最近熱播的《長安十二時辰》把人們帶到了昔日繁華的大唐，劇中人物通過遠(yuǎn)距離密碼通信設(shè)備——望樓，便能實現(xiàn)信息傳輸，從而知曉整個長安的動靜。
其實，我們的細(xì)胞上也具有像“望樓”一般的通信系統(tǒng)，稱為纖毛。它高高的突起于細(xì)胞表面，是一類高度保守的細(xì)胞器。沒聽說過細(xì)胞長毛?其實科學(xué)家們也是在二十世紀(jì)后期才逐漸重新認(rèn)識它們。
“望樓”和結(jié)合了八卦唐韻的密碼破解攻略(圖片來源：北斗北工作室)
“纖毛”和“鞭毛”，傻傻分不清楚
如果你對中學(xué)時期的生物知識還有印象，那你應(yīng)該還記得教科書里草履蟲的細(xì)胞周圍就長滿了纖毛。它們在水中一收一放地擺動著，可以像船槳一樣幫助細(xì)胞前進(jìn)和后退。
草履蟲不斷擺動的纖毛(圖片來源：YouTube)
纖毛的發(fā)現(xiàn)最早可以追溯到四百多年前的十七世紀(jì)時期。那時候荷蘭有個博物學(xué)家叫列文虎克(Leeuwenhoek)，他喜歡用自制的顯微鏡觀察各種微小的生物，并第一次描述了一種有“快速移動的腳”的小蟲——鞭毛蟲。這些“腳”就是鞭毛[1]。
鞭毛和纖毛有著相似的結(jié)構(gòu)，可謂是師出同門。鞭毛往往指細(xì)胞表面一根或兩根較長的突起，是細(xì)胞運動的重要結(jié)構(gòu);而纖毛常以較短且較密集的突起出現(xiàn)，通過擺動感受周圍液體環(huán)境。有時我們并不特意區(qū)分它們，鞭毛也可稱作動纖毛。
比如，單細(xì)胞植物衣藻上的兩條鞭毛就是動纖毛，像極了美猴王頭上的“鳳翅紫金冠”。衣藻在1945年由美國植物學(xué)家吉爾伯托(Gilbert M. Smith)引入實驗室，從此便在纖毛研究領(lǐng)域大顯本領(lǐng)。很多纖毛相關(guān)蛋白都是在衣藻中第一次被發(fā)現(xiàn)，并在高等生物中得到進(jìn)一步證實。
可動可靜的纖毛
纖毛的擺動依賴于水環(huán)境，隨著進(jìn)化的歷程，生物逐漸離開海洋并在陸地上生活。所以，很長一段時間以來，人們認(rèn)為纖毛屬于一種退化的細(xì)胞器。我們?nèi)梭w內(nèi)的細(xì)胞不會像草履蟲這些微生物一樣，周圍長一圈纖毛或者拖兩根長長的尾巴。高等動物中一度被認(rèn)為只有精子和部分組織中有鞭毛/纖毛結(jié)構(gòu)，它們都與擺動相關(guān)。比如呼吸道上皮細(xì)胞的纖毛，它們不斷擺動，把粘附了灰塵和病菌的粘液送到鼻咽部排出。
1898年，瑞士科學(xué)家齊默爾曼(Zimmerman)第一次在哺乳動物腎細(xì)胞中觀察到了纖毛[2]。大多數(shù)腎細(xì)胞上只有一根纖毛，它們的長度短于鞭毛，不會自我擺動，只會隨著液體流動而偏轉(zhuǎn)方向。到了十九世紀(jì)末期，隨著細(xì)胞生物學(xué)和顯微鏡技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)很多真核細(xì)胞表面都有纖毛，如胰臟細(xì)胞、肝細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞等等，纖毛不再是細(xì)胞運動的專利。這打破了人們長久以來對纖毛的常規(guī)認(rèn)識，連細(xì)胞的經(jīng)典結(jié)構(gòu)模型都受到了挑戰(zhàn)!
很多細(xì)胞上都長了纖毛：標(biāo)記綠色熒光的是細(xì)胞纖毛，藍(lán)色熒光的是細(xì)胞核。
(圖片來源：www.genengnews.com)
1968年，美國科學(xué)家索羅金(Sorokin)通過電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)這類纖毛的微管骨架與動纖毛不同，為了加以區(qū)分，它們被命名為“初級纖毛”(primary cilia)，或者叫靜纖毛[3]。
這根纖毛不會擺動，也不會幫助細(xì)胞運動，卻是細(xì)胞上的“望樓”天線系統(tǒng)。
纖毛短，鞭毛長。不停擺動是鞭毛，可動可靜是纖毛。(圖片來源：網(wǎng)絡(luò))
細(xì)胞的“通訊天線”
如果把細(xì)胞比作一座長安城，那么纖毛就是城中的一座“望樓”。望樓里有精心挑選的武侯，掌握一套繁復(fù)有序的密碼通信系統(tǒng)。纖毛里也有傳訊的“武侯”。這些“武侯”分為兩類，一類負(fù)責(zé)維持纖毛結(jié)構(gòu)，一類負(fù)責(zé)信號傳遞?！拔浜睢笔殞⑹拐麄€細(xì)胞城陷入混亂與危險。
負(fù)責(zé)維持纖毛結(jié)構(gòu)的“武侯”被稱作纖毛內(nèi)轉(zhuǎn)運蛋白(IFT)，它們在纖毛里來來回回地搬運物質(zhì)，保證“望樓”的正常運營。這類蛋白發(fā)生突變會直接影響纖毛的形成，好比八丈高的望樓變成了一丈，視野受限，收到的信號也不一樣了。2000年的時候，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，如果突變小鼠的一個IFT基因，不僅纖毛生成受到影響，突變小鼠還會因為嚴(yán)重的多囊腎綜合癥導(dǎo)致出生致死[4]。這也是第一次纖毛的功能真正受到研究者們的重視，而距離初級纖毛的命名已有半個世紀(jì)之久。
