった。これらの実験系で得られたデータを領域内他計画班に提供し、精子走化性応答の数理モデル化、シミュレーションを依頼し、実験結果との比較検証を進めている。これらの解析結果は現在投稿論文として準備中である。実際の受精環境を模擬したジオラマ環境下での精子応答を計測、解析することで、これまで見出すことのできなかった卓越した精子の行動力、運動能力、適応力の理解を目指す。精子運動調節に関する分子機構の解明、ホヤ以外の多様な生物種の精子運動、受精メカニズム、運動装置である軸糸微細構造についても引き続き分担者と協力して解析を進める予定である。また領域計画班、新規公募班に対する技術支援、生物提供なども積極的に進めていきたい。

Report

(3 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (86 results)

All 2024 2023 2022 2021 Other

All Journal Article (29 results) (of which Int'l Joint Research: 12 results,  Peer Reviewed: 29 results,  Open Access: 21 results) Presentation (50 results) (of which Int'l Joint Research: 9 results,  Invited: 9 results) Book (1 results) Remarks (6 results)

  • [Journal Article] Distinct regulation of two flagella by calcium during chemotaxis of male gametes in the brown alga Mutimo cylindricus (Cutleriaceae, Tilopteridales)2024

    • Author(s)
      Nana Kinoshita-Terauchi, Kogiku Shiba., Taiki Umezawa, Kazuo Inaba
    • Journal Title

      Journal of Phycology

      Volume: 60 Issue: 2 Pages: 407-417

    • DOI

      10.1111/jpy.13422

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  • [Journal Article] Integrative taxonomic analyses reveal that rapid genetic divergence drives Acropora speciation2024

    • Author(s)
      Furukawa Mao、Kitanobo Seiya、Ohki Shun、Teramoto Mariko M.、Hanahara Nozomi、Morita Masaya
    • Journal Title

      Molecular Phylogenetics and Evolution

      Volume: 195 Pages: 108063-108063

    • DOI

      10.1016/j.ympev.2024.108063

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  • [Journal Article] Retractile motion of the longitudinal flagellum in a dinoflagellate, <i>Akashiwo sanguinea</i>2023

    • Author(s)
      Maruyama Tadashi、Yamaguchi Masashi、Tame Akihiro、Toyofuku Takashi、Chibana Hiroji、Yoshida Manabu
    • Journal Title

      CYTOLOGIA

      Volume: 88 Issue: 4 Pages: 321-329

    • DOI

      10.1508/cytologia.88.321

    • ISSN
      0011-4545, 1348-7019
    • Year and Date
      2023-12-25
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  • [Journal Article] Development of an extender solution for short-term sperm storage to promote seed production in alfonsino <i>Beryx splendens</i>2023

    • Author(s)
      HASEGAWA Masatoshi、INABA Kazuo、NAGAKURA Yasuhiro、NODA Hiroyuki、KAWAI Noriaki
    • Journal Title

      NIPPON SUISAN GAKKAISHI

      Volume: 89 Issue: 3 Pages: 236-243

    • DOI

      10.2331/suisan.22-00062

    • ISSN
      0021-5392, 1349-998X
    • Year and Date
      2023-05-15
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    • Author(s)
      Shiba Kogiku、Inaba Kazuo
    • Journal Title

      Biomolecules

      Volume: 13 Issue: 11 Pages: 1594-1594

    • DOI

      10.3390/biom13111594

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    • Author(s)
      Morita Masaya、Kitanobo Seiya、Ohki Shun、Shiba Kogiku、Inaba Kazuo
    • Journal Title

      Frontiers in Cell and Developmental Biology

      Volume: 11 Pages: 1171495-1171495

    • DOI

      10.3389/fcell.2023.1171495

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    • Author(s)
      Shiba Kogiku
    • Journal Title

      genesis

      Volume: 61 Issue: 6

    • DOI

      10.1002/dvg.23549

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      Tavakoli-Kolour Parviz、Sinniger Frederic、Morita Masaya、Nakamura Takashi、Harii Saki
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      Volume: 10 Pages: 1210662-1210662

    • DOI

      10.3389/fmars.2023.1210662

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      Grinblat Mila、Eyal-Shaham Lee、Eyal Gal、Ben-Zvi Or、Harii Saki、Morita Masaya、Sakai Kazuhiko、Hirose Mamiko、Miller David J.、Loya Yossi
    • Journal Title

      Frontiers in Marine Science

      Volume: 10 Pages: 1113987-1113987

    • DOI

      10.3389/fmars.2023.1113987

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    • Author(s)
      Tavakoli-Kolour Parviz、Sinniger Frederic、Morita Masaya、Hazraty-Kari Sanaz、Nakamura Takashi、Harii Saki
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      Marine Pollution Bulletin

