生命学院梁鑫课题组合作揭示局部主动运输塑造纤毛顶端纳米结构基本原理和全新机制
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清华新闻网5月15日电 细胞结构的多样性是生物体执行复杂生理功能的基础。纤毛是真核细胞表面的重要细胞器，其轴丝结构高度保守，但顶端区域在分子组成与形态上呈现显著多样性。这种纳米尺度的精细结构如何被精准构建，是细胞生物学领域一个尚未解决的重要问题。果蝇作为研究纤毛多样性的理想模型，其机械感觉神经元中的纤毛尖端发育出一个被称为“力感受器（MO）”的特化结构。该结构富集了力敏感离子通道NompC等多种关键分子，负责将机械刺激转化为电信号。因此，探究这一纳米级功能区的形成机制，对于理解机械力信号转导的分子基础，以及阐明纤毛结构多样性与极性建立的原理具有重要意义。
图1.果蝇力感受器（MO）结构
5月4日，清华大学生命学院、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院、疑难重症及罕见病全国重点实验室梁鑫副教授课题组与厦门大学物理科学与技术学院马锐副教授课题组合作，以“局部主动运输塑造机械感觉神经元纤毛顶端的纳米结构”（Localized Active Transport Shapes the Nanoscopic Features at the Tip of Mechanosensory Cilia）为题，在《细胞生物学杂志》（Journal of Cell Biology）上发表研究论文。
研究发现，经典的纤毛内运输系统中的马达kinesin-2并不存在于力感受器中，提示该过程依赖全新机制。团队通过RNA测序分析鉴定出马达蛋白Kif19A。其特异性表达于外周神经元并在MO处富集；敲除该蛋白会导致力敏感通道NompC、微管结合蛋白DCX-EMAP等机械感觉分子在纤毛顶端的定位异常，但不影响纤毛的整体结构。分子机制研究显示，Kif19A单分子在微管上呈现非持续运动，多分子可协同实现向微管正端的持续运动，该运动特性是其体内精准定位与发挥功能的关键。进一步实验证实，Kif19A的运动活性是介导机械感觉分子在顶端富集的必要条件，且可直接驱动NompC与DCX-EMAP定向运输，明确其运输马达功能。
基于上述结果，研究团队提出理论模型：纳米尺度下，局部主动运输与结合位点协同拮抗分子快速扩散，在纤毛尖端建立并维持稳定的分子极性分布。该模型不仅阐明纤毛顶端极性形成机制，也揭示了局部主动运输塑造分子特征、驱动细胞结构多样性的普遍规律。
图2.纳米尺度下分子极性建立的运输模型
清华大学生命学院梁鑫课题组2024届博士毕业生王珊为论文第一作者，清华大学生命学院副教授梁鑫与厦门大学物理科学与技术学院副教授马锐为论文共同通讯作者。清华大学生命学院2023级博士生胡悦婷等为研究工作作出重要贡献。研究得到国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作”重点专项、国家自然科学基金、疑难重症及罕见病全国重点实验室自主研究基金、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院等的支持。
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