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分子细胞卓越中心揭示保证运动性多纤毛精细结构正确组装的机制

2021-02-26 分子细胞科学卓越创新中心
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  2月24日,中国科学院分子细胞科学卓越创新中心(生物化学与细胞生物学研究所)研究员朱学良研究组最新研究成果以Fibrogranular materials function as organizers to ensure the fidelity of multiciliary assembly为题,在线发表在Nature Communications上。该研究揭示出多纤毛细胞特有的亚细胞结构-纤维状颗粒物(fibrogranular materials)作为组织者对动纤毛的精确组装起重要调控作用。

  多纤毛细胞是一类终末分化的上皮细胞,表面长有多至数百根的运动纤毛(motile cilia),在高等动物体内主要分布于气管、脑室管膜及输卵管等上皮组织,其纤毛的周期性摆动可以湿润、清洁气管,驱动脑脊液流动和受精卵运动。运动性多纤毛细胞不仅需要通过摇篮体(deuterosome)介导形成大量特化的中心粒作为纤毛的基体,还需要形成复杂、精致的运动结构。多纤毛发生和功能的异常可导致气管炎、脑积水等多种遗传疾病。运动纤毛含有数百种蛋白质组分,在多纤毛细胞分化过程中被大量合成。它们依靠纯粹地自发组装还是有特定的方式归类贮存、按需使用,仍不清楚。

  纤维状颗粒物是一种仅出现于高等动物多纤毛细胞的亚细胞结构,尽管在上世纪60年代的电镜研究中已被发现,但其组成与功能仍有待探索。结合蛋白组学、超高分辨率显微成像、活细胞高速显微成像和多种电镜技术,朱学良研究组科研人员发现,纤维状颗粒物是由Pcm1相分离形成的具有液体特征的大型(直径可达2微米)、动态的无膜细胞器,黏附摇篮体,且在其桑果状结构中大量富集了特定的基体和纤毛的结构蛋白质,这些组分在纤毛发生的不同阶段定位到基体和纤毛中。人为敲低Pcm1的蛋白水平,不仅使多纤毛细胞无法形成纤维状颗粒物,而且导致摇篮体数目、大小和分布异常。尽管这些细胞最终形成的纤毛数目与对照细胞无异,其纤毛和基体的超微结构却出现明显缺陷,导致纤毛摆动方式和能力严重异常。进一步分析发现,在纤维状颗粒物中富集的组分提前定位到了基体,并且纤毛中央微管基部的结构显著延长,说明它们组装的时间顺序性被打破,从而影响运动纤毛结构的精确性和功能。因此,纤维状颗粒物在多纤毛细胞分化过程中行使组织者的功能,既作为纤毛相关组分的贮藏室,又黏附摇篮体、富集于新生纤毛基部附近,保证运动纤毛精细结构组装的有序性和正确性。

  分子细胞卓越中心研究员朱学良和鄢秀敏为论文通讯作者,博士后赵惠杰和陈青霞(原为上海科技大学博士研究生)为论文共同第一作者,清华大学副教授梁鑫和山东师范大学教授周军为合作者。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部和中科院的资助,并获得分子细胞卓越中心细胞和分子研究平台和国家蛋白质设施等的技术支持。

  论文链接 

  (A)聚焦离子束扫描电镜(FIB-SEM)展示多纤毛细胞中纤维状颗粒物与摇篮体的空间分布;(B)纤维状颗粒物结构可以富集基体的结构蛋白质Cep120;(C)敲低Pcm1的蛋白水平导致动纤毛超微结构出现明显缺陷;(D)Pcm1片段具有相分离的特性。

打印 责任编辑:阎芳

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