緑藻クラミドモナスの２本の鞭毛の違いの解明

• 研究課題/領域番号: 20K21420
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分44:細胞レベルから個体レベルの生物学およびその関連分野
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 若林 憲一 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (80420248)
• 研究期間 (年度): 2020-07-30 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円); 2021年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 2020年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
• キーワード: 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

研究開始時の研究の概要

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。

研究成果の概要

本研究は緑藻クラミドモナスの２本の鞭毛の性質の違いを分子レベルで明らかにすることを目指したものである。
研究材料の片方の鞭毛しか打たない変異株は、外腕α重鎖、内腕分子種a, c, dを欠損している。我々はこれらのダイニン間にある構造が２本の鞭毛で非対称に存在する可能性を考え、内腕分子種を１つずつ欠いた外腕α重鎖欠損株を作成したが、これらはすべて２本の鞭毛を動かした。そのため、複数の内腕ダイニン間にまたがる構造が原因である可能性がある。クライオ電子顕微鏡によって変異株の鞭毛内部構造を観察したところ、片方の鞭毛でだけ失われている構造を見出した。現在この構造の要因となるタンパク質の同定を進めている。

研究成果の学術的意義や社会的意義

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。

研究成果

• [雑誌論文] Changes in intracellular energetic and metabolite states due to increased galactolipid levels in Synechococcus elongatus PCC 7942 (2023)
  • 著者名/発表者名: Kondo Kumiko、Yoshimi Rina、Apdila Egi Tritya、Wakabayashi Ken-ichi、Awai Koichiro、Hisabori Toru
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 13 号: 1 ページ: 259-259
  • DOI: 10.1038/s41598-022-26760-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Two specific domains of the γ subunit of chloroplast F _o F ₁ provide redox regulation of the ATP synthesis through conformational changes (2023)
  • 著者名/発表者名: Akiyama Kentaro、Ozawa Shin-Ichiro、Takahashi Yuichiro、Yoshida Keisuke、Suzuki Toshiharu、Kondo Kumiko、Wakabayashi Ken-ichi、Hisabori Toru
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 120 号: 6
  • DOI: 10.1073/pnas.2218187120
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The Importance of the C-terminal Cys pair of Phosphoribulokinase in Phototrophs in Thioredoxin-Dependent Regulation (2022)
  • 著者名/発表者名: Fukui K, Yoshida K, Yokochi Y, Sekiguchi T, Wakabayashi KI, Hisabori T, Mihara S.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 巻: in press 号: 6 ページ: 855-868
  • DOI: 10.1093/pcp/pcac050
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Verification of the Relationship between Redox Regulation of Thioredoxin Target Proteins and Their Proximity to Thylakoid Membranes (2022)
  • 著者名/発表者名: Fukushi Y, Yokochi Y, Wakabayashi KI, Yoshida K, Hisabori T.
  • 雑誌名: Antioxidants 巻: 11 号: 4 ページ: 773-773
  • DOI: 10.3390/antiox11040773
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Reactivation of Demembranated Cell Models in <em>Chlamydomonas reinhardtii</em> (2022)
  • 著者名/発表者名: Ueki Noriko、Isu Atsuko、Wakabayashi Ken-ichi
  • 雑誌名: Journal of Visualized Experiments 巻: 183 号: 183
  • DOI: 10.3791/63869
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of Photobehavior in <em>Chlamydomonas reinhardtii</em> (2022)
  • 著者名/発表者名: Ueki Noriko、Isu Atsuko、Kyuji Ayaka、Asahina Yuma、So Satoaki、Takahashi Rina、Hisabori Toru、Wakabayashi Ken-ichi
  • 雑誌名: Journal of Visualized Experiments 巻: 183 号: 183
  • DOI: 10.3791/63961
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dissipation of the proton electrochemical gradient in chloroplasts promotes the oxidation of ATP synthase by thioredoxin-like proteins (2022)
  • 著者名/発表者名: Sekiguchi T., Yoshida K., Wakabayashi K-I., Hisabori T.*
  • 雑誌名: J. Biol. Chem. 巻: 298 号: 11 ページ: 102541-102541
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2022.102541
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The mammalian-type thioredoxin reductase 1 confers a high-light tolerance to the green alga Chlamydomonas reinhardtii (2022)
  • 著者名/発表者名: Asahina Yuma、Sakamoto Kazuma、Hisabori Toru、Wakabayashi Ken-ichi
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 巻: 596 ページ: 97-103
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2022.01.088
  • 査読あり
• [雑誌論文] Channelrhodopsin-Dependent Photo-Behavioral Responses in the Unicellular Green Alga Chlamydomonas reinhardtii (2021)
  • 著者名/発表者名: Wakabayashi Ken-ichi、Isu Atsuko、Ueki Noriko
