酸化還元・カルシウムのクロストークが協調的な繊毛運動の秘密を解明(Redox-Calcium Crosstalk Unlocks Secret of Coordinated Ciliary Beating)

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2026-09-04 中国科学院(CAS)

中国科学院水生生物研究所の研究チームは、緑藻クラミドモナスをモデルに、酸化還元(redox)シグナルとCa²⁺動態の連携が、鞭毛・繊毛の協調運動を制御する仕組みを明らかにした。研究では、進化的に保存されたヘム結合性軸糸タンパク質CYB5D1を、酸化還元状態を感知する分子スイッチとして同定した。CYB5D1の欠失やAsp58Gly変異によって鞭毛内がより還元的になると、特定の鞭毛でCa²⁺スパイクの頻度が増加した。高解像度の生細胞イメージングでは、酸化処理によって左右の鞭毛のCa²⁺スパイクが連動し、協調した拍動が回復する一方、還元処理では連動が失われ、運動協調性が低下した。これにより、redoxシグナルがCa²⁺シグナルの上流で作用し、鞭毛間の優位性切替や波形制御を通じて協調運動を調節することが示された。本成果は繊毛運動の分子機構に新たな枠組みを与え、原発性線毛機能不全症などの繊毛病の理解や治療研究にもつながる可能性がある。

酸化還元・カルシウムのクロストークが協調的な繊毛運動の秘密を解明(Redox-Calcium Crosstalk Unlocks Secret of Coordinated Ciliary Beating)

CYB5D1 integrates redox signals to control Flagellar coordination through calcium dynamics. (Image by IHB)

<関連情報>

ヘム結合タンパク質CYB5D1は、鞭毛内部の酸化還元反応とカルシウムシグナル伝達を連結し、鞭毛の協調的な拍動を実現する Heme-binding protein CYB5D1 couples intraflagellar redox to calcium signaling for coordinated flagellar beating

Yiwen Lin, Lijuan Zhao, Gai Liu, +2 , and Kaiyao Huang
Proceedings of the National Academy of Sciences  Published:August 19, 2026
DOI:https://doi.org/10.1073/pnas.2535939123

Abstract

Coordinated ciliary/flagellar beating requires precise spatiotemporal regulation of molecular motors such as dyneins, yet the molecular mechanisms governing ciliary synchrony remain poorly understood. Here, we demonstrate that a heme-binding axonemal protein CYB5D1 functions as a redox-sensitive switch that controls flagellar beating coordination by regulating Ca2+ dynamics. Both the D58G point mutation, which abolishes heme-binding activity, and the complete loss of CYB5D1 lead to a reduction in the flagellar redox potential. More importantly, the hyperreductive intraflagellar redox shift in the cyb5d1 mutant increases cis-flagellar Ca2+ spike frequency and amplitude, similar to reductive treatment of wild-type flagella, resulting in the loss of flagellar beating coordination. Interestingly, oxidative treatments induced synchronized Ca2+ spikes across both cis– and trans-flagella of cyb5d1 and increased flagellar beating coordination. In addition, loss of CYB5D1 raised the intraflagellar Ca2+ pool. These results indicate that CYB5D1 links redox sensing to Ca2+ signaling in ciliary coordination and reveal how the two flagella of the same cell achieve synchronized beating through redox-gated Ca2+ dynamics. Furthermore, CYB5D1 loss impairs gliding motility by dysregulating Ca2+ spiking specifically in the leading flagellum, extending the redox-Ca2+ regulatory axis to surface-associated flagellar behaviors. Given the evolutionary conservation of both CYB5D1 and the redox-Ca2+ signaling axis, this mechanism likely regulates ciliary function across eukaryotes, with implications for understanding ciliopathies and respiratory diseases.

細胞遺伝子工学
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