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Nature | 张锐团队解析高等哺乳动物各类纤毛/鞭毛的冷冻电镜结构

BioArt · 公众号 · 生物 · 2025-01-01 23:58

主要观点总结

本文详细描述了纤毛（cilia）的研究进展，包括其分布、功能、相关疾病以及研究历程。重点介绍了张锐课题组在纤毛领域的研究成果，包括动纤毛轴丝（axoneme）的高分辨结构研究以及不同组织纤毛的差异。此外，还提到了其他实验室的相关研究以及纤毛病的临床诊断等。

关键观点总结

关键观点1: 纤毛的分类和功能

纤毛可分为动纤毛和原纤毛两大类，遍布于人体各个组织和器官。动纤毛主要来源于多纤毛细胞和精子细胞，原纤毛被称为细胞的“天线”，主要负责接收外界信号并传导至细胞内部。

关键观点2: 纤毛病和相关研究

纤毛相关基因或蛋白异常导致的疾病统称为“纤毛病”，例如精子鞭毛相关的男性不育、输卵管纤毛受损导致的异位妊娠等。张锐课题组利用冷冻电镜技术解析了动纤毛轴丝的经典“9+2”结构的各个组分复合物，为临床诊断和治疗提供了指导。

关键观点3: 高等哺乳动物纤毛的研究

张锐课题组与Zeev-Ben-Mordehai实验室合作，解析并比较了高等哺乳动物体内3种主要的纤毛类型的高分辨结构，包括输卵管纤毛、脑室纤毛和精子鞭毛。这项研究攻克了径向微管和外部调控元件的精细结构等难题，报道了34个新的组分蛋白，总结了不同组织的特异性蛋白组分以及与纤毛病相关的蛋白组分。

关键观点4: 重要发现和结论

研究发现高等哺乳动物各个组织中来自multiciliated cells的纤毛具有高度保守性，其结构几乎一模一样。精子鞭毛的结构最为复杂，这与精子鞭毛的长时间运动和复杂的工作环境有关。此外，研究还揭示了radial spoke上存在帮助ATP再生的protein kinases和重要的信号传导蛋白等。

正文

纤毛（cilia）遍布于人体各个组织和器官，可分为动纤毛（motile cilia）和原纤毛（primary cilia）两大类。人体的动纤毛主要来源于两种细胞类型，多纤毛细胞（multiciliated cells）和精子细胞（精子鞭毛被认为是一种特殊的纤毛）。多纤毛细胞主要分布于脑室、鼻腔、气管和输卵管【1】，靠有规律的摆动纤毛来移动细胞周围的液体。其中脑室纤毛负责维持脑液流动，鼻腔和气管纤毛负责清除黏液（鼻涕和痰），输卵管纤毛帮助卵子从输卵管中向子宫运动。原纤毛被称为细胞的“天线”，主要负责接受外界信号并传导至细胞内部，是许多大名鼎鼎的细胞信号通路的始发站和中转站，比如Notch和Wnt。人类的视觉，嗅觉以及对其他外界信号的感知都与原纤毛密切相关。

图1：人体内各种多纤毛细胞的分布和功能 【1】

纤毛相关基因或者蛋白异常导致的疾病，统称为“纤毛病”。例如精子鞭毛相关的男性不育，输卵管纤毛受损导致的异位妊娠，脑室纤毛功能异常导致的脑积水（hydrocephalus），鼻腔和气管纤毛运动障碍引起的呼吸道感染、鼻炎等。解析纤毛精细结构能有效地帮助我们理解纤毛病，并为临床诊断、以及相关治疗提供指导意见。

圣路易斯华盛顿大学张锐课题组专注于纤毛领域，从2017年开始和哈佛医学院Alan Brown课题组密切合作，利用莱茵衣藻作为模式生物，用冷冻电镜单颗粒重构的方法逐个解析了动纤毛轴丝（axoneme）经典的“9+2”结构的各个组分复合物，其中包括双联微管（doublet microtubule）【2】, 中心微管（central apparatus）（详见BioArt报道：NSMB | 桂淼/张锐等报道运动纤毛中心微管的结构）【3】以及双联微管上的超大复合物radial spoke（详见BioArt报道：NSMB | 桂淼/张锐合作揭示纤毛运动的机械调控结构基础）【4】。此后，课题组开始转向其他物种包括高等哺乳动物组织来源的鞭毛/纤毛研究。

