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在动物界，从单细胞生物到多细胞生物的运动，纤毛都扮演着至关重要的角色。这是因为它们能够通过微管为基础的结构——轴突，产生有节奏的摆动来推动自己穿过流体。尽管最近的技术进步已经为绿藻等物种的轴突提供了原子级模型，但哺乳动物的轴突结构却仍然不完整。在2023年，《Nature》期刊上发表了一篇名为“Structural diversity of axonemes across mammalian motile cilia”的论文。该论文由来自美国和荷兰的研究团队合作完成，利用冷冻电子显微镜和冷冻电子断层扫描等技术手段，揭示了哺乳动物不同类型运动纤毛中轴突结构的多样性，阐述了这些分子结构如何在不同体型的运动纤毛中发生变化。同时，研究还通过质谱分析，定义了精子鞭毛的双微管，揭示了其特有的蛋白群体以及这些蛋白在纤毛运动和疾病病因学中的潜在作用。这项研究不仅为理解纤毛运动机制提供了新的视角，也有助于揭示纤毛相关疾病和不孕不育的原因。这篇论文研究了哺乳动物运动纤毛中轴突的结构多样性。运动纤毛是由微管为基础的分子机器——轴突驱动其节律性摆动的。虽然已有藻类Chlamydomonas reinhardtii的轴突原子模型，但哺乳动物的轴突结构仍不完整。此外，我们对体内不同运动纤毛细胞类型中轴突的分子结构变化了解不够。研究团队利用冷冻电子显微镜、冷冻电子断层扫描和蛋白质组学技术，解析了来自精子鞭毛和输卵管、脑室及呼吸道上皮纤毛的轴突双微管（DMTs）的96纳米模块重复单元。研究发现，精子DMTs最为特殊，而上皮纤毛在不同组织间仅有细微差异。研究构建了哺乳动物精子DMT模型，确定了181种蛋白质的位置和相互作用，其中包括34种新识别的蛋白质。研究还揭示了辐射辐条3的组成，并发现了与ATP再生和纤毛运动调节相关的激酶结合位点。此外，研究发现了一种精子特有的、轴突结合的T复合物蛋白环复合物（TRiC）伴侣，可能有助于哺乳动物精子长鞭毛的构建或维护。研究还解析了轴突动力蛋白在其预冲程状态下的构象变化，阐明了纤毛运动过程中发生的构象变化。研究结果展示了化学和机械调节元素如何嵌入在轴突中，为理解纤毛病和不孕症的病因提供了宝贵资源，并展示了现代结构生物学的发现能力。研究发现了一种精子特有的、与轴突结合的T复合体蛋白环状复合物（TRiC）伴侣蛋白，可能有助于哺乳动物精子长鞭毛的构建或维护。研究结果展示了化学和机械调节元素如何嵌入在轴突中，为理解纤毛病和不育症的病因提供了宝贵资源，并展示了现代结构生物学的发现能力。研究总结了以下关键发现：首先，哺乳动物上皮细胞的DMTs结构几乎没有区别，反映了上皮纤毛在长度和波形动态上的相似性。然而，精子DMTs显示出额外的复杂性，包括精子特有的蛋白质和结构特征。其次，研究构建了精子96纳米模块重复的原子模型，识别了34种额外的轴突蛋白，其中21种在细胞类型间保守，13种为精子特有。研究还发现了与纤毛病或不育症相关的蛋白质的定位，强调了轴突的复杂互连性。最后，研究揭示了精子特有的RS结合的TRiC伴侣蛋白，可能在精子长微管的构建中发挥重要作用。这些发现为理解纤毛的结构多样性及其在正常功能和疾病中的作用提供了新的视角。
