初级纤毛的研究进展

王新 宋庆高 何苇

[摘要]初级纤毛是近年来生物医学领域的一个研究热点。它存在于各种细胞表面，体形微小，结构复杂，具有重要的感官作用，可感知细胞外机械和化学信号变化，并协助其转导至细胞内部引发相应细胞应答。它自身组装、维持和分解所需的蛋白质，需要一组纤毛内转运蛋白来完成，即纤毛内转运系统（intraflagellar transport，IFT）。近年研究表明，初级纤毛与多种先天性疾病密切相关。随着免疫荧光染色、共聚焦显微镜观察等新实验方法的应用，人们对初级纤毛及IFT系统有了更深入的了解，为进一步指导纤毛相关疾病的干预诊疗奠定了基础。

[关键词]初级纤毛；纤毛内转运（IFT）：先天性疾病；细胞应答；转运蛋白

[中图分类号]R329.2+6

[文献标志码]A

[文章编号]1008-6455（2016）02-0098-03

初级纤毛属于纤毛的一种，它自身不能合成其组装、维持和分解所需的蛋白质。Kozminski等研究发现，双鞭毛绿藻和Chlamydomonas内有颗粒快速运动，纤毛内转运（IFT，intraflagellar transport）被发现几乎是所有真核细胞纤毛装配、维持和分解所必须的机制。Gregory等研究发现初级纤毛与多种先天性疾病密切相关。

1 初级纤毛的结构

初级纤毛是一种高度保守非摆动型的特殊细胞器，长度从几微米到2mm不等，直径约0.25μm。Satir P.等发现，初级纤毛在多数脊椎动物细胞生命历程的一些特定时期才表达。扫描电镜发现，每个细胞只存在一条初级纤毛。它由纤毛膜、基质和轴丝（axoneme）3部分组成。纤毛膜与细胞膜在结构上是延续的，但膜蛋白组分有所不同，它含有多种特异性受体、离子通道及信号转导蛋白等，是初级纤毛发挥生理功能所必需的；基质主要由一些可溶性的蛋白组成，包括用于纤毛组装和周转的蛋白；轴丝则是纤毛的骨架结构，由微管（microtubule，MT）和附属蛋白结构组成。Rix S.等在激光共聚焦显微镜下清晰的观察到了细胞初级纤毛的成像，由此进一步认为细胞初级纤毛底部由gamma tubulin组成，顶部由acetylated tubulin组成。

2 IFT系统的组成

初级纤毛自身不能合成其组装、维持和分解所需的蛋白质，如果要发挥正向转运和逆向转运的功能，就必须依赖于纤毛内运输IFT系统，即纤毛内运输蛋白（IFT颗粒）在纤毛膜下沿着轴丝微管的双向物质运输。

IFT系统是一种多蛋白复合物，具有双向转运功能，包括IFT运动蛋白（Kinesin-II和Dynein-2），IFT转运单位（IFT particle subunits：复合体A和复合体B），纤毛基部的BBSome多蛋白复合物，以及被转运的分子（cargomolecules）。Kinesin-II负责正向转运，从纤毛底部转运到纤毛项部，在脊椎动物中发现了两种Kinesin-II蛋白，一种是Kinesin-II家族蛋白3A（KIF3A） IKIF3BIKAP3，另一种是KIF3A/KIF3C/KAP3。Dynein-2负责负向转运，大部分集中在纤毛基部[ll]。根据其蛋白轻重链的组成分为轻链LC，中链D2IC，轻中链D2LIC，重链DYNC2HI，IFT转运单位包含正向转运的IFT复合体A（IFT complex A）和逆向转运的IFT复合体B（IFT complex B）。复合体A和复合体B是运动蛋白与被转运分子之间的转接器。复合体A分子量550KD，沉降系数16.2-16.4s，包含IFT144，IFT140，IFT139，IFT122， IFT121，IFT43。复合体B分子量710760KD，沉降系数16s，包含IFT172，IFT88，IFT81，IFT80， IFT74/IFT72， IFT70， IFT57， IFT54， IFT52，IFT46， IFT27， IFT25， IFT22，IFT20。IFT8l和IFT74/IFT72组成四聚体复合物，并与IFT88、IFT52、IFT46、IFT27相互作用形成复合体B的核心，IFT172参与形成复合体B的外围。IFT转运单位与被转运的分子结合，将被转运的分子转运到细胞纤毛的顶部，或者从项部转运到底部，这些被转运的分子可能是形成轴丝的结构成分，也可能是运动纤毛的膜受体，或者其他的信号分子，如NGD5（一种鸦片受体），也被IFT转运。BBSome是纤毛基部的组成成分，它可以促进IFT颗粒组装和纤毛的生成。BBSome是纤毛病一巴德一毕德氏综合症（BBS）基因所编码的，它一个复杂的八聚体，由七种高度保守的BardetBiedl svndrome（BBS）蛋白（BBSI、BBS2、BBS4、BBS5、BBS7、BBS8、BBS9）和BBIPIO组成。

