11月26日，國際學術期刊Nature?Communications在線發(fā)表了中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心(生物化學與細胞生物學研究所)朱學良研究組聯合上海交通大學醫(yī)學院附屬新華醫(yī)院鄢秀敏課題組的最新合作研究成果“Directional?ciliary beats across epithelia require Ccdc57-mediated coupling between axonemal?orientation and basal body polarity”。該研究揭示了上皮組織運動纖毛協調擺動的新調控機制。

運動纖毛是一種進化上高度保守的毛狀細胞器，其核心骨架軸絲(axoneme)是由九組二聯體微管和一對中央微管組成的、具有明確朝向(axonemal?orientation, AO)的旋轉不對稱結構。軸絲的二聯體微管與錨定在細胞膜上的基體(basal?body)相連，而軸絲上附著的包括分子馬達在內的各種蛋白質復合物使纖毛能沿軸絲方向進行周期性的來回擺動。在哺乳動物中，運動纖毛以多纖毛(每個細胞數十到數百根)的方式廣泛分布于腦室、氣管和輸卵管等上皮組織表面。這些纖毛初始的擺動方向是混亂的，它們需要在發(fā)育中逐漸建立平面細胞極性(planar?cell polarity,?PCP)，即形成組織范圍內協調統(tǒng)一的擺動方向。例如，小鼠腦室管膜上皮細胞的多纖毛在小鼠出生3天左右才發(fā)生，到21天齡以后才能建立PCP。這樣緩慢的進程提示其中過程的復雜性。協調擺動的纖毛驅使腦脊液、痰液等組織外液定向流動，以促進中樞神經系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)維持、呼吸道清潔和受精卵向子宮的運動。運動纖毛結構和功能的缺陷，會導致主要病征包括慢性呼吸系統(tǒng)疾病、不孕不育、內臟倒位和腦積水的原發(fā)性纖毛運動障礙(primary?ciliary dyskinesia)。早期研究發(fā)現，纖毛的擺動方向還與基體的極性，即基體附屬結構基足(basal foot,?BF)的指向相偶聯。因此，通常認為在纖毛建立PCP的過程中，纖毛擺動方向的改變是細胞骨架通過牽拉BF的頂端而旋轉整根纖毛的結果。然而，AO如何與基體極性相偶聯卻是領域中的空白。而且，如果偶聯不是從纖毛形成之初就發(fā)生，那現有的理論認知或許就需要予以修正。

該研究團隊發(fā)現Ccdc57的進化保守性與上皮組織運動纖毛密切相關，提示它可能是纖毛PCP的重要調節(jié)因子。有趣的是，在小鼠腦室管膜上皮細胞中，Ccdc57呈點狀以旋轉不對稱的方式定位在基體遠端的管腔內，而且伴隨著纖毛PCP的建立，該定位從隨機變?yōu)闃O化到BF對側。Ccdc57基因敲除小鼠出現嚴重的腦積水和高死亡率。深入的分析發(fā)現，敲除小鼠腦室管膜上皮細胞內不同纖毛能形成協調一致的擺動，但不同細胞間卻缺乏統(tǒng)一，這導致腦脊液流動異常而引起腦積水和死亡。而且，Ccdc57敲除纖毛的AO與BF是解偶聯的，因此擺動方向與基體極性缺乏相關性。隨后，研究人員分析了4天齡野生型小鼠細胞中擺動方向混亂的纖毛，發(fā)現其多數的AO與BF是未偶聯的，而在擺動方向一致的纖毛中AO-BF偶聯的則占多數。研究人員還分析了Ccdc57敲除小鼠氣管上皮的多纖毛，發(fā)現其AO-BF偶聯也存在缺陷。這些研究結果揭示AO與BF并非從動纖毛一發(fā)生就已偶聯，并說明細胞內的纖毛簇可以不依賴于其基體極性的方式形成一致性的擺動，但需要偶聯形成后才能建立PCP。而且，研究人員發(fā)現了首個介導AO-BF偶聯的關鍵因子Ccdc57，并提示在基體遠端存在一個包含該蛋白質的新結構，負責在纖毛建立PCP的過程中鎖定軸絲和基體的極性關系。這些發(fā)現修訂了領域內先前的認知，并為理解運動纖毛PCP的調節(jié)機理和相關病理機制提供了新視角。

分子細胞卓越中心與上?？萍即髮W聯合培養(yǎng)博士生潘新文、分子細胞卓越中心博士生方楚玉、分子細胞卓越中心與上?？萍即髮W聯合培養(yǎng)碩士生沈川為共同第一作者。分子細胞卓越中心朱學良研究員和上海交通大學醫(yī)學院附屬新華醫(yī)院鄢秀敏研究員為該論文的共同通訊作者。中國科學院生物物理研究所李喜霞高級工程師等研究人員為合作者。該研究獲得國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的資助，以及中國科學院生物物理研究所生物成像中心，分子細胞卓越中心細胞分析技術平臺、分子生物學技術平臺，國家蛋白質設施等的技術支持。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54766-1

(A)相對野生型(+/+)小鼠，Ccdc57敲除(-/-)小鼠腦室管膜細胞多纖毛的基體不能形成一致的極性。Cep164標記基體，而Centriolin標記基足，箭頭表示基足方向。(B)Ccdc57敲除導致腦室管膜上皮細胞纖毛驅動的液體流動缺乏定向性(紅色箭頭)。(C)模型圖展示新生纖毛的軸絲方向(箭頭)與基足(綠色)在階段I未偶聯，此時Ccdc57呈現隨機的點狀定位(紫紅)。此時細胞內多纖毛的擺動方向是混亂的。在階段II中，細胞內的軸絲方向逐漸統(tǒng)一，其中一部分與基足偶聯，Ccdc57也相應呈現極性定位(紅色)。這時同一細胞內的多纖毛實現定向擺動，但不同細胞缺乏一致性。在階段III中，軸絲方向與基體極性完成偶聯，從而實現纖毛在組織層面上的定向擺動(PCP)。