纖毛或鞭毛(細胞鞭狀附件)執(zhí)行維持身體健康所需的各種任務(wù)。當纖毛失靈時，后果可能是毀滅性的，導(dǎo)致一系列問題，從失明到肺和腎臟疾病，再到先天性心臟缺陷?，F(xiàn)在，科學家們揭示了對纖毛內(nèi)部結(jié)構(gòu)的首次詳細觀察。

新揭示的結(jié)構(gòu)提供了一個起點，可以開始探索纖毛在發(fā)育過程中如何組裝，如何在細胞的整個生命周期內(nèi)維持以及如果這些復(fù)雜分子機器中的某些嵌齒輪發(fā)生突變或缺失，它們可能會變得功能失調(diào)。這些微觀分子機器的結(jié)構(gòu)對于從藻類到人的生物體細胞來說都是潛在的，它將回答有關(guān)人類健康和疾病的問題。

這項研究由圣路易斯華盛頓大學醫(yī)學院和哈佛醫(yī)學院的研究人員最近發(fā)表在《細胞》雜志上。

華盛頓大學生物化學和分子生物物理學助理教授張瑞說：“這項新研究令人興奮，因為它填補了許多關(guān)于纖毛結(jié)構(gòu)的信息。” “當纖毛不能正常工作時，就會發(fā)生不好的事情。我們需要了解結(jié)構(gòu)的細節(jié)，以便開發(fā)出治療疾病的方法，或者是防止纖毛不能正常發(fā)揮作用的早期胚胎發(fā)生發(fā)育缺陷的策略。他們應(yīng)該。”

在呼吸道中，纖毛移動粘液并保護其免受病毒和細菌性疾病的侵害。在生殖道中，它們推動精子使卵子受精。纖毛還可以在大腦，腎臟，胰腺和骨骼生長中執(zhí)行重要任務(wù)。在發(fā)育的最早階段，胚胎中特殊纖毛的旋轉(zhuǎn)運動定義了人體的左右不對稱性以及器官的放置位置。如果沒有正常的纖毛功能，心臟可能不會停留在應(yīng)有的左側(cè)，并且可能無法正常工作。

纖毛與多種人類疾病有關(guān)，包括多囊腎疾病，該疾病影響了約60萬美國人，需要透析。原發(fā)性睫狀運動障礙，引起慢性肺部疾病，器官移位和不育;Bardet-Biedl綜合征，導(dǎo)致患者在兒童時期變得盲目并導(dǎo)致糖尿病，腎臟疾病和極端肥胖;以及許多先天性心臟缺陷，這些缺陷會在左右不對稱現(xiàn)象變得嚴重并且需要復(fù)雜的手術(shù)進行修復(fù)時發(fā)生。

在這項新研究中，研究人員使用一種稱為單粒子冷凍電子顯微鏡的技術(shù)，以嚴格的重復(fù)模式首次觀察了排列在纖毛內(nèi)部的33種特定蛋白質(zhì)(在稱為纖毛微管雙峰的結(jié)構(gòu)中)。

張說：“在進行這項工作之前，每個人都認為纖毛內(nèi)部的這些蛋白質(zhì)只是穩(wěn)定了結(jié)構(gòu)，這對一部分蛋白質(zhì)是正確的，尤其是當考慮到纖毛持續(xù)跳動產(chǎn)生的力時。” “但是基于它們在該結(jié)構(gòu)內(nèi)部的排列方式，我們認為這些蛋白質(zhì)在做更多的事情。”

由于許多蛋白質(zhì)通過纖毛突出，Zhang和他的同事推測它們可以使睫毛微管雙聯(lián)體的內(nèi)部和外部進行通訊。控制使重要的生化反應(yīng)成為可能的酶的功能;并感知環(huán)境中鈣濃度的變化，這在觸發(fā)纖毛跳動中起作用。

華盛頓大學遺傳學教授蘇珊·荷蘭德(Susan K. Dutcher)說：“在鑒定出的蛋白質(zhì)中，有五種與已經(jīng)在小鼠和人類中研究的疾病有關(guān)。” “但是直到現(xiàn)在，還沒有人知道這些蛋白是在纖毛內(nèi)部發(fā)現(xiàn)的。我們才剛剛開始了解它們在正常和疾病狀態(tài)中的作用。”

研究人員在一種名為藻類衣藻的藻類中研究了纖毛，這是一種單細胞生物，其纖毛的結(jié)構(gòu)和生化特性與包括人在內(nèi)的更復(fù)雜的生物相似。荷蘭人有興趣回答的一個問題是，構(gòu)成纖毛結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)如何控制纖毛執(zhí)行的運動類型。單細胞萊茵衣藻的纖毛能夠進行多種運動。

荷蘭人說：“在某些情況下，纖毛正在做您可能認為是中風的事情。” “在其他情況下，該運動更多是S形波。哺乳動物中許多細胞的纖毛只能產(chǎn)生其中一種運動。但是，單細胞的萊茵衣藻(C. reinhardtii)也許可以幫助適應(yīng)環(huán)境這就是為什么我們在醫(yī)學院學習藻類的原因。我們可以在這些纖毛的纖毛中研究的遺傳問題與人類中可能發(fā)生的問題相似，常常造成破壞性后果。”

Zhang，Dutcher及其同事計劃使用最新的低溫電子顯微鏡技術(shù)研究纖毛內(nèi)部33種蛋白質(zhì)中每種蛋白質(zhì)的衣原體突變體，以尋求對由于這種新的詳細結(jié)構(gòu)知識而引起的許多問題的答案。