纖毛基體的原位結(jié)構(gòu)揭示了鞭毛內(nèi)運(yùn)輸復(fù)合物的逐步組裝機(jī)制

纖毛（cilia），又稱為鞭毛（flagella），是突起于真核細(xì)胞表面的一類重要細(xì)胞器，在細(xì)胞運(yùn)動，胚胎發(fā)育，信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等過程中發(fā)揮重要作用【1】。纖毛主要由基體（basal body）、軸絲（axoneme）、纖毛膜（ciliary membrane）和纖毛基質(zhì)組成，二聯(lián)管（microtubule doublets, MTDs）作為軸絲從基體中的三聯(lián)管（microtubule triplets, MTTs）中延伸出來，被纖毛膜所包被

在纖毛基體處，一個被稱為過渡區(qū)（transition zone，TZ）的特化區(qū)域可以調(diào)節(jié)膜結(jié)合和可溶纖毛蛋白的進(jìn)入與離開【3】。在眾多門控功能中，TZ被認(rèn)為是可以調(diào)節(jié)鞭毛內(nèi)運(yùn)輸（intraflagellar transport，IFT）——由驅(qū)動蛋白和動力蛋白作為馬達(dá)介導(dǎo)鞭毛基體與頂端之間的雙向運(yùn)輸【4】。IFT對于纖毛的組裝和穩(wěn)定至關(guān)重要，一系列IFT蛋白和馬達(dá)殘留在纖毛基體等待以進(jìn)入纖毛【5】。然而，這些蛋白是如何組裝成為復(fù)雜的IFT復(fù)合物從而沿著纖毛軸絲運(yùn)動是仍待解釋的問題。  

 通過cryo-ET技術(shù)，作者觀察到了不同類型的結(jié)構(gòu)附著在了MTD上，斷層子近端直徑約為180nm的TZ區(qū)域被表面的Y-li[x]nk和腔內(nèi)的星狀纖維所占據(jù)。星狀纖維在橫截面中可見組裝為9點(diǎn)星，同時組裝為6-螺旋重復(fù)的圓柱體，每一循環(huán)高度為49.2nm，與MTD的A3原纖維相結(jié)合，縱向周期為8.1nm。Y-li[x]nk將MTD與纖毛膜相連接并且?guī)椭T控轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入和離開纖毛，結(jié)構(gòu)中揭示了Y-li[x]nk結(jié)合MTDA9、A10、B1～B4原纖維結(jié)合，縱向周期為8.3nm，但是結(jié)構(gòu)中Y-li[x]nk外部與纖毛膜結(jié)合密度可能由于高動態(tài)性沒有被解析出來。

而在遠(yuǎn)端區(qū)域，有一個不同的螺旋密度包裹在MTD周圍，稱之為MTD鞘，由于其在近端缺乏而存在于遠(yuǎn)端，作者因此做出假設(shè)這一結(jié)構(gòu)可能幫助調(diào)節(jié)軸絲剪切并在此過程中遺失。

 IFT蛋白定位于臨近纖毛基體，但是其結(jié)構(gòu)組裝方式多年來仍然未知。在解析到的cryo-ET結(jié)構(gòu)中，作者觀察到像纖維絲一樣的粒子，位于過渡纖維之間，其一個末端與TZ相接觸，另外一個末端則伸向細(xì)胞質(zhì)。根據(jù)斷層子圖平均作者得到了粒子復(fù)合物的完整結(jié)構(gòu)，為IFT復(fù)合物。作者發(fā)現(xiàn)IFT復(fù)合物在成熟和組裝狀態(tài)呈現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)，在成熟狀態(tài)中（纖毛內(nèi)部），IFT為延伸的直鏈狀態(tài)，由IFT-B（黃色）、IFT-A（橙色）和動力蛋白-1b（紅色）組成，而其靠近TZ區(qū)域，則組裝復(fù)合物變得較為柔性，且彎曲率變大，同時可以看見IFT-A和動力蛋白-1b未被組裝上來。

為了更好地分析IFT組裝或成熟狀態(tài)與TZ區(qū)域之間的關(guān)系，作者通過利用原始的顆粒分子信息勾畫了每個IFT復(fù)合物在組裝狀態(tài)或成熟狀態(tài)的組成成分分布圖，累積曲線展示不同組分非常清晰的分布關(guān)系，IFT-B從頭到尾一直存在，而隨著從遠(yuǎn)端（頭部）到近端（尾部），動力蛋白-1b及隨后的IFT-A逐漸消失。將組裝狀態(tài)與成熟狀態(tài)做比較，可以看到成熟狀態(tài)中間部分的IFT-ABD亞基數(shù)目更多，而未成熟狀態(tài)近端（尾部）的IFT-B亞基延伸得則更長。

驅(qū)動蛋白-2由于小分子量和動態(tài)性，難以通過cryo-ET進(jìn)行定位及解析，因此作者轉(zhuǎn)向使用U-ExM來檢測驅(qū)動蛋白-2在IFT組裝狀態(tài)上的分布情況，通過熒光可以觀察到驅(qū)動蛋白-2、動力蛋白-1b、IFT-B。其分布與cryo-ET的結(jié)果較為類似，IFT-B的長度比IFT-A和動力蛋白-1b長，而驅(qū)動蛋白-2長度短，且更靠近IFT的遠(yuǎn)端（頭部）。IFT的雙組分標(biāo)記熒光證實(shí)了IFT-A比驅(qū)動蛋白-2延伸得更長，而IFT-B比IFT-A延伸得更長。同時也可以看到IFT在TZ中呈現(xiàn)出9次重復(fù)。

綜上，作者通過結(jié)合cryo-ET和U-ExM提供了IFT復(fù)合物組裝的空間時序過程，IFT-B首先形成骨架，然后從頭部到尾部招募IFT-A、動力蛋白-1b并結(jié)合在驅(qū)動蛋白-2上。但是仍有遺留的問題在本篇文章中沒有被解決，IFT進(jìn)入纖毛是如何被調(diào)節(jié)的，比如組裝狀態(tài)的纖毛的頭部是如何被阻止進(jìn)入纖毛的？作者給出的可能解釋是TZ處的調(diào)控因子可能調(diào)節(jié)驅(qū)動蛋白-2的載入、MTD鞘作為屏障阻止小的IFT復(fù)合物進(jìn)入或者額外的IFT-B相關(guān)的分子作為制動器阻止進(jìn)入。