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初生纤毛:细胞的触角

低温电子断层扫描揭示哺乳动物初级纤毛的分子结构

纤毛是在人体几乎所有细胞上都能发现的毛发状突起。最初认为单独的非运动(初生)纤毛仅在运动中起作用，但其作用长期被忽视。最近的研究表明，初级纤毛作为信号枢纽，感知环境信号，并在器官发育和功能、组织止血和维持人体健康方面发挥关键作用。纤毛具有共同的解剖结构，其不同的功能特征是通过进化上保守的功能模块实现的，这些功能模块的缺陷导致了一系列快速增长的人类疾病，统称为纤毛病。

初级纤毛的三维结构和分子组成对了解初级纤毛如何在健康和疾病的功能至关重要，然而此方面在很大程度上尚未被深入研究。在最近发表在“自然结构与分子生物学”上的一篇报告中，Gaia Pigino及其同事[1]开发了一种分离初级纤毛并使用电子冷冻断层扫描(Cryo-ET)来确定其三维结构的新方法（图1）。结果突出了与运动纤毛的结构差异，并引发了纤毛细胞骨架和纤毛中微管基础运输之间的关系的重新评估。

结果显示，初级纤毛和活动纤毛甚至比最初认为的更不同。通常每个细胞只有一个初级纤毛。因此，虽然从细胞中分离出初级纤毛是可能的，但要收集足够的数量进行结构分析是困难的。为了克服这个问题，Pigino和他的同事开发了一种名为“冷冻剥离”的新方法，这种方法允许将初级纤毛从细胞直接转移到适合电子显微镜的网格上。

这种方法的工作原理是，将涂有聚L-赖氨酸(实验室中经常使用的一种分子，以改善细胞粘附)的网格物理压在一层纤毛细胞上，预处理后的纤毛细胞使用了一种已知的促进脱落的富钙溶液。

图2

在这项新的研究中，作者用这种冷冻剥离的方法揭示了肾脏细胞的动力传导纤毛的细胞骨架或轴丝的具体结构。在运动纤毛中，轴丝呈9+2结构，有9条双线微管(每条微管由连结的A、B管组成)围绕中心的一对单线微管排列成一个环状(图2)。A管的外表面大量装饰着动力蛋白马达和其他对纤毛运动很重要的复合体。在初生纤毛中，这些复合体和中心微管缺失，从而使初生纤毛具9+0轴丝，一种运动纤毛简化为9个外周双微管。

此研究成果。表明9+0的描述是一种粗略的过于简单化，仅适用于纤毛底部(图2)。在纤毛的远端四分之三处，微管既不呈环状排列，也不是双微管。作者观察到，在纤毛基部的微米范围内，一些微管迁移到轴丝中心(进入活动纤毛的轴丝中心对所占据的空间)，双线微管失去B管，成为纤毛尖端逐渐变细的单线微管的松散连接。单胞体的长度似乎是细胞类型特有的，因为髓质传导管初级纤毛中的单胞体区域比当前研究中观察到的要短。这篇新论文应该会为9+0的描述敲响丧钟，尽管只有时间会告诉我们，拟议中的‘9v’描述是否会变得司空见惯。

图3

本研究观察到一种末端结合1(EB1)样蛋白装饰着初生纤毛单丝微管的外表面（图3）。这很令人惊讶，因为末端结合蛋白，也就是所谓的“末端结合蛋白”，通常只结合微管生长的末端，使微管更具活力。在初级纤毛中，通过坐在四个微管蛋白二聚体的交界处，类EB1蛋白可能使微管蛋白晶格规整和僵化，实质上执行许多可移动纤毛分子印迹蛋白(MIP)预期的稳定功能。此项研究还发现肌动蛋白细丝与单丝微管共存，提示肌动蛋白可能增强或调节纤毛微管的力学性能。

图4

在纤毛中，轴丝微管作为鞭毛内运输(IFT)的轨道，纤毛蛋白由装满货物的巨型复合体运输，称为IFT列车（图4）。Pigino实验室以前的工作表明，在衣藻的活动纤毛中，顺行和逆行运输发生在双线微管的不同小管上：顺行运输发生在B管上，而逆行运输发生在A管上[2]。IFT列车被分割成不同的管状，通过防止相反方向行驶的列车之间的碰撞，实现了长距离的高效运输。观察到初级纤毛主要含有单线微管，这意味着初级纤毛不会发生这种分离。那么，当顺行列车到达B管端时会发生什么呢？一种建议是，顺行列车“跳跃”于二重体之间，终止于最后幸存的双重体微管的顶端。作者建议列车转而使用单线态微管，因为单个微管上的密度，看起来非常像活动纤毛的顺行IFT列车，尽管他们不能说出列车朝哪个方向移动。从双线微管到单线微管的转变可以解释为什么IFT序列有时会在哺乳动物的初级纤毛中间停止并积聚。

如果初级纤毛的单个微管发生顺行和逆行IFT，IFT训练如何避免迎头相撞？一种可能性是，朝相反方向移动的列车使用不同的单线微管，或单个微管上的不同原丝。在初级纤毛中缺少与纤毛运动相关的轴丝复合体，可能使IFT序列能够接触到更多的原丝。然而，IFT序列只在外周微管的外部观察到，这表明IFT序列不能自由选择它们沿着哪些微管行进，所有纤毛的IFT都需要与纤毛膜相关联。有趣的是，在许多活动纤毛的尖端附近，双线微管也转变为单线微管。在人类精子中，双线微管甚至分裂成两个完整的单线微管。活动纤毛中的IFT是否也作用于单线微管？

综上所述，Kiseel等人开发并使用一种新工具，以前所未有的详细程度揭示初级纤毛的结构。他们报告了微管的组成和几何排列与活动纤毛中的微管非常不同，这表明轴丝是为不同的纤毛功能量身定做的。这项研究提出了重要的问题，特别是关于是什么决定了B管的长度，双向IFT是如何调节的，以及零星的MIP、肌动蛋白和EB1在纤毛细胞骨架中的作用。这项开创性的工作为更令人兴奋的纤毛结构和功能研究打开了大门。

参考文献

1.Kiesel, P., et al., The molecular structure of mammalian primary cilia revealed by cryo-electron tomography. Nat Struct Mol Biol, 2020. 27(12): p. 1115-1124.

2.Stepanek, L. and G. Pigino, Microtubule doublets are double-track railways for intraflagellar transport trains. Science, 2016. 352(6286): p. 721-4.

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