      Volume: 197 Pages: 115792-115792

    • DOI

      10.1016/j.marpolbul.2023.115792

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      Hazraty-Kari S, Morita M, Tavakoli-Kolour P, Nakamura T, Harii S
    • Journal Title

      Marine Pollution Bulletin

      Volume: 192 Pages: 115060-115060

    • DOI

      10.1016/j.marpolbul.2023.115060

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      Kijima Taiga、Kurokawa Daisuke、Sasakura Yasunori、Ogasawara Michio、Aratake Satoe、Yoshida Kaoru、Yoshida Manabu
    • Journal Title

      Frontiers in Cell and Developmental Biology

      Volume: 11 Pages: 1136537-1136537

    • DOI

      10.3389/fcell.2023.1136537

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      Sensui Noburu、Itoh Yosinori、Okura Nobuhiko、Shiba Kogiku、Baba Shoji A.、Inaba Kazuo、Yoshida Manabu
    • Journal Title

      International Journal of Molecular Sciences

      Volume: 24 Issue: 3 Pages: 2666-2666

    • DOI

      10.3390/ijms24032666

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      Hazraty-Kari Sanaz、Morita Masaya、Tavakoli-Kolour Parviz、Nakamura Takashi、Harii Saki
    • Journal Title

      Science of The Total Environment

      Volume: 863 Pages: 161227-161227

    • DOI

      10.1016/j.scitotenv.2022.161227

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      Tavakoli-Kolour Parviz、Sinniger Frederic、Morita Masaya、Harii Saki
    • Journal Title

      Marine Pollution Bulletin

      Volume: 188 Pages: 114698-114698

    • DOI

      10.1016/j.marpolbul.2023.114698

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    • Author(s)
      Perez Luz、Asturiano Juan F.、Yoshida Manabu、Gallego Victor
    • Journal Title

      Aquaculture

      Volume: 554 Pages: 738146-738146

    • DOI

      10.1016/j.aquaculture.2022.738146

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      Ikenaga Jumpei、Aratake Satoe、Yoshida Kaoru、Yoshida Manabu
    • Journal Title

      Journal of Experimental Zoology Part B: Molecular and Developmental Evolution

      Volume: 338 Issue: 7 Pages: 430-437

    • DOI

      10.1002/jez.b.23133

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      Shibata Daisuke、Morita Masaya、Sato Yu、Shiba Kogiku、Kitanobo Seiya、Yokoya Ryo、Inaba Kazuo
    • Journal Title

      Frontiers in Cell and Developmental Biology

      Volume: 10 Pages: 905748-905748

    • DOI

      10.3389/fcell.2022.905748

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    • Journal Title

      Nature Ecology and Evolution

      Volume: 6 Issue: 10 Pages: 1438-1448

    • DOI

      10.1038/s41559-022-01835-7

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      Jokura Kei、Sato Yu、Shiba Kogiku、Inaba Kazuo
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      Volume: 32 Issue: 23 Pages: 5144-5152.e6

    • DOI

      10.1016/j.cub.2022.09.061

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    • Journal Title

      Marine Pollution Bulletin

      Volume: 180 Pages: 113749-113749

    • DOI

      10.1016/j.marpolbul.2022.113749

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    • Author(s)
      Takeshi I., Morita M., Okuno S., Inaba H., Shiba K., Munehara H., Koya Y., Homma M., Awata S.
    • Journal Title

      Ecology and Evolution

      Volume: 12 Issue: 12 Pages: 1-8

    • DOI

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      Hazraty-Kari Sanaz、Tavakoli-Kolour Parviz、Kitanobo Seiya、Nakamura Takashi、Morita Masaya
    • Journal Title

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      Volume: 5 Issue: 1 Pages: 1371-1371

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      10.1038/s42003-022-04309-5

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      Shiba Kogiku、Inaba Kazuo
    • Journal Title

      International Journal of Molecular Sciences

      Volume: 23 Issue: 3 Pages: 1648-1648

    • DOI

      10.3390/ijms23031648

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      Sugiura Kenta、Shiba Kogiku、Inaba Kazuo、Matsumoto Midori
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      Volume: 7 Issue: 1 Pages: 8-8

    • DOI

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      Asai Masashi、Miyazawa Hideyuki、Yanase Ryuji、Inaba Kazuo、Nakano Hiroaki
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      Volume: 39 Issue: 1 Pages: 147-156

    • DOI

      10.2108/zs210058

    • NAID

      210000186951

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      Zoological Science

      Volume: 39 Issue: 1 Pages: 1-6

    • DOI

      10.2108/zs210069

    • NAID

      210000186911

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      Kitanobo Seiya、Iwao Kenji、Fukami Hironobu、Isomura Naoko、Morita Masaya
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    • ISBN
      9784334045746
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Published: 2021-10-22   Modified: 2025-06-20  

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