  • 雑誌名: Optogenetics (Advances in Experimental Medicine and Biology), 2nd ed. 巻: 1293 ページ: 21-33
  • DOI: 10.1007/978-981-15-8763-4_2
  • ISBN: 9789811587627, 9789811587634
  • 査読あり
• [雑誌論文] Characterization of Chlamydomonas reinhardtii Mutants That Exhibit Strong Positive Phototaxis (2021)
  • 著者名/発表者名: Morishita Jun、Tokutsu Ryutaro、Minagawa Jun、Hisabori Toru、Wakabayashi Ken-ichi
  • 雑誌名: Plants 巻: 10 号: 7 ページ: 1483-1483
  • DOI: 10.3390/plants10071483
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thioredoxin pathway in Anabaena sp. PCC 7120: activity of NADPH-thioredoxin reductase C (2021)
  • 著者名/発表者名: Deschoenmaeker Frederic、Mihara Shoko、Niwa Tatsuya、Taguchi Hideki、Wakabayashi Ken-Ichi、Toyoshima Masakazu、Shimizu Hiroshi、Hisabori Toru
  • 雑誌名: The Journal of Biochemistry 巻: － 号: 6 ページ: 709-719
  • DOI: 10.1093/jb/mvab014
  • NAID: 40022687787
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Monitoring cellular redox dynamics using newly developed BRET-based redox sensor proteins (2021)
  • 著者名/発表者名: Fu Nae、Sugiura Kazunori、Kondo Kumiko、Nakamura Shungo、Wakabayashi Ken-ichi、Hisabori Toru
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 297 号: 4 ページ: 101186-101186
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2021.101186
  • 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] Redox regulation of NADP-malate dehydrogenase is vital for land plants under fluctuating light environment (2021)
  • 著者名/発表者名: Yokochi Y., Yoshida K., Hahn F., Miyagi A., Wakabayashi K-I., Kawai-Yamada M., Weber A. P. M., Hisabori T.
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 巻: 118 号: 6
  • DOI: 10.1073/pnas.2016903118
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Oxidative regulation of chloroplast enzymes by thioredoxin and thioredoxin-like proteins in <i>Arabidopsis thaliana</i> (2021)
  • 著者名/発表者名: Yokochi Yuichi、Fukushi Yuka、Wakabayashi Ken-ichi、Yoshida Keisuke、Hisabori Toru
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 118 号: 51
  • DOI: 10.1073/pnas.2114952118
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The four-celled Volvocales green alga Tetrabaena socialis exhibits weak photobehavior and high-photoprotection ability (2021)
  • 著者名/発表者名: Tanno Asuka、Tokutsu Ryutaro、Arakaki Yoko、Ueki Noriko、Minagawa Jun、Yoshimura Kenjiro、Hisabori Toru、Nozaki Hisayoshi、Wakabayashi Ken-ichi
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 16 号: 10 ページ: e0259138-e0259138
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0259138
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Rapid estimation of cytosolic ATP concentration from the ciliary beating frequency in the green alga Chlamydomonas reinhardtii (2021)
  • 著者名/発表者名: Takano, W., Hisabori, T., *Wakabayashi, K.
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 296 ページ: 100156-100156
  • DOI: 10.1074/jbc.ra120.015263
  • 査読あり
• [学会発表] 軸糸外腕ダイニンのチオレドキシン様軽鎖の機能 (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 生体運動研究合同班会議
• [学会発表] TRPチャネルの機械受容による繊毛運動の制御 (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 生体運動研究合同班会議
• [学会発表] 緑藻クラミドモナスにおける_光性符号変動と_化性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 前川優太、朝比奈佑磨、高野真由、久堀徹、若林憲一
  • 学会等名: 第16回クラミドモナス研究会
• [学会発表] 軸糸外腕ダイニンのチオレドキシン様軽鎖の機能 (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第16回クラミドモナス研究会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第16回クラミドモナス研究会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 伊藤音緒, 井須敦子, 若林憲一, 吉村建二郎
  • 学会等名: 第16回クラミドモナス研究会
• [学会発表] Involvement of Chloroplast-localized Trx-like proteins in the Regulation of Non-Photochemical Quenching inArabidopsis thaliana (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuka Fukushi, Yuichi Yokochi, Ken-ichi Wakabayashi, Keisuke Yoshida, Toru Hisabori
  • 学会等名: 第64回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Photobehavior in the Volvocales green algae with different cell numbers: Chlamydomonas, Tetrabaena, and Volvox (2022)
  • 著者名/発表者名: Ken-ichi Wakabayashi
  • 学会等名: One-day workshop on the cellular level ethological dynamics towards “proto-intelligence”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The four-celled Volvocales green alga_Tetrabaena socialis_exhibits weak photobehavior and high-photoprotection ability (2022)
