初級(jí)纖毛的研究進(jìn)展

王新 宋慶高 何葦

[摘要]初級(jí)纖毛是近年來生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。它存在于各種細(xì)胞表面，體形微小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有重要的感官作用，可感知細(xì)胞外機(jī)械和化學(xué)信號(hào)變化，并協(xié)助其轉(zhuǎn)導(dǎo)至細(xì)胞內(nèi)部引發(fā)相應(yīng)細(xì)胞應(yīng)答。它自身組裝、維持和分解所需的蛋白質(zhì)，需要一組纖毛內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白來完成，即纖毛內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)（intraflagellar transport，IFT）。近年研究表明，初級(jí)纖毛與多種先天性疾病密切相關(guān)。隨著免疫熒光染色、共聚焦顯微鏡觀察等新實(shí)驗(yàn)方法的應(yīng)用，人們對(duì)初級(jí)纖毛及IFT系統(tǒng)有了更深入的了解，為進(jìn)一步指導(dǎo)纖毛相關(guān)疾病的干預(yù)診療奠定了基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]初級(jí)纖毛；纖毛內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)（IFT）：先天性疾??；細(xì)胞應(yīng)答；轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白

[中圖分類號(hào)]R329.2+6

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1008-6455（2016）02-0098-03

初級(jí)纖毛屬于纖毛的一種，它自身不能合成其組裝、維持和分解所需的蛋白質(zhì)。Kozminski等研究發(fā)現(xiàn)，雙鞭毛綠藻和Chlamydomonas內(nèi)有顆?？焖龠\(yùn)動(dòng)，纖毛內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)（IFT，intraflagellar transport）被發(fā)現(xiàn)幾乎是所有真核細(xì)胞纖毛裝配、維持和分解所必須的機(jī)制。Gregory等研究發(fā)現(xiàn)初級(jí)纖毛與多種先天性疾病密切相關(guān)。

1 初級(jí)纖毛的結(jié)構(gòu)

初級(jí)纖毛是一種高度保守非擺動(dòng)型的特殊細(xì)胞器，長(zhǎng)度從幾微米到2mm不等，直徑約0.25μm。Satir P.等發(fā)現(xiàn)，初級(jí)纖毛在多數(shù)脊椎動(dòng)物細(xì)胞生命歷程的一些特定時(shí)期才表達(dá)。掃描電鏡發(fā)現(xiàn)，每個(gè)細(xì)胞只存在一條初級(jí)纖毛。它由纖毛膜、基質(zhì)和軸絲（axoneme）3部分組成。纖毛膜與細(xì)胞膜在結(jié)構(gòu)上是延續(xù)的，但膜蛋白組分有所不同，它含有多種特異性受體、離子通道及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白等，是初級(jí)纖毛發(fā)揮生理功能所必需的；基質(zhì)主要由一些可溶性的蛋白組成，包括用于纖毛組裝和周轉(zhuǎn)的蛋白；軸絲則是纖毛的骨架結(jié)構(gòu)，由微管（microtubule，MT）和附屬蛋白結(jié)構(gòu)組成。Rix S.等在激光共聚焦顯微鏡下清晰的觀察到了細(xì)胞初級(jí)纖毛的成像，由此進(jìn)一步認(rèn)為細(xì)胞初級(jí)纖毛底部由gamma tubulin組成，頂部由acetylated tubulin組成。

2 IFT系統(tǒng)的組成

初級(jí)纖毛自身不能合成其組裝、維持和分解所需的蛋白質(zhì)，如果要發(fā)揮正向轉(zhuǎn)運(yùn)和逆向轉(zhuǎn)運(yùn)的功能，就必須依賴于纖毛內(nèi)運(yùn)輸IFT系統(tǒng)，即纖毛內(nèi)運(yùn)輸?shù)鞍祝↖FT顆粒）在纖毛膜下沿著軸絲微管的雙向物質(zhì)運(yùn)輸。

