初級纖毛的研究進展

王新 宋慶高 何葦

[摘要]初級纖毛是近年來生物醫學領域的一個研究熱點。它存在于各種細胞表面，體形微小，結構復雜，具有重要的感官作用，可感知細胞外機械和化學信號變化，并協助其轉導至細胞內部引發相應細胞應答。它自身組裝、維持和分解所需的蛋白質，需要一組纖毛內轉運蛋白來完成，即纖毛內轉運系統（intraflagellar transport，IFT）。近年研究表明，初級纖毛與多種先天性疾病密切相關。隨著免疫熒光染色、共聚焦顯微鏡觀察等新實驗方法的應用，人們對初級纖毛及IFT系統有了更深入的了解，為進一步指導纖毛相關疾病的干預診療奠定了基礎。

[關鍵詞]初級纖毛；纖毛內轉運（IFT）：先天性疾病；細胞應答；轉運蛋白

[中圖分類號]R329.2+6

[文獻標志碼]A

[文章編號]1008-6455（2016）02-0098-03

初級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。Kozminski等研究發現，雙鞭毛綠藻和Chlamydomonas內有顆粒快速運動，纖毛內轉運（IFT，intraflagellar transport）被發現幾乎是所有真核細胞纖毛裝配、維持和分解所必須的機制。Gregory等研究發現初級纖毛與多種先天性疾病密切相關。

1 初級纖毛的結構

初級纖毛是一種高度保守非擺動型的特殊細胞器，長度從幾微米到2mm不等，直徑約0.25μm。Satir P.等發現，初級纖毛在多數脊椎動物細胞生命歷程的一些特定時期才表達。掃描電鏡發現，每個細胞只存在一條初級纖毛。它由纖毛膜、基質和軸絲（axoneme）3部分組成。纖毛膜與細胞膜在結構上是延續的，但膜蛋白組分有所不同，它含有多種特異性受體、離子通道及信號轉導蛋白等，是初級纖毛發揮生理功能所必需的；基質主要由一些可溶性的蛋白組成，包括用于纖毛組裝和周轉的蛋白；軸絲則是纖毛的骨架結構，由微管（microtubule，MT）和附屬蛋白結構組成。Rix S.等在激光共聚焦顯微鏡下清晰的觀察到了細胞初級纖毛的成像，由此進一步認為細胞初級纖毛底部由gamma tubulin組成，頂部由acetylated tubulin組成。

2 IFT系統的組成

初級纖毛自身不能合成其組裝、維持和分解所需的蛋白質，如果要發揮正向轉運和逆向轉運的功能，就必須依賴于纖毛內運輸IFT系統，即纖毛內運輸蛋白（IFT顆粒）在纖毛膜下沿著軸絲微管的雙向物質運輸。

IFT系統是一種多蛋白復合物，具有雙向轉運功能，包括IFT運動蛋白（Kinesin-II和Dynein-2），IFT轉運單位（IFT particle subunits：復合體A和復合體B），纖毛基部的BBSome多蛋白復合物，以及被轉運的分子（cargomolecules）。Kinesin-II負責正向轉運，從纖毛底部轉運到纖毛項部，在脊椎動物中發現了兩種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負責負向轉運，大部分集中在纖毛基部[ll]。根據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轉運單位包含正向轉運的IFT復合體A（IFT complex A）和逆向轉運的IFT復合體B（IFT complex B）。復合體A和復合體B是運動蛋白與被轉運分子之間的轉接器。復合體A分子量550KD，沉降系數16.2-16.4s，包含IFT144，IFT140，IFT139，IFT122， IFT121，IFT43。復合體B分子量710760KD，沉降系數16s，包含IFT172，IFT88，IFT81，IFT80， IFT74/IFT72， IFT70， IFT57， IFT54， IFT52，IFT46， IFT27， IFT25， IFT22，IFT20。IFT8l和IFT74/IFT72組成四聚體復合物，并與IFT88、IFT52、IFT46、IFT27相互作用形成復合體B的核心，IFT172參與形成復合體B的外圍。IFT轉運單位與被轉運的分子結合，將被轉運的分子轉運到細胞纖毛的頂部，或者從項部轉運到底部，這些被轉運的分子可能是形成軸絲的結構成分，也可能是運動纖毛的膜受體，或者其他的信號分子，如NGD5（一種鴉片受體），也被IFT轉運。BBSome是纖毛基部的組成成分，它可以促進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，它一個復雜的八聚體，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系統的轉運機制