研究通过高分辨率的结构分析，显著扩展了我们对运动纤毛的分子组成及其在生理和病理状态下功能的理解。1. 纤毛疾病和不孕症的病因学理解：该研究的成果为理解纤毛病和不孕症的病因提供了重要的结构生物学资源。通过揭示轴突内嵌的化学和机械调节元素，该研究帮助识别出与这些疾病相关的潜在结构缺陷。2. 纤毛功能多样性的分子基础：研究展示了哺乳动物运动纤毛在不同细胞类型的结构差异，这些差异可能解释了纤毛在正常功能及疾病状态下的多样性。比如，精子鞭毛的结构具有更高的复杂性，这可能与其在生殖过程中的关键功能相关。3. 纤毛相关遗传病的潜在靶点：通过识别纤毛结构中与疾病相关的蛋白质，研究为潜在的基因治疗或药物开发提供了新的靶点。这对治疗影响纤毛功能的遗传疾病，如原发性纤毛运动障碍（PCD），具有重要意义。4. 男性不育症的研究进展：精子特异性蛋白质的鉴定为男性不育症的诊断和治疗提供了新的洞察。这些蛋白质可能成为未来男性避孕药物开发的目标。
论文使用先进的结构生物学技术来解析哺乳动物运动纤毛的轴突结构。1. 冷冻电子显微镜（cryo-EM）和冷冻电子断层扫描（cryo-ET）：这些技术用于重建来自不同哺乳动物组织（如牛的精子鞭毛和上皮纤毛）的双微管（DMTs）的96纳米重复模块，这些技术可以在近原子分辨率下观察生物大分子结构。2. 蛋白质组学分析：结合蛋白质组学来识别和确认在结构中定位的蛋白质。通过质谱分析，研究人员能够识别出96纳米重复模块中的181种蛋白质，其中包括34种新发现的蛋白质。3. 模型构建和人工智能：利用人工智能辅助的建模技术，研究团队构建了牛精子DMT的详细原子模型，并定义了蛋白质的位置和相互作用，这使得他们能够比较不同类型纤毛的结构特征。4. 蛋白质特异性分析：通过比较不同类型运动纤毛（如精子和上皮纤毛）之间的结构，研究人员发现了精子纤毛DMTs的独特复杂性和特有的蛋白质，比如TRiC分子伴侣。
图1：不同哺乳动物细胞类型运动纤毛的96纳米轴丝重复单元的冷冻电镜重建图
Figure 1 展示了来自不同哺乳动物细胞类型的运动纤毛的96纳米轴丝重复单元的冷冻电镜重建图，旨在比较不同细胞类型中运动纤毛的结构特征。
A. 为了研究牛精子鞭毛的96纳米重复单元结构，作者通过冷冻电镜对双联微管进行了纵向和横截面观察。结果显示，主要轴丝复合体被赋予了不同的颜色，而双联微管显示为灰色。
B. 为了研究牛输卵管纤毛的96纳米重复单元结构，作者通过冷冻电镜对双联微管进行了纵向和横截面观察。结果显示，主要轴丝复合体被赋予了不同的颜色，而双联微管显示为灰色。
C. 为了研究猪脑室纤毛的96纳米重复单元结构，作者通过冷冻电镜对双联微管进行了纵向和横截面观察。结果显示，主要轴丝复合体被赋予了不同的颜色，而双联微管显示为灰色。
D. 为了研究人类呼吸道纤毛的96纳米重复单元结构，作者通过冷冻电镜对双联微管进行了纵向和横截面观察。结果显示，主要轴丝复合体被赋予了不同的颜色，而双联微管显示为灰色。此重建图为EMD-35888。
结论：通过冷冻电镜重建图，展示了不同哺乳动物细胞类型中运动纤毛的96纳米轴丝重复单元的结构特征，为理解纤毛的功能提供了结构基础。
图2：新鉴定的精子特异性和疾病相关的轴突蛋白
Figure 2 识别出了一些新的轴突蛋白，这些蛋白与精子特异性和疾病相关性有关。
a. 为了识别新的轴突蛋白，研究人员在本研究中鉴定了34种新分配的轴突蛋白，其中21种为在不同细胞类型中保守的“通用”蛋白（蓝色），13种为精子特异性蛋白（粉色）。需要注意的是，CCDC63、DNAH8、DNAH17和RSPH6A之前已被发现是精子特异性的轴突蛋白，但在此处再次强调。
b. 为了研究与不育症和其他运动纤毛病相关的蛋白质，研究人员对这些蛋白质进行了颜色编码，标记其在人类或模型生物中破坏后导致的缺陷：红色表示精子鞭毛缺陷，黄色表示其他运动纤毛缺陷，橙色表示两者皆有缺陷。
C. 为了进一步研究SATB2表达细胞的分布，作者对D120的对照组、患者组、敲入组和救援组类器官进行了SATB2的免疫染色。
