【佳學(xué)基因檢測(cè)】纖毛的結(jié)構(gòu)及超微結(jié)構(gòu)：研究生入學(xué)必考知識(shí)點(diǎn)

纖毛的基本結(jié)構(gòu)

纖毛的超微結(jié)構(gòu)在整個(gè)進(jìn)化過(guò)程中令人諒呀地得到了驚人的保存。 初級(jí)纖毛和運(yùn)動(dòng)纖毛的核心（軸絲）由位于纖毛外圍的九個(gè)微管雙聯(lián)體組成； 這些微管與基體的九個(gè)微管三聯(lián)體中的三個(gè)微管中的兩個(gè)連續(xù)，基體是一種將纖毛固定在細(xì)胞體上并通過(guò)過(guò)渡纖維附著在細(xì)胞膜上的結(jié)構(gòu)。 活動(dòng)纖毛（以及由特定細(xì)胞類型組裝的不動(dòng)纖毛）的核心還包含兩個(gè)位于中央的單個(gè)微管：C1 和 C2（9 + 2 配置，圖 1）。 活動(dòng)纖毛也有許多附著在外周和中央微管上的多蛋白復(fù)合物。 中央微管及其復(fù)合體，即所謂的投射（C1a-C1f 和 C2a-C2e），以及連接兩個(gè)微管的復(fù)合體（橋）形成一個(gè)中央裝置。 據(jù)信，調(diào)節(jié)纖毛跳動(dòng)的部分信號(hào)起源于這個(gè)中央結(jié)構(gòu)。

 

圖1：運(yùn)動(dòng)纖毛超微結(jié)構(gòu)。 (a) 具有標(biāo)記核（淺藍(lán)色）、基體和纖毛的多纖毛細(xì)胞示意圖。 (b) 纖毛橫截面示意圖，顯示大的纖毛復(fù)合體（(a) 中標(biāo)記的橫截面水平）。
 

外雙微管是四種大型復(fù)合體的停靠位點(diǎn)：外動(dòng)力蛋白臂和內(nèi)動(dòng)力蛋白臂（分別為 ODA 和 IDA）、連接蛋白-動(dòng)力蛋白調(diào)節(jié)復(fù)合物 (N-DRC) 和徑向輻條 (RSs)，以及許多主要由 未知的蛋白質(zhì)組成和功能 [12,15,16]。 這些大復(fù)合體以及小纖毛復(fù)合體沿外周微管排列，形成由 96 nm 單位組成的特征模式，稱為軸絲重復(fù)； 每個(gè)重復(fù)序列有四個(gè)相同的 ODA（雙頭或三頭，取決于生物體）、七個(gè) IDA（一個(gè)雙頭和六個(gè)單頭，都包含不同的動(dòng)力蛋白）、一個(gè) N-DRC、三個(gè)略有不同的 RS 它們的結(jié)構(gòu)和可能的功能，以及小型復(fù)合體的單個(gè)副本（例如，tether/tetherhead、MIA 復(fù)合體）[15,16,17,18,19]。

徑向輻條在中央裝置的方向上延伸。 有人提出，徑向輻條和中央裝置的投影之間的瞬時(shí)接觸有助于將源自中央裝置的信號(hào)傳輸?shù)酵獠侩p臂和動(dòng)力蛋白臂，從而調(diào)節(jié)纖毛跳動(dòng) [20]。

外動(dòng)力蛋白臂和內(nèi)動(dòng)力蛋白臂由許多蛋白質(zhì)亞基組成，包括動(dòng)力蛋白臂類型特異性負(fù)端定向馬達(dá)、動(dòng)力蛋白。 激活的動(dòng)力蛋白沿相鄰微管的時(shí)空同步運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致相鄰雙峰的移動(dòng) [21]。 這種轉(zhuǎn)變的范圍受到 N-DRC 的限制，它在兩個(gè)相鄰的雙峰之間延伸。 因此，外部雙峰的移動(dòng)被轉(zhuǎn)化為纖毛彎曲，隨后彎曲為纖毛跳動(dòng)。

可以使用經(jīng)典的透射電子顯微鏡 (TEM) 觀察大型外部雙峰復(fù)合體，但小型復(fù)合體或大型復(fù)合體結(jié)構(gòu)的微小變化低于 TEM 檢測(cè)水平。

