【佳學基因檢測】纖毛的結構及超微結構：研究生入學必考知識點

纖毛的基本結構

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

 

圖1：運動纖毛超微結構。 (a) 具有標記核（淺藍色）、基體和纖毛的多纖毛細胞示意圖。 (b) 纖毛橫截面示意圖，顯示大的纖毛復合體（(a) 中標記的橫截面水平）。
 

外雙微管是四種大型復合體的?？课稽c：外動力蛋白臂和內(nèi)動力蛋白臂（分別為 ODA 和 IDA）、連接蛋白-動力蛋白調(diào)節(jié)復合物 (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]。 這些大復合體以及小纖毛復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； 每個重復序列有四個相同的 ODA（雙頭或三頭，取決于生物體）、七個 IDA（一個雙頭和六個單頭，都包含不同的動力蛋白）、一個 N-DRC、三個略有不同的 RS 它們的結構和可能的功能，以及小型復合體的單個副本（例如，tether/tetherhead、MIA 復合體）[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接觸有助于將源自中央裝置的信號傳輸?shù)酵獠侩p臂和動力蛋白臂，從而調(diào)節(jié)纖毛跳動 [20]。

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

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合體，但小型復合體或大型復合體結構的微小變化低于 TEM 檢測水平。

真核鞭毛中央對復合體中的保守結構基序

人體結構與功能的基因解碼揭示活動纖毛和鞭毛是高度保守的細胞器，在真核細胞中產(chǎn)生動力、感知環(huán)境和發(fā)出信號。 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。 幾乎所有活動的纖毛和鞭毛都具有由微管 (MT) 形成的核心結構，即軸絲。它是由 9+2 排列的 9 個雙聯(lián)系微管 (DMT) 圍繞一對稱為中央對復合體 (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動，400 多個軸絲組件的正確組裝并發(fā)揮正常的和功能是必要，單個蛋白質(zhì)的突變可導致纖毛/鞭毛癱瘓，例如 PF16。在結構上，每個雙聯(lián)體微管（ DMT） 都是由一個 96 nm 長的結構單元不斷累積形成的，該結構單體沿 DMT 縱軸重復。 這個 96 nm 重復單元中的關鍵組件是動力蛋白馬達，它們在雙聯(lián)體微管上的 A 管上排列成兩排，即內(nèi)動力蛋白臂和外動力蛋白臂（IDA 和 ODA）。 這些動力蛋白有效、悠久、長期、很久附著錨定在一個雙聯(lián)系微管上上，并利用 ATP 的能量通過沿著相鄰的雙聯(lián)系微管行走產(chǎn)生運動所需的機械力，從而導致雙聯(lián)體微管相互滑過。 這種雙聯(lián)體微管間的滑動是有限的，例如 通過連接相鄰雙聯(lián)體微管的連接蛋白-動力蛋白調(diào)節(jié)復合物 (N-DRC) 的連接蛋白鏈接，將雙聯(lián)體微管之間的線性滑動轉化為纖毛彎曲。 為了產(chǎn)生典型的纖毛和鞭毛的擊打模式，在任何給定時間只有部分動力蛋白必須是活躍的； 同時激活所有動力蛋白會使軸絲僵硬且無法運動。 動力蛋白的協(xié)調(diào)是通過整合來自軸絲調(diào)節(jié)復合體的各種信號來實現(xiàn)的，例如徑向輻條 (RS)、I1 內(nèi)部動力蛋白、N-DRC 和 CPC。

不同生物的纖毛和鞭毛已被用于研究 CPC，包括來自原生生物（例如衣藻和草履蟲）、棘皮動物（例如 Strongylocentrotus 精子）和哺乳動物（例如小鼠精子和上皮細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構，如圖 1 所示：兩個單態(tài) MT，稱為 C1 和 C2，通過統(tǒng)稱為橋的結構連接在一起。 附加到每個 MT 的是向 RS 和 DMT 延伸的投影。 對 CPC 結構產(chǎn)生不利影響的突變范圍從一個投影的丟失到 CPC 組裝的有效失敗。 單個投射的丟失會導致鞭毛跳動率顯著降低，而一個 MT 或整個 CPC 的缺失會導致更嚴重的鞭毛麻痹表型，這表明 CPC 是運動的重要調(diào)節(jié)器。 CPC 作為運動調(diào)節(jié)劑的這種作用似乎是保守的，因為同源 CPC 基因的突變與各種以不動鞭毛/纖毛為特征的人類纖毛病有關，例如原發(fā)性纖毛運動障礙、不孕癥和腦積水。

RS 中賊顯著的形態(tài)差異在于 RS 頭部，這是通過直接接觸 CP 的投影來調(diào)節(jié)機械信號的關鍵結構域。 RS1 和 RS2 的頭部由兩個結構相同、旋轉對稱的兩半組成，與 RS3 的頭部有很大不同。 此外，它們的形態(tài)在原生動物和后生動物之間顯著不同。 例如，在衣藻和四膜蟲中，RS1 和 RS2 的頭部富含側枝，這些側枝也在兩個頭部之間形成連接。 相比之下，在海膽 (Strongylocentrotus purpuratus) 和人類中，RS1 和 RS2 的頭部類似于一對溜冰刀，朝向 CP 的接口少得多。 盡管 RS 和 RS 頭在纖毛/鞭毛運動中很重要，但 RS 和 RS-CP 相互作用的結構細節(jié)仍然知之甚少，尤其是在哺乳動物中。

RS 頭可能已經(jīng)過改造以符合進化過程中軸絲的結構和功能變化。 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。 頭部的每一半對稱部分都包含這些組件的一個副本。 所有的頭部成分都具有哺乳動物直系同源物（Rsph1、-4a、-6a、-9、-10b 和 -3b）。 與后生動物 RS 頭顯著減少的表面積形成鮮明對比的是，人類 RSPH4A、-6A 和 -10B 的肽分別比其衣藻同源物長 1.5、1.3 和 4 倍。 只有 RSPH1（309 個氨基酸 [aa]）比 RSP1（814 個氨基酸）短 (11)。 小鼠 RS 頭蛋白的長度也與其人類對應物類似地發(fā)生了變化。 此外，雖然小鼠 Rsph4a 對于氣管、室管膜和輸卵管的活動多纖毛中 RS1 至 RS3 的頭部形成至關重要，但 Rsph6a 在精子中的正常鞭毛形成中特異性表達。 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直系同源物。 這些結果表明，與原生動物 RS 頭部不同，后生動物頭部可能不會同時包含 Rsph4a 和 Rsph6a。 軸絲中 RS 結構的一般形狀已通過傳統(tǒng)電子顯微鏡 (EM) 和低溫電子斷層掃描 (cryo-ET) 確定。 賊近，通過冷凍電鏡單粒子分析解決了衣藻的 15 Å 分辨率 RS 結構。 然而，分辨率不足以描述單個 RS 亞基的位置。

佳學基因基因纖毛病的結構與功能基因解碼，通過生化和結構分析，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)纖毛或鞭毛運動的進化過程中符合軸絲的結構和功能改變。