1月26日，國際學(xué)術(shù)期刊P NATL ACAD SCI USA在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所）叢堯團(tuán)隊與朱學(xué)良團(tuán)隊的最新合作研究論文“Distinct architecture and composition of mouse axonemal radial spoke head revealed by cryo-EM”。該研究綜合應(yīng)用冷凍電鏡、細(xì)胞生物學(xué)及生物化學(xué)方法，首次解析了鼠源輻射軸頭部復(fù)合體的3.2 埃分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了高等動物輻射軸復(fù)合體在進(jìn)化過程中的差異，以及輻射軸在纖毛擺動過程中發(fā)揮作用的結(jié)構(gòu)機(jī)制。
輻射軸（radial spoke，RS）是從軸絲二聯(lián)微管伸出的由二十多個亞基形成的超大分子復(fù)合體。在運動纖毛或鞭毛中，RS頭部接觸中央微管（central pair，CP）附屬結(jié)構(gòu)，將機(jī)械信號和化學(xué)信號從中央微管傳輸?shù)捷S突動力蛋白臂，從而發(fā)揮協(xié)調(diào)纖毛運動的功能。盡管RS組分在進(jìn)化中得以保留，但RS頭部復(fù)合體在原生動物和后生動物之間的形態(tài)差異很大。而且，RS頭部組分的基因突變與表現(xiàn)為復(fù)發(fā)性氣管炎、不育和內(nèi)臟倒位等病征的原發(fā)性纖毛運動障礙（primary ciliary dyskinesia，PCD）密切關(guān)聯(lián)。先前對RS的研究主要應(yīng)用冷凍電子斷層重構(gòu)（cryo-ET）技術(shù)，分辨率較低，并且主要集中在低等生物。近來原生生物衣藻的RS結(jié)構(gòu)研究取得進(jìn)展，但至今尚無高分辨率的高等動物RS結(jié)構(gòu)，制約了對纖毛擺動分子機(jī)制的理解。
研究人員在小鼠原代培養(yǎng)細(xì)胞中檢測了RS同源蛋白的纖毛定位情況，結(jié)合體外生化實驗，發(fā)現(xiàn)小鼠RS頭部復(fù)合體由Rsph1、Rsph3b、Rsph4a及Rsph9亞基組成，但缺少Rsph6a和Rsph10b（其直系同源物存在于原生動物的RS頭中），與衣藻中的組成成分有很大差異，并且存在組織特異性表達(dá)（圖A）。表明在進(jìn)化過程中，生物為了適應(yīng)不同條件下的運動環(huán)境，產(chǎn)生了有一定差異的RS，進(jìn)而產(chǎn)生了不同的纖毛擺動方式。
研究人員解析了鼠源RS頭部復(fù)合體3.2埃分辨率的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了從頭建模，此為首個高等動物RS頭部復(fù)合體的原子結(jié)構(gòu)（圖B-C）。該結(jié)構(gòu)呈二重對稱的“剎車片”狀結(jié)構(gòu)，其中Rsph4a與Rsph9形成緊湊的“身體”，伸展著兩個由Rsph1形成的扭曲狀的長臂，同時可能通過Rsph3b背側(cè)連接到RS的莖部。發(fā)現(xiàn)多種PCD致病性突變發(fā)生在可能對該復(fù)合體的組裝或穩(wěn)定性至關(guān)重要的位點（圖D），可能導(dǎo)致輻射軸頭部組裝異常，進(jìn)而引起纖毛擺動異常。此外，結(jié)合多尺度結(jié)構(gòu)信息的建模分析表明，RS頭部既可以通過齒狀Rsph4a區(qū)域剛性地或通過其伸展的雙臂彈性地接觸CP的周期性突起（圖E），以此優(yōu)化RS-CP的相互作用和機(jī)械信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，進(jìn)而精確控制纖毛的擺動。
該研究首次解析了在高等動物纖毛運動中起關(guān)鍵作用的RS頭部復(fù)合體的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，闡明了輻射軸和中央微管附屬結(jié)構(gòu)的相互作用方式，為研究纖毛擺動的分子機(jī)制提供了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，并揭示了相關(guān)基因突變導(dǎo)致PCD的可能病因。
叢堯組博士研究生鄭偉，朱學(xué)良組博士研究生李凡為本文共同第一作者；分子細(xì)胞卓越中心叢堯研究員，朱學(xué)良研究員和鄢秀敏研究員為本文共同通訊作者。該研究得到了分子細(xì)胞卓越中心鮑嵐研究員、李典范研究員和周兆才研究員，清華大學(xué)潘俊敏教授的大力支持。該研究獲國家科技部、基金委和中科院等的經(jīng)費支持，并得到國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（上海）設(shè)施的冷凍電鏡系統(tǒng)、質(zhì)譜系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫與計算分析系統(tǒng)及蛋白質(zhì)表達(dá)純化系統(tǒng)的大力支持。
?。ˋ）mEPC的免疫熒光顯示Rsph1，Rsph3b，Rsph4a，Rsph9和Rsph10b（而不是Rsph6a）位于纖毛軸突中。（B-C）RS頭部復(fù)合體的3.2埃分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)及其原子模型。（D）已知引起PCD的突變mapping到原子模型上。綠色球代表與PCD相關(guān)的突變。（E）RS頭部與中央微管附屬結(jié)構(gòu)相互作用的兩種可能模式。
