Science：纖毛基體的原位結構揭示了鞭毛內運輸複合物的逐步組裝機制

Journal Club 凝聚了一批熱愛科學、享受科學、傳播科學的探索者和發現者。他們志同道合，他們青春飛揚，他們與科學共舞。在這裡，你可以收穫最新、最真的行業資訊和來自科研一線的文獻解讀。你關心的就是我們要說的，我們將用最質樸、最客觀的文字書寫有深度、有溫度的科學。Journal Club，與你暢遊Journal世界，和你共享科學蔚藍。

纖毛（cilia），又稱為鞭毛（flagella），是突起於真核細胞表面的一類重要細胞器，在細胞運動，胚胎髮育，訊號轉導等過程中發揮重要作用【1】。纖毛主要由基體（basal body）、軸絲（axoneme）、纖毛膜（ciliary membrane）和纖毛基質組成，二聯管（microtubule doublets， MTDs）作為軸絲從基體中的三聯管（microtubule triplets， MTTs）中延伸出來，被纖毛膜所包被（圖1）【2】。在纖毛基體處，一個被稱為過渡區（transition zone，TZ）的特化區域可以調節膜結合和可溶纖毛蛋白的進入與離開【3】。在眾多門控功能中，TZ被認為是可以調節鞭毛內運輸（intraflagellar transport，IFT）——由驅動蛋白和動力蛋白作為馬達介導鞭毛基體與頂端之間的雙向運輸【4】。IFT對於纖毛的組裝和穩定至關重要，一系列IFT蛋白和馬達殘留在纖毛基體等待以進入纖毛【5】。然而，這些蛋白是如何組裝成為複雜的IFT複合物從而沿著纖毛軸絲運動是仍待解釋的問題。

圖1 纖毛的結構（來自維基百科）

2022年7月29日，來自瑞士巴塞爾大學的

Benjamin D. Engel

課題組在

Science

上發表了名為

In situ architecture of the ciliary base reveals the stepwise assembly of intraflagellar transport trains

的文章，透過結合冷凍電鏡斷層掃描（cryo-ET）和超分辨結構擴充套件光學顯微鏡（U-ExM）技術觀察綠藻的纖毛，揭示了原位的TZ結構和IFT複合物在纖毛基體逐步組裝的機制。

圖2 綠藻纖毛原位TZ的cryo-ET結構

透過cryo-ET技術，作者觀察到了不同型別的結構附著在了MTD上（圖2A和圖2B），斷層子圖平均如圖2C～H所示。近端直徑約為180nm的TZ區域被表面的Y-link（圖2，綠色部分）和腔內的星狀纖維（圖2，紫色部分）所佔據。星狀纖維在橫截面中可見組裝為9點星（圖2E），同時組裝為6-螺旋重複的圓柱體，每一迴圈高度為49。2nm（圖2H），與MTD的A3原纖維相結合，縱向週期為8。1nm（圖2F）。Y-link將MTD與纖毛膜相連線並且幫助門控轉運進入和離開纖毛，結構中揭示了Y-link結合MTDA9、A10、B1～B4原纖維結合，縱向週期為8。3nm（圖2F），但是結構中Y-link外部與纖毛膜結合密度可能由於高動態性沒有被解析出來。

而在遠端區域，有一個不同的螺旋密度包裹在MTD周圍（圖2G，深藍色），稱之為MTD鞘，由於其在近端缺乏而存在於遠端，作者因此做出假設這一結構可能幫助調節軸絲剪下並在此過程中遺失。

圖3 結合TZ區域的IFT複合物的cryo-ET結構

IFT蛋白定位於臨近纖毛基體，但是其結構組裝方式多年來仍然未知。在解析到的cryo-ET結構中，作者觀察到像纖維絲一樣的粒子，位於過渡纖維之間（圖3A），其一個末端與TZ相接觸，另外一個末端則伸向細胞質（圖3B和圖3C）。根據斷層子圖平均作者得到了粒子複合物的完整結構（圖3D），為IFT複合物。作者發現IFT複合物在成熟和組裝狀態呈現出不同的結構，在成熟狀態中（纖毛內部），IFT為延伸的直鏈狀態，由IFT-B（黃色）、IFT-A（橙色）和動力蛋白-1b（紅色）組成，而其靠近TZ區域，則組裝複合物變得較為柔性，且彎曲率變大，同時可以看見IFT-A和動力蛋白-1b未被組裝上來（圖3A）。

圖4 IFT複合物在組裝狀態和成熟狀態的組成成分分佈圖

為了更好地分析IFT組裝或成熟狀態與TZ區域之間的關係，作者透過利用原始的顆粒分子資訊勾畫了每個IFT複合物在組裝狀態或成熟狀態的組成成分分佈圖（圖4A和圖4C），累積曲線展示不同組分非常清晰的分佈關係（圖4B），IFT-B從頭到尾一直存在，而隨著從遠端（頭部）到近端（尾部），動力蛋白-1b及隨後的IFT-A逐漸消失。將組裝狀態與成熟狀態做比較，可以看到成熟狀態中間部分的IFT-ABD亞基數目更多，而未成熟狀態近端（尾部）的IFT-B亞基延伸得則更長（圖4D）。

圖5。 透過U-ExM來檢測IFT複合物的組裝方式

驅動蛋白-2由於小分子量和動態性，難以透過cryo-ET進行定位及解析，因此作者轉向使用U-ExM來檢測驅動蛋白-2在IFT組裝狀態上的分佈情況，透過熒光可以觀察到驅動蛋白-2（圖5A）、動力蛋白-1b（圖5B）、IFT-B（圖5C、圖5D、圖5F和圖5G）和IFT-A（圖5E）。其分佈與cryo-ET的結果較為類似，IFT-B的長度比IFT-A和動力蛋白-1b長，而驅動蛋白-2長度最短，且更靠近IFT的遠端（頭部）（圖5H）。IFT的雙組分標記熒光證實了IFT-A比驅動蛋白-2延伸得更長，而IFT-B比IFT-A延伸得更長（圖5I和圖5J）。同時也可以看到IFT在TZ中呈現出9次重複（圖5F和圖5G）。

綜上，作者透過結合cryo-ET和U-ExM提供了IFT複合物組裝的空間時序過程（圖5K），IFT-B首先形成骨架，然後從頭部到尾部招募IFT-A、動力蛋白-1b並最終結合在驅動蛋白-2上。但是仍有遺留的問題在本篇文章中沒有被解決，IFT進入纖毛是如何被調節的，比如組裝狀態的纖毛的頭部是如何被阻止進入纖毛的？作者給出的可能解釋是TZ處的調控因子可能調節驅動蛋白-2的載入、MTD鞘作為屏障阻止小的IFT複合物進入或者額外的IFT-B相關的分子作為制動器阻止進入。

原文連結

science。org/doi/10。1126/science。abm6704

作者 | 朱盎岐