在2023年6月，张锐课题组与荷兰Utrecht 大学Zeev-Ben-Mordehai课题组合作在Cell期刊上发表了标题为Structural specializations of the sperm tail 的论文（详见BioArt报道：Cell | 张锐团队解析海胆和牛精子的精细结构为治疗不孕不育带来新启发）【5】。本文用冷冻电镜解析了紫海胆和牛精子鞭毛轴丝双联微管的原子结构，并运用最新的AI 软件DeepTracer【6】和ModelAngelo【7】鉴定出60多种组分蛋白，其中16个蛋白与男性不育相关。在同一期刊，吴建平/桂淼/刘明兮团队报道了小鼠和人的精子鞭毛轴丝双联微管的冷冻电镜结构，并结合临床数据定义了一类新型的弱精症亚型（详见BioArt报道：Cell｜吴建平/桂淼/刘明兮合作报道精子鞭毛微管结构并定义新型弱精症亚型）【8】。

那么在同一物种体内，各种组织的纤毛/鞭毛的精细结构是否也存在差异？带着这个问题，张锐课题组及上述两位老相好实验室再次深度合作，于2025年1月1日在Nature期刊上发表了标题为Structural diversity of axonemes across mammalian motile cilia的论文。文章共同第一作者为Zeev-Ben-Mordehai实验室的Miguel R. Leung博士，张锐实验室的孙辰博士和曾建伟博士，以及Brown实验室的Jacob Anderson博士。

图2：高等哺乳动物体内4种主要的纤毛类型的精细结构

这项工作一口气解析并且横向比较了高等哺乳动物体内3种主要的纤毛类型的高分辨结构【图2】：1）输卵管纤毛，2）脑室纤毛， 3）精子鞭毛。为了这个课题，张锐实验室的组员多次开车去隔壁州的食品加工厂拿取刚宰杀的牛的子宫和猪头。因为美国人不怎么吃猪脑，组员甚至需要自己用电锯劈开猪头从而获取脑室纤毛。食品加工厂的工作人员听说是作为科研用途，主动免费提供样品，希望能为攻克人类纤毛疾病做一份贡献。此外Brown实验室提供了猪和人的输卵管纤毛的结构数据。

图3：牛精子的radial spoke 1/2/3的原子模型

动纤毛轴丝（axoneme）经典的“9+2”结构直径大约220纳米，根据质谱分析有超过600种不同的蛋白，是人体复杂度最高的大分子复合物之一。自2017年以来，随着冷冻电镜技术的飞速发展，在全球几大结构课题组的共同努力下（详见BioArt报道：Nature | 桂淼等解析运动纤毛轴丝的完整原子结构并辅助纤毛病临床诊治）【9】，逐渐拼出了整个“9+2”结构的原子模型。然而这个拼图还缺了几块重要的组分，例如radial spoke 3以及双联微管外部一些mechanochemical 调控元件的精细结构。这些硬骨头在本次工作中均被攻克【图3】，其中来自Zeev-Ben-Mordehai实验室的牛精子冷冻电镜数据做出了巨大贡献。本文一共报道了34个新的组分蛋白，把目前已建模的轴丝结构组分蛋白总数提高到了181个。本文也总结不同组织的特异性蛋白组分、以及与纤毛病相关的蛋白组分【图4】，对理解纤毛病、以及临床诊断提供了一定依据。

图4：本文新鉴定的纤毛蛋白组分（左）以及纤毛病相关的蛋白组分（右）

本文最主要的一个结论是，高等哺乳动物各个组织中来自multiciliated cells的纤毛具有高度保守性，其结构几乎一模一样，比如输卵管纤毛、脑室纤毛、以及气管纤毛。唯一有组织特异性的是精子的鞭毛，其结构远比其他组织的纤毛更为复杂，而这应该与精子鞭毛“长途跋涉”的工作要求和复杂变化的工作环境有关。根据张锐/Zeev团队在2023年的报道【5】，牛精子的双联微管存在精子特有的Tektin5基因，这个蛋白几乎填满了牛精子双联微管的整个内部空间。在双联微管外部，和其他纤毛类型相比，精子鞭毛在RS2和RS3之间有一个桥状结构，而在RS1和RS2之间有一个桶状结构【图4】。

本文利用高分辨结构信息和AlphaFold2预测阐明了这一桥一桶的所有蛋白组分，并且发现这个桶居然是大名鼎鼎的TRiC 分子伴侣（chaperone）【10】【图5】，其在生物体内的主要作用就是帮助折叠tubulin。为什么大自然要在精子的两个radial spoke之间悬挂一个TRiC呢？一个最有可能的解释就是精子需要不停的在原位修复（refold）那些由于精子剧烈摆动而“损坏”且掉出来的tubulin分子。这就应了那句有名的商业法则：location, location, location.