真核鞭毛中央對(duì)復(fù)合體中的保守結(jié)構(gòu)基序

人體結(jié)構(gòu)與功能的基因解碼揭示活動(dòng)纖毛和鞭毛是高度保守的細(xì)胞器，在真核細(xì)胞中產(chǎn)生動(dòng)力、感知環(huán)境和發(fā)出信號(hào)。 纖毛和鞭毛的缺陷是人類多種疾病的產(chǎn)生原因，這一類疾病在《人體基因序列變化與疾病表征》中被稱為，稱為纖毛病。 幾乎所有活動(dòng)的纖毛和鞭毛都具有由微管 (MT) 形成的核心結(jié)構(gòu)，即軸絲。它是由 9+2 排列的 9 個(gè)雙聯(lián)系微管 (DMT) 圍繞一對(duì)稱為中央對(duì)復(fù)合體 (CPC) 的單體微管組成。 為了產(chǎn)生纖毛和鞭毛的特征性的波形運(yùn)動(dòng)，400 多個(gè)軸絲組件的正確組裝并發(fā)揮正常的和功能是必要，單個(gè)蛋白質(zhì)的突變可導(dǎo)致纖毛/鞭毛癱瘓，例如 PF16。在結(jié)構(gòu)上，每個(gè)雙聯(lián)體微管（ DMT） 都是由一個(gè) 96 nm 長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)單元不斷累積形成的，該結(jié)構(gòu)單體沿 DMT 縱軸重復(fù)。 這個(gè) 96 nm 重復(fù)單元中的關(guān)鍵組件是動(dòng)力蛋白馬達(dá)，它們?cè)陔p聯(lián)體微管上的 A 管上排列成兩排，即內(nèi)動(dòng)力蛋白臂和外動(dòng)力蛋白臂（IDA 和 ODA）。 這些動(dòng)力蛋白有效、悠久、長(zhǎng)期、很久附著錨定在一個(gè)雙聯(lián)系微管上上，并利用 ATP 的能量通過(guò)沿著相鄰的雙聯(lián)系微管行走產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)所需的機(jī)械力，從而導(dǎo)致雙聯(lián)體微管相互滑過(guò)。 這種雙聯(lián)體微管間的滑動(dòng)是有限的，例如 通過(guò)連接相鄰雙聯(lián)體微管的連接蛋白-動(dòng)力蛋白調(diào)節(jié)復(fù)合物 (N-DRC) 的連接蛋白鏈接，將雙聯(lián)體微管之間的線性滑動(dòng)轉(zhuǎn)化為纖毛彎曲。 為了產(chǎn)生典型的纖毛和鞭毛的擊打模式，在任何給定時(shí)間只有部分動(dòng)力蛋白必須是活躍的； 同時(shí)激活所有動(dòng)力蛋白會(huì)使軸絲僵硬且無(wú)法運(yùn)動(dòng)。 動(dòng)力蛋白的協(xié)調(diào)是通過(guò)整合來(lái)自軸絲調(diào)節(jié)復(fù)合體的各種信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，例如徑向輻條 (RS)、I1 內(nèi)部動(dòng)力蛋白、N-DRC 和 CPC。

不同生物的纖毛和鞭毛已被用于研究 CPC，包括來(lái)自原生生物（例如衣藻和草履蟲）、棘皮動(dòng)物（例如 Strongylocentrotus 精子）和哺乳動(dòng)物（例如小鼠精子和上皮細(xì)胞以及人類精子鞭毛）的纖毛和鞭毛。 通常，CPC 似乎具有保守的基本結(jié)構(gòu)，如圖 1 所示：兩個(gè)單態(tài) MT，稱為 C1 和 C2，通過(guò)統(tǒng)稱為橋的結(jié)構(gòu)連接在一起。 附加到每個(gè) MT 的是向 RS 和 DMT 延伸的投影。 對(duì) CPC 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響的突變范圍從一個(gè)投影的丟失到 CPC 組裝的有效失敗。 單個(gè)投射的丟失會(huì)導(dǎo)致鞭毛跳動(dòng)率顯著降低，而一個(gè) MT 或整個(gè) CPC 的缺失會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的鞭毛麻痹表型，這表明 CPC 是運(yùn)動(dòng)的重要調(diào)節(jié)器。 CPC 作為運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)劑的這種作用似乎是保守的，因?yàn)橥?CPC 基因的突變與各種以不動(dòng)鞭毛/纖毛為特征的人類纖毛病有關(guān)，例如原發(fā)性纖毛運(yùn)動(dòng)障礙、不孕癥和腦積水。