  • 著者名/発表者名: Asuka Tanno, Yoko Arakaki, Noriko Ueki, Ryutaro Tokutsu, Jun Minagawa, Kenjiro Yoshimura, Toru Hisabori, Hisayoshi Nozaki and Ken-ichi WAKABAYASHI
  • 学会等名: International Symposium on Photosynthesis and Chloroplast Regulation
• [学会発表] Oxidative regulation of chloroplast ATP synthase by thioredoxin-like proteins (2022)
  • 著者名/発表者名: Takatoshi Sekiguchi, Keisuke Yoshida, Ken-ichi Wakabayashi, Toru Hisabori
  • 学会等名: International Symposium on Photosynthesis and Chloroplast Regulation
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 福士結香, 横地佑一, 吉田啓亮, 若林憲一, 久堀徹
  • 学会等名: 第12回日本光合成学会年会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 町田亮人，近藤久益子，若林憲一，久堀徹
  • 学会等名: 第12回日本光合成学会年会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 近藤久益子，吉見里奈, Egi Tritya Apdila, 若林憲一，粟井光一郎, 久堀徹
  • 学会等名: 第12回日本光合成学会年会
• [学会発表] クラミドモナス繊毛交互打ち変異株の単離と解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 坂本一馬, 井須敦子, 久堀徹, 若林憲一
  • 学会等名: 日本動物学会第93回大会
• [学会発表] Analysis of a Chlamydomonas mutant showing alternate ciliary beatings (2022)
  • 著者名/発表者名: 坂本一馬, 井須敦子, 久堀徹, 若林憲一
  • 学会等名: 第60回日本生物物理学会年会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 関口敬俊, 吉田啓亮, 若林憲一, 久堀徹
  • 学会等名: 第95回日本生化学会大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 秋山健太郎、小澤真一郎、高橋裕一郎、若林憲一、久堀徹
  • 学会等名: 第48回日本生体エネルギー研究会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 生体運動研究合同班会議
• [学会発表] 長時間露光によるクラミドモナスの走光性符号変動 (2022)
  • 著者名/発表者名: 朝比奈 佑磨, 久堀 徹, 若林 憲一
  • 学会等名: 生体運動研究合同班会議
• [学会発表] Photobehavior and its significance studied using the Volvocales green algae with different cell numbers: Chlamydomonas, Tetrabaena, and Volvox (2022)
  • 著者名/発表者名: 若林憲一
  • 学会等名: German-Japanese Meeting 2022 "Green Aquatic Biology: Ecology meets Synthetic Biology"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第15回クラミドモナス研究会
• [学会発表] 長時間露光によるクラミドモナスの走光性符号変動 (2022)
  • 著者名/発表者名: 朝比奈 佑磨, 久堀 徹, 若林 憲一
  • 学会等名: 第15回クラミドモナス研究会
• [学会発表] クラミドモナスの走熱性をつかさどるTRPチャネル (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第15回クラミドモナス研究会
• [学会発表] 葉緑体ATP合成酵素研究：クラミドモナスでできること (2022)
  • 著者名/発表者名: 秋山 健太郎, 小澤 真一郎, 高橋 裕一郎, 若林 憲一, 久堀 徹
  • 学会等名: 第15回クラミドモナス研究会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 植木紀子、若林憲一
  • 学会等名: 第15回クラミドモナス研究会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 上村柚紀子、吉田啓亮、Chris White-Gloria、Greg B. Moorhead、若林憲一、久堀徹
  • 学会等名: 第63回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Functional interaction between Cystathionine-beta-synthase X proteins and NADPH-thioredoxin reductase C in Arabidopsis thaliana (2022)
  • 著者名/発表者名: Minh Chau Tran, Shoko Mihara, Ken-ichi Wakabayashi, Keisuke Yoshida, Toru Hisabori
  • 学会等名: ,第63回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 福士結香、横地佑一、若林憲一、吉田啓亮、久堀徹
  • 学会等名: 第63回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 関口敬俊、吉田啓亮、若林憲一、久堀徹
  • 学会等名: 第63回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 緑藻テトラバエナ（シアワセモ）の光行動と光防御能 (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第63回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 関口敬俊、吉田啓亮、若林憲一、久堀徹
  • 学会等名: 日本光合成学会2021年年会
• [学会発表] Significance of phototaxis in the unicellular green alga Chlamydomonas reinhardtii revealed by “perverse” cells (2021)
  • 著者名/発表者名: 若林憲一
  • 学会等名: 第59回日本生物物理学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 関口敬俊、吉田啓亮、若林憲一、久堀徹
  • 学会等名: 日本生体エネルギー研究会第47回討論会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 町田亮人、近藤久益子、若林憲一、久堀徹
  • 学会等名: 日本生体エネルギー研究会第47回討論会
• [学会発表] 緑藻クラミドモナス走光性のレドックス制御 (2021)
  • 著者名/発表者名: 若林憲一
  • 学会等名: 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
  • 招待講演
• [学会発表] クラミドモナス繊毛交互打ち変異株の単離と解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 坂本一馬、久堀徹、若林憲一
  • 学会等名: 第58回日本生物物理学会年会
• [図書] Optogenetics (Advances in Experimental Medicine and Biology), 2nd ed. (2021)
  • 著者名/発表者名: Wakabayashi K., Isu A., Ueki N. (eds. Yawo, Kandori, Koizumi, Kageyama)
  • 総ページ数: 675
  • 出版者: Springer Nature
  • ISBN: 9811587620
• [図書] 相分離生物学の全貌 (2020)
  • 著者名/発表者名: 若林憲一、植木紀子（白木賢太郎・編）
  • 総ページ数: 416
  • 出版者: 東京化学同人
  • ISBN: 9784807913466