1月26日，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）研究员丛尧团队与朱学良团队的最新合作研究成果以distinct architecture and composition of mouse axonemal radial spoke head revealed by cryo-em为题，在线发表在pnas上。该研究综合应用冷冻电镜、细胞生物学及生物化学方法，首次解析了鼠源辐射轴头部复合体的3.2埃分辨率冷冻电镜结构，揭示了高等动物辐射轴复合体在进化过程中的差异，以及辐射轴在纤毛摆动过程中发挥作用的结构机制。
辐射轴（radial spoke，rs）是从轴丝二联微管伸出的由二十多个亚基形成的超大分子复合体。在运动纤毛或鞭毛中，rs头部接触中央微管（central pair，cp）附属结构，将机械信号和化学信号从中央微管传输到轴突动力蛋白臂，从而发挥协调纤毛运动的功能。尽管rs组分在进化中得以保留，但rs头部复合体在原生动物和后生动物之间的形态差异较大，并且rs头部组分的基因突变与表现为复发性气管炎、不育和内脏倒位等病征的原发性纤毛运动障碍（primary ciliary dyskinesia，pcd）密切关联。以往对rs的研究主要应用冷冻电子断层重构（cryo-et）技术，分辨率较低，并且主要集中在低等生物。虽然近期原生生物衣藻的rs结构研究取得进展，但尚无高分辨率的高等动物rs结构，制约了对纤毛摆动分子机制的理解。
科研人员在小鼠原代培养细胞中检测了rs同源蛋白的纤毛定位情况，结合体外生化实验发现小鼠rs头部复合体由rsph1、rsph3b、rsph4a及rsph9亚基组成，缺少rsph6a和rsph10b（其直系同源物存在于原生动物的rs头中），与衣藻中的组成成分差异较大，并且存在组织特异性表达（图a）。研究表明，在进化过程中，生物为适应不同条件下的运动环境产生了有一定差异的rs，进而产生了不同的纤毛摆动方式。
科研人员解析了鼠源rs头部复合体3.2埃分辨率的冷冻电镜结构，并开展了从头建模，此为首个高等动物rs头部复合体的原子结构（图b、c）。该结构呈二重对称的“刹车片”状结构，其中rsph4a与rsph9形成紧凑的“身体”，伸展着两个由rsph1形成的扭曲状的长臂，同时可通过rsph3b背侧连接到rs的茎部。研究发现，多种pcd致病性突变发生在可能对该复合体的组装或稳定性至关重要的位点（图d），可导致辐射轴头部组装异常，进而引起纤毛摆动异常。此外，结合多尺度结构信息的建模分析表明，rs头部可以通过齿状rsph4a区域刚性地或通过其伸展的双臂弹性地接触cp的周期性突起（图e），以此优化rs-cp的相互作用和机械信号转导，进而精确控制纤毛的摆动。该研究首次解析了在高等动物纤毛运动中起关键作用的rs头部复合体的高分辨率冷冻电镜结构，阐明了辐射轴和中央微管附属结构的相互作用方式，为研究纤毛摆动的分子机制提供了重要的结构基础，并揭示了相关基因突变导致pcd的可能病因。
分子细胞卓越中心丛尧团队郑伟，朱学良团队李凡为论文共同第一作者；丛尧、朱学良和研究员鄢秀敏为论文共同通讯作者。该研究获得分子细胞卓越中心研究员鲍岚、李典范、周兆才以及清华大学教授潘俊敏的支持。研究工作得到国家科技部、国家自然科学基金委员会和中科院等的支持，并获得国家蛋白质科学研究（上海）设施的冷冻电镜系统、质谱系统、数据库与计算分析系统及蛋白质表达纯化系统的支持。
（a）mepc的免疫荧光显示rsph1，rsph3b，rsph4a，rsph9和rsph10b（而不是rsph6a）位于纤毛轴突中。（b）、（c）rs头部复合体的3.2埃分辨率冷冻电镜结构及其原子模型。（d）已知引起pcd的突变mapping到原子模型上。绿色球代表与pcd相关的突变。（e）rs头部与中央微管附属结构相互作用的两种可能模式。
研究团队单位：分子细胞科学卓越创新中心
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