RS 中賊顯著的形態(tài)差異在于 RS 頭部，這是通過(guò)直接接觸 CP 的投影來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)械信號(hào)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)域。 RS1 和 RS2 的頭部由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同、旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的兩半組成，與 RS3 的頭部有很大不同。 此外，它們的形態(tài)在原生動(dòng)物和后生動(dòng)物之間顯著不同。 例如，在衣藻和四膜蟲中，RS1 和 RS2 的頭部富含側(cè)枝，這些側(cè)枝也在兩個(gè)頭部之間形成連接。 相比之下，在海膽 (Strongylocentrotus purpuratus) 和人類中，RS1 和 RS2 的頭部類似于一對(duì)溜冰刀，朝向 CP 的接口少得多。 盡管 RS 和 RS 頭在纖毛/鞭毛運(yùn)動(dòng)中很重要，但 RS 和 RS-CP 相互作用的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)仍然知之甚少，尤其是在哺乳動(dòng)物中。

RS 頭可能已經(jīng)過(guò)改造以符合進(jìn)化過(guò)程中軸絲的結(jié)構(gòu)和功能變化。 然而，形態(tài)變化是如何發(fā)生的仍不清楚。 衣藻RS頭由RSP1、-4、-6、-9、-10和莖部RSP3的一部分（C端）組成。 頭部的每一半對(duì)稱部分都包含這些組件的一個(gè)副本。 所有的頭部成分都具有哺乳動(dòng)物直系同源物（Rsph1、-4a、-6a、-9、-10b 和 -3b）。 與后生動(dòng)物 RS 頭顯著減少的表面積形成鮮明對(duì)比的是，人類 RSPH4A、-6A 和 -10B 的肽分別比其衣藻同源物長(zhǎng) 1.5、1.3 和 4 倍。 只有 RSPH1（309 個(gè)氨基酸 [aa]）比 RSP1（814 個(gè)氨基酸）短 (11)。 小鼠 RS 頭蛋白的長(zhǎng)度也與其人類對(duì)應(yīng)物類似地發(fā)生了變化。 此外，雖然小鼠 Rsph4a 對(duì)于氣管、室管膜和輸卵管的活動(dòng)多纖毛中 RS1 至 RS3 的頭部形成至關(guān)重要，但 Rsph6a 在精子中的正常鞭毛形成中特異性表達(dá)。 RSP4/Rsph4a 和 RSP6/Rsph6a 是旁系同源物：RSP4 和 RSP6 具有 48% 的序列同一性，而鼠 Rsph4a 與 Rsph6a 有 63% 的同一性。 然而，海膽和玻璃海鞘只有一個(gè)直系同源物。 這些結(jié)果表明，與原生動(dòng)物 RS 頭部不同，后生動(dòng)物頭部可能不會(huì)同時(shí)包含 Rsph4a 和 Rsph6a。 軸絲中 RS 結(jié)構(gòu)的一般形狀已通過(guò)傳統(tǒng)電子顯微鏡 (EM) 和低溫電子斷層掃描 (cryo-ET) 確定。 賊近，通過(guò)冷凍電鏡單粒子分析解決了衣藻的 15 Å 分辨率 RS 結(jié)構(gòu)。 然而，分辨率不足以描述單個(gè) RS 亞基的位置。

佳學(xué)基因基因纖毛病的結(jié)構(gòu)與功能基因解碼，通過(guò)生化和結(jié)構(gòu)分析，表明鼠類 RS 頭部在成分和形態(tài)上都不同于衣藻。 基因解碼研究表明，RS 頭部經(jīng)歷了深刻的重塑，可能在協(xié)調(diào)纖毛或鞭毛運(yùn)動(dòng)的進(jìn)化過(guò)程中符合軸絲的結(jié)構(gòu)和功能改變。