初級纖毛對力學信號的傳遞也有完善的負反饋調節機制。研究表明，當細胞感受到外界力學信號的刺激時，細胞內的Ca2+和cAMP的濃度增高，使IFT合成初級纖毛的速度增加，初級纖毛的長度變長，而變長的初級纖毛能抑制細胞對流體剪切力做出進一步的反應，從而使初級纖毛的合成減慢或者終I卜，可見初級纖毛通過改變長度可以調節細胞對外界力學刺激的敏感度。

Qin等采用免疫印跡法研究發現單位長度纖毛上的IFT顆粒濃度相同，并證實了顆粒在基部和頂端均會發生相應改變。IFT顆粒聚集在移行纖維的基體部，細胞通過控制IFT顆粒進入纖毛及返回胞體時所攜帶的貨物量而調節纖毛長度（纖毛生長時，每個進入纖毛的顆粒攜帶貨物，而返回基體的顆粒則是空的；達到適當的長度時，進入纖毛和返回基體的IFT顆粒所攜帶貨物量相等，而解聚時則相反）。DRC4是一種保守的纖毛軸絲蛋白，也是IFT系統中被運輸物質中的成員。DRC4蛋白在纖毛的組裝期間被IFT復合體轉運。研究發現IFT復合體參與轉運DRC4，將其從胞漿轉運至纖毛內，DRC4被IFT復合體釋放后，便與游離的纖毛軸絲結合位點相結合。這些軸絲結合位點的可利用率決定了它與DRC4的結合時間。研究還發現在纖毛的組裝完成之前，即短纖毛狀態時，即使是DRC4的胞漿總量降低時，也會激發DRC4被大量地轉運至纖毛內。

4 初級纖毛與相關疾病

初級纖毛具有感官作用，可感知細胞外機械刺激和化學信號變化，并協助其轉導至細胞內部，IFT系統中任何一個蛋白發生突變都會導致初級纖毛形態改變或缺失、感官功能減弱。初級纖毛參與調控細胞的分裂過程，在四膜蟲內敲除Kinesin-II基因，發現細胞分裂溝正常，但后而不能正常分裂為兩個獨立的細胞。IFT調控器官的左右對稱發育，如人心臟在胚胎發育早期，是右向環發育，而到胚胎發育晚期是左向環生長，敲除KIF3A或者KIF3B轉基因鼠發現，心臟發育隨機的存在左右不對稱。視神經退行性病變也與IFT有關，敲除IFT88基因的小鼠發生視神經退行性病變。IFT異常可引發多囊腎病。腎上皮細胞初級纖毛是一種單個的僅幾微米的非運動性結構，分布于頂膜并突入囊腔中。研究發現纖毛蛋白如cystin、polaris和Kine sin-ll等的病變可導致多囊腎病。最新研究發現，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，且與卵巢腫瘤的臨床分期、病理分級及淋巴結轉移密切相關。IFT20蛋白表達程度同樣是影響卵巢癌的預后因素。下丘腦神經元細胞的細胞初級纖毛調節飲食平衡，敲除IFT88或者KIF3A的鼠顯著比對照組鼠肥胖。

隨著對多種初級纖毛相關疾病的深入了解，科學家們對于初級纖毛的結構、功能及其內轉運系統（IFT），與信號轉導途徑及組織臟器發育的關系，以及在各種相關疾病發病機制中的作用又有了新的認識。相信這些努力將對推動初級纖毛的進一步探索研究具有積極意義，并將為初級纖毛及IFT蛋白相關疾病的干預和治療提供更廣闊的前景。