1月8日，國際學(xué)術(shù)期刊Nature Communications在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所）叢堯研究組、朱學(xué)良研究組和上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院鄢秀敏研究組的最新合作研究成果“Multi-scale structures of the mammalian radial spoke and divergence of axonemal complexes in ependymal cilia”。該研究綜合應(yīng)用冷凍電鏡（cryo-EM）、冷凍電子斷層重構(gòu)（cryo-ET）、質(zhì)譜、細(xì)胞生物學(xué)及生物化學(xué)方法，首次解析了哺乳動物輻射軸頭–頸部（RS head-neck）復(fù)合體的近原子分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了其組裝機(jī)制及調(diào)控纖毛不對稱擺動的結(jié)構(gòu)機(jī)制，還解析了腦室管膜纖毛軸絲的首個(gè)原位cryo-ET結(jié)構(gòu)，展示了與精子鞭毛和呼吸道纖毛軸絲的差異。這些研究發(fā)現(xiàn)為原發(fā)性纖毛運(yùn)動障礙和弱精子癥的病因?qū)W提供了重要線索。

　　輻射軸（RS）是由二十多個(gè)蛋白質(zhì)組成的T形復(fù)合物，在動纖毛的中央微管（central pair，CP）和軸絲動力蛋白臂之間傳輸機(jī)械、化學(xué)信號，以協(xié)調(diào)纖毛運(yùn)動。RS head-neck相關(guān)基因的突變與原發(fā)性纖毛運(yùn)動障礙（PCD）及弱精癥密切相關(guān)。然而，哺乳動物RS的結(jié)構(gòu)信息仍十分有限。該合作研究團(tuán)隊(duì)之前報(bào)道了首個(gè)3.2埃分辨率的RS head core單體的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)（W. Zheng, PNAS, 2021），而Alan Brown團(tuán)隊(duì)報(bào)道的RS冷凍電鏡結(jié)構(gòu)的head-neck區(qū)域分辨率不高（10.6-13.6埃）（T. Walton，Nature，2023），因此RS head-neck的高分辨率結(jié)構(gòu)仍然缺失。腦室管膜纖毛通過擺動產(chǎn)生單向腦脊液流動，其運(yùn)動障礙會導(dǎo)致腦脊液流動受阻，與腦積水和特發(fā)性脊柱側(cè)凸密切相關(guān)，但至今尚無該類纖毛的原位cryo-ET結(jié)構(gòu)。

　　研究團(tuán)隊(duì)體外組裝并解析了哺乳動物RS head-neck復(fù)合體的單體和二聚體的首個(gè)近原子分辨率（最高至3.14埃）冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，闡明了其組成亞基尤其是head-neck之間的相互作用網(wǎng)絡(luò)，揭示了二聚體固有的開-關(guān)及蹺蹺板式的運(yùn)動模式（mode of motion），并提出了RS head-neck復(fù)合體的逐步組裝機(jī)制。通過將已知的 PCD/弱精子癥致病突變映射到 RS head-neck結(jié)構(gòu)上，還揭示了這些基因突變導(dǎo)致PCD和弱精癥的可能致病機(jī)理。

　　此外，研究團(tuán)隊(duì)采用了“原代培養(yǎng)–誘導(dǎo)分化”方法，獲得了具有多纖毛的小鼠腦室管膜上皮細(xì)胞，并應(yīng)用 cryo-ET結(jié)合子斷層平均（sub-tomo averaging）方法，解析了首個(gè)腦室管膜纖毛軸絲的cryo-ET結(jié)構(gòu)，并證明腦室管膜纖毛中原位的RS1/RS2 cryo-ET結(jié)構(gòu)與體外重組的RS head-neck二聚體結(jié)構(gòu)一致。令人驚訝的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，與哺乳動物呼吸道纖毛及精子鞭毛相比，腦室管膜纖毛中缺失內(nèi)動力蛋白臂IDA-b/c/e及微管二連體A管內(nèi)的Tektin纖維，這種組織特異性特征可能代表由室管膜纖毛功能需求驅(qū)動的進(jìn)化選擇。研究人員基于cryo-EM、cryo-ET結(jié)構(gòu)并結(jié)合AlphaFold2結(jié)構(gòu)預(yù)測，為小鼠腦室管膜纖毛的RS1/RS2/RS3、IDA和N-DRC建立了更完整的多尺度結(jié)構(gòu)模型，其中RS3 head-neck的結(jié)構(gòu)模型為首次報(bào)道。結(jié)合超高分辨率熒光顯微鏡和生化分析，還新確定了一個(gè)位于 RS1 莖干區(qū)域的亞基AK8。通過cryo-EM、cryo-ET多尺度結(jié)構(gòu)整合，揭示了RS和CP之間復(fù)雜的相互作用模式，提出了RS固有運(yùn)動模式協(xié)調(diào)RS-CP相互作用進(jìn)而介導(dǎo)纖毛不對稱擺動的機(jī)制。

　　該研究不僅為理解RS的組裝機(jī)制、RS參與調(diào)控纖毛運(yùn)動的分子機(jī)制，以及PCD/弱精子癥的病因?qū)W提供了重要線索，還提出了腦室管膜纖毛的組織特異性軸絲結(jié)構(gòu)簡化是自然驅(qū)動的進(jìn)化選擇，提供了關(guān)于纖毛在生物體內(nèi)的多樣性和復(fù)雜性的深刻理解，對于理解纖毛結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系具有重要意義。

　　分子細(xì)胞卓越中心博士生蒙學(xué)明，博士后徐聰，博士生李佳蔚、仇本華和羅家俊為該論文的共同第一作者。分子細(xì)胞卓越中心叢堯研究員、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院鄢秀敏研究員、分子細(xì)胞卓越中心朱學(xué)良研究員為該論文的共同通訊作者。該研究獲得了中國科學(xué)院、基金委、國家科技部、上海市科委等項(xiàng)目的支持，并得到國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（上海）設(shè)施的冷凍電鏡系統(tǒng)、質(zhì)譜系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫與計(jì)算分析系統(tǒng)和蛋白質(zhì)表達(dá)純化系統(tǒng)，賽默飛上海納米港，及中國科學(xué)院分子植物卓越創(chuàng)新中心質(zhì)譜平臺的大力支持。

　　文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-44577-1 

　　圖（A）鼠源RS head-neck復(fù)合體的單體（monomer）和二聚體（dimer）的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。（B）已知引起PCD及弱精癥的突變（綠色球表示）在原子模型上的位置。（C）腦室管膜纖毛的cryo-ET原位結(jié)構(gòu)（左），及RS3頭部的結(jié)構(gòu)模型（右）。（D）腦室管膜纖毛結(jié)構(gòu)（藍(lán)色）的組織特異性。相比于呼吸道纖毛（黃色）和精子鞭毛（綠色），其IDA-b/c/e及其微管二連體的A管內(nèi)Tektin纖維缺失。（E）腦室管膜纖毛軸絲的多尺度結(jié)構(gòu)。（F）提出的“RS-CP”之間的相互作用模式。