7月1日，國際學術(shù)期刊Nature Communication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(lián)合北京大學郭強研究員和浙江大學桂淼研究員的最新合作研究成果，題為“In situ cryo-electron tomography reveals the progressive biogenesis of basal bodies and cilia in mouse ependymal cells”。該研究以哺乳動物多纖毛細胞中的小鼠腦室管膜細胞（mEPCs）為模型，借助冷凍光電聯(lián)用技術(shù)（cryo-CLEM）、冷凍聚焦離子束（cryo-FIB）和冷凍電子斷層掃描（cryo-ET）技術(shù)，通過熒光標記定位搖籃體蛋白Deup1，首次在細胞內(nèi)原位捕獲多纖毛發(fā)生的動態(tài)全景，解析了基體與軸絲的組裝過程，并揭示了微管內(nèi)部蛋白（MIP）的時序性結(jié)合，為理解多纖毛發(fā)生和成熟的機制提供了新的見解。
纖毛（Cilia）是真核細胞表面普遍存在的毛發(fā)狀細胞器，分為靜纖毛和動纖毛兩大類。靜纖毛作為信號感受器，動纖毛則通過擺動驅(qū)動細胞運動和周圍液體流動，參與呼吸道清潔、腦脊液循環(huán)等生理過程，其功能障礙會引發(fā)多種遺傳病，包括發(fā)育異常、慢性呼吸道感染、腦積水和不孕不育等，統(tǒng)稱為原發(fā)性纖毛運動障礙。纖毛相關(guān)的核心結(jié)構(gòu)包括基體（BB）、軸絲和過渡區(qū)（TZ）。基體由九組三聯(lián)體微管（TMT）組成旋轉(zhuǎn)對稱的桶狀結(jié)構(gòu)，在哺乳動物多纖毛細胞中主要在搖籃體（deuterosome）上發(fā)生。軸絲由基體延伸，形成9組二聯(lián)體微管（DMT）。運動纖毛的軸絲通常還有一對中央微管（CP），因而呈現(xiàn) “9+2”結(jié)構(gòu)。過渡區(qū)位于軸絲基部，與纖毛膜共同形成控制分子進出的屏障。
借助子斷層平均技術(shù)，研究團隊將基體結(jié)構(gòu)解析至亞納米分辨率，并將基體沿軸向劃分為三個結(jié)構(gòu)域。其中，近端區(qū)域與基體形成所需的車輪（cartwheel）結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)，中間和遠端區(qū)域由內(nèi)支架穩(wěn)定，且遠端區(qū)域TMT的C管原絲從C10逐步丟失，最終形成僅含6根原絲的不完整結(jié)構(gòu)。而且，一個由27根棒狀結(jié)構(gòu)（27 rods）組成的環(huán)形結(jié)構(gòu)在基體近端區(qū)域組裝完成后出現(xiàn)，且在TMT延伸過程中持續(xù)定位于基體遠端，并成為基體TMT與軸絲DMT的明確邊界。
有趣的是，通過結(jié)構(gòu)比較，本研究發(fā)現(xiàn)TMT與未成熟DMT微管腔內(nèi)存在一個新的蛋白，通過建立一種基于AlphaFold2結(jié)構(gòu)預測與電鏡密度匹配打分的蛋白質(zhì)鑒定方法，研究團隊鑒定出一個新的微管內(nèi)部蛋白CEP41，它在基體中持續(xù)定位于B02和C02原絲，而在軸絲中則隨纖毛發(fā)生與成熟呈現(xiàn)動態(tài)分布：從覆蓋全軸絲到聚集軸絲遠端，最終定位在軸絲亞遠端區(qū)域。CEP41缺失會抑制多纖毛形成并縮短纖毛長度，表明其對多纖毛成熟有關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用。而且，研究人員發(fā)現(xiàn)纖毛成熟還伴隨著MIPs周期性排布的重塑。盡管基體和過渡區(qū)處的MIPs保持8 nm周期性，過渡區(qū)之上的軸絲微管內(nèi)部蛋白NME7和CEP41卻隨纖毛成熟逐步脫落，而PACRG等蛋白質(zhì)則逐步組裝，最終形成經(jīng)典的48 nm周期。
綜上所述，該研究提出“基體—纖毛四階段組裝模型”：基體起始、基體成熟（27 rods界定遠端）、過渡區(qū)形成（TMT向DMT轉(zhuǎn)換）及纖毛逐步成熟（MIPs周期性重塑）。這一模型填補了哺乳動物多纖毛發(fā)生過程中的結(jié)構(gòu)空白，描繪了從基體發(fā)生到纖毛形成這一動態(tài)過程，有助于深入理解纖毛的結(jié)構(gòu)與功能，并為探索纖毛病的發(fā)病機制及潛在治療靶點提供了理論依據(jù)。
北京大學馬山山博士、分子細胞卓越中心博士研究生李孌、北京大學博士研究生李智勛、駱申家和浙江大學劉琦博士為該研究的共同第一作者。北京大學郭強研究員、分子細胞卓越中心朱學良研究員和浙江大學桂淼研究員為該研究的共同通訊作者。該工作中冷凍電鏡樣品制備和數(shù)據(jù)采集在北京大學冷凍電鏡平臺完成，數(shù)據(jù)處理獲得了昌平實驗室冷凍電鏡平臺的硬件和技術(shù)支持。該研究得到了北京市自然科學基金、國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、浙江省自然科學基金、良渚實驗室、昌平實驗室和生命科學聯(lián)合中心等的資助。
mEPCs內(nèi)通過搖籃體依賴途徑形成的基體生成（a-b）和纖毛形成過程（c-d）
基體發(fā)生與纖毛形成的調(diào)控模型
文章鏈接：?https://doi.org/10.1038/s41467-025-61015-6
