最新研究揭示氧化還原信號調控多纖毛協調性擺動

　　纖毛（也稱鞭毛）作為一種真核生物突出在細胞表面的保守細胞器，可以行使感受、分泌和運動等功能。生殖細胞精子的單根鞭毛和原生生物如衣藻的雙根鞭毛可以通過擺動產生的動力來推動細胞體的定向游動。分布在人體呼吸道、輸卵管和腦室細胞表面成簇的多纖毛可通過協調性的擺動推動細胞表面的液體定向流動，從而分別完成粘液清除、卵子轉移、腦脊液信號分子擴散等功能。這些纖毛的協調性運動一旦遭到破壞，會造成哮喘、不孕、腦積水等纖毛病。然而，學界尚不清楚纖毛協調性擺動的分子機制。

　　中國科學院水生生物研究所研究員黃開耀學科組和中國海洋大學教授趙呈天團隊合作，揭示CYB5D1蛋白在調控纖毛協調性擺動中的關鍵作用。CYB5D1含有heme-binding和cordon-bleu ubiquitin兩個保守的結構域，在具有動纖毛的物種中高度保守。利用CRSPR-Cas9技術敲除斑馬魚中的CYB5D1之后，在胚胎發育階段斑馬魚的耳石數目增多，這與運動纖毛中輻條蛋白突變體的表型類似。隨后，研究人員利用正向遺傳學的方法，獲得了CYB5D1衣藻突變株。突變體細胞的游動速率明顯比野生型慢，其游動路徑曲折且經常出現原地打轉的情況（圖1）。利用高頻顯微鏡觀察發現，野生型細胞的兩根鞭毛呈現協調性擺動，即兩根鞭毛同時向前或向后擺動，像蛙泳一樣推動細胞向前移動。而突變體的兩根鞭毛擺動是不協調的，一根向前的時候一根向后；或一根正常擺動的時候，另外一根突然縮回來，造成細胞左右搖擺或沿一個方向打轉。進一步的分析發現，突變體鞭毛的擺動不協調其主要由順-鞭毛的擺動缺陷造成（靠近眼點的為順-鞭毛，另一根為反-鞭毛）（圖1）。同樣，斑馬魚CYB5D1突變體中的耳泡和嗅球中的纖毛擺動的協調性也遭到嚴重破壞，表明CYB5D1調節纖毛協調性擺動的機制具有物種的保守性。

　　生化及遺傳分析發現，CYB5D1是纖毛輻輪（Radial Spoke）家族的新成員，并定位于其中段（Stalk）（圖2）。CYB5D1的N端的heme-binding domain可結合heme，且這種結合是氧化還原依賴的，即只有氧化形式的CYB5D1才能特異地與heme結合。CYB5D1突變后鞭毛內的氧化還原態勢比野生型的明顯下降。研究人員利用氧化劑處理突變體發現，原來遭到破壞的纖毛擺動協調性得到了明顯拯救（圖2）。

　　該研究表明，氧化還原是一種全新的調控纖毛協調性擺動的信號。CYB5D1可以整合環境和細胞內的氧化還原信號，通過調控纖毛內的氧化還原態來調控協調性擺動 （圖2）。衣藻兩根鞭毛對氧化還原信號的反應存在差異，這也是衣藻改變游動方向的基礎。該研究揭示了氧化還原在纖毛協調性擺動中的關鍵作用，為通過調控纖毛的氧化還原態來治療纖毛病提供了基礎。

　　相關研究成果以Heme-binding protein CYB5D1 is a radial spoke component required for coordinated ciliary beating為題，發表在PNAS上。水生所博士趙麗娟和中國海洋大學博士謝海波為論文的共同第一作者，水生所博士生林軼文和助理研究員劉蓋參與了相關工作，趙呈天和黃開耀為論文的共同通訊作者。參與該項目的還有美國康涅狄格大學健康中心教授Stephen M. King團隊。研究工作得到國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項、山東省海洋S&T基金、美國國立衛生研究院的資助。

圖1.CYB5D1在多纖毛協調性擺動中發揮關鍵作用。（A）CYB5D1缺失導致斑馬魚耳石數目增加。（B）CYB5D1缺失導致衣藻運動缺陷。野生型的游動軌跡呈長線型，且光滑。突變體的游動軌跡是短線型，且扭曲。（C）CYB5D1缺失導致衣藻鞭毛協調性擺動缺陷。野生型兩根鞭毛同時向上或下擺動，細胞體沿直線向前移動。突變體兩根鞭毛擺動不一致，順纖毛在完成自下而上的擺動之后突然收回，導致細胞體向著順鞭毛方向轉動。（D）CYB5D1缺失導致衣藻鞭毛擺動模式缺陷。在一個擺動周期內野生型兩根鞭毛平掃面積是相同的，而突變體的順鞭毛的平掃面積只有反鞭毛的一半。

圖2.CYB5D1作為保守的輻條蛋白家族的新成員，通過調控纖毛內的氧化還原信號以控制多纖毛的協調性擺動。（A）CYB5D1定位于纖毛軸絲。mC::CYB5D1紅色熒光被IFT46::YFP綠色熒光所覆蓋，IFT46是鞭毛膜和纖毛基質的成分，表面CYB5D1屬于鞭毛軸絲蛋白。（B）CYB5D1定位于鞭毛軸絲運動相關復合體輻條的中段。（C）氧化還原調控纖毛的協調性擺動。還原劑處理之后野生型細胞纖毛的擺動協調性比例下降，氧化劑之后突變體細胞纖毛的擺動協調性比例明顯上升。（D）還原劑處理不影響突變體纖毛擺動的協調性，而氧化劑處理可以拯救突變體纖毛擺動的不協調性。（E）CYB5D1以氧化依賴的形式結合heme，并將纖毛內的氧化還原信號自中央微管（PF20，PP2C）-輻條頭部（RSP1，RSP9）-輻條中段（RSP5，CYB5D1）-內動力臂（PP2A，IDA4，IDA5）-外動力臂招募復合體（DC3）。