11月26日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Nature?Communications在線發(fā)表了中國(guó)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)朱學(xué)良研究組聯(lián)合上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院鄢秀敏課題組的最新合作研究成果“Directional?ciliary beats across epithelia require Ccdc57-mediated coupling between axonemal?orientation and basal body polarity”。該研究揭示了上皮組織運(yùn)動(dòng)纖毛協(xié)調(diào)擺動(dòng)的新調(diào)控機(jī)制。

運(yùn)動(dòng)纖毛是一種進(jìn)化上高度保守的毛狀細(xì)胞器，其核心骨架軸絲(axoneme)是由九組二聯(lián)體微管和一對(duì)中央微管組成的、具有明確朝向(axonemal?orientation, AO)的旋轉(zhuǎn)不對(duì)稱結(jié)構(gòu)。軸絲的二聯(lián)體微管與錨定在細(xì)胞膜上的基體(basal?body)相連，而軸絲上附著的包括分子馬達(dá)在內(nèi)的各種蛋白質(zhì)復(fù)合物使纖毛能沿軸絲方向進(jìn)行周期性的來(lái)回?cái)[動(dòng)。在哺乳動(dòng)物中，運(yùn)動(dòng)纖毛以多纖毛(每個(gè)細(xì)胞數(shù)十到數(shù)百根)的方式廣泛分布于腦室、氣管和輸卵管等上皮組織表面。這些纖毛初始的擺動(dòng)方向是混亂的，它們需要在發(fā)育中逐漸建立平面細(xì)胞極性(planar?cell polarity,?PCP)，即形成組織范圍內(nèi)協(xié)調(diào)統(tǒng)一的擺動(dòng)方向。例如，小鼠腦室管膜上皮細(xì)胞的多纖毛在小鼠出生3天左右才發(fā)生，到21天齡以后才能建立PCP。這樣緩慢的進(jìn)程提示其中過(guò)程的復(fù)雜性。協(xié)調(diào)擺動(dòng)的纖毛驅(qū)使腦脊液、痰液等組織外液定向流動(dòng)，以促進(jìn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)維持、呼吸道清潔和受精卵向子宮的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)纖毛結(jié)構(gòu)和功能的缺陷，會(huì)導(dǎo)致主要病征包括慢性呼吸系統(tǒng)疾病、不孕不育、內(nèi)臟倒位和腦積水的原發(fā)性纖毛運(yùn)動(dòng)障礙(primary?ciliary dyskinesia)。早期研究發(fā)現(xiàn)，纖毛的擺動(dòng)方向還與基體的極性，即基體附屬結(jié)構(gòu)基足(basal foot,?BF)的指向相偶聯(lián)。因此，通常認(rèn)為在纖毛建立PCP的過(guò)程中，纖毛擺動(dòng)方向的改變是細(xì)胞骨架通過(guò)牽拉BF的頂端而旋轉(zhuǎn)整根纖毛的結(jié)果。然而，AO如何與基體極性相偶聯(lián)卻是領(lǐng)域中的空白。而且，如果偶聯(lián)不是從纖毛形成之初就發(fā)生，那現(xiàn)有的理論認(rèn)知或許就需要予以修正。