負(fù)責(zé)信號傳遞的“武侯”有很多。它們有的向細(xì)胞內(nèi)的重要決策機構(gòu)“靖安司”——細(xì)胞核——發(fā)送信息。這些“武侯”是纖毛上的受體蛋白，它們是細(xì)胞接收信號的起點。比如，Sonic Hedgehog是與癌癥發(fā)生密切相關(guān)的一個細(xì)胞信號通路，它的受體蛋白PTCH1位于纖毛上，當(dāng)PTCH1離開纖毛時，會傳遞信號至細(xì)胞核，激活核內(nèi)的部分癌基因轉(zhuǎn)錄，加速細(xì)胞分裂增殖。
纖毛還充當(dāng)著細(xì)胞“信號增強接收器 ”的角色。初級纖毛突出于細(xì)胞表面，纖毛膜又有豐富的脂筏，上面分布了大量受體和離子通道。纖毛的體積很小，這方便了它迅速改變受體分布和下游分子濃度，可以將外界信號更快速地傳遞至細(xì)胞內(nèi)部。在神經(jīng)系統(tǒng)中，聽覺、視覺、嗅覺分別通過纖毛傳遞聲波、光線、氣味等信號。
比如視網(wǎng)膜色素變性蛋白和視網(wǎng)膜色素變性G蛋白調(diào)控因子都位于光感受器中特異化的纖毛上。纖毛的缺陷會導(dǎo)致光感受器細(xì)胞外段的視色素蛋白不能得到及時補充，使視力下降乃至失明。內(nèi)臟細(xì)胞通過纖毛感受周圍激素和離子濃度變化，進(jìn)而改變細(xì)胞分裂增殖和代謝穩(wěn)態(tài)。內(nèi)臟細(xì)胞的纖毛發(fā)生缺陷的典型例子就是多囊腎，這也是研究最多的纖毛疾病之一。多囊腎的患者腎細(xì)胞分裂增加，常隨著年齡增大而出現(xiàn)更多的囊腫，并會伴有腎區(qū)疼痛和血尿等，極大地影響了生活質(zhì)量。
有的“武侯”負(fù)責(zé)向遠(yuǎn)處細(xì)胞的“望樓”傳遞信號。這部分“武侯”包括纖毛分泌的小分子或蛋白，它們會隨著體液在身體內(nèi)流動，告訴其他細(xì)胞響應(yīng)環(huán)境變化。這時候纖毛又變成了細(xì)胞的“信號發(fā)射器”。纖毛會向外分泌囊泡(外泌體)，這些囊泡包裹著各種小分子，充當(dāng)著細(xì)胞信使的職責(zé)。比如線蟲神經(jīng)細(xì)胞上的纖毛可以分泌小囊泡進(jìn)行個體間的信息交流。哺乳動物細(xì)胞上的纖毛也可以通過分泌小泡進(jìn)行物質(zhì)交流和信息傳遞[5]。
纖毛內(nèi)轉(zhuǎn)運蛋白在不斷運動(圖片來源：Cold Spring Harbor perspectives in biology)
細(xì)胞上的纖毛并不是一直存在，它會隨著細(xì)胞分裂期消失，在細(xì)胞分裂間期時又重新生成。胚胎發(fā)育是細(xì)胞分裂分化最旺盛的時候，其中一些關(guān)鍵細(xì)胞上的動纖毛在器官形成前集體向左傾斜并帶動周圍液體流動，而附近細(xì)胞上的靜纖毛感受到液體流動方向后通過復(fù)雜的信號傳遞使胚胎發(fā)生不對稱分裂，這樣我們的心臟才能長在左邊。發(fā)育時期纖毛發(fā)生缺陷將導(dǎo)致嚴(yán)重的內(nèi)臟轉(zhuǎn)位等疾病。另外，腫瘤細(xì)胞往往處于高度分裂的狀態(tài)，腫瘤患者的組織中會常常出現(xiàn)纖毛缺失現(xiàn)象，這使得腫瘤細(xì)胞的極性發(fā)生改變，從形態(tài)上就能與正常細(xì)胞相區(qū)分。
細(xì)胞信號通路(圖片來源：CST)
結(jié)語
纖毛的信號傳遞系統(tǒng)十分龐大，它與細(xì)胞內(nèi)的各種信號通路共同組成了龐大的細(xì)胞“輿圖”?！堕L安十二時辰》中至關(guān)重要的長安輿圖，記錄著長安城一百零八坊的大小商戶府邸和暗渠走向，是破案的關(guān)鍵。而細(xì)胞輿圖仍在不斷填充中，細(xì)胞的“大案牘術(shù)”也需要更多科學(xué)家的共同分析完成。
參考文獻(xiàn)
1. Dobell, C., Antony van Leeuwenhoek and his "Little Animals". New York, 1932: p. pp. 164–165.
2. Zimmermann, K.W., Beitrage zur Kenntniss einiger Drusen und Epithelien. Archiv fur Mikroskopische Anatomie, 1898. 52: p. 552-706.
3.Sorokin, S.P., Reconstructions of centriole formation and ciliogenesis in mammalian lungs. 1968(0021-9533 (Print)).
4.Pazour, G.J., et al., Chlamydomonas IFT88 and its mouse homologue, polycystic kidney disease gene tg737, are required for assembly of cilia and flagella. 2000(0021-9525 (Print)).
5. Wang, J. and M.M. Barr, Cell-cell communication via ciliary extracellular vesicles: clues from model systems. Essays Biochem, 2018. 62(2): p. 205-213.
