清華新聞網(wǎng)12月4日電 機(jī)械力信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)是細(xì)胞將胞外機(jī)械力信號(hào)轉(zhuǎn)換為胞內(nèi)信號(hào)的過(guò)程，它是觸覺(jué)、痛覺(jué)、平衡覺(jué)等重要生理學(xué)過(guò)程的細(xì)胞生物學(xué)基礎(chǔ)。在這一過(guò)程中，感受神經(jīng)元中的力敏感離子通道可以將環(huán)境中的機(jī)械力刺激轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，而細(xì)胞膜和細(xì)胞骨架等支撐結(jié)構(gòu)則決定了力信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的敏感性。清華大學(xué)生命學(xué)院梁鑫課題組在前序工作中發(fā)現(xiàn)果蠅I型機(jī)械力感受神經(jīng)元樹(shù)突頂端存在特化的纖毛結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中存在著由非中心體微管構(gòu)成的高級(jí)細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)支撐和力學(xué)感受雙重功能。
為深入了解上述細(xì)胞骨架的結(jié)構(gòu)及其發(fā)生的分子機(jī)制，梁鑫課題組進(jìn)一步應(yīng)用基于電子斷層成像的三維電鏡重建技術(shù)在近分子水平的分辨率上原位解析了上述細(xì)胞骨架的高級(jí)結(jié)構(gòu)，并結(jié)合活體細(xì)胞顯微成像技術(shù)測(cè)量了微管纖維的極性、動(dòng)力學(xué)及穩(wěn)定性。接著，研究者們結(jié)合遺傳學(xué)，行為學(xué)，單分子體外生化方法，電生理和在體鈣成像功能分析等多種手段，發(fā)現(xiàn)微管切割蛋白Kat-60L1具有特異性的表達(dá)模式和空間定位，而且能夠調(diào)控該類(lèi)感受神經(jīng)元對(duì)機(jī)械力信號(hào)響應(yīng)的敏感性。進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)分析表明，該分子通過(guò)與其它微管結(jié)合蛋白協(xié)同能夠綜合調(diào)控特化纖毛結(jié)構(gòu)中微管的數(shù)量和長(zhǎng)度，并進(jìn)而精確調(diào)控了纖毛內(nèi)特化微管細(xì)胞骨架的三維塑型，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)纖毛結(jié)構(gòu)形態(tài)及功能的最優(yōu)化。
圖1.力感受神經(jīng)元中特化纖毛內(nèi)基于微管的細(xì)胞骨架三維結(jié)構(gòu)
這一系列的工作解析了機(jī)械力感受神經(jīng)元中特化細(xì)胞骨架的三維結(jié)構(gòu)，并初步揭示了其形成的分子機(jī)制，為進(jìn)一步了解生物體感受機(jī)械力信號(hào)的分子基礎(chǔ)打開(kāi)了大門(mén)。同時(shí)，本工作也首次應(yīng)用電子斷層成像的方法對(duì)神經(jīng)元樹(shù)突末梢中高密度的骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了在體原位分析，為解析該類(lèi)復(fù)雜結(jié)構(gòu)發(fā)生的分子機(jī)制提供了新的實(shí)驗(yàn)方法。以該工作為基礎(chǔ)，梁鑫課題組于2020年12月2日在《細(xì)胞生物學(xué)雜志》（Journal of Cell Biology）在線(xiàn)發(fā)表了題為“Katanin p60-like 1塑型力感受纖毛中細(xì)胞骨架”（Katanin p60-like 1 Sculpts the Cytoskeleton in Mechanosensory Cilia）的研究論文，該論文也將作為封面論文刊登于2021年首期《細(xì)胞生物學(xué)雜志》。
清華大學(xué)生命學(xué)院梁鑫研究員為本文的通訊作者，課題組博士后孫蘭弟博士，2017級(jí)博士生崔立虹和2015級(jí)博士生劉真為該論文共同第一作者，王琦軒、薛兆玉和吳孟華等同學(xué)參與了部分研究工作。清華大學(xué)Jose Pastor課題組和倪建泉課題組為該研究工作提供了重要的轉(zhuǎn)基因工具果蠅品系。本工作的開(kāi)展獲得了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家基金委、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心以及北京結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心競(jìng)爭(zhēng)性項(xiàng)目的支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1083/jcb.202004184
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：呂婷