图5：精子特有的桶状结构是tubulin分子伴侣TRiC

此外，本文还有几个重要发现：（1）在radial spoke上存在帮助ATP再生的protein kinases, 比如AK7, AK8和AK9；（2）在radial spoke上发现了对信号传导和精子激活至关重要的protein kinase A (PKA) 和另外两个protein kinases CAMK4 和STKLD1；（3）捕捉到了dynein IDAf 的一个新的pre-stroke state。在这个状态下IDAf的微管结合domain直接作用到另外一个mechanochemical 调控元件N-DRC上，让人需要重新审视这个大名鼎鼎的IDAf是否是传统意义上的dynein。

本文研究了人、牛、猪三个物种来源的输卵管纤毛。如上文所述，三个物种的输卵管几乎一模一样，表明多纤毛细胞（multiciliated cells）具有跨越物种的高度保守性。这也验证了利用相关哺乳动物模型来模拟和研究人类的纤毛病的合理性。对比猪的输卵管纤毛轴丝原位 (in situ) cryo-ET结构和牛来源的输卵管纤毛轴丝单颗粒cryo-EM结构显示两者也基本一致，表明目前单颗粒cryo-EM技术可以胜任纤毛这种庞然巨物的结构研究，而且能提供更多高分辨的细节。未来的结构生物学，cryo-ET和cryoEM将携手共进，相互补充。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08337-5

制版人：十一

参考文献

1. Spassky, N. & Meunier, A. The development and functions of multiciliated epithelia. Nat. Rev. Mol. Cell Biol (2017) 18, 423–436.

2. Ma M, Stoyanova, M, Rademacher G, Dutcher, SK, Brown A^#, Zhang R^#. Structure of the decorated ciliary doublet microtubule. Cell (2019) 179(4):909-12.

3. Gui M, Wang X, Dutcher SK, Brown A^#, Zhang R^#. Ciliary central apparatus structure reveals mechanisms of microtubule patterning. Nat Struct Mol Biol (2022)29, 483–492.

4. Gui M, Ma M, Sze-Tu E, Wang X, Koh F, Zhong ED, Berger B, Davis JH, Dutcher SK, Zhang R^#, Brown A^#. Structures of radial spokes and associated complexes important for ciliary motility. Nat Struct Mol Biol (2021) 28, 29–37.

5. Leung MR*, Zeng J*, Wang X, Roelofs MC, Huang W, Chiozzi RZ, Hevler JF, Heck AJR, Dutcher SK, Brown A, Zhang R^#, Zeev-Ben-Mordehai T^#. Structural specializations of the sperm tail. Cell (2023) 186(13): 2880-2896

6. Pfab J, Phan NM, Si D. DeepTracer for fast de novo cryo-EM protein structure modeling and special studies on CoV-related complexes. P Natl Acad Sci Usa 118, e2017525118 (2021).

7. Jamali K^#, Käll L, Zhang R, Brown A, Kimanius D^#, Scheres SHW^#. Automated model building and protein identification in cryo-EM maps. Nature (2024) 628: 450-457.

8. Zhou L, Liu H, Liu S, Yang X, Dong Y, Pan Y, Xiao Z, Zheng B, Sun Y, Huang P, Zhang X, Hu J, Sun R, Feng S, Zhu Y, Liu M^#, Gui M^#, Wu J^#. Structures of sperm flagellar doublet microtubules expand the genetic spectrum of male infertility. Cell (2023) 186(13):2897-2910.

9. Walton T*, Gui M*, Velkova S, Fassad MR, Hirst RA, Haarman E, O’Callaghan C, Bottier M, Burgoyne T, Mitchison HM & Alan Brown^#. Axonemal structures reveal mechanoregulatory and disease mechanisms. Nature 618, 625–633 (2023).

10. Zang Y*, Jin M*, Wang H*, Cui Z, Kong L, Liu C, Cong Y^#. Staggered ATP binding mechanism of eukaryotic chaperonin TRiC (CCT) revealed through high-resolution cryo-EM. Nat Struct Mol Biol 23, 1083–1091 (2016).

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