精子鞭毛波形制御におけるカルシウムイオンとcAMPの役割の解明

• 研究課題/領域番号: 19K06592
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分43040:生物物理学関連
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 柴 小菊 筑波大学, 生命環境系, 助教 (70533561)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2021年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2020年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2019年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: 精子運動 / 繊毛 / イオンチャネル / CNGチャネル / 膜電位 / カタユウレイボヤ / 精子遊泳制御 / 精子走化性 / cAMP / カルシウム / 鞭毛 / 精子 / 鞭毛繊毛 / ダイニン

研究開始時の研究の概要

真核生物の鞭毛・繊毛は、精子運動・体内の水流制御など細胞運動やシグナル受容において非常に重要な器官であり、その構造・機能は進化を通して高度に保存されている。真核生物の鞭毛・繊毛運動制御機構を明らかにするため、本研究では材料として扱いやすく反応が顕著に観察できる海産生物精子を用いて、「鞭毛波形制御におけるカルシウムイオンとcAMPの役割」に着目し、申請者が持つ鞭毛に関する独自性の高い運動解析・イメージング技術を駆使し、鞭毛・繊毛運動制御に重要なシグナル因子の解析とその機能の全容解明を目指す。本研究により細胞生物学分野においての基礎的知見が得られるとともに、不妊治療や繁殖分野への応用なども期待される。

研究成果の概要

ケージド化合物を用いて、cAMPが引き起こす鞭毛波形変化過程および細胞内カルシウム濃度の挙動を詳細に解析した結果、ホヤ精子においてcAMPがカルシウム依存的、カルシウム非依存的の二つの条件下で異なる波形変化をもたらすことを明らかにした。またCNGチャネル阻害剤の精子走化性に対する効果を調べたところ、cAMP、過分極によって活性化されるCNGチャネルの一種HCNチャネルが精子走化性時のカルシウム排出に作用し、適切な波形変化を制御している可能性が示唆された。精子走化性における遊泳方向変換を正しいタイミングで誘導するためのシグナリング経路および鞭毛波制御の分子機構において新たな知見が得られた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

真核生物の鞭毛・繊毛は、精子運動・体内の水流制御など細胞運動やシグナル受容において非常に重要な器官であり、その構造・機能は進化を通して高度に保存されている。本申請課題では、材料として扱いやすく反応が顕著に観察できる海産生物精子を用いて、「鞭毛波形制御におけるカルシウムイオンとcAMPの役割」に着目し、研究を実施した。その結果精子鞭毛波形を制御するためのシグナル因子とその役割を明らかにした。本研究成果は、不妊治療や繁殖分野への応用へとつながるものである。

