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

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。

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。