Hideki SHIRAKAWA (白川 英樹)

Offer Organization: Japan Society for the Promotion of Science, System Name: Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research, Category: Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research, Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 2900000, indirect: 870000)
Protein-based molecular tools were developed, aiming to establish the IP3 clamp method, a novel technique to control the intracellular IP3 concentrations in living cells by light. It was shown that the combination of human phospholipase C and plant photoreceptor proteins could give the photoactivatability to an IP3-producing enzyme. We also developed fluorescent IP3 probes that have favorable excitation/emission wavelengths to be used with photoactivatable enzymes in the IP3 clamp system.

Offer Organization: Japan Society for the Promotion of Science, System Name: Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 3600000, indirect: 1080000)
To elucidate the regulatory mechanism for Ca^<2+> influx pathway in fertilized mammalian eggs, we conducted a series of molecular and physiological experiments to interfere the interactions between Ca^<2+> influx channels on the plasma membrane, TRPC and Orai, and proteins on the ER membrane, STIM. The results suggested that, although none of these proteins participate functionally in the maintenance of the Ca^<2+> oscillations by activating Ca^<2+> influx, STIM1 may have an novel role other than as an activator of store-operated Ca^<2+> entry.

Offer Organization: Japan Society for the Promotion of Science, System Name: Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 14000000, indirect: 4200000)
新薬開発などにおけるコストと犠牲動物の低減を目指し,分子イメージング技術の一つである蛍光トモグラフィー法の高度化を目的として,画像再構成法の開発とシミュレーション,および,生体模擬試料やマウスを用いた実験を行った.画像再構成法の新しい手法を開発し,実験によりその手法を実証することができた.結果として,マウス体内に埋め込んだ蛍光物質の濃度分布に関する断層画像を得た.

Offer Organization: 日本学術振興会, System Name: 科学研究費助成事業 特定領域研究, Category: 特定領域研究, Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 1500000, indirect: -)
多数の蛍光分子種の生細胞・組織内での時空間的動態を定量的に測定できるイメージング手法として、Excitation-Emission Matrix (EEM)イメージングとParallel Factor Analysis (PARAFAC)によるスペクトル分離手法に基づく多重蛍光同時測定システムの開発・構築を試みた。
平成18年度には、従来型の蛍光顕微鏡をべースにして、励起波長と蛍光波長を数種類のバンドパスフィルターで切り換えて高感度ビデオカメラで記録する光学系を構築した。また、多チャンネル分光センサを搭載した共焦点顕微鏡をベースにしたシステムも併せて検討した。これらの測定系で得られたEEM画像について励起光強度やフィルタ透過率についての補正を行った後、昨年度までに開発したPARAFACに基づくスペクトル分離アルゴリズムを画像データ用に改変したものを用いて、各蛍光成分画像の分離を行った。マウス卵細胞に各種蛍光色素や蛍光タンパク質を導入したものを対象にして、上述のシステムで単一細胞レベルでのEEM画像を経時的に記録・解析した結果、いずれの系においても導入した複数の蛍光成分と内因性蛍光成分のそれぞれが正確に分離できることが確認できた。具体的には例えば、IP_3産生酵素であるPLC、細胞内カルシウムイオン、およびミトコンドリアの細胞内動態を、それぞれGFP、カルシウムプローブ、フラビン由来の自家蛍光により、同時に測定することが出来た。また、従来のLinear unmixingによる成分分離法より分離結果が正確であることも確かめられた。各成分スペクトルに関する先見情報が不要な方法なので、特に未知の成分を含む試料に関して有用なシステムであると考えられるが、現時点では分離可能な蛍光成分数が3から4個と少なく、今後更なる改良が必要である。