研究成果

• [雑誌論文] The Roles of Two CNG Channels in the Regulation of Ascidian Sperm Chemotaxis (2022)
  • 著者名/発表者名: Shiba Kogiku、Inaba Kazuo
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 23 号: 3 ページ: 1648-1648
  • DOI: 10.3390/ijms23031648
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Morphological differences in tardigrade spermatozoa induce variation in gamete motility (2022)
  • 著者名/発表者名: Sugiura Kenta、Shiba Kogiku、Inaba Kazuo、Matsumoto Midori
  • 雑誌名: BMC Zoology 巻: 7 号: 1 ページ: 8-8
  • DOI: 10.1186/s40850-022-00109-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A dynein-associated photoreceptor protein prevents ciliary acclimation to blue light (2021)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 7 号: 9
  • DOI: 10.1126/sciadv.abf3621
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Flagellar motility during sperm chemotaxis and phototaxis in fucalean algae (2020)
  • 著者名/発表者名: Kinoshita-Terauchi Nana、Bellgrove Alecia、Shiba Kogiku、Inaba Kazuo
  • 雑誌名: European Journal of Phycology 巻: 56 号: 1 ページ: 85-93
  • DOI: 10.1080/09670262.2020.1767307
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Nexin-Dynein regulatory complex component DRC7 but not FBXL13 is required for sperm flagellum formation and male fertility in mice (2020)
  • 著者名/発表者名: Morohoshi Akane、Miyata Haruhiko、Shimada Keisuke、Nozawa Kaori、Matsumura Takafumi、Yanase Ryuji、Shiba Kogiku、Inaba Kazuo、Ikawa Masahito
  • 雑誌名: PLOS Genetics 巻: 16 号: 1 ページ: 1-21
  • DOI: 10.1371/journal.pgen.1008585
  • NAID: 120007159540
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] CTENO64 Is Required for Coordinated Paddling of Ciliary Comb Plate in Ctenophores (2019)
  • 著者名/発表者名: Jokura Kei、Shibata Daisuke、Yamaguchi Katsushi、Shiba Kogiku、Makino Yumiko、Shigenobu Shuji、Inaba Kazuo
  • 雑誌名: Current Biology 巻: 29 号: 20 ページ: 3510-3516
  • DOI: 10.1016/j.cub.2019.08.059
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Calaxin is required for cilia-driven determination of vertebrate laterality (2019)
  • 著者名/発表者名: Sasaki Keita、Shiba Kogiku、Nakamura Akihiro、Kawano Natsuko、Satouh Yuhkoh、Yamaguchi Hiroshi、Morikawa Motohiro、Shibata Daisuke、Yanase Ryuji、Jokura Kei、Nomura Mami、Miyado Mami、Takada Shuji、Ueno Hironori、Nonaka Shigenori、Baba Tadashi、Ikawa Masahito、Kikkawa Masahide、Miyado Kenji、Inaba Kazuo
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 2 号: 1 ページ: 226-226
  • DOI: 10.1038/s42003-019-0462-y
  • NAID: 120006957456
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 3D 遊泳トラッキングシステムを用いたホヤ精子走化性の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 柴 小菊，稲葉 一男
  • 学会等名: 2022 年生体運動研究合同班会議
• [学会発表] ジオラマ環境下での精子走化性の応答計測に向けて (2022)
  • 著者名/発表者名: 柴 小菊
  • 学会等名: 科学研究費助成事業 学術変革領域研究（A）「ジオラマ環境で覚醒する原生知能を定式化する細胞行動力学」 シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 精子が卵に近づく運動メカニズム (2022)
  • 著者名/発表者名: 柴 小菊
  • 学会等名: 第45回エアロ・アクアバイオメカニズム学会講演会
  • 招待講演
• [学会発表] The role of Ca2+ in the regulation of flagellar movement during sperm chemotaxis (2021)
  • 著者名/発表者名: Kogiku Shiba
  • 学会等名: RIMS Workshop “Biofluid Mechanics of Reproduction” in Biofluids 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ホヤ精子の鞭毛運動調節におけるCNGチャネルの役割 (2021)
  • 著者名/発表者名: 柴 小菊，稲葉 一男
  • 学会等名: 第92回日本動物学会オンライン米子大会
• [学会発表] 緩歩動物クマムシの精子における動態と形態の関係に迫る (2021)
  • 著者名/発表者名: 杉浦健太，柴 小菊，稲葉 一男，松本緑
  • 学会等名: 第92回日本動物学会オンライン米子大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 城倉圭，佐藤友，柴 小菊，稲葉 一男
  • 学会等名: 第92回日本動物学会オンライン米子大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 佐藤友，城倉圭，柴 小菊，稲葉 一男
  • 学会等名: 第92回日本動物学会オンライン米子大会
• [学会発表] The role of CNG channel in the regulation of flagellar motility in the ascidian sperm (2021)
  • 著者名/発表者名: Kogiku Shiba, Kazuo Inaba
  • 学会等名: The virtual Dynein 2021 International Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] A novel protein CTENO189 is involved in the maintenance of asymmetric ciliary movements in the comb plates of ctenophores (2021)
  • 著者名/発表者名: Kei Jokura, Yu Sato, Kogiku Shiba, Kazuo Inaba
  • 学会等名: The virtual Dynein 2021 International Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] ホヤ精子鞭毛波形制御におけるカルシウムイオンとcAMPの役割 (2020)
  • 著者名/発表者名: 柴 小菊
  • 学会等名: 内分泌・代謝学共同利用・共同研究拠点ワークショップ「受精・発生最前線 ~受精の仕組みと初期発生を支える代謝メカニズム」
  • 招待講演
• [学会発表] カタユウレイボヤ精子運動調節におけるKCNGチャネルの役割 (2019)
  • 著者名/発表者名: 柴 小菊，稲葉 一男
  • 学会等名: 日本動物学会第90回大阪大会
• [学会発表] cAMPとカルシウムイオンによる微小管滑り運動の協調的制御 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山口 さやか，柴 小菊，稲葉 一男
  • 学会等名: 日本動物学会第90回大阪大会
• [備考] 筑波大学下田臨海実験センター稲葉研究室
  • URL: https://www.shimoda.tsukuba.ac.jp/staff_inaba.html
• [備考] 筑波大学下田臨海実験センター稲葉研究室発表論文
  • URL: https://inaba-lab-shimoda.jimdofree.com/home/%E7%99%BA%E8%A1%A8%E8%AB%96%E6%96%87-publications/
• [備考] 筑波大学下田臨海実験センター発表論文
  • URL: http://www.shimoda.tsukuba.ac.jp/ronbun.html
• [備考] 筑波大学下田臨海実験センター稲葉研究室柴小菊発表論文
  • URL: http://www.shimoda.tsukuba.ac.jp/~inaba/kogiku.html
• [備考] 筑波大学下田臨海実験センター稲葉研究室発表論文
  • URL: http://www.shimoda.tsukuba.ac.jp/~inaba/publish.html