NSMB：桂淼、张锐合作揭示纤毛运动的机械调控结构基础

来源：BioArt

纤毛是真核细胞表面突起的细胞器，长度为几微米到几十微米，表面覆盖着细胞膜，内部主要为基于微管的结构。根据纤毛是否能运动，可以分为初级纤毛（primary cilia）和运动纤毛（motile cilia）。初级纤毛无法运动，主要作为细胞表面的“天线”接受和整合外界信号，其内部微管为“9+0”分布；运动纤毛通过规律性的摆动，为细胞运动提供动力，如精子的游动，或者推动细胞表面液体流动，如气管上皮细胞通过纤毛摆动清除病毒和细菌。运动纤毛内部微管为“9+2”分布，包括周围九根双联微管（doublet microtubule）和中心两根单微管（singlet microtubule）。

2019年，哈佛医学院Alan Brown教授和圣路易斯华盛顿大学张锐教授合作在Cell杂志发表论文 （Ma et al.）解析了双联微管的高分辨率冷冻电镜结构。在此基础上，两实验室继续合作研究双联微管上其他重要复合物的结构和功能。双联微管上周期性分布着Axonemal dynein，Radial spoke和N-DRC等复合物，重复周期为96纳米。Axonemal dynein是纤毛的直接动力来源，Radial spoke和两根中心微管通过精密协作调控纤毛运动。之前的研究显示人的Radial spoke突变会导致纤毛运动能力丧失，临床表现包括生殖不育，慢性呼吸道感染等疾病。到目前为止，Radial spoke分子组成和结构未知，与中心微管和Axonemal dynein的联系未知，其调控纤毛运动的作用机制也未知。

2020年12月14日，Alan Brown教授与张锐教授（哈佛医学院博士后桂淼为第一作者）在Nature Structural & Molecular Biology期刊上发表题为“Structures of radial spokes and associated complexes important for ciliary motility”的研究论文，首次解析了真核细胞纤毛中机械调控关键复合物的高分辨率冷冻电镜结构，鉴定出三十种不同蛋白质并构建了原子模型，结合结构动态分析，揭示了纤毛运动时机械调控的结构基础。

本文以运动纤毛模式生物莱茵衣藻为研究对象，其结论和亮点包括：

（1）直接从天然细胞中提取并纯化了分子量2兆道尔顿的Radial spoke复合物；获得了两种不同Radial spoke复合物同时结合微管的超大复合物样品；通过冷冻电子显微镜单颗粒重构技术（single particle cryo-EM）解析了上述两种样品近原子分辨率的复合物结构；

（2） 综合运用多种建模手段鉴定出三十种不同蛋白质，并构建原子模型，包括两种Radial spoke复合物与微管的全模型以及结合在Radial spoke上的部分Axonemal dynein，N-DRC模型。

（3）通过结构分析发现Radial spoke与其他复合物的作用方式：Radial spoke与中心微管主要通过静电力相互作用，与N-DRC以及部分Axonemal dynein直接物理相互作用。

（4）运用基于神经网络的三维结构动态分析程序（cryoDRGN）等手段，揭示Radial spoke在微管上的摆动方式以及和部分Axonemal dynein的协同运动。

（5）基于本文结论和先前研究，提出了纤毛运动时机械调控分子机制。纤毛运动时，中心微管弯曲或转动导致与Radial spoke的静电相互作用改变，使得Radial spoke在微管上发生摆动，这种摆动通过直接或间接作用的方式传递到Axonemal dynein，使得纤毛运动得到精确调控。Radial spoke在此过程中起到“机械杠杆”的作用。