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

2020 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 19K06592
• 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
• キーワード: CNGチャネル / 精子走化性 / cAMP

研究実績の概要

真核生物の鞭毛運動制御メカニズムを明らかにするため、精子走化性における鞭毛波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。カタユウレイボヤ精子の鞭毛波形形成過程の詳細解析、波形変化を引き起こす細胞内シグナルの可視化、キーシグナル因子の同定を行うことにより、精子の遊泳方向制御に重要な鞭毛波の対称化・非対称化におけるカルシウムイオンとcAMPの役割の全容解明を目指している。
2020年度は、cAMPによる活性化が予測されるサイクリックヌクレオチド感受性（CNG：cyclic nucleotide gated）チャネルの精子走化性シグナリング経路への関与を調べるため、複数のCNGチャネル阻害剤を用いたときの精子走化性時の波形変化およびカルシウム挙動を詳細に解析した。その結果、ホヤ精巣において高発現しているCNGチャネルの一種であり、過分極およびcAMPによって活性化するHCN（hyperpolarization-activated and cyclic nucleotide-gated ）チャネル特異的な阻害剤が強く精子走化性を抑制すること、精子走化性に必須である鞭毛の非対称波、対称波形成はみられるものの安定した波形持続ができないことにより正常な遊泳方向変換ができないこと、遊泳方向変換時のカルシウム流入が過剰に起こることを明らかにした。これらの結果から、カタユウレイボヤ精子運動調節において過分極、cAMPを介したカルシウム排出機構が存在しうることが示唆された。
また鞭毛繊毛の波形解析技術を応用した共同研究の成果をEuropean Journal of Phycology誌、Sci Adv.誌に発表した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

これまでにケージド化合物を用いて、サイクリックヌクレオチド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cGMPによる直接的な効果は認められず主に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。

今後の研究の推進方策

ケージド化合物を用いた実験データの追加を引き続き行うとともに、cAMPによる波形制御の分子機構を明らかにするため、CNGチャネルやアデニル酸シクラーゼなどのシグナル伝達経路に関わる分子の同定や機能解析を引き続き進める。阻害剤による機能解析が進んだHCNチャネルに関しては抗体を作製し、精子における局在解析や抗体による機能阻害などの実験を予定している。細胞内cAMPを可視化するための実験系の構築も併せて進める予定である。現時点で得られた新たな知見に関しては論文投稿準備中である。

次年度使用額が生じた理由

新型コロナウィルスの影響により、学会参加や採集などに使用予定だった旅費を使用しなかったため次年度使用額が生じた。2021年度は最終年度であるため、論文発表やそのための英語校正、学会発表旅費などに割り当てる予定である。

研究成果

• [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 ページ: eabf3621
  • 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 ページ: 85～93
  • DOI: 10.1080/09670262.2020.1767307
  • 査読あり / 国際共著
• [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