1月8日，國際學術期刊Nature Communications在線發(fā)表了中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心（生物化學與細胞生物學研究所）叢堯研究組、朱學良研究組和上海交通大學醫(yī)學院附屬新華醫(yī)院鄢秀敏研究組的最新合作研究成果“Multi-scale structures of the mammalian radial spoke and divergence of axonemal complexes in ependymal cilia”。該研究綜合應用冷凍電鏡（cryo-EM）、冷凍電子斷層重構（cryo-ET）、質譜、細胞生物學及生物化學方法，首次解析了哺乳動物輻射軸頭–頸部（RS head-neck）復合體的近原子分辨率冷凍電鏡結構，揭示了其組裝機制及調(diào)控纖毛不對稱擺動的結構機制，還解析了腦室管膜纖毛軸絲的首個原位cryo-ET結構，展示了與精子鞭毛和呼吸道纖毛軸絲的差異。這些研究發(fā)現(xiàn)為原發(fā)性纖毛運動障礙和弱精子癥的病因學提供了重要線索。

　　輻射軸（RS）是由二十多個蛋白質組成的T形復合物，在動纖毛的中央微管（central pair，CP）和軸絲動力蛋白臂之間傳輸機械、化學信號，以協(xié)調(diào)纖毛運動。RS head-neck相關基因的突變與原發(fā)性纖毛運動障礙（PCD）及弱精癥密切相關。然而，哺乳動物RS的結構信息仍十分有限。該合作研究團隊之前報道了首個3.2埃分辨率的RS head core單體的冷凍電鏡結構（W. Zheng, PNAS, 2021），而Alan Brown團隊報道的RS冷凍電鏡結構的head-neck區(qū)域分辨率不高（10.6-13.6埃）（T. Walton，Nature，2023），因此RS head-neck的高分辨率結構仍然缺失。腦室管膜纖毛通過擺動產(chǎn)生單向腦脊液流動，其運動障礙會導致腦脊液流動受阻，與腦積水和特發(fā)性脊柱側凸密切相關，但至今尚無該類纖毛的原位cryo-ET結構。

　　研究團隊體外組裝并解析了哺乳動物RS head-neck復合體的單體和二聚體的首個近原子分辨率（最高至3.14埃）冷凍電鏡結構，闡明了其組成亞基尤其是head-neck之間的相互作用網(wǎng)絡，揭示了二聚體固有的開-關及蹺蹺板式的運動模式（mode of motion），并提出了RS head-neck復合體的逐步組裝機制。通過將已知的 PCD/弱精子癥致病突變映射到 RS head-neck結構上，還揭示了這些基因突變導致PCD和弱精癥的可能致病機理。

　　此外，研究團隊采用了“原代培養(yǎng)–誘導分化”方法，獲得了具有多纖毛的小鼠腦室管膜上皮細胞，并應用 cryo-ET結合子斷層平均（sub-tomo averaging）方法，解析了首個腦室管膜纖毛軸絲的cryo-ET結構，并證明腦室管膜纖毛中原位的RS1/RS2 cryo-ET結構與體外重組的RS head-neck二聚體結構一致。令人驚訝的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，與哺乳動物呼吸道纖毛及精子鞭毛相比，腦室管膜纖毛中缺失內(nèi)動力蛋白臂IDA-b/c/e及微管二連體A管內(nèi)的Tektin纖維，這種組織特異性特征可能代表由室管膜纖毛功能需求驅動的進化選擇。研究人員基于cryo-EM、cryo-ET結構并結合AlphaFold2結構預測，為小鼠腦室管膜纖毛的RS1/RS2/RS3、IDA和N-DRC建立了更完整的多尺度結構模型，其中RS3 head-neck的結構模型為首次報道。結合超高分辨率熒光顯微鏡和生化分析，還新確定了一個位于 RS1 莖干區(qū)域的亞基AK8。通過cryo-EM、cryo-ET多尺度結構整合，揭示了RS和CP之間復雜的相互作用模式，提出了RS固有運動模式協(xié)調(diào)RS-CP相互作用進而介導纖毛不對稱擺動的機制。

　　該研究不僅為理解RS的組裝機制、RS參與調(diào)控纖毛運動的分子機制，以及PCD/弱精子癥的病因學提供了重要線索，還提出了腦室管膜纖毛的組織特異性軸絲結構簡化是自然驅動的進化選擇，提供了關于纖毛在生物體內(nèi)的多樣性和復雜性的深刻理解，對于理解纖毛結構與功能的關系具有重要意義。

　　分子細胞卓越中心博士生蒙學明，博士后徐聰，博士生李佳蔚、仇本華和羅家俊為該論文的共同第一作者。分子細胞卓越中心叢堯研究員、上海交通大學醫(yī)學院附屬新華醫(yī)院鄢秀敏研究員、分子細胞卓越中心朱學良研究員為該論文的共同通訊作者。該研究獲得了中國科學院、基金委、國家科技部、上海市科委等項目的支持，并得到國家蛋白質科學研究（上海）設施的冷凍電鏡系統(tǒng)、質譜系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫與計算分析系統(tǒng)和蛋白質表達純化系統(tǒng)，賽默飛上海納米港，及中國科學院分子植物卓越創(chuàng)新中心質譜平臺的大力支持。

　　文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-44577-1 

　　圖（A）鼠源RS head-neck復合體的單體（monomer）和二聚體（dimer）的冷凍電鏡結構。（B）已知引起PCD及弱精癥的突變（綠色球表示）在原子模型上的位置。（C）腦室管膜纖毛的cryo-ET原位結構（左），及RS3頭部的結構模型（右）。（D）腦室管膜纖毛結構（藍色）的組織特異性。相比于呼吸道纖毛（黃色）和精子鞭毛（綠色），其IDA-b/c/e及其微管二連體的A管內(nèi)Tektin纖維缺失。（E）腦室管膜纖毛軸絲的多尺度結構。（F）提出的“RS-CP”之間的相互作用模式。