Offer Organization: Japan Society for the Promotion of Science, System Name: Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 14700000, indirect: -)
Repetitive transient increase in intracellular Ca^<2+> concentration ([Ca^<2+>]_i) called Ca^<2+> oscillations occur at fertilization of mammalian eggs, and trigger egg activation. Each [Ca^<2+>]_i rise is due to Ca^<2+> release from the endoplasmic reticulum mainly through inositol 1,4,5-trisphosphate (IP_3) receptors. Evidence indicates that Ca^<2+> oscillations are caused by cytosolic sperm factor driven into the ooplasm upon sperm-egg fusion. The Ca^<2+> oscillation-inducing factor is the egg-activating protein (EAP). A current strong candidate of EAP is a novel isozyme of IP_3-producing enzyme, phospholipase C-zeta (PLCζ). This study aims to characterize PLCζ and confirm whether PLCζ operates as EAP at fertilization. The following results were obtained. 1) Injection of recombinant PLCζ that was synthesized by baculovirus/Sf9 cell expression system induced Ca^<2+> oscillations in mouse eggs at low concentrations. 2) PLCζ has such a high Ca^<2+>-sensitivity of PLC activity that the enzyme can be active in resting cells at 〜100 nM [Ca^<2+>]_i, suitable for a putative EAP to be introduced into the egg at fertilization. 3) The N-terminal EF-hand domain 1 (EF1) and EF2 are important for the PLCζ activity, and EF3 is responsible for its high Ca^<2+> sensitivity. 4) C2 domain has substantial affinity to PI(3)P and, to the lesser extent, to PI(5)P. 5) Ca^<2+> oscillations were induced by injection of RNA encoding PLCζ fused with a fluorescent protein "Venus". The expressed PLCζ corresponded to the estimated amount contained in a single spermatozoon. 6) Expressed PLCζtranslocated into the formed pronucleus. 7) The nuclear localization signal was located at the X-Y linker region of PLCζ molecule. A highly coordinated three-dimensional structure involving a folding in the middle is thought to be required for not only Ca^<2+> oscillation-inducing activity but also nuclear translocation ability. These results support PLCζ as a strong candidate of EAP. To confirm whether PLCζ operates as EAP at fertilization, PLCζ-knockout mice were produced, and PLCζ-transgenic mice were prepared for reserve PLCζ in the knockout mice sperm.

Offer Organization: 日本学術振興会, System Name: 科学研究費助成事業 奨励研究(A), Category: 奨励研究(A), Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 1800000, indirect: -)
IP_3受容体Caチャネルを介した小胞体(ER)からのCa遊離の過程を理解するためには、ER内外のCa濃度差だけでなく、電位差(=ER膜電位)をも考慮して電気化学的現象としてとらえることが重要である。本研究では、膜電位感受性蛍光色素を用いてハムスター卵細胞におけるIP_3依存性Ca遊離の際のER膜電位変化を光学的に測定する、というアプローチを行っている。ハムスター卵は、リアノジン受容体系は存在せずIP_3受容体系のみである、細胞内のERの分布が均一である、などモデル系としての利点がある。
昨年度までの研究において、(1)Stylyl系膜電位依存性蛍光色素di-18:2-ANEPPSによるER膜電位の選択的な光学的測定系を確立し、さらに(2)IP_3によるCa遊離に伴うER内陰性の向きのER膜電位変化の存在の確認、(3)Kチャネル阻害剤によるIP_3誘発性Ca遊離の部分的抑制など、Ca遊離の制御因子としてのER膜電位の機能を示唆する実験結果を得た。
本年度は、さらに以下のような成果を得、その一部をすでに発表した。
(1)膜電位との同時測定に使用可能な蛍光Ca指示薬をスクリーニングし、その中でFura Redが可視光域での1波長励起2波長蛍光のratiometricな測定に用いることができることを見いだした。
(2)多波長同時記録型の蛍光検出器を導入し、多波長励起・多波長蛍光の単一細胞顕微蛍光測定システムを構築した。これにより、自家蛍光成分を排除してより定量的な蛍光測定を行うこと、また複数種の蛍光プローブを用いて複数の細胞内因子を同時に測定することが可能になる、と期待される。
(3)Ca動態についての包括的な数値モデルの構築に向け、その予備的段階のモデルを作成しマウス卵のCaオシレーションをシミュレートした。

Offer Organization: 日本学術振興会, System Name: 科学研究費助成事業 萌芽的研究, Category: 萌芽的研究, Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 1800000, indirect: -)
前年度に引き続き、主としてハムスター精子に対し先体反応誘発物質として卵透明帯を可溶化したものを投与した際の細胞内Ca反応について、Ca上昇と先体胞開口分泌の時間的関係および電位依存性L型Caチャネルの関与について解析を進めた。またサイクリックヌクレオチド(cAMP、cGMP)の効果についても検討した。
[Ca上昇と先体胞開口分泌の時間的関係]可溶化卵透明帝の投与に対し、精子細胞内Ca濃度は頭部内赤道部付近から上昇が始まり約0.6秒以内に先体胞を除く頭部全体に伝播した後、2分以上にわたり高いレベルに保たれた。その間に、先体胞の蛍光強度が急激に減少する現象が観察された。これは開口分泌により先体胞内部の蛍光色素が細胞外に流出したためと考えられる。Ca上昇の開始から先体胞開口分泌開始までの平均時間は22秒であった。
[電位依存性L型Caチャネルの関与の検討]L型Caチャネル阻害剤の存在下では、透明帯によるCa反応の増加相のパターンや速度、およびピークの大きさは影響されなかったが、Ca上昇の持続時間が有意に短くなった。また、先体胞開口分泌も阻害されたことから、L型QCaチャネルによって細胞内Caが長時間高濃度に維持されることが開口分泌に必要であることが示唆された。
[サイクリックヌクレオチドの効果]予備的な実験において、細胞膜透過性のサイクリックヌクレオチドのアナログ、8-br-cGMPや8-br-cAMPの投与により精子内Ca上昇が観察された例があったが、ケイジドcGMP(膜透過性)をロードした精子のどの部分に紫外線照射しても、Ca上昇は誘発されなかった。サイクリックヌクレオチドと精子内Caの関係については、さらに検討が必要である。

