纤毛，或鞭毛-细胞上的鞭状附属物-执行各种任务，以保持身体健康。当纤毛出现故障时，后果可能是毁灭性的，导致一系列的问题，从失明，到肺部和肾脏疾病，再到先天性心脏缺陷。现在，科学家首次对纤毛的内部结构进行了详细的观察。
新发现的结构提供了一个起点，开始探索纤毛在发育过程中是如何组装的，它们在细胞的生命周期中是如何维持的，以及如果这些复杂分子机器中的一些齿轮发生突变或缺失，它们可能会如何功能失调。从藻类到人类，这些微观分子机器的结构在生物体细胞中很常见，它可能会回答有关人类健康和疾病的问题。
这项研究由圣路易斯华盛顿大学医学院和哈佛医学院的研究人员共同完成，最近发表在《细胞》杂志上。
“这项新研究令人兴奋，因为它填补了许多关于纤毛结构的缺失信息，”华盛顿大学生物化学和分子生物物理学助理教授、资深作者张锐说。“当纤毛不能正常工作时，不好的事情就会发生。我们需要知道这种结构的细节，以便开发疾病的治疗方法，或者制定策略，防止在早期胚胎中可能出现的发育缺陷，如果纤毛没有正常功能的话。”
在呼吸道，纤毛移动粘液，保护病毒和细菌疾病。在生殖道，它们推动精子使卵子受精。纤毛在大脑、肾脏、胰腺和骨骼生长中也起着重要的作用。在发育的最初阶段，胚胎中专门的纤毛的旋转运动定义了身体的左右不对称和器官的位置。如果没有正常的纤毛，心脏可能无法到达它应该在的左侧，也可能无法正常工作。
纤毛与多种人类疾病有关，包括影响约60万美国人并需要透析的多囊肾病;原发性纤毛运动障碍，可导致慢性肺部疾病、器官错位和不孕;导致儿童失明并导致糖尿病、肾病和极端肥胖的巴蒂特-比德尔综合征;还有许多先天性心脏缺陷，当左右不对称出错时，需要复杂的手术才能修复。
在这项新的研究中，研究人员使用了一种被称为单粒子冷冻电子显微镜的技术，首次观察了排列在纤毛内的33种特定蛋白质——纤毛微管双峰结构——它们严格按照重复的模式排列。
“在这项工作之前，所有人都认为这些纤毛内的蛋白质只是稳定了结构，这对于一部分蛋白质来说是正确的，尤其是当你考虑到纤毛持续跳动产生的力量时，”张说。“但基于它们在这个结构内部的排列方式，我们相信这些蛋白质正在做更多的事情。”
由于许多蛋白质通过纤毛突出，Zhang和他的同事推测，它们可能允许纤毛微管双胞内外的通讯;控制使重要生化反应成为可能的酶的功能;感知环境中钙离子浓度的变化，这在触发纤毛的跳动中起着作用。
华盛顿大学遗传学教授Susan K. Dutcher说:“在鉴定出的蛋白质中，有五种与在小鼠和人类身上研究过的疾病有关。”但直到现在，没有人知道这些蛋白质是在纤毛内发现的。我们才刚刚开始了解它们在正常和疾病状态下的作用。”
研究人员研究了一种被称为reinhardtii衣藻的藻类的纤毛。衣藻是一种单细胞生物，其纤毛结构和生化结构与包括人类在内的更复杂的生物相似。Dutcher感兴趣的一个问题是，组成纤毛结构的蛋白质如何控制纤毛的运动类型。单细胞C的纤毛。reinhardtii能够做不止一种运动。
“在某些情况下，纤毛的作用可能被认为是乳房中风，”Dutcher说。在另一些情况下，这种运动更像是一个s形波。哺乳动物的许多细胞的纤毛只能产生其中一种运动。但是单细胞C。也许是为了帮助适应环境，reinhardtii可以在两者之间切换。这就是为什么我们在一所医学院研究藻类——我们可以在这些生物体纤毛中研究的遗传问题与可能发生在人类身上的相似，通常会带来灾难性的后果。”
Zhang、Dutcher和他们的同事计划使用最新的冷冻电子显微镜技术来研究纤毛内33种蛋白质中每一种的衣藻突变体，以寻求从这一新而详细的结构知识中产生的许多问题的答案。
这项工作得到了美国国立卫生研究院(NIH)的国立普通医学科学研究所(NIGMS)的支持，资助号为R01GM032843;国际视网膜研究基金会;盲人基金会;史密斯家族基金会;还有皮尤慈善信托基金。
Ma M, Stoyanova M, Rademacher G, Dutcher SK, Brown A, Zhang R.装饰纤毛双微管的结构。细胞。2019年10月31日。
华盛顿大学医学院(Washington University School of Medicine)的1500名教员也是巴尼斯犹太医院(Barnes-Jewish)和圣约瑟夫医院(St。路易的儿童医院。医学院在医学研究、教学和病人护理方面处于领先地位，在《美国新闻与世界报道》(U.S. News &世界报道。通过与巴尼斯犹太医院(Barnes-Jewish)和圣路易斯儿童医院(St. Louis Children’s hospitals)的合作，医学院与BJC HealthCare建立了联系。
最初由医学院出版
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://source.wustl.edu/2019/11/scientists-unravel-mysteries-of-cells-whiplike-extensions/