General mechanism of the bend formation and propagation revealed by the analysis of insect sperm flagella

昆虫精子鞭毛分析揭示弯曲形成和传播的一般机制

• 批准号: 21H02455
• 负责人: 大岩 和弘
• 金额: $ 8.49万
• 依托单位: National Institute of Information and Communications Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H02455/
• 关键词: 鞭毛・繊毛; ダイニン; 顕微操作技術; X線回折; 試験管内機能再構築; 鞭毛; 精子; キイロショウジョウバエ; 細胞運動

本研究は、キイロショウジョウバエ精子鞭毛が示す双方向性の鞭毛波形成と伝播の解析を通して、真核生物鞭毛運動に普遍的に存在するメカニズムを明らかにしようとするもの。１．軸糸のらせん対称性に起因する波形メカニズムのＸ線繊維回折による解明：脱膜モデルによる生理学実験と、生理学環境下で生体ダイナミクスを測定できるシンクロトロン放射光（SPring-8, BL-40-XU)によるＸ線回折を行った。Ca2+濃度変化に対する波形変化と呼応した基本構造周期96nmの高次層線反射強度の変化を認め、軸糸全体のらせん対称性のCa2+濃度依存性が波形転換に関連する可能性を示した。また、クラミドモナスの軸糸構造変異株とホヤ精子を解析し、らせん対称性の変化が中心小管やラジアルスポークに依存しないこと、ホヤとクラミドモナスのCa2+に対するらせん対称性変化の鏡像関係を明らかにした。これらを基に鞭毛波形形成の数理モデル化を進めた。２．自律的振動創発の必須要素の同定とメカニズムの理解：構成生物学的研究手法によって試験管内での鞭毛運動の再現を行なった。軸糸断片を鋳型として伸長させた微小管に、クラミドモナス野生株鞭毛から得た運動活性を持つ外腕ダイニン粗抽出分画を添加、24nm構造周期を持つダイニン-微小管複合体を再構築した。ATP添加でこの複合体が滑り運動を起こし、微小管の周期的座屈現象を創発した。この運動の数理モデルを構築、ダイニンの協働性を推定したこの成果を国際誌Smallに発表した。３．キイロショウジョウバエ精子鞭毛における屈曲波の両方向性伝播メカニズムの解析：運動性のある精子の採取方法を確立、その運動の高速カメラ撮像を可能にし、鞭毛に機械的刺激を与えるためのマニプレーターの設置を完了した。低周波数で大振幅のらせん波と、高周波数で小振幅のらせん波が重層している鞭毛波を記録し、波形パラメータを抽出した。

は, this study キ イ ロ シ ョ ウ ジ ョ ウ バ エ sperm flagella が す in double direction の flagella wave form と 伝 sowing の parsing を tong し て, eukaryotes flagellar movement に exist common に す る メ カ ニ ズ ム を Ming ら か に し よ う と す る も の. 1. Axis si の ら せ ん polices say sex に cause す る waveform メ カ ニ ズ ム の X-ray 繊 d inflexion に よ る interpret: take off the membrane モ デ ル に よ る physiology be 験 と で raw body, physiology environment ダ イ ナ ミ ク ス を determination で き る シ ン ク ロ ト ロ ン radiation light (SPring - 8, BL - 40 - XU) に よ る X line back to the fold line を っ た. Ca2 + concentration variations change に す seaborne る waveform variations change と shout 応 し た basic construction period 96 nm の higher layer line reflection intensity の - を recognize め, shaft si all の ら せ ん said sex seaborne の Ca2 + concentration dependence が waveform planning in に masato even す を る possibility in し た. ま た, ク ラ ミ ド モ ナ ス の shaft si - different structures strains と ホ ヤ sperm を analytical し, ら せ ん said sex seaborne の - が center tubular や ラ ジ ア ル ス ポ ー ク に dependent し な い こ と, ホ ヤ と ク ラ ミ ド モ ナ ス の Ca2 + に す seaborne る ら せ ん polices according to sex - the の mirror masato を and Ming ら か に し た. The <s:1> れらを basis に flagellar waveform is formed in a <s:1> mathematical モデ and を and then evolved into めた. 2 The vibration of the self-discipline and 発 の の must elements with fixed と メ カ ニ ズ ム の understand: constitute biology technique に よ っ て test tube で の flagellar movement の reappearance を line な っ た. Type shaft si fragment を where と し て elongation さ せ た tiny tubes に, ク ラ ミ ド モ ナ ス wild strains flagella か ら very を hold つ た sports activity by wrist ダ イ ニ ン crude extraction points draw を add, 24 nm tectonic cycle を つ ダ イ ニ ン - tiny tube complex を to construct し た. The addition of ATP to the で <s:1> <s:1> <e:1> <s:1> complex が sliding <s:1> movement を initiates the site-flex-like phenomenon of the <s:1> <s:1> and microtubule <s:1> cycle を creates た. の こ の movement mathematical モ デ ル を constructs, ダ イ ニ ン の association 働 sex を presumption し た こ の results を international volunteers Small に 発 table し た. 3 キ イ ロ シ ョ ウ ジ ョ ウ バ エ sperm flagella に お け る bow wave の struck directional 伝 sowing メ カ ニ ズ ム の analytic: motility の あ る を sperm の take method to establish, そ の movement の high-speed カ メ ラ pinch of as likely を に し, flagella に mechanical stimulation を and え る た め の マ ニ プ レ ー タ ー の finished setting を し た. Low cycle for large amplitude の is で ら せ ん wave と small amplitude, high frequency で の ら せ ん wave が heavy layer し て い る flagella wave record を し, waveform パ ラ メ ー タ を spare し た.

项目成果

The waveform and beat frequency of a sperm flagellum of Drosophila melanogaster

果蝇精子鞭毛的波形和跳动频率

• 发表时间: 2022
• 作者: Sho Tamai;Kosei Sato;Hitoshi Sakakibara;Kazuhiro Oiwa
• 通讯作者: Kazuhiro Oiwa

Reconstitution of the axonemal beating by bottom-up strategy

自下而上策略重建轴索跳动

• 发表时间: 2022
• 作者: Isabella Guido;Kenta Ishibashi;Eberhard Bodenschatz;Andrej Vilfan;Ramin Golestanian;Hitoshi Sakakibara;Kazuhiro Oiwa
• 通讯作者: Kazuhiro Oiwa

Jozef Stefan Inst(スロベニア)

约瑟夫斯特凡研究所（斯洛文尼亚）

Active beating of a reconstituted dynein-microtubule complexes

重组动力蛋白-微管复合物的主动跳动

• 发表时间: 2021
• 作者: Isabella Guido;Kenta Ishibashi;Eberhard Bodenschatz;Andrej Vilfan;Ramin Golestanian;Hitoshi Sakakibara;Kazuhiro Oiwa
• 通讯作者: Kazuhiro Oiwa

MPI. Dynamics Self-Organization(ドイツ)

MPI。动力学自组织（德国）