结论：研究识别出了一些新的精子特异性和疾病相关的轴突蛋白，为理解不育症和运动纤毛病提供了新的视角。
Figure 3 展示了哺乳动物精子中RS（纤毛辐射状结构）的结构，通过将RS蛋白的原子模型与牛精子的冷冻电镜密度图进行拟合，揭示了RSs的详细结构信息。
作者将RS蛋白的原子模型（用颜色标记）与牛精子的冷冻电镜密度图（轮廓显示）进行拟合，通过这种方法详细展示RSs的结构特征。
图4：精子特异性桶状结构是一个RS锚定的TRiC伴侣蛋白
Figure 4 通过质谱分析探讨了PIDD1突变体和MDLS类器官中蛋白质通路的失调情况。
a. 为了研究TRiC伴侣蛋白在精子中的定位，作者通过结构分析发现TRiC悬挂在RS1和RS2之间。
b. 为了探讨TRiC与RS1的相互作用，作者分析了TRiC与RGS22和AK8之间的小界面接触。
c. 为了揭示TRiC与RS2的连接机制，作者发现TRiC通过一个尚未鉴定的连接蛋白（灰色）锚定在DNAJB13和NME5上。
d. 为了确定桶状结构中亚基的顺序，作者基于TRiC固有的不对称性，并通过与酵母TRiC结构的比较，确定了亚基的排列顺序。星号标记了RS锚定的TRiC中远端环（靠近RS2）的未鉴定腔内密度，该密度与酵母TRiC中辅伴侣蛋白Plp2的结合位点不同。
结论：TRiC伴侣蛋白在精子中通过特定的结构和连接蛋白锚定在RS1和RS2之间，展示了其在精子中的特异性定位和功能。
Figure 5 展示了IDAf在中风前后的构象变化，以及其与相邻DMT的相互作用模型。
A. 分子表面表示图比较了本研究中解析的中风前状态（上图）和在EMD-35888中解析并在PDB 8J07中建模的中风后状态（下图）。通过分子表面表示，可以观察到IDAf在中风前后的结构变化。
B. 模型展示了IDAf在中风前后状态下如何与相邻DMT的B-微管相互作用。使用来自完整四膜虫（Tetrahymena thermophila）轴突（EMD-9023）的子断层图平均值来建模相邻DMT的位置，以展示IDAf在不同状态下的相互作用模式。
结论：图5通过分子表面表示和相互作用模型，揭示了IDAf在中风前后的构象变化及其与相邻DMT的相互作用方式。
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这项研究通过低温电子显微镜和蛋白质组学技术，揭示了哺乳动物运动纤毛中轴突的结构多样性。研究发现，在哺乳动物体内，不同类型运动纤毛的轴突结构存在显著差异。精子鞭毛的双联微管（DMTs）比上皮纤毛更加专业化，而上皮纤毛在不同组织中的差异较小。研究团队构建了哺乳动物精子DMT的模型，确定了181种蛋白质的位置和相互作用，其中包括34种新识别的蛋白质。结果显示，精子特异的T-复合体蛋白环复合体可能有助于精子长鞭毛的构建或维护。此外，研究揭示了与纤毛运动调节相关的激酶结合位点及化学和机械调节在轴突结构中的嵌入方式。
研究显示，上皮细胞的DMTs几乎无法区分，差异仅限于特定的微管内蛋白和相关蛋白。然而，精子的DMTs显示出更高的复杂性，包括精子特有的蛋白质和复合结构。这种复杂性可能是由于精子鞭毛的长度和刚性不同于上皮纤毛。精子特异性蛋白质是额外的，而不是替代上皮纤毛中的蛋白质，这表明在进化过程中，精子DMTs的复杂性是通过增加额外的亚基而不是重塑DMT蛋白质组而来的。这项研究提供了纤毛病和不育症病因学的新见解，并强调了现代结构生物学的发现能力。研究结果可能为理解纤毛病和不育症的病因提供有价值的资源，并为未来开发新的男性避孕药物或治疗提供潜在靶点。![]()