IFT系統(tǒng)是一種多蛋白復(fù)合物，具有雙向轉(zhuǎn)運(yùn)功能，包括IFT運(yùn)動(dòng)蛋白（Kinesin-II和Dynein-2），IFT轉(zhuǎn)運(yùn)單位（IFT particle subunits：復(fù)合體A和復(fù)合體B），纖毛基部的BBSome多蛋白復(fù)合物，以及被轉(zhuǎn)運(yùn)的分子（cargomolecules）。Kinesin-II負(fù)責(zé)正向轉(zhuǎn)運(yùn)，從纖毛底部轉(zhuǎn)運(yùn)到纖毛項(xiàng)部，在脊椎動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)了兩種Kinesin-II蛋白，一種是Kinesin-II家族蛋白3A（KIF3A） IKIF3BIKAP3，另一種是KIF3A/KIF3C/KAP3。Dynein-2負(fù)責(zé)負(fù)向轉(zhuǎn)運(yùn)，大部分集中在纖毛基部[ll]。根據(jù)其蛋白輕重鏈的組成分為輕鏈LC，中鏈D2IC，輕中鏈D2LIC，重鏈DYNC2HI，IFT轉(zhuǎn)運(yùn)單位包含正向轉(zhuǎn)運(yùn)的IFT復(fù)合體A（IFT complex A）和逆向轉(zhuǎn)運(yùn)的IFT復(fù)合體B（IFT complex B）。復(fù)合體A和復(fù)合體B是運(yùn)動(dòng)蛋白與被轉(zhuǎn)運(yùn)分子之間的轉(zhuǎn)接器。復(fù)合體A分子量550KD，沉降系數(shù)16.2-16.4s，包含IFT144，IFT140，IFT139，IFT122， IFT121，IFT43。復(fù)合體B分子量710760KD，沉降系數(shù)16s，包含IFT172，IFT88，IFT81，IFT80， IFT74/IFT72， IFT70， IFT57， IFT54， IFT52，IFT46， IFT27， IFT25， IFT22，IFT20。IFT8l和IFT74/IFT72組成四聚體復(fù)合物，并與IFT88、IFT52、IFT46、IFT27相互作用形成復(fù)合體B的核心，IFT172參與形成復(fù)合體B的外圍。IFT轉(zhuǎn)運(yùn)單位與被轉(zhuǎn)運(yùn)的分子結(jié)合，將被轉(zhuǎn)運(yùn)的分子轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞纖毛的頂部，或者從項(xiàng)部轉(zhuǎn)運(yùn)到底部，這些被轉(zhuǎn)運(yùn)的分子可能是形成軸絲的結(jié)構(gòu)成分，也可能是運(yùn)動(dòng)纖毛的膜受體，或者其他的信號(hào)分子，如NGD5（一種鴉片受體），也被IFT轉(zhuǎn)運(yùn)。BBSome是纖毛基部的組成成分，它可以促進(jìn)IFT顆粒組裝和纖毛的生成。BBSome是纖毛病一巴德一畢德氏綜合癥（BBS）基因所編碼的，它一個(gè)復(fù)雜的八聚體，由七種高度保守的BardetBiedl svndrome（BBS）蛋白（BBSI、BBS2、BBS4、BBS5、BBS7、BBS8、BBS9）和BBIPIO組成。

3 IFT系統(tǒng)的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制

初級(jí)纖毛對(duì)力學(xué)信號(hào)的傳遞也有完善的負(fù)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制。研究表明，當(dāng)細(xì)胞感受到外界力學(xué)信號(hào)的刺激時(shí)，細(xì)胞內(nèi)的Ca2+和cAMP的濃度增高，使IFT合成初級(jí)纖毛的速度增加，初級(jí)纖毛的長(zhǎng)度變長(zhǎng)，而變長(zhǎng)的初級(jí)纖毛能抑制細(xì)胞對(duì)流體剪切力做出進(jìn)一步的反應(yīng)，從而使初級(jí)纖毛的合成減慢或者終I卜，可見初級(jí)纖毛通過改變長(zhǎng)度可以調(diào)節(jié)細(xì)胞對(duì)外界力學(xué)刺激的敏感度。