3 IFT系统的转运机制

初级纤毛对力学信号的传递也有完善的负反馈调节机制。研究表明，当细胞感受到外界力学信号的刺激时，细胞内的Ca2+和cAMP的浓度增高，使IFT合成初级纤毛的速度增加，初级纤毛的长度变长，而变长的初级纤毛能抑制细胞对流体剪切力做出进一步的反应，从而使初级纤毛的合成减慢或者终I卜，可见初级纤毛通过改变长度可以调节细胞对外界力学刺激的敏感度。

Qin等采用免疫印迹法研究发现单位长度纤毛上的IFT颗粒浓度相同，并证实了颗粒在基部和顶端均会发生相应改变。IFT颗粒聚集在移行纤维的基体部，细胞通过控制IFT颗粒进入纤毛及返回胞体时所携带的货物量而调节纤毛长度（纤毛生长时，每个进入纤毛的颗粒携带货物，而返回基体的颗粒则是空的；达到适当的长度时，进入纤毛和返回基体的IFT颗粒所携带货物量相等，而解聚时则相反）。DRC4是一种保守的纤毛轴丝蛋白，也是IFT系统中被运输物质中的成员。DRC4蛋白在纤毛的组装期间被IFT复合体转运。研究发现IFT复合体参与转运DRC4，将其从胞浆转运至纤毛内，DRC4被IFT复合体释放后，便与游离的纤毛轴丝结合位点相结合。这些轴丝结合位点的可利用率决定了它与DRC4的结合时间。研究还发现在纤毛的组装完成之前，即短纤毛状态时，即使是DRC4的胞浆总量降低时，也会激发DRC4被大量地转运至纤毛内。

4 初级纤毛与相关疾病

初级纤毛具有感官作用，可感知细胞外机械刺激和化学信号变化，并协助其转导至细胞内部，IFT系统中任何一个蛋白发生突变都会导致初级纤毛形态改变或缺失、感官功能减弱。初级纤毛参与调控细胞的分裂过程，在四膜虫内敲除Kinesin-II基因，发现细胞分裂沟正常，但后而不能正常分裂为两个独立的细胞。IFT调控器官的左右对称发育，如人心脏在胚胎发育早期，是右向环发育，而到胚胎发育晚期是左向环生长，敲除KIF3A或者KIF3B转基因鼠发现，心脏发育随机的存在左右不对称。视神经退行性病变也与IFT有关，敲除IFT88基因的小鼠发生视神经退行性病变。IFT异常可引发多囊肾病。肾上皮细胞初级纤毛是一种单个的仅几微米的非运动性结构，分布于顶膜并突入囊腔中。研究发现纤毛蛋白如cystin、polaris和Kine sin-ll等的病变可导致多囊肾病。最新研究发现，纤毛也影响肿瘤的生成，IFT20在卵巢正常组织、良性肿瘤、交界性肿瘤和卵巢癌组织中有表达，且与卵巢肿瘤的临床分期、病理分级及淋巴结转移密切相关。IFT20蛋白表达程度同样是影响卵巢癌的预后因素。下丘脑神经元细胞的细胞初级纤毛调节饮食平衡，敲除IFT88或者KIF3A的鼠显著比对照组鼠肥胖。

随着对多种初级纤毛相关疾病的深入了解，科学家们对于初级纤毛的结构、功能及其内转运系统（IFT），与信号转导途径及组织脏器发育的关系，以及在各种相关疾病发病机制中的作用又有了新的认识。相信这些努力将对推动初级纤毛的进一步探索研究具有积极意义，并将为初级纤毛及IFT蛋白相关疾病的干预和治疗提供更广阔的前景。