Offer Organization: 日本学術振興会, System Name: 科学研究費助成事業 奨励研究(A), Category: 奨励研究(A), Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 1900000, indirect: -)
前年度に引き続き、主としてハムスター精子に対し先体反応誘発物質として卵透明帯を可溶化したものを投与した際の細胞内Q反応について、Ca上昇と先体胞開口分泌の時間的関係および電位依存性L型Caチャネルの関与について解析を進めた。またサイクリックヌクレオチド(cAMP、cGMP)の効果についても検討した。
[Ca上昇と先体胞開口分泌の時間的関係]可溶化卵透明帯の投与に対し、精子細胞内Ca濃度は頭部内赤道部付近から上昇が始まり約0.6秒以内に先体胞を除く頭部全体に伝播した後、2分以上にわたり高いレベルに保たれた。その間に、先体胞の蛍光強度が急激に減少する現象が観察された。これは開口分泌により先体胞内部の蛍光色素が細胞外に流出したためと考えられる。Ca上昇の開始から先体胞開口分泌開始までの平均時間は22秒であった。
[電位依存性L型Caチャネルの関与の検討]L型Caチャネル阻害剤の存在下では、透明帯によるCa反応の増加相のパターンや速度、およびピークの大きさは影響されなかったが、Ca上昇の持続時間が有意に短くなった。また、先体胞開口分泌も阻害されたことから、L型Caチャネルによって細胞内Caが長時間高濃度に維持されることが開口分泌に必要であることが示唆された。
[サイクリックヌクレオチドの効果]予備的な実験において、細胞膜透過性のサイクリックヌクレオチドのアナログ、8-br-cGrS4Pや8-br-cAMPの投与により精子内Ca上昇が観察された例があったが、ケイジドcGMP(膜透過性)をロードした精子のどの部分に紫外線照射しても、Ca上昇は誘発されなかった。サイクリックヌクレオチドと精子内Caの関係については、さらに検討が必要である。

Offer Organization: Japan Society for the Promotion of Science, System Name: Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 6900000, indirect: -)
This study was performed as a step to elucidate the molecular mechanism by which the sperm induces an increase in intracellular Ca^<2+>, the pivotal signal for egg activation at fertilization. The following results were obtainde by microinjection techniques, Ca^<2+> image analysis, and confocal laser scanning microscopy.
1)As a phenomenological observation, we established the experimental condition in which sperm-egg fusion is formed only transiently without sperm entry into the sea urchin egg in the presence of a gamete fusion inhibitor, jaspisin. A localized Ca^<2+> rise restricted at the sperm binding site was recorded, separated fron the Ca^<2+> wave which spreads throughout the egg at normal fertilization. Spatiotemporal aspects of the sprem-induced localized Ca^<2+> rise were characterized in detail.
2) Injection of a mouse spermatozoon into an egg (intracytoplsmic sperm injection, ICSI) caused repetitive transient Ca^<2+> rises (Ca^<2+> oscillalions) as seen at fertilization, starting 15 to 30 minutes after sperm injection and persisting for several hours. Each Ca^<2+> rise occurred almost synchronously in the whole egg. The results suggested that a sperm cytosolic factor leaks out from the injected spermatozoon into the egg cytoplasm and can induce Ca^<2+> oscillations, even if sperm-egg binding is bypassed by ICSI.
3) We found that injection of a precursor sperm, round spermatids without flagellum (round spermatid injection, ROSI), can not induce any Ca^<2+> response in the egg but that combined injection of a potent agonist of the inositol 1,4,5-trisphosphate (IP_3) receptor resulted in egg activation (fertilization) associated with male and female pronucleus formation. About 25% of two-cell embryos transplanted into foster mothers developed to normal offspring. The newborn infants grew up to normal adults, which reproduced normal second generations.
4)We partially purified a cytosolic protein from hamster and ascidian spermatozoa that possesses the activity of inducing Ca^<2+> oscillations when injected into hamster, mouse, and ascidian eggs. Microinjection of the sperm factor into a localized region of the egg showed that the peripheral cytoplasm is more sensitive to the sperm factor to generate Ca^<2+> increase (possibly due to Ca^<2+> release from the endoplasmic reticulum through IP_3 receptors), compared with the central region of the egg.
These results suggested that, at fertilization, a sperm cytosolic factor could be introduced into the cortical region of the egg cytoplasm through cytoplasmic continuity formed between the sperm and egg, and induce Ca^<2+> release in the egg. This study provided useful information for advancing further studies in future.