Qin等采用免疫印跡法研究發(fā)現(xiàn)單位長(zhǎng)度纖毛上的IFT顆粒濃度相同，并證實(shí)了顆粒在基部和頂端均會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變。IFT顆粒聚集在移行纖維的基體部，細(xì)胞通過控制IFT顆粒進(jìn)入纖毛及返回胞體時(shí)所攜帶的貨物量而調(diào)節(jié)纖毛長(zhǎng)度（纖毛生長(zhǎng)時(shí)，每個(gè)進(jìn)入纖毛的顆粒攜帶貨物，而返回基體的顆粒則是空的；達(dá)到適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度時(shí)，進(jìn)入纖毛和返回基體的IFT顆粒所攜帶貨物量相等，而解聚時(shí)則相反）。DRC4是一種保守的纖毛軸絲蛋白，也是IFT系統(tǒng)中被運(yùn)輸物質(zhì)中的成員。DRC4蛋白在纖毛的組裝期間被IFT復(fù)合體轉(zhuǎn)運(yùn)。研究發(fā)現(xiàn)IFT復(fù)合體參與轉(zhuǎn)運(yùn)DRC4，將其從胞漿轉(zhuǎn)運(yùn)至纖毛內(nèi)，DRC4被IFT復(fù)合體釋放后，便與游離的纖毛軸絲結(jié)合位點(diǎn)相結(jié)合。這些軸絲結(jié)合位點(diǎn)的可利用率決定了它與DRC4的結(jié)合時(shí)間。研究還發(fā)現(xiàn)在纖毛的組裝完成之前，即短纖毛狀態(tài)時(shí)，即使是DRC4的胞漿總量降低時(shí)，也會(huì)激發(fā)DRC4被大量地轉(zhuǎn)運(yùn)至纖毛內(nèi)。

4 初級(jí)纖毛與相關(guān)疾病

初級(jí)纖毛具有感官作用，可感知細(xì)胞外機(jī)械刺激和化學(xué)信號(hào)變化，并協(xié)助其轉(zhuǎn)導(dǎo)至細(xì)胞內(nèi)部，IFT系統(tǒng)中任何一個(gè)蛋白發(fā)生突變都會(huì)導(dǎo)致初級(jí)纖毛形態(tài)改變或缺失、感官功能減弱。初級(jí)纖毛參與調(diào)控細(xì)胞的分裂過程，在四膜蟲內(nèi)敲除Kinesin-II基因，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞分裂溝正常，但后而不能正常分裂為兩個(gè)獨(dú)立的細(xì)胞。IFT調(diào)控器官的左右對(duì)稱發(fā)育，如人心臟在胚胎發(fā)育早期，是右向環(huán)發(fā)育，而到胚胎發(fā)育晚期是左向環(huán)生長(zhǎng)，敲除KIF3A或者KIF3B轉(zhuǎn)基因鼠發(fā)現(xiàn)，心臟發(fā)育隨機(jī)的存在左右不對(duì)稱。視神經(jīng)退行性病變也與IFT有關(guān)，敲除IFT88基因的小鼠發(fā)生視神經(jīng)退行性病變。IFT異常可引發(fā)多囊腎病。腎上皮細(xì)胞初級(jí)纖毛是一種單個(gè)的僅幾微米的非運(yùn)動(dòng)性結(jié)構(gòu)，分布于頂膜并突入囊腔中。研究發(fā)現(xiàn)纖毛蛋白如cystin、polaris和Kine sin-ll等的病變可導(dǎo)致多囊腎病。最新研究發(fā)現(xiàn)，纖毛也影響腫瘤的生成，IFT20在卵巢正常組織、良性腫瘤、交界性腫瘤和卵巢癌組織中有表達(dá)，且與卵巢腫瘤的臨床分期、病理分級(jí)及淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移密切相關(guān)。IFT20蛋白表達(dá)程度同樣是影響卵巢癌的預(yù)后因素。下丘腦神經(jīng)元細(xì)胞的細(xì)胞初級(jí)纖毛調(diào)節(jié)飲食平衡，敲除IFT88或者KIF3A的鼠顯著比對(duì)照組鼠肥胖。

隨著對(duì)多種初級(jí)纖毛相關(guān)疾病的深入了解，科學(xué)家們對(duì)于初級(jí)纖毛的結(jié)構(gòu)、功能及其內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)（IFT），與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑及組織臟器發(fā)育的關(guān)系，以及在各種相關(guān)疾病發(fā)病機(jī)制中的作用又有了新的認(rèn)識(shí)。相信這些努力將對(duì)推動(dòng)初級(jí)纖毛的進(jìn)一步探索研究具有積極意義，并將為初級(jí)纖毛及IFT蛋白相關(guān)疾病的干預(yù)和治療提供更廣闊的前景。