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作者：Sophia

导读：鞭毛是纤毛或鞭毛上的毛发状侧翼附属物，参与机械感觉和细胞运动，但其组成和结构尚不清楚。

2024年3月28日，清华大学/深圳医学科学院颜宁、清华大学闫创业及潘俊敏共同通讯在《Cell》发表题为“Structure-guided discovery of protein and glycan components in native mastigonemes”的研究论文，研究报道了从莱茵衣藻纤毛中分离的天然纤绒毛 (Mastigoneme) 3.0 Å分辨率的冷冻电镜结构。

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)00240-X

研究背景

01

纤毛或鞭毛突出到细胞外环境中，具有检测环境变化和促进细胞运动的双重目的。一些单细胞原生生物的纤毛衬有侧毛，称为乳鞭毛。先前的研究表明，乳鞭毛可能参与对机械刺激的感知。它们还可以通过增加纤毛蛙泳运动期间的有效表面积来增强纤毛推进力。

乳鞭毛分为管状乳鞭毛和非管状乳鞭毛。虽然管状乳鞭毛（通常长 1 μm，直径 15-19 nm）相对坚硬，但非管状乳鞭毛较短（∼0.8 μm）、较薄（∼10 nm）、柔韧且易于脱落。衣藻的纤毛上是非管状乳鞭毛，被认为与多囊肾病蛋白（PKD2）（也称为多囊藻毒素-2 [PC-2]）相关，这是一种瞬时受体电位（TRP）家族通道，其跨膜区域共享电压门控离子通道（VGIC）折叠。在哺乳动物细胞的初级纤毛上，PKD2的三个亚基与一个PKD1（也称为PC-1）组装在一起，PKD1具有巨大的多结构域细胞外区域，形成异源四聚体。然而，PKD1/PKD2异构体的生理功能尚未完全了解，异质复合物是否具有通道活性仍存在争议。

衣藻上的乳鞭毛菌被预测为由高度糖基化的乳鞭毛体样蛋白 1 （Mst1）制成的螺旋聚合物。由于乳鞭毛体缺乏高分辨率结构，完整的组件、精确的组装以及与 PKD2 的潜在相互作用的细节仍然很大。此外，聚糖的结构或功能作用仍然难以捉摸。

糖基化是翻译后修饰(PTM)的一种主要形式，它显著地扩展了蛋白质的结构复杂性和功能多样性。糖基化通常通过点突变或去糖基化来去除，以改善基因的均匀性蛋白质结晶。使用单粒子冷冻电镜(cryo-EM)进行结构分析，可以保存糖基化。然而，由于多糖链固有的柔韧性，在EM图中只能分辨出靠近修饰残基的几个糖基。碳水化合物结构信息的缺乏严重限制了人们对一类主要生物分子的理解。

研究进展

02

已知植物和藻类具有独特的Hyp O-糖基化，其中低聚糖主要由阿拉伯糖和少量半乳糖组成。Hyp O-糖基化是植物和藻类细胞壁、根尖和根毛的主要成分。这些聚糖均无结构信息。这里介绍的乳鞭毛烯结构揭示了阿拉伯糖聚糖在生物结构的高阶组装中的结构作用，从而为理解植物和藻类中的类似模式提供了启示。

我们的研究展示了现代结构生物学在发现未表征的生物分子方面的力量。Mstax的鉴定完全通过高分辨率3D EM重建和结构建模进行指导。虽然整个Mstax蛋白中只有三分之一在结构上被揭示出来，但其功能意义是明显而重要的。Mstax 充当 mastigoneme 的轴。由于乳鞭毛单独（而不是成对或成簇）从纤毛的外侧突出，因此每个乳腺中应该只有一个Mstax的拷贝（图5D）。

乳鞭毛组织和组装的模型。中央 Mstax 作为组织中心，从膜一直到乳鞭毛体的远端。Mstax 的中央 MHR 域用作组装 Mst1 护套的装卸码头。在碱基上，PKD2 的小相互作用者（SIP）可以为 Mstax 的 PKD2 样结构域提供 S1 片段，以共同形成具有三个 PKD2 原生体的异质复合物。Mstax 的大型细胞内 C 末端结构域（CTD）由 1,500 多个残基组成，可能与纤毛内蛋白相互作用，例如微管双峰（DMT）。

研究结果

03

本研究，报道了从莱茵衣藻纤毛中分离的天然纤绒毛（Mastigoneme）3.0 Å分辨率的冷冻电镜结构。长茎形成一个超级螺旋，每个螺旋旋转由四对反平行的纤绒毛素样蛋白1 (Mst1)组成。在Mst1中，在II型聚羟基脯氨酸(Hyp)螺旋周围发现了大量阿拉伯糖聚糖，它们代表了植物和藻类中常见的一类糖基化。EM图谱揭示了纤绒毛轴心蛋白(Mstax)，该蛋白富含重度糖基化的Hyp，并含有PKD2样跨膜结构域(TMD)。Mstax有近8000个残基，从细胞内区域到纤绒毛素的远端，为Mst1的组装提供了框架。该研究提供了对天然生物结构中蛋白质和聚糖相互作用复杂性的见解。

参考资料：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)00240-X

注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。

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