生命學(xué)院歐光朔實(shí)驗(yàn)室報(bào)道分子馬達(dá)在纖毛內(nèi)的離軸運(yùn)動(dòng)和功能
2020年4月27日，清華大學(xué)生命科學(xué)院歐光朔實(shí)驗(yàn)室在The EMBO Journal雜志發(fā)表了題為“纖毛內(nèi)運(yùn)輸驅(qū)動(dòng)蛋白的適度離軸運(yùn)動(dòng)調(diào)控感覺(jué)纖毛的結(jié)構(gòu)和功能”（ Optimal sidestepping of intraflagellar transport kinesins regulates structure and function of sensory cilia）的文章，報(bào)道分子馬達(dá)在纖毛內(nèi)的離軸運(yùn)動(dòng)和功能。
分子馬達(dá)的離軸運(yùn)動(dòng)由Ron Vale在1987年在體外實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的：動(dòng)力蛋白沿微管的運(yùn)動(dòng)并不限制在特定的微管原絲上，而是在微管的13根原絲之間轉(zhuǎn)換軌道。離軸運(yùn)動(dòng)本身指示力矩生成。后續(xù)的研究工作表明離軸運(yùn)動(dòng)在其他家族的分子馬達(dá)中普遍發(fā)生，但是這些研究都是在體外系統(tǒng)完成的。離軸運(yùn)動(dòng)是否在體內(nèi)發(fā)生，力矩生成有何生物學(xué)意義，一直是困擾細(xì)胞骨架研究領(lǐng)域多年的問(wèn)題。
觀察離軸運(yùn)動(dòng)需要成像系統(tǒng)能夠在活體細(xì)胞內(nèi)，以毫秒的拍攝速度，分辨微管直徑24納米區(qū)間內(nèi)的側(cè)向位移。歐光朔研究組對(duì)分子馬達(dá)及貨物進(jìn)行26拷貝熒光蛋白的功能性標(biāo)記，與北京大學(xué)陳良怡實(shí)驗(yàn)室合作，利用他們開(kāi)發(fā)的海森-結(jié)構(gòu)光照明顯微術(shù)，在模式動(dòng)物線蟲(chóng)的神經(jīng)纖毛內(nèi)實(shí)現(xiàn)了以5納米的定位精度和3.4毫秒/幅的拍攝速度對(duì)由驅(qū)動(dòng)蛋白介導(dǎo)的鞭毛內(nèi)運(yùn)輸（IFT）進(jìn)行跟蹤觀察，記錄到驅(qū)動(dòng)蛋白的離軸運(yùn)動(dòng)，表明力矩生成（圖1）。結(jié)合基因組編輯、啞鈴光鑷試驗(yàn)系統(tǒng)以及電鏡技術(shù)，歐光朔研究組發(fā)現(xiàn)兩種驅(qū)動(dòng)蛋白具有不同的力矩生成能力，協(xié)同運(yùn)輸貨物分子，產(chǎn)生最適離軸運(yùn)動(dòng)。上調(diào)或下調(diào)驅(qū)動(dòng)蛋白的離軸運(yùn)動(dòng)能力導(dǎo)致纖毛內(nèi)雙聯(lián)體微管九次對(duì)稱性的異常和動(dòng)物感覺(jué)行為的缺失。這項(xiàng)研究提供了分子馬達(dá)在活體動(dòng)物內(nèi)發(fā)生離軸運(yùn)動(dòng)的證據(jù)，闡明了力矩生成的生物學(xué)意義。
近期，歐光朔和陳良怡實(shí)驗(yàn)室還利用超分辨成像發(fā)現(xiàn)膜骨架在纖毛膜上展示出200納米的周期性分布，為理解纖毛的生物力學(xué)支撐提供思路，該工作于2019年發(fā)表在《PLOS Biology》。
論文的通訊作者是清華大學(xué)歐光朔和北京大學(xué)陳良怡教授，清華大學(xué)博士研究生解超、北京大學(xué)博士研究生李柳菊和清華大學(xué)博士后李明是該文章的共同第一作者。光鑷實(shí)驗(yàn)由慕尼黑工業(yè)大學(xué)物理系Zeynep Okten實(shí)驗(yàn)室完成。本研究工作得到了清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委等相關(guān)機(jī)構(gòu)的經(jīng)費(fèi)資助。
原文鏈接：https://www.embopress.org/doi/full/10.15252/embj.2019103955
圖1. IFT顆粒在纖毛內(nèi)運(yùn)輸軌跡
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