該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)Ccdc57的進(jìn)化保守性與上皮組織運(yùn)動(dòng)纖毛密切相關(guān)，提示它可能是纖毛PCP的重要調(diào)節(jié)因子。有趣的是，在小鼠腦室管膜上皮細(xì)胞中，Ccdc57呈點(diǎn)狀以旋轉(zhuǎn)不對(duì)稱的方式定位在基體遠(yuǎn)端的管腔內(nèi)，而且伴隨著纖毛PCP的建立，該定位從隨機(jī)變?yōu)闃O化到BF對(duì)側(cè)。Ccdc57基因敲除小鼠出現(xiàn)嚴(yán)重的腦積水和高死亡率。深入的分析發(fā)現(xiàn)，敲除小鼠腦室管膜上皮細(xì)胞內(nèi)不同纖毛能形成協(xié)調(diào)一致的擺動(dòng)，但不同細(xì)胞間卻缺乏統(tǒng)一，這導(dǎo)致腦脊液流動(dòng)異常而引起腦積水和死亡。而且，Ccdc57敲除纖毛的AO與BF是解偶聯(lián)的，因此擺動(dòng)方向與基體極性缺乏相關(guān)性。隨后，研究人員分析了4天齡野生型小鼠細(xì)胞中擺動(dòng)方向混亂的纖毛，發(fā)現(xiàn)其多數(shù)的AO與BF是未偶聯(lián)的，而在擺動(dòng)方向一致的纖毛中AO-BF偶聯(lián)的則占多數(shù)。研究人員還分析了Ccdc57敲除小鼠氣管上皮的多纖毛，發(fā)現(xiàn)其AO-BF偶聯(lián)也存在缺陷。這些研究結(jié)果揭示AO與BF并非從動(dòng)纖毛一發(fā)生就已偶聯(lián)，并說(shuō)明細(xì)胞內(nèi)的纖毛簇可以不依賴于其基體極性的方式形成一致性的擺動(dòng)，但需要偶聯(lián)形成后才能建立PCP。而且，研究人員發(fā)現(xiàn)了首個(gè)介導(dǎo)AO-BF偶聯(lián)的關(guān)鍵因子Ccdc57，并提示在基體遠(yuǎn)端存在一個(gè)包含該蛋白質(zhì)的新結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)在纖毛建立PCP的過(guò)程中鎖定軸絲和基體的極性關(guān)系。這些發(fā)現(xiàn)修訂了領(lǐng)域內(nèi)先前的認(rèn)知，并為理解運(yùn)動(dòng)纖毛PCP的調(diào)節(jié)機(jī)理和相關(guān)病理機(jī)制提供了新視角。

分子細(xì)胞卓越中心與上?？萍即髮W(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生潘新文、分子細(xì)胞卓越中心博士生方楚玉、分子細(xì)胞卓越中心與上?？萍即髮W(xué)聯(lián)合培養(yǎng)碩士生沈川為共同第一作者。分子細(xì)胞卓越中心朱學(xué)良研究員和上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院鄢秀敏研究員為該論文的共同通訊作者。中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所李喜霞高級(jí)工程師等研究人員為合作者。該研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和中國(guó)科學(xué)院的資助，以及中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所生物成像中心，分子細(xì)胞卓越中心細(xì)胞分析技術(shù)平臺(tái)、分子生物學(xué)技術(shù)平臺(tái)，國(guó)家蛋白質(zhì)設(shè)施等的技術(shù)支持。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54766-1

(A)相對(duì)野生型(+/+)小鼠，Ccdc57敲除(-/-)小鼠腦室管膜細(xì)胞多纖毛的基體不能形成一致的極性。Cep164標(biāo)記基體，而Centriolin標(biāo)記基足，箭頭表示基足方向。(B)Ccdc57敲除導(dǎo)致腦室管膜上皮細(xì)胞纖毛驅(qū)動(dòng)的液體流動(dòng)缺乏定向性(紅色箭頭)。(C)模型圖展示新生纖毛的軸絲方向(箭頭)與基足(綠色)在階段I未偶聯(lián)，此時(shí)Ccdc57呈現(xiàn)隨機(jī)的點(diǎn)狀定位(紫紅)。此時(shí)細(xì)胞內(nèi)多纖毛的擺動(dòng)方向是混亂的。在階段II中，細(xì)胞內(nèi)的軸絲方向逐漸統(tǒng)一，其中一部分與基足偶聯(lián)，Ccdc57也相應(yīng)呈現(xiàn)極性定位(紅色)。這時(shí)同一細(xì)胞內(nèi)的多纖毛實(shí)現(xiàn)定向擺動(dòng)，但不同細(xì)胞缺乏一致性。在階段III中，軸絲方向與基體極性完成偶聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)纖毛在組織層面上的定向擺動(dòng)(PCP)。