科学家揭开细胞鞭状延伸的奥秘

纤毛或鞭毛(细胞鞭状附件)执行维持身体健康所需的各种任务。当纤毛失灵时，后果可能是毁灭性的，导致一系列问题，从失明到肺和肾脏疾病，再到先天性心脏缺陷。现在，科学家们揭示了对纤毛内部结构的首次详细观察。

新揭示的结构提供了一个起点，可以开始探索纤毛在发育过程中如何组装，如何在细胞的整个生命周期内维持以及如果这些复杂分子机器中的某些嵌齿轮发生突变或缺失，它们可能会变得功能失调。这些微观分子机器的结构对于从藻类到人的生物体细胞来说都是潜在的，它将回答有关人类健康和疾病的问题。

这项研究由圣路易斯华盛顿大学医学院和哈佛医学院的研究人员最近发表在《细胞》杂志上。

华盛顿大学生物化学和分子生物物理学助理教授张瑞说：“这项新研究令人兴奋，因为它填补了许多关于纤毛结构的信息。” “当纤毛不能正常工作时，就会发生不好的事情。我们需要了解结构的细节，以便开发出治疗疾病的方法，或者是防止纤毛不能正常发挥作用的早期胚胎发生发育缺陷的策略。他们应该。”

在呼吸道中，纤毛移动粘液并保护其免受病毒和细菌性疾病的侵害。在生殖道中，它们推动精子使卵子受精。纤毛还可以在大脑，肾脏，胰腺和骨骼生长中执行重要任务。在发育的最早阶段，胚胎中特殊纤毛的旋转运动定义了人体的左右不对称性以及器官的放置位置。如果没有正常的纤毛功能，心脏可能不会停留在应有的左侧，并且可能无法正常工作。

纤毛与多种人类疾病有关，包括多囊肾疾病，该疾病影响了约60万美国人，需要透析。原发性睫状运动障碍，引起慢性肺部疾病，器官移位和不育;Bardet-Biedl综合征，导致患者在儿童时期变得盲目并导致糖尿病，肾脏疾病和极端肥胖;以及许多先天性心脏缺陷，这些缺陷会在左右不对称现象变得严重并且需要复杂的手术进行修复时发生。

在这项新研究中，研究人员使用一种称为单粒子冷冻电子显微镜的技术，以严格的重复模式首次观察了排列在纤毛内部的33种特定蛋白质(在称为纤毛微管双峰的结构中)。

张说：“在进行这项工作之前，每个人都认为纤毛内部的这些蛋白质只是稳定了结构，这对一部分蛋白质是正确的，尤其是当考虑到纤毛持续跳动产生的力时。” “但是基于它们在该结构内部的排列方式，我们认为这些蛋白质在做更多的事情。”

由于许多蛋白质通过纤毛突出，Zhang和他的同事推测它们可以使睫毛微管双联体的内部和外部进行通讯。控制使重要的生化反应成为可能的酶的功能;并感知环境中钙浓度的变化，这在触发纤毛跳动中起作用。

华盛顿大学遗传学教授苏珊·荷兰德(Susan K. Dutcher)说：“在鉴定出的蛋白质中，有五种与已经在小鼠和人类中研究的疾病有关。” “但是直到现在，还没有人知道这些蛋白是在纤毛内部发现的。我们才刚刚开始了解它们在正常和疾病状态中的作用。”

研究人员在一种名为藻类衣藻的藻类中研究了纤毛，这是一种单细胞生物，其纤毛的结构和生化特性与包括人在内的更复杂的生物相似。荷兰人有兴趣回答的一个问题是，构成纤毛结构的蛋白质如何控制纤毛执行的运动类型。单细胞莱茵衣藻的纤毛能够进行多种运动。

荷兰人说：“在某些情况下，纤毛正在做您可能认为是中风的事情。” “在其他情况下，该运动更多是S形波。哺乳动物中许多细胞的纤毛只能产生其中一种运动。但是，单细胞的莱茵衣藻(C. reinhardtii)也许可以帮助适应环境这就是为什么我们在医学院学习藻类的原因。我们可以在这些纤毛的纤毛中研究的遗传问题与人类中可能发生的问题相似，常常造成破坏性后果。”

Zhang，Dutcher及其同事计划使用最新的低温电子显微镜技术研究纤毛内部33种蛋白质中每种蛋白质的衣原体突变体，以寻求对由于这种新的详细结构知识而引起的许多问题的答案。

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