欧光朔课题组发表文章揭示了分子马达在纤毛内的离轴运动和功能

发布日期:2020-07-13

2020年4月27日,清华大学生命科学院欧光朔实验室在The EMBO Journal杂志发表了题为“纤毛内运输驱动蛋白的适度离轴运动调控感觉纤毛的结构和功能”( Optimal sidestepping of intraflagellar transport kinesins regulates structure and function of sensory cilia)的文章,报道分子马达在纤毛内的离轴运动和功能。

分子马达的离轴运动由Ron Vale在1987年在体外实验中发现的:动力蛋白沿微管的运动并不限制在特定的微管原丝上,而是在微管的13根原丝之间转换轨道。离轴运动本身指示力矩生成。后续的研究工作表明离轴运动在其他家族的分子马达中普遍发生,但是这些研究都是在体外系统完成的。离轴运动是否在体内发生,力矩生成有何生物学意义,一直是困扰细胞骨架研究领域多年的问题。

观察离轴运动需要成像系统能够在活体细胞内,以毫秒的拍摄速度,分辨微管直径24纳米区间内的侧向位移。欧光朔研究组对分子马达及货物进行26拷贝荧光蛋白的功能性标记,与北京大学陈良怡实验室合作,利用他们开发的海森-结构光照明显微术,在模式动物线虫的神经纤毛内实现了以5纳米的定位精度和3.4毫秒/幅的拍摄速度对由驱动蛋白介导的鞭毛内运输(IFT)进行跟踪观察,记录到驱动蛋白的离轴运动,表明力矩生成(图1)。结合基因组编辑、哑铃光镊试验系统以及电镜技术,欧光朔研究组发现两种驱动蛋白具有不同的力矩生成能力,协同运输货物分子,产生最适离轴运动。上调或下调驱动蛋白的离轴运动能力导致纤毛内双联体微管九次对称性的异常和动物感觉行为的缺失。这项研究提供了分子马达在活体动物内发生离轴运动的证据,阐明了力矩生成的生物学意义。

近期,欧光朔和陈良怡实验室还利用超分辨成像发现膜骨架在纤毛膜上展示出200纳米的周期性分布,为理解纤毛的生物力学支撑提供思路,该工作于2019年发表在《PLOS Biology》。

论文的通讯作者是清华大学欧光朔和北京大学陈良怡教授,清华大学博士研究生解超、北京大学博士研究生李柳菊和清华大学博士后李明是该文章的共同第一作者。光镊实验由慕尼黑工业大学物理系Zeynep Okten实验室完成。本研究工作得到了清华-北大生命科学联合中心、科技部、国家自然科学基金委等相关机构的经费资助。


 原文链接:https://www.embopress.org/doi/full/10.15252/embj.2019103955

           图1. IFT颗粒在纤毛内运输轨迹