PNAS | 清華大學(xué)潘俊敏課題組在衣藻中揭示纖毛軸絲微管組裝的調(diào)控機(jī)制

纖毛是突出于細(xì)胞表面的細(xì)胞器，主要由纖毛膜及其包裹的9+2或9+0 細(xì)胞微管所構(gòu)成 （圖1）。纖毛不僅具有運(yùn)動(dòng)功能，而且作為 “細(xì)胞天線”感知外界信號(hào)，進(jìn)而調(diào)控個(gè)體發(fā)育和生理穩(wěn)態(tài)。纖毛的缺陷可導(dǎo)致多種疾病，如男性不育，內(nèi)臟翻轉(zhuǎn)，腎囊腫，多指癥等。纖毛中的細(xì)胞微管又稱軸絲微管(axonemal microtubules)，是纖毛的主要結(jié)構(gòu)。在纖毛發(fā)生過程中，中心粒轉(zhuǎn)化為纖毛基體并錨定在細(xì)胞膜，隨后組裝纖毛過渡區(qū)，軸絲微管延伸并被纖毛膜包裹，最終形成纖毛。軸絲微管組裝所需要的微管蛋白來自于“鞭毛內(nèi)運(yùn)輸”介導(dǎo)的運(yùn)輸和微管蛋白擴(kuò)散，但是，軸絲微管的組裝是否需要調(diào)控以及如何調(diào)控扔是未解之謎。

圖1.纖毛的結(jié)構(gòu)

清華大學(xué)生命學(xué)院潘俊敏研究組近日在美國(guó)科學(xué)院院刊PNAS雜志在線發(fā)表題為Chlamydomonasprotein kinase MAK phosphorylates FAP256/CEP104 and regulates axonemal microtubule assembly的研究論文，揭示了蛋白質(zhì)激酶MAK磷酸化微管正端示蹤蛋白CEP104/FAP256,進(jìn)而調(diào)控軸絲微管的組裝。

MAK屬于RCK蛋白激酶家族，在哺乳動(dòng)物中存在3個(gè)成員: ICK, MAK 和MOK；在斑馬魚中僅有一個(gè)成員MAK。有趣的是，小鼠中敲除MAK導(dǎo)致視覺纖毛過度延長(zhǎng)，而雙敲除MAK和ICK,視覺纖毛無法形成；相比之下，在斑馬魚中敲除MAK則導(dǎo)致視覺纖毛不能組裝。因此，MAK和ICK如何調(diào)控纖毛的機(jī)制不詳。RCK家族在衣藻中具有MAK和MOK兩個(gè)成員。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，敲除MAK，衣藻纖毛不能發(fā)生。利用微管穩(wěn)定的藥物紫杉醇處理mak突變體細(xì)胞，纖毛組裝得到部分恢復(fù)，說明MAK調(diào)控微管的組裝和穩(wěn)定性。通過鄰位標(biāo)記，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)CEP104/FAP256是MAK的潛在底物。體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)證明MAK直接磷酸化CEP104/FAP256。CEP104/FAP256在纖毛頂端富集，未被磷酸化的CEP104/FAP256不能在纖毛頂端富集，纖毛再生具有缺陷。但是CEP104/FAP256的突變體在穩(wěn)態(tài)時(shí)仍然具有正常的纖毛，說明MAK還有其它未知的底物。總之，該研究首次闡明了軸絲微管的組裝調(diào)控機(jī)制。

圖2.MAK磷酸化CEP104/FAP256調(diào)控纖毛的組裝

本項(xiàng)工作的第一作者為張怡博士，通訊作者為潘俊敏教授，楊新佳博士也做出了非常重要的貢獻(xiàn)。本研究得到了國(guó)家基金委、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心，疑難重癥及罕見病全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及青島海洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的資助。

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www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2503094122