10月4日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Nature Communications在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心朱學(xué)良研究組發(fā)現(xiàn)的最新研究成果。在該工作中，研究人員揭示了哺乳動(dòng)物動(dòng)纖毛中央微管形成的分子機(jī)制。

動(dòng)纖毛（motile cilia）是一種突出于細(xì)胞表面的毛發(fā)狀細(xì)胞器，由基體、軸絲和纖毛膜組成。在哺乳動(dòng)物體內(nèi)，以多纖毛的形式廣泛分布于氣管、腦室和輸卵管等器官中的動(dòng)纖毛，通過其周期性的快速擺動(dòng)清潔呼吸道、驅(qū)動(dòng)腦脊液的循環(huán)和受精卵向子宮的移動(dòng)。動(dòng)纖毛結(jié)構(gòu)和功能的缺陷會(huì)引發(fā)原發(fā)性纖毛運(yùn)動(dòng)障礙征（PCD），主要病征為慢性鼻竇炎、反復(fù)呼吸道感染、不育和腦積水等。

動(dòng)纖毛的軸絲由9組微管二聯(lián)體形成的外周微管和2根中央微管形成。分布在外周微管側(cè)面的分子馬達(dá)——內(nèi)外動(dòng)力臂為纖毛運(yùn)動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)力。從外周微管伸向中央微管的輻射軸則是纖毛運(yùn)動(dòng)方式的調(diào)節(jié)器。中央微管缺失的纖毛在低等生物中不能擺動(dòng)，而在哺乳動(dòng)物中則從擺動(dòng)變成轉(zhuǎn)動(dòng)，從而導(dǎo)致PCD。不同于外周微管，中央微管并不是纖毛基體微管的延伸，而是屬于所謂的非中心體微管。雖然在衣藻這一單細(xì)胞生物中已發(fā)現(xiàn)了多個(gè)基因的突變會(huì)影響中央微管，但在多細(xì)胞生物中并未發(fā)現(xiàn)功能保守的基因。因此，其中央微管形成的機(jī)制一直是懸而未決的科學(xué)問題。

通過小鼠氣管上皮多纖毛細(xì)胞分化過程的表達(dá)譜分析和超高分辨率顯微觀察，研究人員發(fā)現(xiàn)Wdr47是一個(gè)哺乳動(dòng)物動(dòng)纖毛中央微管蛋白質(zhì)（圖A），而且Wdr47敲除小鼠的腦室動(dòng)纖毛由擺動(dòng)變成轉(zhuǎn)動(dòng)模式。透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，Wdr47敲除小鼠的動(dòng)纖毛完全缺失中央微管（圖B）。機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)，Wdr47與微管負(fù)端結(jié)合蛋白質(zhì)Camsap家族成員（Camsap1-3）有直接相互作用，并能將它們富集到中央微管負(fù)端。Camsap家族蛋白質(zhì)的過表達(dá)可以在Wdr47敲除的動(dòng)纖毛中部分恢復(fù)中央微管的形成，使動(dòng)纖毛恢復(fù)擺動(dòng)模式（圖C）。而且，Camsap的過表達(dá)可導(dǎo)致形成多達(dá)十幾根的中央微管，提示動(dòng)纖毛內(nèi)存在較多數(shù)目的中央微管 “種子”。在野生型動(dòng)纖毛中破壞Katanin的功能也會(huì)導(dǎo)致中央微管缺失，并可抵消Camsap家族成員的作用，提示這些“種子”是由Katanin通過剪切外周微管產(chǎn)生的。該研究發(fā)現(xiàn)說明，哺乳動(dòng)物動(dòng)纖毛中央微管由Katanin提供種子，Camsaps穩(wěn)定這些種子，而Wdr47則通過高效富集Camsaps，既保證了中央微管形成的高效性，又確保了其數(shù)目的精確性（圖D）。

該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金以及中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的資助，以及分子細(xì)胞卓越中心動(dòng)物實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺(tái)、細(xì)胞分析技術(shù)平臺(tái)和分子生物學(xué)技術(shù)平臺(tái)的大力支持。

論文鏈接

(A) Wdr47是中央微管相關(guān)蛋白； (B) Wdr47敲除的動(dòng)纖毛完全缺失中央微管；(C) Camsap的過表達(dá)可部分回復(fù)Wdr47-/-纖毛的中央微管形成，但是也會(huì)導(dǎo)致形成>2的中央微管；(D) 動(dòng)纖毛中央微管形成的模式圖。

來源： 分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心