11月30日，國際學(xué)術(shù)期刊Nature Communications在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子細胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細胞生物學(xué)研究所）朱學(xué)良研究組的最新研究成果“Cilia locally synthesize proteins to sustain their ultrastructure and functions”。在該研究工作中，研究人員首次揭示運動纖毛中存在信使RNA（mRNA）引導(dǎo)的蛋白質(zhì)合成，發(fā)現(xiàn)其對纖毛自穩(wěn)態(tài)維持的重要性，顛覆了胞體是纖毛蛋白質(zhì)組唯一來源的固有觀點。

　　通常蛋白質(zhì)都是在細胞質(zhì)中合成以后再到特定位置發(fā)揮功能，而區(qū)域性翻譯（local translation）是指特定種類的mRNA被運送到亞細胞結(jié)構(gòu)后再根據(jù)需求翻譯出蛋白質(zhì)的特殊表達方式。這種在現(xiàn)場的即時翻譯有利于局部區(qū)域蛋白質(zhì)組的穩(wěn)態(tài)維持和快速重塑，實現(xiàn)細胞和個體對亞細胞結(jié)構(gòu)與功能的精確調(diào)節(jié)。目前已知區(qū)域性翻譯參與了諸如細胞遷移、胚胎發(fā)育、軸突導(dǎo)向、神經(jīng)可塑性調(diào)節(jié)，甚至長時程記憶的形成等多個層面的生理活動。

　　運動纖毛是突出于細胞表面，兼具運動與感知功能的毛狀細胞器，可多至每個細胞數(shù)百根。運動纖毛在進化上首先出現(xiàn)于原生動物，在高等動物中也廣泛存在，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精美而且功能重要。如大腦腦室管膜上皮組織的運動纖毛負責(zé)驅(qū)動腦脊液的流動，維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)；氣管內(nèi)的運動纖毛保持呼吸道的濕潤與清潔；附睪和輸卵管的運動纖毛分別推動生殖細胞進入附睪和子宮等。運動纖毛的缺陷可導(dǎo)致不孕不育、呼吸道感染、腦積水、脊柱彎曲等原發(fā)性纖毛運動障礙癥（primary ciliary dyskinesia)。纖毛基部具有被稱為轉(zhuǎn)接區(qū)（transition zone）的擴散屏障，使纖毛內(nèi)環(huán)境與胞體相對隔離，成為較為獨立的亞細胞結(jié)構(gòu)。同時，纖毛通過一套特殊的鞭毛內(nèi)運輸（intraflagellar transport，IFT）系統(tǒng)，將很多組分跨越轉(zhuǎn)接區(qū)運進或運出纖毛。通常認為，纖毛內(nèi)的蛋白質(zhì)均是在細胞體中合成的，然后通過自由擴散或IFT進入纖毛行使功能。

　　研究人員注意到運動纖毛的質(zhì)譜分析結(jié)果中常存在豐富的蛋白質(zhì)翻譯機器的組分，并在小鼠腦室管膜運動纖毛中觀察到核糖體蛋白質(zhì)、核糖體RNA、翻譯起始因子和微管蛋白mRNA。通過嘌呤霉素的代謝性標記結(jié)合鄰位連接分析（proximity ligation assay）技術(shù)，證明無論在原位的多纖毛和分離出的單根纖毛中均存在活躍的包括微管蛋白在內(nèi)的多肽合成。脆性X智力障礙蛋白（Fragile X mental retardation protein, FMRP）是神經(jīng)可塑性的重要調(diào)節(jié)因子，可通過形成RNA顆粒運載神經(jīng)突內(nèi)區(qū)域性翻譯所需的mRNA而發(fā)揮功能。研究人員在運動纖毛內(nèi)也鑒定到FMRP，并發(fā)現(xiàn)它在纖毛中央腔呈現(xiàn)類似RNA顆粒的點狀分布。FMRP的缺失會導(dǎo)致纖毛內(nèi)蛋白質(zhì)翻譯活性的下降，雖然不影響纖毛發(fā)生，卻削弱運動纖毛維持其自穩(wěn)態(tài)的能力，促進其退行性解聚現(xiàn)象的發(fā)生。因此，區(qū)域性翻譯是運動纖毛蛋白質(zhì)組的另一個來源，它可能為纖毛持續(xù)快速擺動導(dǎo)致的機械性損傷提供修復(fù)所需的蛋白質(zhì)組分，從而幫助維持纖毛的結(jié)構(gòu)與功能。由于FMRP的突變是引起包括自閉癥在內(nèi)的智力障礙的重要因素，這些發(fā)現(xiàn)也暗示相應(yīng)突變引起的運動纖毛異常有可能促進了脆性X綜合征的病理進程。

　　分子細胞卓越中心朱學(xué)良研究員和鄢秀敏研究員（現(xiàn)為上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院環(huán)境與兒童健康重點實驗室研究員）為論文通訊作者，博士研究生郝楷為第一作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金委、科技部和中國科學(xué)院的資助，以及中心細胞分析技術(shù)平臺、分子生物學(xué)技術(shù)平臺和國家蛋白質(zhì)設(shè)施等的技術(shù)支持。

　　文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27298-1 

　?。ˋ）核糖體大小亞基蛋白（RPL和RPS）與翻譯起始因子eIF3復(fù)合物組分定位于原代培養(yǎng)的腦室管膜運動纖毛中；（B）嘌呤霉素（Puro）脈沖標記檢測到運動纖毛內(nèi)原位合成的新生多肽鏈；（C）利用鄰位連接分析技術(shù)檢測到纖毛內(nèi)原位翻譯的α微管蛋白；（D）FMRP以點狀沿纖毛中央腔分布；（E）時間序列圖像顯示FMRP缺失的纖毛發(fā)生退行性解聚的過程。